MOSFET – Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
MOSFET, czyli tranzystor polowy z izolowaną bramką typu metal–tlenek–półprzewodnik, jest jednym z najważniejszych i najczęściej stosowanych elementów półprzewodnikowych we współczesnej elektronice. Stosuje się go zarówno w układach cyfrowych, jak i analogowych, a jego konstrukcja pozwala na szybkie przełączanie przy bardzo małym poborze energii. Dzisiaj postaram się wyjaśnić, jak działa MOSFET, gdzie znajduje zastosowanie oraz dlaczego jest nieodzowny w projektowaniu układów scalonych i elektroniki mocy.
Budowa i zasada działania
Tranzystor MOSFET składa się z czterech elektrod: źródła (source), drenu (drain), bramki (gate) i podłoża (substrate, często połączonego ze źródłem). W odróżnieniu od klasycznego tranzystora bipolarniego (BJT), MOSFET jest elementem sterowanym napięciowo, a nie prądowo – co oznacza, że przepływ prądu między drenem a źródłem zależy od napięcia przyłożonego do bramki. Bramka jest oddzielona od półprzewodnika cienką warstwą tlenku krzemu (SiO₂), co tworzy kondensator bramkowy i pozwala na sterowanie kanałem przewodzenia bez bezpośredniego przepływu prądu przez bramkę.
Typy MOSFET
Wyróżnia się dwa główne typy tranzystorów MOSFET: z kanałem typu N (n-channel) i z kanałem typu P (p-channel). MOSFET n-kanałowy przewodzi, gdy napięcie bramki względem źródła przekracza próg Vth, natomiast p-kanałowy – gdy to napięcie jest ujemne. Dodatkowo, każdy z tych typów może występować jako tranzystor wzbogacany (enhancement mode) lub zubożany (depletion mode), choć w praktyce najczęściej stosuje się tranzystory wzbogacane, szczególnie w logice CMOS.
Dlaczego MOSFET dominuje we współczesnej elektronice?
Powodem, dla którego MOSFET zdobył tak dużą popularność, jest jego zdolność do pracy przy bardzo małym poborze mocy, a jednocześnie dużej szybkości przełączania. W układach cyfrowych typu CMOS (Complementary MOS), gdzie stosuje się oba typy kanałów (N i P), uzyskuje się niemal zerowe zużycie energii w stanie statycznym – prąd płynie tylko w momencie zmiany stanu logicznego. Dzięki temu możliwe było tworzenie zaawansowanych mikroprocesorów i pamięci, które znajdziesz w komputerach, smartfonach czy sterownikach przemysłowych.
MOSFET w elektronice mocy
W zastosowaniach związanych z dużymi prądami i napięciami, MOSFET odgrywa kluczową rolę w przetwornicach impulsowych, falownikach czy sterownikach silników. Szczególnie często spotyka się go w technologii SMPS (Switch Mode Power Supply), gdzie pełni funkcję szybkiego włącznika/wyłącznika, umożliwiając wysoką sprawność energetyczną. Typowe parametry techniczne brane pod uwagę w takich przypadkach to rezystancja w stanie przewodzenia (RDS(on)), maksymalne napięcie dren-źródło (VDS) oraz czas przełączania.
Parametry charakterystyczne MOSFET
- VGS(th) – napięcie progowe, przy którym zaczyna się przewodzenie
- RDS(on) – rezystancja kanału w stanie przewodzenia
- ID – maksymalny prąd drenu
- Qg – ładunek bramki, wpływający na czas przełączania
- ton, toff – czasy załączania i wyłączania
MOSFET a BJT
W porównaniu do BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET nie wymaga prądu bazy do sterowania, co oznacza znacznie mniejsze obciążenie dla układu sterującego. MOSFET ma też szybsze czasy przełączania, jednak w niektórych aplikacjach, takich jak wzmacniacze analogowe, BJT nadal są preferowane z uwagi na liniowość charakterystyki i stabilność pracy. W elektronice mocy MOSFET wypiera jednak BJT ze względu na niższe straty przewodzenia i wyższą sprawność.
Układy z MOSFET
Przykłady zastosowań MOSFET to:
- Przełączniki w układach zasilania
- Wzmacniacze klasy D
- Mostki H do sterowania silnikami
- Regulatory napięcia buck/boost
- Logika CMOS w mikrokontrolerach
Wielu projektantów korzysta również z MOSFET typu logic level, które mogą być wysterowane bezpośrednio z wyjścia mikrokontrolera 3,3V lub 5V. W przypadku systemów automotive częściej stosuje się tzw. high-side switch, gdzie MOSFET musi być sterowany przez driver z bootstrapem, ponieważ źródło nie jest na potencjale masy.
Warto tu również wspomnieć o strukturach IGBT, które łączą zalety MOSFET i BJT – stosowane są głównie przy bardzo dużych mocach i napięciach, np. w falownikach do napędu trakcyjnego. Ale to już temat na inną analizę.
W kolejnych tematach porozmawiamy o układach driverów do MOSFET i sposobach ich chłodzenia, ponieważ odpowiednie sterowanie i termika mają kluczowe znaczenie w wydajności całego układu. Następnym razem skupimy się również na pracy tranzystora IGBT i jego porównaniu z MOSFET, by zrozumieć, kiedy i dlaczego warto wybrać jedną lub drugą technologię.
