Mosfet là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động & ứng dụng trong sản xuất

Trong các bộ chuyển mạch, Mosfet chính là thiết bị quan trọng được áp dụng phổ biến trong nhiều kiểu thiết kế mạch điện, từ mạch điều khiển đơn giản cho đến những bộ chỉnh lưu và biến tần phức tạp. Mosfet có khả năng xử lý dòng điện ở điện áp cao, do đó chúng thường có trong các thiết bị công suất lớn.  Vậy Mosfet là gì? có cấu tạo, nguyên lý hoạt động & vai trò thế nào?

Mosfet là gì?

Mosfet, viết tắt của cụm Metal Oxide Field Semiconductor Effect Transistor hay còn là transistor hiệu ứng trường. Đây là một thiết bị bán dẫn có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện và được sử dụng rộng rãi như một công tắc điện từ giúp, khuếch đại tín hiệu điện tử.

Thời gian gần đây công nghệ điện tử không ngừng cải tiến, sự phát triển của linh kiện bán dẫn như MOSFET đã dẫn đến việc sử dụng chủ yếu các linh kiện này trong các mạch tích hợp kỹ thuật số, nhờ vào cấu trúc vượt trội của nó. Lớp Silicon Dioxide (SiO2) hoạt động như một chất để cách điện giữa cực cổng và cực máng. Hoạt động giữa nguồn và máng cung cấp trở kháng đầu vào cao đến mức gần như vô hạn do đó có thể thu được tất cả tín hiệu đầu vào.

Mosfet có ký hiệu là gì?

Mosfet là loại linh kiện có 4 bộ phận chính bao gồm: Chân máng (Drain), chân cổng (Gate), chân nguồn (Source) và phần thân (Body). Phần thân sẽ được kết nối với chân nguồn nên nó hoạt động như là một linh kiện 3 chân tương tự như bóng bán dẫn hiệu ứng trường. Trong hình minh họa dưới đây thể hiện kí hiệu của Mosfet kênh N (trái) và Mosfet kênh P (Phải).

MOSFET có cấu tạo như thế nào?

Như đã được đề cập qua ở trên, MOSFET có cấu tạo từ 4 bộ phận như sau:

• G: Cực cổng hay còn được gọi là cực điều khiển.
• S: Cực nguồn.
• D: Cực máng.
• B: Phần thân.

Cực cổng (G) được cách ly một cách hoàn toàn khỏi lớp cách điện môi cực mỏng là Silicon Dioxide (SiO2). Cực máng (D) là cực sẽ đón các hạt mang điện. Điện trở giữa cực G và cực S và giữa cực G và cực D có thể nói là vô cùng lớn. Điện trở giữa cực D và cực S còn phụ thuộc vào điện áp chênh lệch (UGS). Khi đó, sẽ có các trường hợp sau sẽ xảy ra:

• Khi mà điện áp UGS = 0, điện trở RDS sẽ vô cùng lớn.
• Khi mà điện áp UGS > 0, lúc này hiệu ứng từ trường sẽ làm cho điện trở RDS giảm đi. Khi điện áp UGS càng lớn lên thì điện áp RDS càng nhỏ đi.

Nguyên lý làm việc của Mosfet

Mosfet giúp kiểm soát điệp áp và dòng điện giữa cực nguồn với cực máng. Hoạt động của Mosfet cũng phụ thuộc vào tụ điện MOS, một bề mặt bán dẫn nằm bên phía dưới lớp Silicon Dioxide nằm giữa cực nguồn và cực máng. Nó có thể đảo ngược qua lại từ cực p sang cực n bằng cách đặt điện áp dương hay điện áp âm lên G cực cổng. Hình ảnh minh họa bên dưới sẽ thể hiện sơ đồ khối của Mosfet.

Khi mà ta có nguồn điện áp VDC được nối giữa cực máng với cực nguồn, cực máng được áp lên điện áp dương và cực nguồn là điện áp âm. Lúc này, điểm nối PN ở cực máng sẽ được phân cực ngược và điểm nối PN ở cực nguồn sẽ được phân cực thuận. Ở giai đoạn này, không có dòng điện nào chạy qua giữa cực máng và cực nguồn cả.

