Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors (MOSFETs) ເປັນອຸປະກອນ semiconductor ທີ່ສໍາຄັນທີ່ສຸດໃນເຄື່ອງເອເລັກໂຕຣນິກສະໄຫມໃຫມ່. ການດໍາເນີນງານທີ່ຄວບຄຸມแรงดัน, impedance input ສູງ ແລະ ຄວາມສາມາດໃນການປ່ຽນແປງທີ່ວ່ອງໄວເຮັດໃຫ້ມັນເຫມາະສົມສໍາລັບໂປຣແກຣມທາງດ້ານdigital, analog ແລະ ພະລັງງານ. ບົດຄວາມນີ້ອະທິບາຍໂຄງສ້າງ, ການດໍາເນີນງານ, ປະເພດ, ແພັກເກດ, ຜົນປະໂຫຍດ ແລະ ການນໍາໃຊ້ຕົວຈິງ MOSFET ຢ່າງຊັດເຈນ.
ຄ1. ພາບລວມຂອງ MOSFET
ຄ2. ເຄື່ອງຫມາຍ MOSFET ແລະ terminals
ຄ3. ໂຄງສ້າງພາຍໃນຂອງ MOSFET
ຄ4. ຫຼັກການເຮັດວຽກ MOSFET
ຄ5. ການດໍາເນີນງານ MOSFET ໃນຖານະເປັນເຄື່ອງປ່ຽນເອເລັກໂຕຣນິກ
ຄ6. ປະເພດຂອງ MOSFETs
ຄ7. ແພັກເກດ MOSFET
ຄ8. ການນໍາໃຊ້ MOSFETs
ຄ9. ข้อดีແລະຂໍ້ເສຍຫາຍຂອງ MOSFETs
ຄ10. ສະຫລຸບ
ຄ11. ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]
ພາບລວມຂອງ MOSFET
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ເປັນ transistor ທີ່ກະແສໄຟຟ້າຖືກຄວບຄຸມໂດຍທົ່ງໄຟຟ້າທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍแรงดันທີ່ໃຊ້ກັບປະຕູ. ມັນຍັງຖືກເອີ້ນວ່າ IGFET (Insulated-Gate Field-Effect Transistor) ເພາະປະຕູຖືກປ້ອງກັນດ້ວຍໄຟຟ້າຈາກຊ່ອງ semiconductor ໂດຍຊັ້ນບາງໆຂອງ silicon dioxide (SiO₂). insulation ນີ້ເຮັດໃຫ້ impedance input ສູງຫຼາຍ ແລະ ອະນຸຍາດໃຫ້ອຸປະກອນດໍາເນີນງານເປັນສ່ວນປະກອບທີ່ຄວບຄຸມแรงดัน, ບ່ອນທີ່ gate-to-source voltage (VGS) ຄວບຄຸມການນໍາພາລະຫວ່າງລະບາຍແລະແຫຼ່ງ.
ເຄື່ອງຫມາຍ MOSFET ແລະ Terminals
MOSFET ມີສີ່terminal: Gate (G), Drain (D), Source (S) ແລະ Body or Substrate (B). ໃນອຸປະກອນທີ່ໃຊ້ການໄດ້ສ່ວນຫຼາຍ, ຮ່າງກາຍຈະຕິດຕໍ່ກັບແຫຼ່ງພາຍໃນ, ດັ່ງນັ້ນ MOSFET ຈຶ່ງເປັນຕົວແທນແລະໃຊ້ເປັນອຸປະກອນສາມປາຍ.
ໂຄງສ້າງພາຍໃນຂອງ MOSFET
MOSFET ຖືກສ້າງຂຶ້ນອ້ອມຮອບໂຄງສ້າງປະຕູປ້ອງກັນ. ເອເລັກໂຕຣນິກປະຕູຖືກແຍກອອກຈາກຜິວຫນ້າຂອງ semiconductor ດ້ວຍຊັ້ນ SiO₂ ບາງໆ. ພາຍໃຕ້ອົກຊີແຊນນີ້, ແຫຼ່ງທີ່ໃຊ້ຢາເສບຕິດຫຼາຍແລະຂອບເຂດລະບາຍນໍ້າຈະຖືກສ້າງຂຶ້ນ, ແລະຊ່ອງທາງທີ່ນໍາພາຈະປາກົດຂຶ້ນລະຫວ່າງສອງເຂດນັ້ນເມື່ອອຸປະກອນມີລໍາອຽງຢ່າງເຫມາະສົມ.
