Mosfet là gì? Đặc điểm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động của Mosfet.

1. Mosfet là gì?

Mosfet – viết tắt của Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor trong Tiếng Anh, là Transistor hiệu ứng trường kim loại - oxit bán dẫn, là thuật ngữ chỉ các transistor hiệu ứng trường FET được xây dựng dựa trên lớp chuyển tiếp Oxit Kim loại và bán dẫn (ví dụ Oxit Bạc và bán dẫn Silic) tạo ra lớp cách điện mỏng giữa cực cổng (gate) kim loại với vùng bán dẫn hoạt động nối giữa cực nguồn (Source) và cực máng (Drain)

Hình 01: Mosfet là gì?

2. Đặc điểm của Mosfet.

Mosfet có khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường. Vì do đóng cắt nhanh làm cho dòng điện biến thiên. Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao.

Hình 02: Đặc điểm của Mosfet

MOSFET được sử dụng rất phổ biến trong cả các mạch kỹ thuật số và các mạch tương tự. Giống như FET, MOSFET có hai lớp chính chia theo kiểu kênh dẫn được sử dụng:

• N-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S
• P-MOSFET: Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs <0. Dòng điện sẽ đi từ S đến D, điện áp khóa là Ugs~0.

Từ kiến trúc cơ bản của MOSFET có nhiều biến thể dẫn xuất khác nhau để tạo ra phần tử có đặc trưng thích hợp với các ứng dụng cụ thể. Ví dụ MOSFET nhiều cổng hay MuGFET (multigate field-effect transistor), MESFET (metal–semiconductor field-effect transistor), MOSFET công suất lớn (Power MOSFET), ...

Do bố trí cực cổng cách ly mà MOSFET còn được gọi là "transistor hiệu ứng trường cổng cách ly" (Insulated Gate Field-effect Transistor), viết tắt là IGFET. Tên gọi IGFET sát nghĩa hơn với các FET có thực thể điều khiển ở cực cổng không phải là kim loại, mà là các kết cấu tích lũy điện tích khác, như dung dịch điện phân trong các FET cảm biến sinh học (Bio-FET), FET cảm biến enzym (ENFET), FET cảm biến pH (pHFET), FET cảm biến khí (GASFET), ...

Thông thường chất bán dẫn được chọn là silic nhưng có một số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silic và germani (SiGe), ví dụ như hãng IBM. Ngoài silic và germani còn có một số chất bán dẫn khác như gali arsenua có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp nên không thể dùng để chế tạo các transistor MOSFET.

3. Cấu tạo của Mosfet.

Hình 03: Cấu tạo của Mosfet

Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều khiển cực nhỏ.. Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N

• G (Gate): cực cổng. G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic
• S (Source): cực nguồn
• D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện

Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS)

Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.

4. Nguyên lý hoạt động của Mosfet

Hình 04: Nguyên lý hoạt động của Mosfer

Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng .

Mạch điện tương đương của Mosfet. Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.

• Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs0. Dòng điện sẽ đi từ S đến D
• Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.

Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất: Mosfet kênh N điện áp khóa là Ugs = 0 V còn kênh P thì Ugs=~0.