Nếu mà chúng ta cung cấp điện áp dương (VGS) vào cực cổng, do có lực hút tĩnh điện, các hạt electron ở P-Substrate sẽ bắt đầu tích tụ lại ở cực cổng và tạo thành cây cầu dẫn điện giữa hai vùng n+. Số lượng electron tích tụ sẽ còn phụ thuộc vào mức độ mạnh yếu của điện áp. Điện áp được ta tác dụng càng cao thì kênh nối n sẽ càng lớn và điều này sẽ dẫn tới tăng mức độ dẫn điện. Dòng điện ID cũng sẽ bắt đầu chạy giữa cực nguồn và cực máng.

Khi không có nguồn điện được đặt ở cực cổng, sẽ không có bất kỳ dòng điện nào chạy qua cả. Điện áp tối thiểu mà Mosfet có thể bắt đầu dẫn được gọi là điện áp ngưỡng.

Mosfet kênh P và Mosfet kênh N là gì?

Mosfet kênh P

Mosfet kênh P chính là một thiết bị 4 cực bao gồm có: cực cổng, cực máng, cực nguồn và phần thân. Cực máng và cực nguồn sẽ thuộc vùng P+ và phần thân sẽ thuộc loại N. Chiều của dòng điện sẽ tỉ lệ thuận theo hướng của lỗ tích cực (positively charged holes).

Khi chúng ta cho điện áp âm được chạy qua cực cổng, các electron ở lớp oxit được bị đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm liền được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích dương và liên kết với các nguyên tử có tạp chất cho (là donor atoms). Ngoài ra, điện áp âm còn có thể thu hút các lỗ trống điện từ cào từ nguồn P+ và cực máng.

Mosfet kênh N

Mosfet kênh N chính là thiết bị 4 cực gồm có: cực cổng, cực nguồn, cực máng và phần thân. Cực máng và cực nguồn sẽ thuộc vùng N+ và phần thân còn lại thuộc loại P.

Khi dòng điện chạy qua Mosfet loại này sẽ diễn ra do các electron mang điện tích âm. Khi mà chúng ta cho điện áp dương và chạy qua cực cổng thì các lỗ trống điện từ ở phía bên dưới lớp oxit sẽ được đẩy xuống các nguyên tử nền. Vùng suy giảm cũng được tạo thành từ các nguyên tử mang điện tích âm có liên kết với các nguyên tử có tạp chất nhận (là acceptor atoms).

Khi các electrons tiếp cận sẽ được hình thành kênh dẫn (channel) cũng sẽ được hình thành. Điện áp dương sẽ giúp thu hút các electrons từ vùng N+ và cực máng đến với kênh dẫn này. Lúc này, nếu áp dụng điện áp giữa cực máng và cực nguồn thì cho dòng điện sẽ được truyền đi một cách tự do và điện áp nguồn sẽ kiểm soát được các electron trong kênh dẫn. Ngược lại, nếu áp dụng điện áp âm thì ta có kênh dẫn chứa lỗ hổng điện từ được hình thành phía dưới lớp oxit.

Chế độ hoạt động & cách sử dụng Mosfet

Hiện nay, hoạt động của Mosfet có thể được chia thành 3 chế độ khác nhau như sau:

Chế độ Cut-off chính là chế độ dưới ngưỡng giới hạn

Thiết bị sẽ luôn được đặt ở chế độ Tắt (OFF) và không có dòng điện nào chạy qua nó cả. Thiết bị sẽ được hoạt động như là một công tắc cơ bản và chỉ sử dụng khi thấy cần thiết.

Chế độ bão hòa (Saturation)

Ở chế độ bão hòa này, cực máng sẽ đảm bảo điện áp luôn được giữ ổn định, dù điện áp giữa cực máng và cực nguồn có muốn tăng lên. Cơ chế này sẽ chỉ diễn ra khi điện áp chạy giữa cực máng và cực nguồn vượt quá định mức được cho phép. Trong trường hợp này, các thiết bị sẽ hoạt động tương tự như là một công tắc khép kín với dòng điện đã được bão hòa.

Chế độ tuyến tính (chính là Linear/Ohmic Region)

Đây là một chế độ mà dòng điện giữa cực máng đến cực nguồn sẽ tăng lên theo mức gia tăng của điện áp. Mosfet loại này thường sẽ thực hiện các chức năng khuếch đại.

