Werken met MOSFET's

Gepost door Jeroen Vreuls op zaterdag 26 mei 2012 21:22

Types

JFET

JFET staat voor Junction Field Effect Transistor. Hier wordt de isolatie gevormd door een gesperde junctie (PN overgang). Als je deze junctie niet in sper houdt werkt ie niet. Volgens mij worden deze alleen nog toegepast in speciale toepassingen waar een een of andere eigenschap toch handig is.

In het principediagram van hoofdstuk 1 wordt de isolator gevormd door een junctie: een P-N overgang die in normaal gebruik gesperd is. Door de spanning over de junctie op te voeren ontstaat een groter wordend gebied zonder ladingsdragers. Het kanaal wat normaliter kon geleiden wordt zo steeds minder geleidend.

Hieronder het symbool voor de JFET. Links het symbool voor het N-type, en rechts het symbool voor het P-type.

Symbolen voor N- en P-channel JFET'sSymbolen voor N- en P-channel JFET's

Junctie FETs worden nauwelijks meer gebruikt behalve in specialistische toepassingen.

N-enhancement

De source en drain zijn in principe N materiaal. Het kanaal in principe van P materiaal. In rust is er dus altijd een PN overgang die gespert is en kan er geen stroom lopen.

Het principe diagram van hoofdstuk 1 is hier weer van toepassing. De blauwe gebieden onder de source en drain contacten zijn dus hier van N-materiaal. Het substraat is P-materiaal.

Als de gate nu positief wordt tegenover de source, dan trekt deze negatieve ladingsdragers in het licht-gedopeerde P-gebied aan, en zal er een overschot aan N-ladingsdragers ontstaan. Hierdoor gaat het P-gebied locaal onder de gate zich als N-gebied gedragen. Nu is er een N-N-N configuratie en kan er stroom lopen!

Door moderne productie processen is het onvermijdelijk dat er een extra diode ontstaat. Deze zit dan met z'n anode aan de source en de kathode aan de drain.

Dit is het allerbelangrijkste type MOSFET.

P-enhancement

Als je van de N-enhancement versie alle P en N gebieden verwisselt krijg je een P-enhancement MOSFET. De source en drain zijn nu P-gebied, het kanaal is N. Als je een NEGATIEVE spanning aanbrengt op de gate zullen er P-ladingsdragers aangetrokken worden en ontstaat er een P-P-P configuratie en kan er weer stroom lopen.

Er is nog steeds een body-diode. Deze zit nu met de kathode aan de source en de anode aan de drain. Dit type wordt ook nog regelmatig toegepast. Omdat met P-ladingsdragers gewerkt wordt en deze minder mobiel zijn in het silicium zijn de eigenschappen minder dan die van N-MOSFET's.

N-depletion

Door het kanaal net als de drain en source van N-materiaal te maken, geleidt deze variant zonder dat er spanning op de gate staat. Door nu de gate negatief te maken kan je de N-ladingsdragers uit het zwak-gedopeerde kanaal wegduwen en stopt de geleiding.

Doordat het materiaal maar zwak gedopeerd kan worden lukt het niet echt goed om de geleiding erg goed te krijgen zonder dat er spanning op de gate staat. Dit soort MOSFET's is wat betreft performance niet te vergelijken met hedendaagse N-kanaal MOSFET's dus je moet er geen super lage RDS(ON) van verwachten. Er zijn echter een paar situaties waar een depletion mode MOSFET heel handig gebruikt kan worden, zoals:

  • startup circuit van voedingen, vooral de zogenaamde off-line switchmode voedingen. Hier heb je vaak grote spanningsverschillen, en zelfs een paar mA's die nodig zijn voor het schakelcircuit geven een enorme dissipatie in een weerstand. Een depletion mode MOSFET heeft geen spanning nodig om te gaan geleiden, en zodra de voeding is opgestart, kan de voeding zelf een spanning genereren om de depletion mode MOSFET weer uit geleiding te halen. Zo kan gedurende korte tijd tijdens de startup het schakelcircuit eventjes via een weerstand gevoed worden direct vanuit het lichtnet.
  • Ultra low power LDO's. Er zijn wel LDO's met een Iq van 1 µA of minder, zelfs 500 nA voor de TPS78xxx familie van Texas Instruments, maar die hebben allemaal een maximale ingangsspanning van 5,5 V. Met behulp van een depletion mode MOSFET kun je dat gemakkelijk opkrikken tot 60V of meer, zonder het eigen gebruik van de schakeling te verhogen.

P-depletion

Door weer N en P te wisselen in het bovenstaande verhaal krijg je een P-depletion FET. De eigenschappen zijn nog beroerder en deze worden dus ook nauwelijks gemaakt en gebruikt.

De P-depletion FET is "overleden" en wordt alleen nog in speciale toepassingen gebruikt.