ໃນອຸປະກອນ NMOS ທົ່ວໄປ, ພື້ນຖານເປັນແບບ p, ໃນຂະນະທີ່ແຫຼ່ງແລະລະບາຍເປັນແບບ n. ຖ້າບໍ່ມີຄວາມລໍາອຽງຂອງປະຕູ, ບໍ່ມີເສັ້ນທາງນໍາພາທີ່ແຂງແຮງລະຫວ່າງແຫຼ່ງແລະລະບາຍ, ເຮັດໃຫ້ MOSFETs ເຫມາະສົມສໍາລັບໂປຣແກຣມທີ່ຕ້ອງການສະພາບ ON ແລະ OFF ທີ່ແຈ່ມແຈ້ງ.
ຫຼັກການເຮັດວຽກ MOSFET
MOSFET ຄວບຄຸມກະແສໄຟຟ້າໂດຍໃຊ້ທົ່ງໄຟຟ້າທີ່ສ້າງຂຶ້ນໂດຍປະຕູ. ປະຕູແລະຊັ້ນອົກຊີແຊນປະກອບເປັນໂຄງສ້າງທີ່ຄ້າຍຄືກັບ capacitor ເຊິ່ງມັກເອີ້ນວ່າ capacitor MOS. ກະ ແສ ນ້ໍາ ທີ່ ສໍາ ຄັນ ຈະ ໄຫລ ພຽງ ແຕ່ ເມື່ອ volt ຂອງ ປະ ຕູ ສ້າງ ຊ່ອງ ທາງ conductive ເທົ່າ ນັ້ນ.
ສໍາລັບອຸປະກອນ NMOS, voltage ປະຕູບວກດຶງດູດເອເລັກໂຕຣອນໄປຫາຫນ້າຕໍ່ຫນ້າອົກຊີແຊນ. ເມື່ອแรงดันປະຕູເກີນກວ່າแรงดันຈໍາກັດ (VTH), ຊ່ອງທາງນໍາຈະເກີດຂຶ້ນລະຫວ່າງແຫຼ່ງແລະລະບາຍ. ການ ເພີ່ມ VGS ຈະ ເພີ່ມ ຄວາມ ເຂັ້ມ ແຂງ ໃຫ້ ແກ່ ຊ່ອງ ແລະ ເພີ່ມ ທະວີ ກະ ແສ ນ້ໍາ (ID).
ການດໍາເນີນງານແບບ Depletion-Mode
MOSFET ແບບ depletion-mode ຕາມປົກກະຕິຈະເປີດ. ດ້ວຍ volt ປະຕູ zero, ຊ່ອງ conductive ຈະ ມີ ຢູ່ ແລະ ກະ ແສ ຈະ ໄຫລ ເມື່ອ VDS ຖືກ ນໍາ ໃຊ້. ຄວາມລໍາອຽງຂອງປະຕູໃນແງ່ບວກຈະເພີ່ມການນໍາພາຂອງຊ່ອງ, ໃນຂະນະທີ່ຄວາມລໍາອຽງຂອງປະຕູໃນແງ່ລົບຈະລົດຄວາມເປັນພາຫະນະແລະສາມາດຂັບໄລ່ອຸປະກອນໄປສູ່ການຕັດ. ສິ່ງນີ້ຊ່ວຍໃຫ້ຄວບຄຸມກະແສໄຟຟ້າໄດ້ຢ່າງສະດວກໂດຍໃຊ້ປະຕູ.
ການດໍາເນີນການແບບ Enhancement-Mode
MOSFET ແບບ ເພີ່ມ ທະວີ ຕາມ ປົກກະຕິ ຈະ ປິດ. ດ້ວຍ VGS = 0, ບໍ່ມີຊ່ອງແລະອຸປະກອນບໍ່ນໍາພາ. ເມື່ອ VGS ເກີນກວ່າ VTH, ຊ່ອງຈະເກີດຂຶ້ນແລະກະແສຈະໄຫຼ.
ໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວການດໍາເນີນງານຂອງມັນແມ່ນໃຊ້ສາມພາກຄື:
• ຂອບເຂດ Cutoff: VGS ຕ່ໍາກວ່າມາດຕະຖານ, MOSFET OFF
• ຂອບເຂດ Ohmic (linear): ອຸປະກອນປະພຶດຄືກັບຕົວຕ້ານທານທີ່ຄວບຄຸມแรงดัน
• ຂອບເຂດຄວາມอิ่มตัว: ກະແສນ້ໍາໄຫຼສ່ວນໃຫຍ່ຖືກຄວບຄຸມໂດຍแรงดันປະຕູ
ການດໍາເນີນງານ MOSFET ໃນຖານະເປັນເຄື່ອງປ່ຽນແປງເອເລັກໂຕຣນິກ
MOSFETs ຖືກໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງເປັນເຄື່ອງປ່ຽນແປງເອເລັກໂຕຣນິກສໍາລັບການຄວບຄຸມພາລະຫນັກ. ເມື່ອแรงดันປະຕູເຖິງແຫຼ່ງເຖິງລະດັບທີ່ຕ້ອງການ, MOSFET ຈະເປີດແລະນໍາໄປລະຫວ່າງລະບາຍແລະແຫຼ່ງ. ການ ຖອດ ຫລື ຫັນ ກັບ ຄືນ ປະຕູ voltage ຈະ ປິດ ອຸປະກອນ.
ໃນຫມວດທີ່ໃຊ້ການໄດ້, ສ່ວນປະກອບເພີ່ມເຕີມຈະປັບປຸງຄວາມເຊື່ອຖືຂອງການປ່ຽນແປງ. ປະຕູ pull-down resistor ປ້ອງ ກັນ ການ ເປີດ ໂດຍ ບໍ່ ໄດ້ ຕັ້ງ ໃຈ ເມື່ອ ສັນຍານ ຄວບ ຄຸມ ລອຍ ຢູ່. ໃນ ໂປຣເເກຣມ ທີ່ ປ່ຽນ ແປງ ຢ່າງ ວ່ອງໄວ ດັ່ງ ເຊັ່ນ ການ ຄວບ ຄຸມ PWM, gate resistor ຊ່ວຍ ຄວບ ຄຸມ ປະຕູ ແລະ ຫລຸດຜ່ອນ ສຽງ ດັງ ແລະ EMI.
ປະເພດ ນ້ໍາຫນັກ ກໍ ສໍາຄັນ ຄື ກັນ. ພາລະຫນັກ inductive ເຊັ່ນ motor ແລະ relays ສາມາດກໍ່ໃຫ້ເກີດໄຟຟ້າສູງເມື່ອປິດ, ໃນຂະນະທີ່ນ້ໍາຫນັກ capacitive ສາມາດເຮັດໃຫ້ເກີດກະແສໄຟຟ້າໃຫຍ່. ສ່ວນ ປະກອບ ທີ່ ປົກ ປ້ອງ ມັກ ຈະ ຖືກ ຮຽກຮ້ອງ ເພື່ອ ປ້ອງ ກັນ ຄວາມ ເສຍ ຫາຍ ຂອງ MOSFET.
ປະເພດຂອງ MOSFETs
ໂດຍວິທີການດໍາເນີນງານ
• Enhancement-mode MOSFET (E-MOSFET): ບໍ່ມີຊ່ອງ conductive ທີ່ບໍ່ມີປະຕູ. ຕ້ອງໃຊ້ VGS ທີ່ເຫມາະສົມເພື່ອສ້າງຊ່ອງແລະອະນຸຍາດໃຫ້ກະແສໄຫຼ.
• Depletion-mode MOSFET (D-MOSFET): ຊ່ອງ conductive ມີຢູ່ທີ່ zero gate voltage. ການນໍາໃຊ້ຄວາມລໍາອຽງຂອງປະຕູກົງກັນຂ້າມຈະຫລຸດຜ່ອນການນໍາພາຂອງຊ່ອງແລະສາມາດປິດອຸປະກອນໄດ້.
