Noções básicas do MOSFET: 13 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Olá! Neste Instructable, vou ensinar-lhe o básico de MOSFETs, e por básico, quero dizer realmente básico. Este vídeo é ideal para uma pessoa que nunca estudou MOSFET profissionalmente, mas deseja usá-lo em projetos. Vou falar sobre os MOSFETs dos canais nep, como usá-los, como eles são diferentes, por que ambos são importantes, por que os drivers de MOSFET e coisas assim. Também falarei sobre alguns fatos pouco conhecidos sobre MOSFETs e muito mais.

Vamos entrar nisso.

Etapa 1: assista ao vídeo

Os vídeos trazem todos os detalhes necessários para a construção deste projeto. O vídeo traz algumas animações que ajudarão na rápida apreensão dos fatos. Você pode assisti-lo se preferir recursos visuais, mas se preferir texto, siga as próximas etapas.

Etapa 2: O FET

Antes de iniciar os MOSFETs, deixe-me apresentar a você seu predecessor, o JFET ou Junction Field Effect Transistor. Isso tornará a compreensão do MOSFET um pouco mais fácil.

A seção transversal de um JFET é mostrada na imagem. Os terminais são idênticos aos terminais MOSFETs. A parte central é chamada de substrato ou corpo e é apenas um semicondutor do tipo n ou p, dependendo do tipo de FET. As regiões são então cultivadas no substrato com tipo oposto ao do substrato são chamadas de porta, dreno e fonte. Qualquer voltagem aplicada, você aplica a essas regiões.

Hoje, do ponto de vista prático, tem pouca ou nenhuma importância. Não vou buscar mais explicações além disso, pois vai ficar muito técnico e não é necessário de qualquer maneira.

O símbolo do JFET nos ajudará a entender o símbolo do MOSFET.

Etapa 3: O MOSFET

Depois disso vem o MOSFET, tendo uma grande diferença no terminal do portão. Antes de fazer os contatos para o terminal da porta, uma camada de dióxido de silício é desenvolvida acima do substrato. Este é o motivo pelo qual é denominado Transistor de efeito de campo semicondutor de óxido metálico. SiO2 é um dielétrico muito bom, ou você pode dizer isolante. Isso aumenta a resistência da porta na escala de dez à potência de dez ohms e assumimos que em uma porta MOSFET a corrente Ig é sempre zero. Esta é a razão pela qual ele também é chamado de Transistor de efeito de campo de porta isolada (IGFET). Uma camada de um bom condutor como o alumínio é crescida adicionalmente acima de todas as três regiões e, em seguida, os contatos são feitos. Na região da porta, você pode ver que uma estrutura semelhante a um capacitor de placa paralela é formada e realmente introduz uma capacitância considerável no terminal da porta. Essa capacitância é chamada de capacitância de porta e pode facilmente destruir seu circuito se não for levada em consideração. Isso também é muito importante durante o estudo em nível profissional.

O símbolo para MOSFETs pode ser visto na imagem anexa. Colocar outra linha no portão faz sentido ao relacioná-los aos JFETs, indicando que o portão foi isolado. A direção da seta neste símbolo representa a direção convencional do fluxo de elétrons dentro de um MOSFET, que é oposta àquela do fluxo de corrente

Etapa 4: MOSFET é um dispositivo de 4 terminais?

Mais uma coisa que eu gostaria de acrescentar é que a maioria das pessoas pensa que o MOSFET é um dispositivo de três terminais, enquanto na verdade os MOSFETs são um dispositivo de quatro terminais. O quarto terminal é o terminal do corpo. Você deve ter visto o símbolo anexado para MOSFET, o terminal central é para o corpo.

Mas por que quase todos os MOSFETs têm apenas três terminais saindo dele?

O terminal do corpo está internamente em curto com a fonte, pois não é útil nas aplicações desses CIs simples, e depois disso o símbolo se torna aquele com o qual estamos familiarizados.

O terminal do corpo é geralmente usado quando um CI de tecnologia CMOS complicado é fabricado. Lembre-se de que este é o caso do MOSFET do canal n, a imagem será um pouco diferente se o MOSFET for do canal p.

Etapa 5: Como funciona

Ok, agora vamos ver como funciona.

Um transistor de junção bipolar ou um BJT é um dispositivo controlado por corrente, o que significa que a quantidade de fluxo de corrente em seu terminal de base determina a corrente que fluirá através do transistor, mas sabemos que não há papel da corrente no terminal de porta dos MOSFETs e coletivamente podemos dizer que é um dispositivo controlado por tensão não porque a corrente da porta é sempre zero, mas por causa de sua estrutura que não explicarei neste Instructable por causa de sua complexidade.

Vamos considerar um MOSFET de canal n. Quando nenhuma tensão é aplicada no terminal do gate, existem dois diodos back to back entre o substrato e o dreno e a região da fonte, fazendo com que o caminho entre o dreno e a fonte tenha uma resistência da ordem de 10 à potência de 12 ohms.

Aterrei a fonte agora e comecei a aumentar a tensão da porta. Quando uma certa tensão mínima é atingida, a resistência cai e o MOSFET começa a conduzir e a corrente começa a fluir do dreno para a fonte. Essa tensão mínima é chamada de tensão limite de um MOSFET e o fluxo de corrente é devido à formação de um canal do dreno à fonte no substrato do MOSFET. Como o nome sugere, em um MOSFET de canal n, o canal é composto de n tipos de portadores de corrente, ou seja, elétrons, que é o oposto do tipo de substrato.

