المكونات الأساسية - المفاتيح ذات التأثير الميداني

المفاتيح ذات التأثير الميداني هي أجهزة تعمل على تحكم الجهد والتيار. ومن بينها، يتكون المفتاح MOS الذي نستخدمه بشكل شائع من معدن (metal) وأكسيد (oxide) وشبه موصل (semiconductor) لتشكيل المفتاح ذو التأثير الميداني. سنركز في هذا النص على المفتاح ذو التأثير الميداني ذو النوعية المحسنة N.

تتوافق أقطاب المفتاح ذو التأثير الميداني مع أقطاب الترانزستور الثلاثي: قطب البوابة / القطب الأمامي (G) يتوافق مع القاعدة (b)، قطب التصريف (D) يتوافق مع المجمع (c)، وقطب المصدر (S) يتوافق مع المصعد (e). السهم يشير إلى اتجاه حركة الإلكترونات.

عندما يكون المفتاح ذو التأثير الميداني في حالة عمل طبيعية، فإن القطب الأمامي لا يوجد به تيار. لذلك، يجب أن يكون تيار الصرف مساويًا لتيار المصدر. والأساس هو استخدام الجهد بين GS للتحكم في تيار الصرف. لذلك يُطلق عليه أيضًا اسم المفتاح ذو التحكم بالجهد.

تعريف أقطاب المفتاح MOS

يحتوي المفتاح MOS على ثلاثة أقطاب (G، S، D) وتعريفها كما يلي:

• G: البوابة / القطب الأمامي
• S: المصدر / القطب الأمامي
• D: التصريف / القطب الخلفي

يتم توصيل مصدر الطاقة للقناة N عادةً بالقطب D ويتم توصيل الإخراج بالقطب S. يتم توصيل مصدر الطاقة للقناة P عادةً بالقطب S ويتم توصيل الإخراج بالقطب D. يكون توصيل الأقطاب للأنواع المحسنة / المستنفدة متطابقًا تقريبًا.

يمكن تبديل أقطاب المصدر والتصريف في المفتاح MOS، حيث يتم تشكيلهما في منطقة N داخل بوابة النوع P، وفي معظم الحالات، تكون هاتين المنطقتين متطابقتين، وحتى عند التبديل لا يؤثر ذلك على الأداء.

الثنائي القطبي الطفيلي

بسبب عملية التصنيع، يمكن أن يحتوي المفتاح MOS على ثنائي قطبي طفيلي، أو ما يسمى بالثنائي الجسمي.

عندما تتوافر شروط توصيل المفتاح MOS، فإن قطب التصريف (D) وقطب المصدر (S) يتوصلان، وفي هذا الوقت يكون الثنائي الجسمي في حالة قطع. نظرًا لأن مقاومة التوصيل للمفتاح MOS صغيرة جدًا، فإنها غير كافية لتوصيل الثنائي القطبي الطفيلي.

شروط توصيل المفتاح MOS

يعتبر المفتاح MOS ذو التحكم بالجهد، حيث يتحدد توصيله بناءً على الفرق في الجهد بين G و S.

بالنسبة للمفتاح N-MOS، يتم توصيله عندما يكون \(V_g-V_s>V_{gs(th)}\).

بالنسبة للمفتاح P-MOS، يتم توصيله عندما يكون \(V_s-V_g>V_{gs(th)}\).

خصائص المفتاح MOS ذو النوعية المحسنة

تتميز المفاتيح MOS ذات النوعية المحسنة بالتركيب الذي يتم فيه تشكيل قناتين من النوع N على قاعدة السيليكون من النوع P، ويتم سحب تيارين من القناتين باستخدام أسلاك الألومنيوم كمصدر (S) وتصريف (D) (يمكن تبديل D/S في هذه الحالة)، ثم يتم تغطية سطح الشبه موصل بطبقة رقيقة جدًا من الأكسيد السليكوني كطبقة عازلة، ثم يتم تركيب قطب البوابة (G) على طبقة العزل بين تصريف ومصدر، ويتم توصيل قطب آخر على القاعدة. نظرًا لأن القاعدة والمصدر عادة ما يتم توصيلهما معًا في المصنع، فإنه لا يمكن تبديل D/S في هذه الحالة.