ຕາມປະເພດຊ່ອງ
• N-channel (NMOS): ໃຊ້ເອເລັກໂຕຣອນເປັນພາຫະນະສ່ວນໃຫຍ່ ແລະ ໂດຍທົ່ວໄປໃຫ້ຄວາມໄວສູງກວ່າ ແລະ ຄວາມຕ້ານທານຕໍ່າກວ່າ.
• P-channel (PMOS): ໃຊ້ຮູເປັນຜູ້ຂົນສົ່ງສ່ວນໃຫຍ່ ແລະມັກຖືກເລືອກໃນບ່ອນທີ່ຕ້ອງການແບບແຜນການຂັບປະຕູທີ່ງ່າຍກວ່າ.
ແພັກເກດ MOSFET
MOSFETs ມີຢູ່ໃນແພັກເກດຫຼາຍຊະນິດເພື່ອໃຫ້ເຫມາະກັບລະດັບພະລັງງານແລະຄວາມຮ້ອນທີ່ແຕກຕ່າງກັນ.
• ພື້ນທີ່ຕິດຕັ້ງ: TO-263, TO-252, SO-8, SOT-23, SOT-223, TSOP-6
• ຜ່ານຫລຸມ: TO-220, TO-247, TO-262
• PQFN: 2×2, 3×3, 5×6
• DirectFET: M4, MA, MD, ME, S1, SH
ການນໍາໃຊ້ MOSFETs
• Amplifiers: ໃຊ້ໃນຫມວດຂະຫຍາຍแรงดันແລະກະແສ, ໂດຍສະເພາະໃນຂັ້ນຕອນການເຂົ້າທີ່ຕ້ອງການ impedance input ສູງແລະປະສິດທິພາບສຽງຕໍ່າ.
• Switching power supply: ສ່ວນປະກອບພື້ນຖານໃນ DC-DC converters ແລະ SMPS circuits, ໃຫ້ການປ່ຽນແປງຄວາມໄວສູງທີ່ມີປະສິດທິພາບພ້ອມກັບການສູນເສຍພະລັງງານຫນ້ອຍທີ່ສຸດ.
• Digital logic: ເປັນພື້ນຖານຂອງ CMOS logic, ເຮັດໃຫ້ການດໍາເນີນງານທີ່ໄວ້ວາງໃຈໄດ້ຂອງ microprocessors, microcontrollers ແລະ digital ICs ທີ່ມີການກະຈາຍພະລັງງານສະຖິຕິຕໍ່າ.
• ການຄວບຄຸມພະລັງງານ: ໃຊ້ໃນລະບົບປ່ຽນພາຫະນະ, ເຄື່ອງຄວບຄຸມแรงดัน, ຜູ້ຂັບລົດ ແລະ ລະບົບຄວບຄຸມພະລັງງານເພື່ອຄວບຄຸມແລະຄວບຄຸມພາລະຫນັກທີ່ມີກະແສສູງຢ່າງມີປະສິດທິພາບ.
• ອຸປະກອນຄວາມຊົງຈໍາ: ໃຊ້ໃນເຕັກໂນໂລຊີ RAM ແລະ flash memory ເຊິ່ງໂຄງສ້າງທີ່ອີງໃສ່ MOS ເຮັດໃຫ້ການເກັບຂໍ້ມູນມີຄວາມຫນາແຫນ້ນສູງ ແລະ ການອ່ານ/ຂຽນໄດ້ໄວ.
ข้อดีແລະຂໍ້ເສຍຫາຍຂອງ MOSFETs
ຜົນປະໂຫຍດ
• ຄວາມໄວໃນການປ່ຽນແປງສູງ: ເຮັດໃຫ້ການດໍາເນີນງານມີປະສິດທິພາບໃນໂປຣແກຣມການປ່ຽນແປງທາງດ້ານดิจิตอลທີ່ມີຄວາມໄວສູງແລະໄວ.
• ການໃຊ້ພະລັງງານຕໍ່າ: ຕ້ອງໃຊ້ກະແສປະຕູຫນ້ອຍຫຼາຍ, ເຮັດໃຫ້ MOSFETs ເຫມາະສົມສໍາລັບຫມວດທີ່ໃຊ້ພະລັງງານແລະໃຊ້ໄຟຟ້າ.
