Nội dung bài viết
MOSFET là một trong những loại transistor được sử dụng phổ biến trong mạch điện tử, đặc biệt ở các ứng dụng đóng cắt, điều khiển công suất và chuyển đổi nguồn. So với transistor BJT, MOSFET có đặc điểm điều khiển bằng điện áp tại cực Gate và dòng điều khiển Gate ở trạng thái ổn định thường rất nhỏ.
Nhờ khả năng đóng cắt nhanh, tổn hao dẫn thấp ở những điều kiện phù hợp và đa dạng về điện áp, dòng điện, MOSFET xuất hiện trong bộ nguồn, thiết bị điện tử, hệ thống điều khiển và nhiều thiết bị công suất.
MOSFET là gì?
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) là transistor hiệu ứng trường cấu trúc kim loại – oxide – bán dẫn.
MOSFET có ba cực chính:
- Gate (G): cực điều khiển.
- Drain (D): cực thoát.
- Source (S): cực nguồn.
Một số tài liệu còn đề cập đến Body (B) hoặc Substrate là cực thân bán dẫn. Trong nhiều MOSFET rời, cực Body được kết nối nội bộ với Source, vì vậy linh kiện bên ngoài thường được sử dụng như một linh kiện ba cực. Khác với BJT, MOSFET chủ yếu được điều khiển bằng điện áp đặt giữa Gate và Source, thường ký hiệu là VGS.
Cấu tạo của MOSFET
Cấu trúc MOSFET gồm lớp bán dẫn, lớp oxide cách điện và điện cực Gate. Cách bố trí các vùng bán dẫn quyết định loại MOSFET cũng như cách linh kiện dẫn điện.
Gate
Gate là cực điều khiển của MOSFET. Giữa Gate và vùng bán dẫn có một lớp oxide cách điện rất mỏng. Lớp cách điện này khiến dòng điện một chiều đi trực tiếp vào Gate rất nhỏ trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, điện dung ký sinh giữa Gate và các cực khác vẫn tồn tại, vì vậy khi chuyển mạch nhanh vẫn cần nạp và xả điện tích Gate.
Source và Drain
Source và Drain là hai cực tạo đường dẫn dòng điện chính của MOSFET. Khi MOSFET được kích hoạt, dòng điện có thể chạy qua vùng dẫn giữa hai cực này. Khả năng dẫn phụ thuộc vào điện áp điều khiển Gate và đặc tính của từng linh kiện.
Body
Body là vùng bán dẫn nền của MOSFET. Trong nhiều MOSFET công suất, Body được nối với Source bên trong linh kiện. Cấu trúc này cũng tạo ra một body diode nội tại giữa Drain và Source. Đặc tính của diode này cần được xem xét khi MOSFET được sử dụng trong mạch nguồn hoặc mạch chuyển đổi công suất.
Các kiến thức về transistor, MOSFET và những linh kiện bán dẫn liên quan có thể được tham khảo trong chuyên mục kiến thức để có nền tảng trước khi đi sâu vào thiết kế mạch công suất.
Nguyên lý hoạt động của MOSFET
MOSFET hoạt động dựa trên sự thay đổi khả năng dẫn điện của một vùng bán dẫn dưới tác động của điện trường do điện áp tại Gate tạo ra. Có thể hình dung quá trình hoạt động qua ba trạng thái cơ bản: chưa hình thành kênh dẫn, bắt đầu dẫn và dẫn mạnh tùy theo điều kiện phân cực.
Điện áp Gate tạo kênh dẫn
Đối với MOSFET kênh N tăng cường, khi điện áp VGS thấp, giữa Drain và Source chưa hình thành kênh dẫn đủ mạnh để dòng điện chạy qua. Khi VGS tăng và vượt qua một mức nhất định gọi là điện áp ngưỡng VGS(th), vùng dẫn bắt đầu hình thành. Khi tiếp tục tăng điện áp Gate trong giới hạn cho phép, khả năng dẫn của MOSFET tăng lên.
Điện áp ngưỡng chỉ là thông số cho biết điều kiện bắt đầu hình thành kênh dẫn ở một dòng thử nghiệm nhất định. Không nên hiểu VGS(th) là điện áp mà MOSFET đã dẫn hoàn toàn.
