Mosfet là gì ? Những bí mật đằng sau chúng bạn nên biết

Mosfet là gì ? Đây là một thiết bị vô cùng quen đối với những anh em kỹ thuật viên nào làm về ngành điện tử. Đây là một trong những linh kiện điện tử đóng vai trò khá quan trong trong những bảng mạch điện.

Vậy hẳn các bạn đã biết hiết về nó chưa? Bài viết hôm nay trong xin được chia sẻ đến các bạn tát cả những kiến thức liên qua tới Mosfet là gì ?. Chùng ta cùng đi vào bài viết nhé!

Mosfet là gì ?

Mosfet là gì ? Mosfet được viết tắt từ cụm từ Metal Oxide Semiconductor Firld Effect Transistor. Đây là một loại Transistor hiệu ứng trường, là một thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi hiện nay với chức năng như một công tắc điện tử và khuếch đại tín hiệu điện tử.

Chúng có cấu tạo đặc biệt và hoạt động khác với những Transistor thông thường. Chúng hoạt động dưa trên hiệu ứng của từ trường để tạo ra dòng điện, có điện trở kháng đầu vào lớn phù hợp cho khuếch đại vào các nguồn tín hiệu yếu.

Mosfet được sử dụng cho cả mạch tương tự và kỹ thuật số với khả năng đóng nhanh với dòng điện, điện áp lớn. Chính vì khả năng này nên ta sẽ thường thấy chúng trong các bộ nguồn xung và mạch điều khiển điện áp cao.

Do cấu tạo của chúng có phần đặc biệt hơn nên những năm gần đây mosfet được dùng trong các mạch tích hợp kỹ thuật số.

Lịch sử phát triển Mosfet

Transistor hiệu ứng trường được Julius Edgar Lilienfeld đăng ký phát minh sáng chế đầu tiên năm 1926. Cùng thời đó có các nghiên cứu của Joseph Weber năm 1930, Oskar Heil năm 1934. Tuy nhiên linh kiện bán dẫn thực tế là JFET chỉ được phát triển sau khi nhóm của William Shockley tại Bell Labs quan sát và giải thích hiệu ứng transistor vào năm 1947, sau bằng sáng chế nói trên 20 năm khi bằng hết hiệu lực.

Loại JFET (junction field-effect transistor) đầu tiên là transistor cảm ứng tĩnh (SIT, static induction transistor), được các kỹ sư người Nhật Jun-ichi Nishizawa và Y. Watanabe phát minh năm 1950. Đó là một JFET với độ dài kênh ngắn. Các MOSFET được Dawon Kahng và Martin Atalla phát minh năm 1959.

Tuy nhiên cho đến những năm 1960 ứng dụng transistor trường còn rất hạn chế, chủ yếu là dùng JFET trong các khuếch đại analog có trở kháng ngõ vào cao và tiếng ồn thấp. Sự bùng nổ diễn ra ở thập niên đó, khi các MOSFET được dùng làm các công tắc logic trong điện tử số và có ảnh hưởng sâu sắc đến sự phát triển của ngành này. Ngày nay MOSFET là transistor cơ bản trong vi mạch số.

Đặc điểm của mosfet là gì ?

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

• Mosfet được sử dụng rất phổ biến trong cả các mạch kỹ thuật số và các mạch tương tự. Giống như FET thì Mosfet có hai lớp chính bao gồm:
• N-MOSFET: Điện áp với điều khiển mở Mosfet là Ugs >0. Điện áp với điều khiển đóng là Ugs <=0. Và dòng điện sẽ đi từ D xuống S.

P-MOSFET: Điện áp với điều khiển mở Mosfet là Ugs <0. Điện áp điều khiển khóa là Ugs~0. Dòng điện sẽ đi từ S cho đến D.

IGFET là gì ?

Do bố trí cực cổng cách ly nên MOSFET còn được gọi là “transistor hiệu ứng trường cổng cách ly”. Hay tên Tiếng anh là Insulated Gate Field-effect Transistor. Và được viết tắt là IGFET. Tên gọi IGFET sát nghĩa hơn so với các FET có thực thể điều khiển ở cực cổng không phải là kim loại. Mà chúng là các kết cấu tích lũy điện tích khác. Ví dụ như dung dịch điện phân trong các FET cảm biến sinh học (Bio-FET), FET cảm biến khí (GASFET), FET cảm biến enzym (ENFET)…

Thông thường thì chất bán dẫn được chọn là silic. Tuy nhiên một số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp của silic và germani. Một ví dụ điển hình là hãng IBM. Ngoài silic và germani ra thù còn có một số chất bán dẫn khác như gali arsenua có đặc tính điện tốt hơn. Tuy nhiên chúng lại không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp. Vì thế nên không thể dùng để chế tạo các transistor MOSFET.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Mosfet

Để hiểu rõ về Mosfet chúng ta cùng tìm hiểu về từng thành phần cấu tạo lên chúng và cách thức chúng hoạt động như thế nào nhé. Đầu tiên đó là:

Cấu tạo của Mosfet

Mosfet gồm có 3 chân: chân nguồn (S), chân cổng (G), chân máng (D) và chất nền.

Mosfet kênh N gồm hai miếng bán dẫn loại P đặt ở trên lớp nền bán dẫn. Ở giữa hai lớp P-N là một lớp cách điện SiO2. Hai miếng bán dẫn P nối lại thành cực D và S. Nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng bên trên và đấu thành cực G.

G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn bởi lớp điên môi dioxit silic với cấu trúc bán dẫn còn lại. Cực máng D là cực đón hạt mang điện.

