Mosfet là gì? đặc điểm, cấu tạo và nguyên lí hoạt động

MOSFET là một linh kiện điện tử rất quan trọng được sử dụng trong các thiết bị điện tử như máy tính, điện thoại, máy tính bảng và các thiết bị khác. MOSFET là viết tắt của Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, được sử dụng để điều khiển luồng dòng điện.

Một MOSFET bao gồm ba phần chính là nguồn (source), xả (drain) và cửa (gate). MOSFET hoạt động bằng cách điều khiển dòng điện giữa nguồn và xả thông qua cửa. Khi một tín hiệu được đưa vào cửa, MOSFET sẽ thay đổi trạng thái của nó, làm thay đổi trạng thái của dòng điện giữa nguồn và xả.

MOSFET được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong các mạch điện tử công suất, mạch nguồn, mạch khuếch đại và các ứng dụng khác. MOSFET có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng hoạt động ở tần số cao, mức tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng chịu được điện áp cao.

Xem thêm: Cảm biến áp suất là gì? nguyên lý hoạt động và cách chọn lựa

Trong các thiết bị điện tử hiện đại, MOSFET đã thay thế các linh kiện điện tử truyền thống như transistor bipol, thyristor và triac. Điều này là do MOSFET có thể hoạt động ở tần số cao hơn và có hiệu suất hoạt động tốt hơn.

Có thể nói MOSFET là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và có nhiều ưu điểm vượt trội so với các linh kiện truyền thống khác. Cùng tìm hiểu và phân tích để thấy sự ưu việt của loại linh kiện điện tử này.

Mosfet là gì?

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là một loại transistor được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử. Nó được tạo thành từ ba lớp chính: đầu tiên là lớp kim loại (Metal) được đặt trên một lớp bán dẫn ôxít kim loại (Oxide), và lớp bán dẫn này lại được đặt trên một lớp bán dẫn (Semiconductor). MOSFET có thể hoạt động như một công tắc hoặc một khuếch đại tín hiệu điện. Nó có các ưu điểm như tiêu thụ điện năng thấp, tốc độ đáp ứng nhanh và độ ổn định cao. MOSFET được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ mạch điện tử đơn giản đến các mạch điện tử phức tạp trong các thiết bị điện tử hiện đại như điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính và các thiết bị điện tử khác.

Cấu tạo Mosfet

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) được tạo thành từ ba lớp chính. Đầu tiên là lớp kim loại (Metal) được đặt trên một lớp bán dẫn ôxít kim loại (Oxide), và lớp bán dẫn này lại được đặt trên một lớp bán dẫn (Semiconductor).

Ở trung tâm của MOSFET là một kênh bán dẫn nằm giữa hai vùng bán dẫn có tính chất ngược nhau. Khi MOSFET được kết nối với nguồn điện, một điện trường sẽ được tạo ra trong kênh bán dẫn, điều này có thể điều khiển lưu lượng dòng điện thông qua kênh.

Một số loại MOSFET có một lớp bảo vệ nữa được gọi là lớp passivation được đặt trên đầu kim loại để bảo vệ MOSFET khỏi các tác nhân bên ngoài như môi trường và hóa chất.

Hình trên là cấu tạo của mosfet. Trong đó ta có:

• G (Gate) là cực cổng.
• S (Source) là cực nguồn.
• D (Drain) là cực máng.

Mosfet kênh N bao gồm hai miếng bán dẫn loại P được đặt trên nền bán dẫn. Lớp SiO2 được đặt giữa hai miếng bán dẫn P và N để tạo ra lớp cách điện. Miếng bán dẫn P được nối ra thành cực D và S, trong khi nền bán dẫn N được nối với lớp màng mỏng phía trên và được dẫn ra thành cực G. Mosfet có điện trở rất lớn giữa cực G và cực S, và giữa cực G và cực D. Điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào chênh lệch điện áp UGS (giữa cực G và cực S). Khi UGS = 0, RDS rất lớn. Khi UGS tăng lên, hiệu ứng từ trường sẽ làm giảm RDS. Khi UGS càng tăng, RDS càng giảm.

MOSFET dòng điện giải phóng khi điều khiển bởi điện áp được phân thành hai loại chính là N-channel và P-channel.

MOSFET N-channel

MOSFET N-channel là một loại MOSFET dòng điện giải phóng khi điều khiển bởi điện áp, với kênh dẫn dòng điện được tạo ra bởi các điện tử trên lớp bán dẫn bên trong MOSFET. MOSFET N-channel có cấu trúc gồm một lớp bán dẫn n-type (bán dẫn âm) được đặt giữa hai lớp bán dẫn p-type (bán dẫn dương). MOSFET N-channel được điều khiển bởi một điện áp dương áp dụng trên cổng (gate) của MOSFET. Khi điện áp này được áp dụng, các điện tử sẽ được thu hút tới bề mặt của lớp bán dẫn oxide và tạo ra một kênh dẫn dòng điện giữa hai điểm đầu của MOSFET (source và drain). MOSFET N-channel có khả năng dẫn dòng điện lớn hơn MOSFET P-channel, và thường được sử dụng trong các ứng dụng như khuếch đại tín hiệu, điều khiển mô tơ, và điều khiển động cơ trong các thiết bị điện tử.

