MOSFET(FET bán dẫn oxit kim loại) hoạt động như thế nào?

Các bóng bán dẫn là thành phần cơ bản của thiết bị điện tử hiện đại ngày nay và hôm nay chúng ta sẽ tìm hiểu về nó. Từ những điều cơ bản về dòng điện và chất bán dẫn đến các vùng và cấu trúc thì trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về bóng bán dẫn hiệu ứng trường cực máng oxit kim loại hay còn gọi là MOSFET.

MOSFET(FET bán dẫn oxit kim loại) hoạt động như thế nào?

Trước khi bắt đầu, chúng ta hãy tìm hiểu về dòng điện và các electron với mạch cơ bản này. Trong mạch này, dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm của pin và điện trường đi từ cực dương sang cực âm bên ngoài pin. Dòng electron sẽ đi ngược với dòng điện trường hoặc dòng điện, tức là dòng electron từ cực âm sang cực dương. MOSFET được làm từ vật liệu bán dẫn như silicon và chất bán dẫn này có sự dẫn điện giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Do đó, để làm cho một chất bán dẫn trở thành một chất dẫn điện tốt, chúng ta đưa các tạp chất vào trong tinh thể nguyên chất. Có hai loại tạp chất được thêm vào.

Nếu các tạp chất có hóa trị 5, thì chất bán dẫn thu được là loại n. Trong loại n các electron là hạt mang điện tích chiếm đa số. Nếu các tạp chất là hóa trị ba thì chất bán dẫn thu được là loại p. Trong các lỗ loại p là phần lớn các hạt mang điện tích. Bây giờ nếu chúng ta nối chúng thì tại chỗ nối các electron từ loại n sẽ lấp đầy các lỗ trống ở loại p làm cạn kiệt các điện tích gần chỗ tiếp giáp. Vùng này được gọi là vùng cạn kiệt. Nếu chúng ta kết nối loại p với cực dương và loại n với cực âm của pin, thì lớp suy giảm sẽ giảm và điều này được gọi là phân cực thuận. Nếu đảo cực của pin thì lớp cạn kiệt sẽ tăng lên, và điều này được gọi là phân cực ngược. MOSFET có hai loại, loại tăng cường và loại cạn kiệt.

Cả hai loại MOSFET này được chia thành hai loại N và P. Đầu tiên, hãy xem MOSFET loại nâng cao N là cấu trúc của MOSFET. Các vùng màu vàng là bán dẫn loại n và màu xanh lam là bán dẫn loại p. Thiết bị đầu cuối này được kết nối với chất nền hoặc phần thân, do đó nó được gọi là chất nền hoặc thiết bị đầu cuối thân máy. Hai thiết bị đầu cuối này được gọi là thiết bị đầu cuối cực nguồn và đầu cuối cực máng. Giữa các thiết bị đầu cuối này chúng ta có một lớp chất cách điện hoặc chất điện môi mỏng. Bên trên lớp cách điện này, một thiết bị đầu cuối khác được gắn vào và được gọi là thiết bị đầu cuối cực máng. Đây là tất cả bốn thiết bị đầu cuối của MOSFET. Vì MOSFET là đối xứng nên cực nguồn hoặc cực máng có thể được hoán đổi cho nhau. Do đó, đầu cuối cực nguồn và đầu cuối đế được kết nối bên trong và MOSFET mà chúng ta thấy có ba đầu cuối.

Ngoài ra, điều này làm dừng bất kỳ dòng điện nào từ chất nền đến cực nguồn vì chúng ở cùng một điện thế. Trong MOSFET, việc chúng ta muốn làm sẽ là truyền dòng điện thông thường từ cực máng sang cực nguồn. Vì vậy, chúng ta sẽ kết nối pin giữa hai cực nguồn. Điện áp này được gọi là Vds, vì nó nằm giữa cực máng và cực nguồn. Ngoài ra, chúng ta có thể thấy biểu đồ của dòng chảy so với Vds. Đầu cực dương của pin làm tăng điện thế ở cực xả, do đó làm tăng vùng cạn kiệt giữa bộ xả và chất nền. Do đó, sẽ không có dòng điện từ cực máng đến cực nguồn và MOSFET bị tắt. Đây còn được gọi là vùng giới hạn.

Để dòng điện chạy từ cực máng đến cực nguồn, chúng ta phải tạo một kênh giữa chúng. Để tạo kênh, chúng ta sẽ kết nối một cực nguồn điện áp nhỏ giữa cực máng và chất nền với cực dương vào cực máng. Điện áp này được gọi là Vgs, vì nó nằm giữa cực máng và cực nguồn. Chất nền là chất bán dẫn loại p. Do đó, các hạt tải điện sẽ mang theo các điện tích trống nhưng sẽ tồn tại một số electron tự do là hạt mang điện tích cực tiểu và tạo ra một điện trường bên trong chất nền. Do trường này, các điện tử trong chất nền chảy ngược lại với điện trường, tức là về phía cực máng. Do sự hiện diện của chất cách điện, các điện từ này không thể di chuyển từ chất nền đến cực máng. Do đó chúng tích tụ gần cực máng trong chất nền.

