Principes de base du MOSFET : 13 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:09

Salut! Dans ce Instructable, je vais vous apprendre les bases des MOSFET, et par bases, je veux dire vraiment les bases. Cette vidéo est idéale pour une personne qui n'a jamais étudié les MOSFET professionnellement, mais qui souhaite les utiliser dans des projets. Je vais parler des MOSFET à canaux n et p, comment les utiliser, en quoi ils sont différents, pourquoi les deux sont importants, pourquoi les pilotes MOSFET et des choses comme ça. Je parlerai également de quelques faits peu connus sur les MOSFET et bien plus encore.

Entrons-y.

Étape 1: Regardez la vidéo

Les vidéos ont tout couvert en détail requis pour la construction de ce projet. La vidéo contient des animations qui aideront à saisir rapidement les faits. Vous pouvez le regarder si vous préférez les visuels, mais si vous préférez le texte, passez aux étapes suivantes.

Étape 2: Le FET

Avant de commencer les MOSFET, permettez-moi de vous présenter son prédécesseur, le JFET ou transistor à effet de champ à jonction. Cela facilitera un peu la compréhension du MOSFET.

La section transversale d'un JFET est montrée dans l'image. Les bornes sont identiques aux bornes des MOSFET. La partie centrale s'appelle le substrat ou le corps, et il s'agit simplement d'un semi-conducteur de type n ou de type p selon le type de FET. Les régions qui sont ensuite développées sur le substrat de type opposé à celui du substrat sont nommées grille, drain et source. Quelle que soit la tension que vous appliquez, vous appliquez à ces régions.

Aujourd'hui, d'un point de vue pratique, il n'a que très peu ou pas d'importance. Je n'irai pas pour plus d'explications au-delà de cela car cela deviendra trop technique et n'est de toute façon pas nécessaire.

Le symbole de JFET nous aidera à comprendre le symbole de MOSFET.

Étape 3: Le MOSFET

Après cela vient le MOSFET, ayant une différence majeure dans la borne de porte. Avant d'établir les contacts pour la borne de grille, une couche de dioxyde de silicium est développée au-dessus du substrat. C'est la raison pour laquelle il est nommé transistor à effet de champ semi-conducteur à oxyde métallique. Le SiO2 est un très bon diélectrique, ou on peut dire un isolant. Cela augmente la résistance de grille dans l'échelle de dix à la puissance dix ohms et nous supposons que dans un MOSFET, le courant de grille Ig est toujours nul. C'est la raison pour laquelle il est également appelé transistor à effet de champ à grille isolée (IGFET). Une couche d'un bon conducteur comme l'aluminium est développée en plus au-dessus des trois régions, puis des contacts sont établis. Dans la région de la grille, vous pouvez voir qu'une structure semblable à un condensateur à plaques parallèles est formée et qu'elle introduit en fait une capacité considérable à la borne de grille. Cette capacité est appelée capacité de grille et peut facilement détruire votre circuit si elle n'est pas prise en compte. Ceux-ci sont également très importants tout en étudiant à un niveau professionnel.

Le symbole des MOSFET est visible sur l'image ci-jointe. Placer une autre ligne sur la porte est logique tout en les reliant aux JFET, indiquant que la porte a été isolée. La direction de la flèche dans ce symbole représente la direction conventionnelle du flux d'électrons à l'intérieur d'un MOSFET, qui est opposée à celle du flux de courant

Étape 4: Les MOSFET sont-ils un périphérique à 4 terminaux ?

Une autre chose que j'aimerais ajouter est que la plupart des gens pensent que le MOSFET est un dispositif à trois terminaux, alors qu'en réalité les MOSFET sont un dispositif à quatre terminaux. Le quatrième terminal est le terminal du corps. Vous avez peut-être vu le symbole attaché pour MOSFET, la borne centrale est pour le corps.

Mais pourquoi presque tous les MOSFET n'en sortent que trois terminaux ?

Le terminal du corps est court-circuité en interne à la source car il n'est d'aucune utilité dans les applications de ces circuits intégrés simples, et après cela, le symbole devient celui avec lequel nous sommes familiers.