Etapa 6: Mas …

Só começou aqui. Aplicar a tensão limite não significa que você está pronto para usar o MOSFET. Se você olhar a folha de dados do IRFZ44N, um MOSFET de canal n, verá que em sua tensão de limiar, apenas uma certa corrente mínima pode fluir por ele. Isso é bom se você quiser usar apenas cargas menores como LEDs, mas, qual é o ponto então. Portanto, para usar cargas maiores que consomem mais corrente, você terá que aplicar mais tensão à porta. O aumento da tensão da porta melhora o canal, fazendo com que mais corrente flua através dele. Para ligar completamente o MOSFET, a tensão Vgs, que é a tensão entre a porta e a fonte, deve estar em torno de 10 a 12 Volts, o que significa que se a fonte estiver aterrada, a porta deve estar a 12 Volts ou mais.

Os MOSFET que acabamos de discutir são chamados de MOSFETs de tipo de aprimoramento, pois o canal é aprimorado com o aumento da tensão de porta. Existe outro tipo de MOSFET denominado MOSFET do tipo de depleção. A principal diferença está no fato de que o canal já está presente no MOSFET do tipo depleção. Esse tipo de MOSFETs geralmente não está disponível nos mercados. O símbolo para o tipo de esgotamento MOSFET é diferente, a linha contínua indica que o canal já está presente.

Etapa 7: Por que drivers MOSFET?

Agora, digamos que você esteja usando um microcontrolador para controlar o MOSFET, então você só pode aplicar um máximo de 5 Volts ou menos na porta, o que não será suficiente para cargas de alta corrente.

O que você pode fazer é usar um driver MOSFET como TC4420, você só precisa fornecer um sinal lógico em seus pinos de entrada e ele cuidará do resto ou você mesmo pode construir um driver, mas um driver MOSFET tem muito mais vantagens em o fato de que também cuida de várias outras coisas, como a capacitância da porta, etc.

Quando o MOSFET está completamente ligado, sua resistência é indicada por Rdson e pode ser facilmente encontrada na folha de dados.

Etapa 8: O MOSFET do Canal P

Um MOSFET de canal p é exatamente o oposto do MOSFET de canal n. A corrente flui da fonte para o dreno e o canal é feito de p tipos de portadores de carga, ou seja, orifícios.

A fonte em um MOSFET de canal p deve estar no potencial mais alto e para ligá-lo completamente, Vgs deve ser negativo de 10 a 12 Volts

Por exemplo, se a fonte estiver ligada a 12 Volts, a porta a zero volts deve ser capaz de ligá-la completamente e é por isso que geralmente dizemos aplicar 0 Volts à porta, transformando um canal ap MOSFET LIGADO e devido a esses requisitos, o driver MOSFET para O canal n não pode ser usado diretamente com o canal p MOSFET. Os drivers MOSFET do canal p estão disponíveis no mercado (como TC4429) ou você pode simplesmente usar um inversor com o driver MOSFET do canal n. Os MOSFETs de canal p têm resistência ON relativamente mais alta do que MOSFETs de canal, mas isso não significa que você sempre pode usar um MOSFET de canal n para quaisquer aplicações possíveis.

Etapa 9: mas por quê?

Digamos que você precise usar o MOSFET na primeira configuração. Esse tipo de chaveamento é chamado de chaveamento do lado baixo porque você está usando o MOSFET para conectar o dispositivo ao aterramento. Um MOSFET de canal n seria o mais adequado para este trabalho, pois Vgs não varia e pode ser facilmente mantido em 12 Volts.

Mas se você quiser usar um MOSFET de canal n para comutação do lado alto, a fonte pode estar em qualquer lugar entre o terra e Vcc, o que acabará afetando a tensão Vgs já que a tensão do gate é constante. Isso terá um grande impacto no funcionamento adequado do MOSFET. Além disso, o MOSFET queima se o Vgs exceder o valor máximo mencionado, que é cerca de 20 Volts em média.

Portanto, não é fácil usar MOSFETs de n canal aqui, o que fazemos é usar um MOSFET de canal p, apesar de ter uma maior resistência ON, pois tem a vantagem de que os Vgs serão constantes durante uma comutação de lado alto. Existem também outros métodos, como bootstrap, mas não os abordarei por enquanto.

Etapa 10: Curva Id-Vds

Por último, vamos dar uma olhada rápida nessa curva Id-Vds. Um MOSFET operado em três regiões, quando Vgs é menor do que a tensão de limiar, o MOSFET está na região de corte, ou seja, está desligado. Se Vgs for maior que a tensão de limiar, mas menor que a soma da queda de tensão entre o dreno e a fonte e a tensão de limiar, é dito que está na região triodo ou região linear. Na região do liner, um MOSFET pode ser usado como um resistor variável de voltagem. Se Vgs for maior que a referida soma de tensão, então a corrente de dreno torna-se constante, ela está trabalhando na região de saturação e para fazer o MOSFET atuar como uma chave, ele deve ser operado nesta região, pois a corrente máxima pode passar pelo MOSFET nessa região.

Etapa 11: sugestões de peças

n Canal MOSFET: IRFZ44N

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p Canal MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

Driver MOSFET do canal n: TC4420US -

p Driver MOSFET do canal: TC4429

Etapa 12: é isso

Agora você deve estar familiarizado com o básico dos MOSFETs e ser capaz de decidir o MOSFET perfeito para o seu projeto.

Mas uma pergunta ainda permanece, quando devemos usar MOSFETs? A resposta simples é quando você precisa alternar cargas maiores que requerem mais tensão e corrente. Os MOSFETs têm a vantagem de perda mínima de energia em comparação com os BJTs, mesmo com correntes mais altas.

Se eu perdi alguma coisa, estou errado, ou você tem alguma dica, por favor, comente abaixo.

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Etapa 13: Peças usadas

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p Canal MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

Driver MOSFET do canal n: TC4420US -

p Driver MOSFET do canal: TC4429