الشكل يوضح منحنى الخصائص الجهد-تيار للمفتاح MOS ذو النوعية المحسنة، الشكل الأيسر يمثل الخصائص التحويلية والشكل الأيمن يمثل الخصائص الإخراجية، ويشتركان في نفس المحور الرأسي.

العناصر الرئيسية للخصائص الجهد-تيار:

1. جهد الفتح \(U_{GS_(th)}\): يمكن ملاحظة من الشكل أن \(U_{GS_(th)} = 1 V\)، عندما يكون \(U_{GS} < U_{GS_(th)}\)، فإن التيار \(i_D\) يكون دائمًا صفر. يعتبر المفتاح MOS مفتوحًا فقط عندما يكون \(U_{GS} > U_{GS_(th)}\).
2. معادلة منطقة التيار الثابت: \(i_D = K(u_{GS}-U_{GS_(th))^2\)، حيث يؤثر K على معدل نمو منحنى الخصائص التحويلية (الوحدة هي A/V^2).
3. حدود منطقة المقاومة المتغيرة ومنطقة التيار الثابت: مع زيادة \(U_{GS}\)، يزداد جهد الحدود \(U_{DS_{dv}}\) ويتوافق مع المعادلة \(U_{DS_{dv}}=U_{GS} - U_{GS_(th)}\)

حالة عمل المفتاح MOS

يختلف المفتاح MOS عن الترانزستور الثلاثي، حيث يحتوي بعض الطرز على ثنائيات متوازية داخل العبوة، لذلك لا يمكن تبديل أقطاب التصريف والمصدر، ويجب أن يتدفق التيار في المفتاح N من التصريف إلى المصدر، ويجب أن يتدفق التيار في المفتاح P من المصدر إلى التصريف. يمكن استخدام الجدول التالي لتحديد حالة العمل:

عدة مناطق عمل:

• منطقة القطع: عندما يكون \(U_{GS}\) أقل من جهد التشغيل \(U_{GS_(th)}\) ، فإن MOSFET غير موصل.
• منطقة المقاومة المتغيرة: \(U_{DS}\) صغير جدًا ، ويزداد \(I_D\) مع زيادة \(U_{DS}\).
• منطقة التيار الثابت: تتغير \(U_{DS}\) ولكن \(I_D\) تتغير بشكل ضئيل.
• منطقة الاختراق: عندما يصل \(U_{DS}\) إلى قيمة معينة ، يتم اختراق MOSFET ويزداد \(I_D\) فجأة ، وإذا لم يكن هناك مقاومة تيار محدود ، فسيتم حرقه.
• منطقة الخسارة الزائدة: قدرة عالية ، يتطلب تعزيز التبريد ، يجب مراعاة أقصى قدرة.

المعلمات الرئيسية لـ MOSFET

المعلمات المستمرة:

• جهد التشغيل \(U_{GS_(th)}\): معلمة MOSFET المحسنة. يشير إلى القيمة المطلوبة لـ \(\left| u_{GS} \right|\) عندما يكون \(U_{DS}\) ثابتًا لضمان \(i_D > 0\).
• جهد القطع \(U_{GS_(off)}\): معلمة للترانزستور ذو القناة المفتوحة و MOSFET المستنفدة ، مشابهة لـ \(U_{GS_(th)}\) ، تمثل \(u_{GS}\) عندما يكون \(U_{DS}\) ثابتًا و \(i_D\) هو تيار صغير محدد.
• مقاومة الإدخال المستمرة \(U_{GS_(DC)}\): نسبة جهد البوابة - المصدر إلى تيار البوابة ، عادةً ما يكون \(U_{GS_(DC)}\) لـ MOSFET > \(10^9 \Omega\).