Điều khiển dòng Drain-Source
Khi MOSFET đã được kích hoạt, điện áp Gate tiếp tục ảnh hưởng đến khả năng dẫn giữa Drain và Source. Trong ứng dụng đóng cắt, người thiết kế thường chọn mức điện áp Gate phù hợp để MOSFET đạt trạng thái dẫn với điện trở RDS(on) thấp. Điện trở này càng thấp trong điều kiện làm việc cụ thể thì tổn hao dẫn thường càng nhỏ.
Trạng thái tắt
Khi điện áp Gate không đủ để duy trì kênh dẫn, MOSFET chuyển sang trạng thái tắt. Tuy nhiên, trạng thái thực tế còn phụ thuộc vào điện áp Drain-Source, cấu trúc linh kiện và điều kiện mạch. Đối với MOSFET công suất, body diode vẫn tồn tại nên dòng điện có thể đi theo một đường khác trong một số điều kiện phân cực.
Cách phân loại MOSFET
MOSFET có thể được phân loại theo loại kênh dẫn, chế độ hoạt động và mục đích sử dụng.
Phân loại theo loại kênh
Hai loại cơ bản là:
- MOSFET kênh N (NMOS): sử dụng electron làm hạt tải điện chính trong kênh dẫn.
- MOSFET kênh P (PMOS): sử dụng lỗ trống làm hạt tải điện chính trong kênh dẫn.
Trong nhiều ứng dụng công suất, MOSFET kênh N được sử dụng rộng rãi nhờ đặc tính dẫn điện thuận lợi của electron và khả năng đạt RDS(on) thấp ở nhiều dòng sản phẩm.
MOSFET kênh tăng cường
MOSFET kênh tăng cường, hay Enhancement-mode MOSFET, ở trạng thái bình thường không có kênh dẫn chính. Kênh được hình thành khi điện áp Gate đạt điều kiện phù hợp. Đây là cấu trúc rất phổ biến trong MOSFET công suất và mạch chuyển mạch.
MOSFET kênh suy giảm
MOSFET kênh suy giảm, hay Depletion-mode MOSFET, có kênh dẫn tồn tại khi điện áp Gate bằng 0. Điện áp Gate phù hợp có thể làm giảm hoặc tăng khả năng dẫn tùy loại kênh. Loại này ít phổ biến hơn trong các ứng dụng MOSFET công suất thông dụng nhưng vẫn có vai trò trong một số mạch chuyên dụng.
Các thông số quan trọng của MOSFET
Khi lựa chọn MOSFET, một số thông số có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động của mạch.
Điện áp Drain-Source tối đa
VDS cho biết mức điện áp Drain-Source tối đa mà MOSFET có thể chịu trong điều kiện quy định. Nếu điện áp thực tế của mạch có xung quá áp, cần xem xét cả biên độ xung chứ không chỉ điện áp danh định.
Dòng Drain tối đa
ID thể hiện khả năng chịu dòng của MOSFET trong những điều kiện nhất định. Giá trị này có thể phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ vỏ, nhiệt độ mối nối và phương pháp tản nhiệt. Vì vậy, không nên xem ID trên datasheet như một mức dòng cố định có thể sử dụng trong mọi điều kiện.
Điện trở RDS(on)
RDS(on) là điện trở giữa Drain và Source khi MOSFET ở trạng thái dẫn và được đo tại điều kiện Gate cụ thể.
Thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao dẫn: P ≈ I² × RDS(on)
Do RDS(on) thường tăng theo nhiệt độ, việc kiểm tra thông số ở nhiệt độ làm việc thực tế rất quan trọng.
Điện áp Gate-Source
VGS là điện áp giữa Gate và Source. Cần phân biệt điện áp ngưỡng VGS(th) với điện áp Gate được khuyến nghị để MOSFET dẫn hiệu quả. Một MOSFET có VGS(th) thấp không đồng nghĩa với việc nó đã được kích hoàn toàn ở điện áp Gate đó.
Điện tích Gate
Gate charge (Qg) liên quan đến lượng điện tích cần nạp và xả để thay đổi trạng thái của MOSFET. Trong mạch chuyển mạch tần số cao, Qg ảnh hưởng đến tổn hao chuyển mạch và yêu cầu đối với mạch driver.