Các thiết bị bán dẫn kiểu như MOSFET hay BJT về cơ bản sẽ hoạt động như một công tắc trong 2 trường hợp là ở trạng thái Bật (ON) và ở trạng thái Tắt (OFF):

• Khi ở trạng thái Bật, chúng sẽ phải có giới hạn điện mức có thể chạy qua đó.
• Khi ở trạng thái Tắt, mức điện áp cản (là Blocking voltage) sẽ không có một giới hạn nào.
• Khi thiết bị hoạt động đang ở trạng thái Bật, các giá trị sụt áp sẽ về mức 0.
• Điện trở khi ở trạng thái Tắt phải là mức vô hạn.
• Chúng sẽ không có giới hạn nào về tốc độ hoạt động cả.

Mosfet hoạt động trong mạch điện như thế nào?

Ứng dụng phổ biến nhất của Mosfet nằm ở công tắc điện. Hình ảnh minh họa bên dưới chính là bản vẽ của Mosfet hoạt động với hai chức năng Bật/Tắt. Khi điện áp đầu vào ở cực cổng VGS giữa G và S dương, lúc này động cơ sẽ ở trạng thái Bật và ngược lại khi điện áp âm, động cơ sẽ rơi vào trạng thái Tắt.

Trong trường hợp chúng ta bật Mosfet bằng cách cung cấp lượng điện áp cần có cho cực cổng, nó sẽ luôn ở trạng thái bật trừ khi ta áp dụng lượng điện áp 0V. Để tránh các vấn đề các ứng dụng để điều khiển tốc độ động cơ hay làm mờ đèn, chúng ta có thể sử dụng tín hiệu PWN để chuyển đổi nhanh. Trong trường hợp này, cực cổng của Mosfet sẽ tạo ra được một dòng điện ngược chiều nhờ vào hiệu ứng điện dung ký sinh. Cách giải quyết cho vấn đề này là chúng ta sẽ sử dụng tụ điện có giới hạn dòng.

Tải điện trên chính là một loại tải điện trở nên mạch của chúng vô cùng đơn giản. Nếu áp dụng các tải điện cảm hoặc tải điện dung, chúng ta nên sử dụng các thiết bị bảo vệ cho Mosfet không bị hư hỏng. Lý do là vì khi sử dụng tải điện dung mà không có điện tích có thể sẽ dẫn đến sự cố ngắn mạch. Điều này sẽ làm cho dòng điện tăng cao và khi điện áp được ngắt ra khỏi tải điện sẽ có một lượng lớn điện áp quay ngược lại được tích tụ trong mạch.

Các loại Mosfet

Mosfet được phân thành 2 loại như sau dựa trên ứng dụng của chúng đó chính là MOSFET chế độ tăng cường (là Enhancement Mode Mosfet) E-Mosfet và Mosfet chế độ suy giảm (là Depletion Mode Mosfet) D-Mosfet

Mosfet chế độ tăng cường (hay Enhancement Mode Mosfet)

Khi không có dòng điện nào chạy qua cực cổng, thiết bị sẽ không thể hoạt động được, nhưng một khi có điện áp tối đa, khả năng hoạt động của thiết bị được tăng cường một cách đáng kể.

D- Mosfet chế độ suy giảm (hay Depletion Mode Mosfet)

Khi không có điện áp nào chạy qua cực cổng, thiết bị vẫn có thể hoạt động được ở mức tối đa. Trong khi đó, nếu điện áp qua cực cổng là dương hoặc âm thì khả năng hoạt động sẽ bị suy giảm.

Các Mosfet này còn có thể tiếp tục phân loại dựa loại chất liệu được sử dụng chính là kênh-n hay kênh-p:

• Chế độ tăng cường kênh N (Tắt)
• Chế độ tăng cường kênh P (Bật)
• Chế độ suy giảm kênh N (Tắt)
• Chế độ suy giảm kênh P (Bật)

Điểm khác biệt lớn nhất giữa Mosfet kênh N và Mosfet kênh P đó chính là ở kênh N, công tắc Mosfet sẽ luôn mở cho đến khi nào cực cổng được cung cấp điện áp. Lúc đó, công tắc cũng sẽ được đóng lại. Ngược lại, công tắc Mosfet kênh P lại sẽ luôn đóng cho đến khi nào được cung cấp điện áp.

Tương tự như vậy, điểm khác biệt giữa Mosfet ở chế độ tăng cường và D- Mosfet chế độ suy giảm đó chính là điệp áp ở cực cổng Mosfet chế độ tăng cường sẽ luôn ở trạng thái dương, trong khi đó cực cổng Mosfet ở chế độ suy giảm lại có thể âm hoặc dương.

Mosfet có những ưu nhược điểm gì?