• impedance input ສູງຫຼາຍ: ຫລຸດຜ່ອນຜົນກະທົບຂອງການโหลดໃນຂັ້ນຕອນກ່ອນ ແລະ ເຮັດໃຫ້ຫມວດຂັບໄລ່ງ່າຍຂຶ້ນ.
• ປະສິດທິພາບສຽງຕໍ່າ: ເຫມາະສົມສໍາລັບໂປຣແກຣມຂະຫຍາຍສັນຍານຕໍ່າ ແລະ analog ບ່ອນທີ່ຈໍາເປັນຕ້ອງມີຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງສັນຍານ.
ຂໍ້ເສຍຫາຍ
• ຄວາມຮູ້ສຶກຂອງປະຕູອົກຊີແຊນ: ຊັ້ນອົກຊີແຊນບາງໆມີຄວາມອ່ອນແອຕໍ່ການປ່ອຍໄຟຟ້າ (ESD) ແລະ ປະຕູເກີນໄປ, ຕ້ອງໃຊ້ການຈັດການແລະການປົກປ້ອງຢ່າງລະມັດລະວັງ.
• ການເພິ່ງພາອາໄສອຸນຫະພູມ: ປັດໄຈທາງໄຟຟ້າເຊັ່ນ ຂອບເຂດ voltage ແລະ on-resistance ແຕກຕ່າງກັນໄປຕາມອຸນຫະພູມ, ມີຜົນກະທົບຕໍ່ຄວາມຫມັ້ນຄົງຂອງການດໍາເນີນງານ.
• ຂໍ້ຈໍາກັດຂອງแรงดัน: MOSFETs ບາງຊະນິດມີລະດັບแรงดันສູງສຸດຕໍ່າ, ຈໍາກັດການໃຊ້ໃນໂປຣແກຣມທີ່ມີแรงดันສູງ.
• ຄ່າຜະລິດທີ່ສູງກວ່າ: ຂະບວນການຜະລິດທີ່ກ້າວຫນ້າສາມາດເພີ່ມລາຄາຂອງອຸປະກອນເມື່ອສົມທຽບກັບເຕັກໂນໂລຊີ transistor ທີ່ງ່າຍກວ່າ.
ການສະຫລຸບ
MOSFETs ຖືກນໍາໃຊ້ຢ່າງກວ້າງຂວາງໃນລະບົບເອເລັກໂຕຣນິກສະໄຫມໃຫມ່, ຈາກການຈັດການສັນຍານທີ່ມີພະລັງຕໍ່າຈົນເຖິງການປ່ຽນແປງພະລັງງານທີ່ມີປະສິດທິພາບສູງ. ການເຂົ້າໃຈໂຄງສ້າງ, ຫຼັກການດໍາເນີນງານ, ພຶດຕິກໍາການປ່ຽນແປງ ແລະ ຂໍ້ຈໍາກັດເຮັດໃຫ້ການເລືອກອຸປະກອນແລະການອອກແບບຫມວດມີປະສິດທິພາບຫຼາຍຂຶ້ນ. ຄວາມສາມາດ, ຄວາມໄວ ແລະ ປະສິດທິພາບຂອງມັນເຮັດໃຫ້ແນ່ໃຈວ່າ MOSFETs ຍັງເປັນສ່ວນປະກອບທີ່ເປັນປະໂຫຍດໃນເຕັກໂນໂລຊີໃນປະຈຸບັນ ແລະ ໃນອະນາຄົດ.
ຄໍາຖາມທີ່ຖາມເລື້ອຍໆ [FAQ]
ຂ້ອຍຈະເລືອກ MOSFET ທີ່ເຫມາະສົມສໍາລັບຫມວດຂອງຂ້ອຍໄດ້ແນວໃດ?