Ứng dụng phổ biến của MOSFET
MOSFET được sử dụng trong nhiều mạch cần điều khiển dòng điện nhanh và hiệu quả.
Đóng cắt tải điện
MOSFET có thể dùng để bật hoặc tắt LED, động cơ, relay, van điện từ và nhiều loại tải khác. Tín hiệu điều khiển tại Gate có thể được tạo từ vi điều khiển hoặc mạch driver chuyên dụng.
Bộ nguồn chuyển mạch
MOSFET là linh kiện quan trọng trong nhiều loại nguồn chuyển mạch. Nó có thể đảm nhiệm vai trò đóng cắt dòng điện ở tần số cao để thực hiện quá trình biến đổi năng lượng.
Mạch điều khiển động cơ
MOSFET được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ DC, mạch cầu H và nhiều cấu hình công suất khác. Với hệ thống công suất lớn, việc lựa chọn MOSFET phải đồng thời xem xét dòng điện, điện áp, tổn hao dẫn, tổn hao chuyển mạch và khả năng tản nhiệt.
Mạch bảo vệ và quản lý nguồn
MOSFET cũng xuất hiện trong các mạch quản lý pin, bảo vệ quá dòng, đóng ngắt nguồn và điều khiển đường cấp điện.
Vai trò của MOSFET trong sản xuất thiết bị điện tử
MOSFET thường xuất hiện trên PCB dưới dạng linh kiện SMD hoặc linh kiện công suất có package riêng. Trong quá trình sản xuất, ngoài việc lắp đúng vị trí, cần kiểm soát mã linh kiện, hướng lắp và chất lượng mối hàn.
Tại các doanh nghiệp sản xuất điện tử như Luxshare ICT, những linh kiện MOSFET được đưa vào các cụm mạch nguồn, mạch điều khiển hoặc mạch quản lý năng lượng cần được kiểm soát theo đúng thông số kỹ thuật và yêu cầu của từng sản phẩm.
Với MOSFET công suất, thiết kế PCB và khả năng truyền nhiệt cũng có ảnh hưởng lớn đến độ tin cậy. Pad tản nhiệt, diện tích đồng và phương án tản nhiệt phải phù hợp với package và công suất thực tế.
Những lưu ý khi sử dụng MOSFET
MOSFET có lớp oxide Gate mỏng nên có thể nhạy với phóng tĩnh điện trong quá trình thao tác. Ngoài ra, việc điều khiển Gate không phù hợp cũng có thể khiến linh kiện không dẫn hoàn toàn hoặc phát sinh tổn hao lớn.
Một số điểm cần kiểm tra trước khi sử dụng:
- Đúng loại N-channel hoặc P-channel.
- Điện áp VDS phù hợp.
- Dòng tải nằm trong giới hạn cho phép.
- Điện áp Gate phù hợp với yêu cầu kích.
- RDS(on) được xác định tại đúng mức VGS.
- Kiểm tra Gate charge khi mạch chuyển mạch nhanh.
- Có phương án tản nhiệt phù hợp.
- Xem xét body diode trong các mạch có dòng đảo chiều.
Đối với mạch công suất, cần đánh giá cả điều kiện quá độ và nhiệt độ thực tế thay vì chỉ dựa vào các thông số tối đa trên datasheet.
Kết luận
MOSFET là transistor hiệu ứng trường được điều khiển chủ yếu bằng điện áp tại Gate. Cấu trúc của MOSFET gồm Gate, Drain, Source và vùng Body, trong đó lớp oxide cách điện giữa Gate và bán dẫn tạo nên đặc tính trở kháng đầu vào cao.
MOSFET có thể được phân loại theo kênh N hoặc kênh P, chế độ tăng cường hoặc suy giảm, đồng thời có nhiều dòng sản phẩm dành cho tín hiệu, chuyển mạch và công suất. Khi lựa chọn, cần đặc biệt chú ý đến VDS, ID, RDS(on), VGS, Gate charge và điều kiện nhiệt để bảo đảm linh kiện hoạt động đúng trong mạch.