• Được điều khiển bởi điện áp dương.
• Khi điện áp được áp vào cổng (gate), các điện tử sẽ được thu hút và tạo ra một kênh dẫn dòng điện giữa hai đầu (source và drain).
• MOSFET N-channel có khả năng dẫn dòng tốt hơn so với MOSFET P-channel.

MOSFET P-channel

MOSFET P-channel là một loại MOSFET dòng điện giải phóng khi điều khiển bởi điện áp, với kênh không dẫn dòng điện được tạo ra bởi các điện tử trên lớp bán dẫn bên trong MOSFET. MOSFET P-channel có cấu trúc gồm một lớp bán dẫn p-type (bán dẫn dương) được đặt giữa hai lớp bán dẫn n-type (bán dẫn âm). MOSFET P-channel được điều khiển bởi một điện áp âm áp dụng trên cổng (gate) của MOSFET. Khi điện áp này được áp dụng, các điện tử sẽ bị đẩy ra khỏi bề mặt của lớp bán dẫn oxide và tạo ra một kênh không dẫn dòng điện giữa hai điểm đầu của MOSFET (source và drain). MOSFET P-channel có khả năng dẫn dòng điện nhỏ hơn MOSFET N-channel, và thường được sử dụng trong các ứng dụng như ngắt mạch và điều khiển dòng điện trong các thiết bị điện tử.

• Được điều khiển bởi điện áp âm.
• Khi điện áp được áp vào cổng (gate), các điện tử sẽ bị đẩy ra và tạo ra một kênh không dẫn dòng điện giữa hai đầu (source và drain).
• MOSFET P-channel có khả năng dẫn dòng kém hơn so với MOSFET N-channel.

Cả hai loại MOSFET này đều có thể được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau, từ các mạch điện tử đơn giản đến các mạch điện tử phức tạp trong các thiết bị điện tử hiện đại như điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính và các thiết bị điện tử khác.

Đặc điểm của Mosfet

MOSFET là một loại transistor dòng điện giải phóng khi điều khiển bởi điện áp, được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại và chúng có một số đặc điểm của MOSFET:

• Điều khiển bằng điện áp: MOSFET được điều khiển bằng một điện áp áp dụng trên cổng của transistor. Điều này cho phép MOSFET được điều khiển dễ dàng hơn so với các loại transistor khác như BJT (Bipolar Junction Transistor) và JFET (Junction Field-Effect Transistor).
• Khả năng dẫn dòng lớn: MOSFET có khả năng dẫn dòng điện lớn hơn so với BJT và JFET, cho phép MOSFET được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi dòng điện lớn.
• Có thể hoạt động ở tần số cao: MOSFET có thể hoạt động ở tần số cao hơn so với BJT, cho phép MOSFET được sử dụng trong các ứng dụng tần số cao như khuếch đại sóng viễn thông.
• Có hai loại: MOSFET được chia thành hai loại chính là MOSFET N-channel và MOSFET P-channel. MOSFET N-channel có kênh dẫn dòng điện được tạo ra bởi các điện tử trên lớp bán dẫn n-type, trong khi MOSFET P-channel có kênh không dẫn dòng điện được tạo ra bởi các điện tử trên lớp bán dẫn p-type.
• Chi phí sản xuất thấp: MOSFET có chi phí sản xuất thấp hơn so với các loại transistor khác, do đó được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử gia dụng và công nghiệp.
• Độ ổn định cao: MOSFET có độ ổn định cao hơn so với các loại transistor khác, do vậy được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi độ ổn định cao.
• Tiêu thụ công suất thấp: MOSFET có tiêu thụ công suất thấp hơn so với BJT và JFET, do đó được sử dụng trong các thiết bị điện tử đòi hỏi tiết kiệm năng lượng.

Mosfet có khả năng đóng nhanh với các dòng điện và điện áp lớn, làm cho nó được sử dụng rộng rãi trong các bộ dao động tạo từ trường và các mạch nguồn xung và điều khiển điện áp cao. Mosfet cũng được sử dụng rộng rãi trong các mạch kỹ thuật số và tương tự. MOSFET còn được gọi là "transistor hiệu ứng trường cổng cách ly", có bố trí cực cổng cách ly, và được viết tắt là IGFET. Thường thì silic được chọn là chất bán dẫn để sản xuất MOSFET, nhưng còn có các chất bán dẫn khác như gali arsenua có đặc tính điện tốt hơn, nhưng không thể tạo nên các lớp oxide phù hợp để chế tạo MOSFET.

Nguyên lý hoạt động của Mosfet

Mosfet (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) hoạt động dựa trên hiệu ứng trường cổng của bán dẫn. Cấu trúc của Mosfet bao gồm một lớp bán dẫn dẫn điện (được gọi là kênh) nằm giữa hai lớp bán dẫn đặc biệt hơn (được gọi là cửa và nguồn) tạo thành một cấu trúc đoạn kênh.