Giữa cực G với cực S và cực G với cực D có điện trở vô cùng lớn. Điện trở của lớp D và S phụ thuộc vào độ chênh lệch điện áp Uqs và xảy ra hai trường hợp

• Điện áp Uqs = 0 thì điện trở Rds rất lớn.
• Điện áp Uqs > 0 thì điện trở Rds càng nhỏ.

Nguyên lý hoạt động Mosfet

Mosfet là một loại bóng dẫn được điều khiển bằng điện áp, Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Điện cực G được cách điện bởi chất bán dẫn bằng một lớp thủy tinh cách điện mỏng.

Cổng kim loại cách điện hoạt động giống như một tụ điện có điện trở đầu vào cao gần như vô hạn. Do ở cổng có sự cách ly nên dòng chảy vào Mosfet được ngăn lại. Khi điện áp đặt tại cổng sẽ thay đổi độ rộng của kênh D và S. Kênh càng rộng, thiết bị càng dẫn điện tốt.

Ưu nhược điểm Mosfet

Như mọi linh kiện điện từ khác thì Mosfet cùng đều tốn tại những mặt ưu điểm và những mặt hạn chế riêng. Minh sẽ đi tìm hiểu từng phần coi ưu nhược điểm của chúng là gì nhé!

Ưu điểm

• Mosfet cung cấp hiệu quả khi hoạt động ở điện áp thấp.
• Khi dòng điện cực G vắng mặt thì trở kháng đầu vào cao tạo nên tốc độ chuyển mạch cao.
• Có thể hoạt động ở công suất thấp hoặc không có dòng điện.
• Trở kháng đầu vào và tốc độ hoạt động cao hơn JFET.
• Khả năng tùy biến kích thước rất cao.
• Không có diode cổng, dễ dàng hoạt động ở điện áp cổng dương và cổng âm.
• Mức tiêu thụ điện năng thấp, cho phép nhiều thành phần hơn trên diện tích bề mặt chip.

Nhược điểm

• Lớp oxit mỏng nên dễ bị hư hỏng bởi các điện tích tĩnh điện.
• Điện áp quá tải sẽ dẫn đến không ổn định.
• Ở tần số vô tuyến, tín hiệu thấp thì khả năng hoạt động của chúng không tốt.

Thông qua ưu và nhược điểm của chúng thì ta cũng có thể biết chúng được sử dụng củ yếu trong lĩnh vực nào rồi phải không ạ. Chúng có rất nhiều chủng loại khác nhau, mỗi loại đều có nhừng đặc điểm riêng chúng ta cùng tìm hiểu tiếp nhé.

Các loại Mosfet

Dựa vào cơ chế hoạt động của Mosfet mà có thể chia chúng ra thành 2 loại là Mosfet ở chế độ tăng cường và Mosfet ở chế độ suy giảm

Mosfet chế độ tăng cường

Ở chế độ này không có sự dẫn điện nào khi điện áp bằng 0, được bật tắt theo mặc định mà không có dòng máng. Điện áp cổng tăng nhiều hơn điện áp nguồn thì các hạt mang điện sẽ dịch chuyển chỉ còn lại các electron và tạo thành kênh rỗng. Điện áp cổng tỷ lệ thuận với dòng điện. Mosfet chế độ tăng cường cũng được chia ra thành 2 loại:

• Mosfet chế độ tăng cường kênh N: Kênh N có đa số phần tử là electron, điện áp cổng ở chế độ dương để bật ON thiết bị. Chúng có điện dung thấp và các vùng tiếp giảm nhỏ. Điện trở cực máng thấp hơn so với loại P.
• Mosfet chế độ tăng cường kênh P: Kênh P có đa số phần tử là lỗ, điện áp cổng ở chế độ âm để bật ON thiết bị. Chúng có điện dung và tính di động, trở kháng cực máng cao hơn so với loại N.

Mosfet chế độ suy giảm

Ở chế độ này kênh được thiết lập sự truyền dẫn ngay cả khi điện áp bằng 0, được mở theo chế độ ON mặc định. Ở đây kênh bị cạn kiệt các hạt mang điện để giảm độ rộng của kênh. Điện áp cổng tỷ lệ nghịch với dòng điện. Mosfet chế độ suy giảm cũng được chia ra thành 2 loại:

• Mosfet chế độ suy giảm kênh N: điện áp cổng là âm, cạn kiệt các electron tự do.
• Mosfet chế độ suy giảm kênh P: điện áp cổng là dương, cạn kiệt các lỗ trống.

Ứng dụng của Mosfet

Ngày nay Mosfet được sử dụng khá phổ biến trong các bo mạch điện tử, chip xử lý, ngoài ra còn được dùng cho một số lĩnh vực sau:

• Ứng dụng vô tuyến với tần số cao.
• Hoạt động giống một yếu tố thụ động như điện trở, cuộn cảm, …
• Nhờ vào khả năng chuyển mạch với tốc độ cao, Mosfet còn được dùng trong việc thiết kế mạch chopper.
• Ngoài ra còn được dùng làm cảm biến để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học, môi trường, …
• Mosfet còn được sử dụng trong ngành sản xuất ô tô, IGBT, các thiết bị chuyển mạch trong bộ điều khiển điện tử, bộ chuyển đổi năng lượng trong xe điện, các thiết bị chuyển đổi tín hiệu, …
• …

Kết luận!

Trên đây là tất cả kiến thức về Mosfet là gì . Hi vọng qua bài viết trên mọi người có thêm kiến thức về chúng. Mọi câu hỏi và góp ý các bạn có thể bình luận ở cuối mỗi bài viết. Chúc các bạn thành công!

Bài Viết Tham Khảo: 

Liên hệ

Kỹ sư cơ điẹn tử – Mr Trọng

Zalo/ Mobi: 0975 116 329

Mail: trongle@huphaco.vn