Chúng ta đã biết rằng một tụ điện được sử dụng để lưu trữ điện tích trên hai tấm kim loại. Ngoài ra, chúng ta có thể tăng điện dung bằng cách đặt một chất cách điện hoặc chất điện môi giữa các lớp. Tương tự, chất cách điện hoặc chất điện môi trong MOSFET sẽ không chỉ có vai trò chặn các electron mà còn làm tăng điện tích trên chúng và do đó sẽ thu hút nhiều electron hơn. Bây giờ, nếu chúng ta tăng Vgs thì điều đó nghĩa là càng có nhiều điện tử bị hút về phía cực máng và các điện tử này bắt đầu lấp đầy một số lỗ trống. Ngoài ra, do điện tích dương mạnh hơn của các lỗ cực máng bắt đầu di chuyển ra khỏi cực máng nên chúng ta có thể thấy không có lỗ trống nhưng chúng ta vẫn có các điện tử tự do. Do các điện tử này, vùng gần cực máng trở thành điện tích âm hoặc bán dẫn loại n. Điều này tạo ra một kênh kết nối cực nguồn và cực máng với nhau ở các thành phần bên trong.

Trên thực tế, chúng ta đã tạo ra một đường ống giữa cực nguồn và cực máng để các điện tử có thể di chuyển từ cực nguồn đến cực máng. Độ dày của kênh có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi điện áp cực máng. Khi điện áp tăng hoặc giảm độ rộng của kênh cũng tăng hoặc giảm tương ứng và điện áp mà kênh được hình thành được gọi là điện áp ngưỡng. Khi kênh này được tạo nên thì chúng ta có thể dẫn dòng điện từ cực máng đến cực nguồn bằng kênh. Luồng của dòng điện thông thường là từ cực máng đến cực nguồn nhưng dòng của các điện tử ngược lại với nó, tức là từ cực nguồn đến cực máng. Đây cũng là lý do tại sao chúng được gọi là cực nguồn và cực máng, bởi vì cực nguồn cung cấp các electron cho kênh và cực máng thu các electron từ kênh. Khi dòng điện thông thường chạy từ cực máng sang cực nguồn, nó được gọi là dòng thoát.

Sau quá trình này, MOSFET chuyển sang trạng thái ohmic hoặc tuyến tính và tuân theo định luật ohm, tức là khi điện áp tăng thì dòng điện tăng tuyến tính. Tuy nhiên, khi điện áp tăng, vùng cạn kiệt giữa cực máng và chất nền sẽ tăng lên vì chúng được phân cực ngược và bắt đầu cạn dần về phía cuối cực máng. Điều này xảy ra là do cực máng có điện thế dương và tích điện âm từ kênh gần cực máng nhất được kéo vào cực máng và làm giảm chiều rộng của kênh hạn chế dòng điện tích và giảm dòng điện. Khi chúng ta tăng điện áp đến một điểm mà bị ngắt hoàn toàn, đây được gọi là hiệu ứng pinch-off(thắt kênh). Trong trường hợp thực tế, kênh không bị tắt hoàn toàn. Do dòng điện tử lớn trong kênh, một số điện tử sẽ giữ kênh. Do đó, thay vì dừng dòng điện thì có một dòng điện bão hòa không đổi.

Dòng điện này được gọi là dòng điện bão hòa và điện áp mà nó tạo ra được gọi là điện áp bão hòa. Bây giờ, nếu bạn tăng điện áp, xu hướng ngược sẽ tăng và kênh sẽ giảm hơn nữa nhưng dòng điện sẽ không tăng vì nó đã bão hòa và đây được gọi là vùng bão hòa. Nhưng nếu bạn vẫn muốn tăng dòng điện trong MOSFET, bạn sẽ làm như thế nào? Nếu bạn chưa biết, chiều rộng của kênh được kiểm soát bởi cổng. Do đó, bằng cách tăng điện áp cổng, chúng ta có thể tăng chiều rộng của kênh. Bây giờ, nếu chúng ta tăng điện áp thì dòng điện cũng sẽ tăng lên.

Ở một mức điện áp nhất định sẽ xảy ra hiện tượng ngắt và bão hòa sẽ xảy ra và một lần nữa tăng điện áp cổng. MOSFET còn được gọi là thiết bị điều khiển điện áp, bởi vì lượng điện áp ở cổng kiểm soát dòng điện từ cực máng đến nguồn và sẽ không có dòng điện từ cổng. Nếu bạn nhận thấy hai biểu đồ mà chúng tôi đã tạo là đặc điểm của MOSFET thì đây là đặc điểm cực máng và đây là đặc điểm chuyển giao (Vds không đổi). Có một loại MOSFET khác được gọi là loại cạn kiệt tương tự với loại tăng cường ngoại trừ kênh cũng được hình thành trong khi pha tạp. Có nghĩa là, kênh được hình thành bởi điện áp cổng trong loại tăng cường hiển thị theo mặc định trong loại cạn kiệt. Tất cả các nguyên tắc làm việc đều giống nhau ngoại trừ loại cạn kiệt yêu cầu điện áp cổng âm để tắt thì nó thường bật (Thường đóng) trong khi loại tăng cường thường tắt (Thường mở). Bây giờ chúng ta biết MOSFET hoạt động như thế nào, chúng ta hãy xem các ký hiệu mạch của nó.

Có bốn thiết bị đầu cuối, nguồn, cổng, cực máng và chất nền. Cổng không được kết nối trực tiếp với chất nền, có chất cách điện. Do đó, thiết bị đầu cuối cổng được làm nổi trong biểu tượng. Nguồn và chất nền được kết nối bên trong và cũng kết nối nguồn và chất nền trong biểu tượng. Nếu các vạch bị phá vỡ thì loại tăng cường của nó khi kênh cần sẽ được hình thành, còn nếu đó là một vạch liền thì kênh hiện diện và loại nó ra khỏi cổng để tạo thành một kênh N. Mặt khác, nếu không có điều này thì kênh P của nó hoặc các electron sẽ chảy ra khỏi cổng để tạo thành kênh P. Các MOSFET này có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử và chúng cần điện để hoạt động.

Xem thêm: ReviewOS