Spis treści:
Mezi polovodičové součástky pro spínání a zesilování signálů patří tranzistory MOSFET. Jejich velmi malé rozměry a revoluční multifunkčnost při spínání jim zajistily trvalé místo v moderní elektronice.
Zkratka MOSFET znamená Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistora označuje technologii výroby tranzistorů s polem účinku. Jedná se o typ polovodičového tranzistoru, který se běžně používá v elektronice a digitálních obvodech. Tranzistor MOSFET lze popsat jako čtyřkoncové zařízení se zdrojem (S), hradlem (G), odvodem (D) a tělesem (B). Těleso tranzistoru MOSFET je připojeno ke zdrojové svorce, čímž vzniká tříkoncové zařízení, tranzistor s polem účiníku. MOSFET je proto považován za tranzistor a je používaný jak v digitálních, tak v analogových obvodech. V tranzistoru MOSFET protéká proud mezi zdrojem a odběrem v závislosti na napětí na hradle, které řídí vodivost kanálu mezi zdrojem a odběrem. To umožňuje rychlé a efektivní přepínání proudu. Díky tomu je MOSFET ideálním kandidátem pro digitální obvody, napájecí zdroje, regulátory motorů, výkonové zesilovače a mnoho dalších elektronických aplikací.
Elektronika. MOSFET v minulosti a současnosti
Patent MOSFET pochází z doby před druhou světovou válkou. Rakouský inženýr Julius Edgar Lilienfeld se snažil spojit izolační vrstvu oxidu kovu mezi kovovým hradlem a polovodičovým kanálem. Jeho objev z roku 1925 byl nesmírně důležitý pro vývoj moderní elektroniky. Navzdory praktickým výsledkům Lilienfeldovy práce se MOSFET prosadil až v 60. letech XX století. Tehdy američtí konstruktéři použili izolaci přes oxid kovu na křemíkové tranzistory a teprve tato vylepšená verze tranzistoru MOSFET ukázala světu význam stability, škálovatelnosti a vývojových cest pro pokročilé integrované obvody.
Výroba tranzistorů MOSFET může být nákladná, ale to závisí na řadě faktorů, včetně objemu výroby, technologie použité ve výrobním procesu a konkurenceschopnosti na trhu. Samotný výrobní proces MOSFET probíhá v moderních továrnách na výrobu polovodičů, které vyžadují značné investice do infrastruktury a specializovaného vybavení. Výrobní proces je složitý a automatizovaný a zahrnuje mnoho kroků, jako je litografie, nanášení materiálu, fotolitografie, leptání, iontová implantace a mnoho dalších. Trh s tranzistory MOSFET je však dobře rozvinutý a konkurenční. Je jistě povzbudivé, že se výrobou tranzistorů MOSFET zabývá řada světových výrobců – například ON Semiconductor, STMicroelectronics, Texas Instruments nebo komerčně o něco známější Toshiba – a to vede k rozmanitosti nabídky a rozdílům v cenách. Hlavní výrobci polovodičů se nacházejí v Asii, zejména v Číně, Jižní Koreji a na Tchaj-wanu, ale významní hráči na trhu působí také v USA a v Evropě.
Napájení a elektronika s MOSFET
V oblasti napájení a přeměny energie jsou tranzistory MOSFET základním prvkem spínaných napájecích zdrojů. Umožňují účinnou konverzi napětí a přesné řízení toku proudu. Jsou také hojně využívány v systémech řízení motorů, a to jak v průmyslu, tak v elektrických vozidlech, která se těší stále větší oblibě. Kromě toho hrají tranzistory MOSFET důležitou roli v pokročilých energetických systémech, regulátorech napětí a různých typech měničů energie. MOSFET se uplatňuje také v blízké elektronice v oblasti digitálních obvodů, kde se používá pro logická hradla, statickou paměť RAM (SRAM) a mikroprocesory.
Aplikace MOSFET - zvuk a hudba
MOSFET se používají v digitálních obvodech, kde se z nich vytvářejí logická hradla, statická paměť RAM (SRAM) a mikroprocesory. Díky svým vlastnostem je vynikající také jako zesilovač zvuku ve vysoce kvalitních systémech, kde zajišťuje nízké zkreslení zvuku a vysokou účinnost.
Kytarové zesilovače často používají tranzistory MOSFET jako klíčové výkonové prvky nebo jako součást obvodů předzesilovačů a díky své schopnosti rychlého spínání umožňují dosáhnout výrazných kytarových tónů a odezvy. Bez MOSFETů by nebyly moderní efekty zkreslení (overdrive), lampové zkreslení (distortion) nebo efekty v mikrofonních předzesilovačích. Používají také přenosné elektronické nástroje, jako jsou syntezátory, samplery a zvukové moduly.
MOSFET jako přepínač
N-kanálový MOSFET v režimu zesílení (e-MOSFET) pracuje při kladném vstupním napětí a má vysoký vstupní odpor – dalo by se říci, že téměř nekonečný – což umožňuje jeho použití jako spínače po připojení k téměř jakémukoli logickému hradlu nebo ovladači schopnému vytvářet kladný výstup. Díky velmi vysokému vstupnímu odporu (hradla) lze bezpečně paralelně zapojit mnoho různých tranzistorů MOSFET, dokud není dosaženo požadované proudové kapacity. Paralelní zapojení různých tranzistorů MOSFET umožňuje spínat velké proudy nebo vysokonapěťové zátěže, ale stává se nákladným a nepraktickým z hlediska součástek i místa na desce plošných spojů. K překonání tohoto problému byly vyvinuty výkonové tranzistory s polem (Power Field Effect Transistors nebo Power FET).
MOSFET v režimu zesílení se používá jako spínač, protože tyto tranzistory vyžadují kladné napětí na hradle pro “ON” a nulové napětí pro “OFF”. Ty se pak stávají praktickými přepínači a prvky, které lze snadno kombinovat s logickými hradly.
Ve vodivém režimu (“on”), kdy napětí na hradle překročí určitou prahovou hodnotu, vytvoří MOSFET v polovodičové vrstvě mezi zdrojem a odtokem vodivý kanál. V tomto případě může proud volně protékat mezi zdrojem a odběrem, což vede k zapnutému stavu MOSFETu, tj. jeho vodivosti. Na druhé straně v režimu off (vypnuto), kdy je napětí na hradle nižší než prahové napětí, nevytváří MOSFET v polovodičové vrstvě vodivý kanál, takže mezi zdrojem a odtokem nemůže protékat žádný proud. V této situaci funguje MOSFET jako vypínač a proud jím nemůže procházet. Závěrem se vraťme k řadě dříve zmíněných zařízení a pak nejlépe pochopíme, proč MOSFET způsobil revoluci v moderní elektronice.