Khi một điện áp dương được áp dụng vào cổng của Mosfet (làm cho cổng trở thành dương so với nguồn), một lớp mỏng của các điện tử tích cực được hình thành ở gần bề mặt của kênh, gọi là vùng giàn điện tử (Electron Gas Layer). Vùng này được kiểm soát bởi điện trường tạo bởi điện áp cổng và được sử dụng để điều khiển dòng điện giữa nguồn và kênh.

Khi Mosfet ở trạng thái không dẫn điện, vùng giàn điện tử được kiểm soát bởi một lớp oxy hóa bảo vệ được tạo thành bởi một lớp oxide ở trên bề mặt kênh. Điện trường từ cổng không đủ mạnh để kéo các điện tử tới nguồn và do đó không có dòng chảy qua Mosfet. Khi một điện áp đủ lớn được áp dụng vào cổng, oxy hóa bảo vệ bị phá vỡ và điện trường từ cổng kéo các điện tử tới nguồn. Khi điện tử chuyển động trong kênh, chúng tương tác với các điện tử trong lớp bán dẫn của nguồn và gây ra dòng điện dẫn.

Do vậy, Mosfet có khả năng điều khiển dòng điện thông qua điện trường trên cổng mà không có dòng chảy vào cổng, giúp Mosfet tiêu thụ ít năng lượng và có độ bền cao.

Mosfet hoạt động ở hai chế độ là đóng và mở do chúng có thể điều khiển dòng điện thông qua điện áp cổng. Mosfet là một phần tử bán dẫn có các hạt mang điện vô cùng cơ bản, cho phép chúng đóng cắt với tần số rất cao. Tuy nhiên, vấn đề điều khiển là vô cùng quan trọng để đảm bảo thời gian đóng cắt ngắn.

Thí nghiệm: Cấp nguồn một chiều UD qua một bóng đèn D vào hai cực là cực D và S của Mosfet Q (Phân cực thuận cho Mosfet ngược). Sau đó ta sẽ thấy bóng đèn không sáng. Điều đó có nghĩa là không có dòng điện đi qua cực DS khi chân G không được cấp điện.

• Khi công tắc K1 đóng thì nguồn UG cấp vào hai cực GS làm cho điện áp UGS > 0V => đèn Q1 dẫn và bóng đèn D sáng.
• Khi công tắc K1 ngắt thì điện áp tích trên tụ C1 (tụ gốm) vẫn duy trì hoạt động cho đèn Q dẫn. Điều đó chứng tỏ không có dòng điện đi qua cực GS.
• Khi công tắc K2 đóng thì điện áp tích trên tụ C1 giảm bằng 0 => UGS = 0V. Và sau đó đèn tắt.

Từ thí nghiệm trên ta có thể rút ra một kết luận rằng: So với Transistor thông thường thì điện áp đặt vào chân G không tạo ra dòng GS mà điện áp này chỉ tạo ra từ trường. Điều này làm cho điện trở RDS sẽ giảm xuống.

Ứng dụng của mosfet là gì?

Mosfet là một loại linh kiện điện tử có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và điện tử và dưới đây là một vài ứng dụng của Mosfet. 

1. Bộ điều khiển motor: Mosfet được sử dụng để điều khiển động cơ trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

2. Bộ nguồn xung: Mosfet được sử dụng trong các bộ nguồn xung để tạo ra xung điện áp cao.

3. Bộ chuyển đổi AC sang DC: Mosfet được sử dụng trong các bộ chuyển đổi AC sang DC để cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện tử.

4. Mạch kỹ thuật số: Mosfet được sử dụng trong các mạch kỹ thuật số để tạo ra các tín hiệu logic.

5. Bộ cảm biến: Mosfet được sử dụng trong các bộ cảm biến để đo lường các thông số như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm.

6. Bộ biến đổi tần số: Mosfet được sử dụng trong các bộ biến đổi tần số để điều chỉnh tần số tín hiệu.

7. Các bộ đồng hồ điện tử: Mosfet được sử dụng trong các bộ đồng hồ điện tử để tạo ra các tín hiệu xung.

8. Bộ điều khiển đèn LED: Mosfet được sử dụng để điều khiển đèn LED trong các ứng dụng chiếu sáng và trang trí.

Hiện nay, mosfet đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Với khả năng đóng nhanh với dòng điện và điện áp lớn, mosfet thường được sử dụng trong các bộ dao động tạo từ trường, bao gồm cả các bộ nguồn xung và các mạch điều khiển điện áp cao.

Lời kết

Trong bài viết này, chúng ta đã cùng tìm hiểu về Mosfet, một loại linh kiện điện tử quan trọng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chúng ta đã tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của Mosfet, các ứng dụng của nó trong các mạch điện tử và cách sử dụng Mosfet trong các thí nghiệm cơ bản.

Mosfet là một linh kiện quan trọng và đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các mạch điện tử hiệu quả và đáng tin cậy. Chúng ta hy vọng bài viết này đã giúp bạn có cái nhìn tổng quan về Mosfet và cách sử dụng nó trong các ứng dụng thực tế.