Ưu điểm của Mosfet

• Mosfet sẽ cung cấp hiệu quả cao hơn trong khi đang hoạt động ở điện áp thấp hơn
• Sự vắng mặt của dòng điện cực cổng gate sẽ dẫn đến trở kháng đầu vào cao tạo ra tốc độ chuyển mạch cao hơn
• Mosfet có thể hoạt động ở công suất thấp hơn và không cần có dòng điện
• Mosfet có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều so với JFET
• Chế tạo và sản xuất Mosfet cũng dễ dàng hơn nhiều JFET
• Có tốc độ hoạt động cao hơn nhiều so với JFET
• Sở hữu khả năng tùy biến kích thước vô cùng cao
• Mosfet không hề có diode cổng. Điều này giúp cho nó có thể hoạt động với cả điện áp cổng dương hoặc âm
• Mosfet có mức tiêu thụ điện năng rất thấp để cho phép nhiều thành phần hơn trên diện tích bề mặt của chip

Vậy nhược điểm của Mosfet là gì?

• Lớp oxit khá mỏng làm cho các Mosfet rất dễ bị hỏng bởi các điện tích tĩnh điện
• Điện áp quá tải sẽ làm cho nó không ổn định
• Mosfet sẽ không hoạt động tốt trong tần số vô tuyến tín hiệu thấp

Ứng dụng của Mosfet trong đời sống & sản xuất

Bộ khuếch đại Mosfet được sử dụng vô cùng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến với một tần số rất cao.

Nó hoạt động như một yếu tố thụ động như là điện trở, tụ điện và cuộn cảm.

Động cơ DC có thể được điều chỉnh bởi các Mosfet công suất.

Tốc độ chuyển mạch cao của Mosfet giúp cho nó trở thành một lựa chọn hoàn hảo trong việc thiết kế các mạch chopper.

Cảm biến MOS trên Mosfet, được sử dụng rất rộng rãi để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường. Ví dụ như bóng bán dẫn hiệu ứng trường nhạy cảm với ion (ISFE), thường được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh.

Sò công suất Mosfet cũng thường được sử dụng trong điện tử ô tô, IGBT. Đặc biệt là các thiết bị chuyển mạch có trong các bộ điều khiển điện tử và làm bộ chuyển đổi năng lượng có trong xe điện hiện đại hay các thiết bị chuyển đổi tín hiệu.

Mosfet cũng được sử dụng phổ biến trong ngành điện tử tiêu dùng. Một trong những sản phẩm điện tử tiêu dùng có ảnh hưởng sớm nhất hoạt động bởi các mạch Mosfet LSI đó chính là máy tính bỏ túi điện tử.

Sự ra đời của Mosfet cũng cho phép sử dụng các bóng bán dẫn Mosfet để làm thành phần lưu trữ tế bào bộ nhớ, một chức năng trước đây thường được phục vụ bởi các lõi từ tính có trong bộ nhớ máy tính.

Một số thắc mắc khác về Mosfet

1. Làm thế nào để có thể lựa chọn Mosfet phù hợp?

Dưới đây chính là những điều kiện tiên quyết bạn cần chú ý khi chọn Mosfet:

• Sử dụng các phân cực kênh P hoặc kênh N.
• Giá trị điện áp tối đa
• Thông số Rds (ON). Đây chính là thông số đặc trưng nhất của Mosfet thể hiện điện trở nội khi dẫn bão hòa. R càng nhỏ cho khả năng mang tải càng lớn và ngược lại.
• Tần suất hoạt động của các Mosfet

2. Hiệu quả chuyển mạch của Mosfet thế nào?

Hạn chế của MOSFET là khi mà hoạt động như một thiết bị chuyển mạch nằm ở dòng điện cực máng mà thiết bị có thể thực hiện được. Điều đó cũng có nghĩa là thông số Rds khi ở chế độ ON là thông số quan trọng quyết định được khả năng chuyển mạch của MOSFET.

Bài viết trên, mayruaxegiadinh đã tổng hợp tất cả những thông tin cần biết về MOSFET, những kiến thức cơ bản về MOSFET. Hy vọng qua bài viết này sẽ giúp các bạn hiểu hơn về MOSFET, nắm được MOSFET là gì và ứng dụng vai trò của chúng trong mạch điện, đặc biệt như là ở vị trí công tắc. Nếu còn thắc mắc nào về MOSFET hãy để lại câu hỏi cho chúng tôi ở phần bình luận để nhận được giải đáp nhanh nhất.