Le terminal de corps est généralement utilisé lorsqu'un circuit intégré de technologie CMOS compliqué est fabriqué. Gardez à l'esprit que c'est le cas pour le MOSFET à canal n, l'image sera un peu différente si le MOSFET est à canal p.

Étape 5: Comment ça marche

D'accord, voyons maintenant comment cela fonctionne.

Un transistor à jonction bipolaire ou un BJT est un dispositif à courant contrôlé, ce qui signifie que la quantité de courant dans sa borne de base détermine le courant qui traversera le transistor, mais nous savons qu'il n'y a aucun rôle de courant dans la borne de porte des MOSFET et collectivement nous pouvons dire qu'il s'agit d'un appareil contrôlé en tension non pas parce que le courant de grille est toujours nul, mais à cause de sa structure que je n'expliquerai pas dans ce Instructable en raison de sa complexité.

Considérons un MOSFET à canal n. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée dans la borne de grille, deux diodes dos à dos existent entre le substrat et la région de drain et de source, ce qui fait que le chemin entre le drain et la source a une résistance de l'ordre de 10 à la puissance de 12 ohms.

J'ai mis la source à la terre maintenant et j'ai commencé à augmenter la tension de grille. Lorsqu'une certaine tension minimale est atteinte, la résistance chute et le MOSFET commence à conduire et le courant commence à circuler du drain à la source. Cette tension minimale est appelée tension de seuil d'un MOSFET et le flux de courant est dû à la formation d'un canal du drain à la source dans le substrat du MOSFET. Comme son nom l'indique, dans un MOSFET à canal n, le canal est composé de n types de porteurs de courant, c'est-à-dire d'électrons, ce qui est opposé au type de substrat.

Étape 6: Mais…

Cela n'a commencé qu'ici. L'application de la tension de seuil ne signifie pas que vous êtes simplement prêt à utiliser le MOSFET. Si vous regardez la fiche technique de l'IRFZ44N, un MOSFET à canal n, vous verrez qu'à sa tension de seuil, seul un certain courant minimum peut le traverser. C'est bien si vous voulez juste utiliser des charges plus petites comme des LED uniquement, mais à quoi ça sert alors. Donc, pour utiliser des charges plus importantes qui consomment plus de courant, vous devrez appliquer plus de tension à la grille. La tension de grille croissante améliore le canal, faisant circuler plus de courant à travers celui-ci. Pour allumer complètement le MOSFET, la tension Vgs, qui est la tension entre la grille et la source, doit être d'environ 10 à 12 volts, ce qui signifie que si la source est mise à la terre, la grille doit être à environ 12 volts.

Les MOSFET dont nous venons de parler sont appelés MOSFET de type à amélioration pour la raison que le canal est amélioré avec l'augmentation de la tension de grille. Il existe un autre type de MOSFET appelé MOSFET à appauvrissement. La différence majeure réside dans le fait que le canal est déjà présent dans le MOSFET de type à appauvrissement. Ce type de MOSFET n'est généralement pas disponible sur les marchés. Le symbole du MOSFET de type à appauvrissement est différent, la ligne continue indique que le canal est déjà présent.

Étape 7: Pourquoi les pilotes MOSFET ?

Disons maintenant que vous utilisez un microcontrôleur pour contrôler le MOSFET, alors vous ne pouvez appliquer qu'un maximum de 5 volts ou moins à la porte, ce qui ne sera pas suffisant pour des charges de courant élevées.

Ce que vous pouvez faire est d'utiliser un pilote MOSFET comme TC4420, il vous suffit de fournir un signal logique à ses broches d'entrée et il s'occupera du reste ou vous pouvez créer un pilote vous-même, mais un pilote MOSFET a beaucoup plus d'avantages dans le fait qu'il s'occupe également de plusieurs autres choses comme la capacité de grille, etc.

Lorsque le MOSFET est complètement allumé, sa résistance est notée Rdson et peut être facilement trouvée dans la fiche technique.