معلمات اختيار المفتاح:

1. جهد الاختراق V_BRDSS
   • يجب ترك مسافة للتغير مع درجة الحرارة
2. مقاومة التوصيل R_DS(on)
   • معامل مقاومة التوصيل إيجابي للحرارة ، مناسب للعمل المتوازي
   • كلما كانت مقاومة التوصيل أقل ، زادت خسارة التوصيل
   • كلما كانت مقاومة التوصيل أقل ، زادت Qg ، وبالتالي تباطؤ سرعة التبديل
   • يزيد من خسارة التبديل ، يجب مراعاة التوازن في العمل عالي التردد
3. أقصى درجة حرارة للتوصيل
   • لا يجب أن تتجاوز أبدًا أقصى درجة حرارة للتوصيل
   • يمكن حسابها فقط بعد قياس درجة حرارة الغلاف واستخدام مقاومة حرارية
4. السعة الديناميكية و Qg
   • ليست قيمة ثابتة ، تعتمد على ظروف العمل
   • كمفتاح ، يجب أن يكون الفتح سريعًا ، ويحتاج إلى رقاقة تشغيل توفر تيارًا عاليًا في لحظة
   • كـ MOSFET للتشغيل التدريجي ، يجب أن يتم فتحه ببطء لتقليل التيار الزائد

N-MOS:

• يتطلب بوابة جهد أعلى من مصدر الجهد
• أداء أفضل
• المزيد من الخيارات
• تكلفة أقل

P-MOS:

• يتطلب بوابة جهد أقل من مصدر الجهد
• لا يتطلب جهدًا أعلى للتشغيل ، سهل التشغيل

مقارنة بين الترانزستور و MOSFET

التغذية العكسية

التعريف: إعادة جزء أو كل إشارة الإخراج للدائرة الإدخالية ودمجها مع إشارة الإدخال.

التغذية السلبية: إشارة العودة تقوم بتضعيف إشارة الإدخال.
التغذية الإيجابية: إشارة العودة تقوم بتعزيز إشارة الإدخال.

أشكال تغليف MOSFET الشائعة

تغليف SOT

تغليف SOT (Small Out-Line Transistor) عادة ما يستخدم لمكونات MOSFET ذات الطاقة المنخفضة.

تغليف SOT-23:

تغليف SOT-89:

تغليف TO

تغليف TO (Transistor Out-line) هو مواصفة تغليف أقدم ، كان يستخدم في الأصل للتغليف المستقيم (مثل TO-92 ، TO-220 ، TO-252) ، ثم تطور ببطء إلى التغليف بالملصق. TO252 و TO263 هما الأكثر شيوعًا ، حيث يُشار إلى TO-252 باسم D-PAK و TO-263 باسم D2PAK.

D-PAK المُغلَّف بحزمة MOS يحتوي على 3 أقطاب، حيث يتم قص دبوس الصرف (D) واستخدام لوحة التبريد الخلفية بدلاً منها كصرف، مما يتيح إخراج تيار أكبر وتبديد حرارة أفضل.

حزمة TO-252:

حزمة TO-263:

حزمة SOP

SOP (Small Out-Line Package)، وتُعرف أيضًا بـ SO أو SOL أو DFP. عادةً ما تكون هناك حزم SOP-8 و SOP-16 و SOP-20 و SOP-28 وما إلى ذلك (الأرقام تُمثل عدد الأقطاب). تستخدم حزم MOS بتصميم SOP-8 بشكل رئيسي.

حزمة SOP-8:

المراجع والشكر

• معرفة حول تغليف وترتيب مُغلَّفات المُصَحَّحات اللاصقة
• معرفة حول المُصَحَّحات اللاصقة، اقرأ هذا المقال فقط

عنوان النص: https://wiki-power.com/ يتم حماية هذا المقال بموجب اتفاقية CC BY-NC-SA 4.0، يُرجى ذكر المصدر عند إعادة النشر.

تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.