ເລືອກ MOSFET ໂດຍອີງໃສ່ປັດໄຈສໍາຄັນເຊັ່ນ: ລະດັບแรงดันຂອງແຫຼ່ງນ້ໍາ (VDS), ກະແສໄຟຟ້າຕໍ່ເນື່ອງ (ID), ຄວາມຕ້ານທານ (RDS(on)), แรงดันຈໍາກັດປະຕູ (VTH) ແລະ ຂີດຈໍາກັດຄວາມຮ້ອນຂອງແພັກເກດ. ການໃຫ້ຄະແນນເຫຼົ່ານີ້ສອດຄ່ອງກັບຂໍ້ຮຽກຮ້ອງຂອງພາລະຫນັກ, แรงดัน ແລະ ຄວາມໄວໃນການປ່ຽນແປງຂອງເຈົ້າເຮັດໃຫ້ແນ່ໃຈວ່າການດໍາເນີນງານທີ່ປອດໄພ ແລະ ມີປະສິດທິພາບ.
RDS(on) ແມ່ນຫຍັງ ແລະ ເປັນຫຍັງມັນຈຶ່ງສໍາຄັນໃນ MOSFETs?
RDS(on) ແມ່ນຄວາມຕ້ານທານຈາກການລະບາຍຕໍ່ແຫຼ່ງເມື່ອເປີດ MOSFET ເຕັມທີ່. RDS (on) ທີ່ຕ່ໍາກວ່າຈະຫລຸດຜ່ອນການສູນເສຍການນໍາພາ, ການສ້າງຄວາມຮ້ອນ ແລະ ການລະບາຍພະລັງງານ, ເຮັດໃຫ້ມັນສໍາຄັນເປັນພິເສດໃນການປ່ຽນແປງພະລັງງານ ແລະ ການນໍາໃຊ້ກະແສໄຟຟ້າສູງ.
ເປັນຫຍັງ MOSFET ຈຶ່ງຮ້ອນເຖິງແມ່ນວ່າມັນເປີດເຕັມທີ່?
ຄວາມຮ້ອນ MOSFET ເກີດຂຶ້ນເນື່ອງຈາກການສູນເສຍການນໍາພາ (ການສູນເສຍ I²R ຈາກ RDS (on)), ການສູນເສຍການປ່ຽນແປງໃນລະຫວ່າງການເປີດແລະປິດ, ແລະການລະບາຍຄວາມຮ້ອນບໍ່ພຽງພໍ. ຮູບແບບ PCB ທີ່ບໍ່ດີ, ການຈຸ່ມຄວາມຮ້ອນບໍ່ພຽງພໍ ຫຼື ການປ່ຽນແປງຫຼາຍເກີນໄປສາມາດເພີ່ມອຸນຫະພູມຂອງອຸປະກອນໄດ້ຢ່າງຫລວງຫລາຍ.
MOSFET ສາມາດຂັບໄລ່ໂດຍກົງໂດຍໄມໂກຣກໄດ້ບໍ?
ແມ່ນແລ້ວ, ແຕ່ຖ້າຫາກວ່າ MOSFET ເປັນອຸປະກອນລະດັບ logic. MOSFETs ລະດັບ logic ຖືກອອກແບບໃຫ້ເປີດຢ່າງເຕັມທີທີ່แรงดันປະຕູຕໍ່າ (ຕາມປົກກະຕິແລ້ວ 3.3 V ຫຼື 5 V). MOSFETs ມາດຕະຖານອາດຕ້ອງໃຊ້แรงดันປະຕູທີ່ສູງກວ່າແລະອາດບໍ່ປ່ຽນຢ່າງມີປະສິດທິພາບເມື່ອຂັບໂດຍກົງ.
ອັນໃດເຮັດໃຫ້ MOSFET ຫຼົມແຫຼວໃນຫມວດແທ້?
ສາເຫດທົ່ວໄປລວມເຖິງแรงดันປະຕູຫຼາຍເກີນໄປ, ຄວາມເສຍຫາຍ ESD, ຄວາມຮ້ອນເກີນໄປ, แรงดันສູງຈາກພາລະຫນັກ inductive ແລະ ການດໍາເນີນງານເກີນຂອບເຂດທີ່ກໍານົດໄວ້. ການປົກປ້ອງປະຕູທີ່ເຫມາະສົມ, flyback diodes, ຫມວດ snubber ແລະ ການຈັດການຄວາມຮ້ອນຊ່ວຍເພີ່ມຄວາມໄວ້ວາງໃຈຂອງ MOSFET ໄດ້ຫຼາຍ.