Étape 8: Le MOSFET canal P

Un MOSFET à canal p est exactement l'opposé du MOSFET à canal n. Le courant circule de la source au drain et le canal est composé de porteurs de charge de type p, c'est-à-dire des trous.

La source dans un MOSFET à canal p doit être au potentiel le plus élevé et pour l'allumer complètement, Vgs doit être négatif de 10 à 12 volts

Par exemple, si la source est liée à 12 volts, la porte à zéro volt doit pouvoir l'allumer complètement et c'est pourquoi nous disons généralement en appliquant 0 volts à la grille pour activer le MOSFET de canal et en raison de ces exigences, le pilote MOSFET pour Le canal n ne peut pas être utilisé directement avec le MOSFET du canal p. Les pilotes MOSFET à canal p sont disponibles sur le marché (comme le TC4429) ou vous pouvez simplement utiliser un onduleur avec le pilote MOSFET à canal n. Les MOSFET à canal p ont une résistance ON relativement plus élevée que les MOSFET à canal n, mais cela ne signifie pas que vous pouvez toujours utiliser un MOSFET à canal n pour toutes les applications possibles.

Étape 9: Mais pourquoi ?

Disons que vous devez utiliser le MOSFET dans la première configuration. Ce type de commutation est appelé commutation côté bas car vous utilisez le MOSFET pour connecter l'appareil à la terre. Un MOSFET à canal n serait le mieux adapté pour ce travail car Vgs ne varie pas et peut être facilement maintenu à 12 volts.

Mais si vous souhaitez utiliser un MOSFET à canal n pour la commutation côté haut, la source peut être n'importe où entre la terre et Vcc, ce qui finira par affecter la tension Vgs car la tension de grille est constante. Cela aura un impact énorme sur le bon fonctionnement du MOSFET. De plus, le MOSFET grille si le Vgs dépasse la valeur maximale mentionnée qui est d'environ 20 volts en moyenne.

Par conséquent, ce n'est pas un jeu d'enfant d'utiliser des MOSFET à canal n ici, ce que nous faisons, c'est que nous utilisons un MOSFET à canal p malgré une plus grande résistance ON car il a l'avantage que Vgs sera constant pendant une commutation côté haut. Il existe également d'autres méthodes comme l'amorçage, mais je ne les couvrirai pas pour l'instant.

Étape 10: Courbe Id-Vds

Enfin, jetons un coup d'œil rapide à ces courbes Id-Vds. Un MOSFET fonctionnait sur trois régions, lorsque Vgs est inférieur à la tension de seuil, le MOSFET est dans la région coupée, c'est-à-dire qu'il est éteint. Si Vgs est supérieur à la tension de seuil mais inférieur à la somme de la chute de tension entre le drain et la source et la tension de seuil, on dit qu'il est dans la région triode ou dans la région linéaire. Dans la région du revêtement, un MOSFET peut être utilisé comme résistance variable en tension. Si Vgs est supérieur à ladite somme de tension, alors le courant de drain devient constant, il est dit qu'il fonctionne dans la région de saturation et pour que le MOSFET agisse comme un interrupteur, il doit être utilisé dans cette région car le courant maximum peut traverser le MOSFET. dans cette région.

Étape 11: Suggestions de pièces

MOSFET à n canaux: IRFZ44N

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p MOSFET canal: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

Pilote MOSFET à n canaux: TC4420US -

Pilote MOSFET canal p: TC4429

Étape 12: C'est tout

Vous devez maintenant connaître les bases des MOSFET et être capable de choisir le MOSFET parfait pour votre projet.

Mais une question demeure, quand devrions-nous utiliser des MOSFET ? La réponse simple est quand vous devez commuter des charges plus importantes qui nécessitent plus de tension et de courant. Les MOSFET ont l'avantage d'une perte de puissance minimale par rapport aux BJT, même à des courants plus élevés.

Si j'ai raté quelque chose, ou si je me trompe, ou si vous avez des conseils, veuillez commenter ci-dessous.

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Étape 13: Pièces utilisées

MOSFET à canal n: IRFZ44NINDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p MOSFET canal: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

Pilote MOSFET à n canaux: TC4420US -

Pilote MOSFET canal p: TC4429