چرا به جای ترانزیستور از MOSFET استفاده می کنیم؟

مقدمه

در حوزه اجزای الکترونیکی ، ترانزیستور اثر-اثر فلزی-اکسید-نیمه هادی میدان (MOSFET ) به عنوان یک ساختمان اساسی در مدار مدرن ظاهر شده است. در حالی که ترانزیستورهای اتصال دو قطبی سنتی (BJTS) نقش مهمی در توسعه دستگاه های الکترونیکی ایفا کرده اند ، MOSFET مزایای مشخصی را ارائه می دهد که باعث می شود آنها در برنامه های مختلف ترجیح دهند. این مقاله به دلایلی که مهندسان و طراحان از MOSFET ها نسبت به ترانزیستورهای معمولی انتخاب می کنند ، کاوش در کارآیی عملیاتی ، مزایای ساختاری و پیشرفت های تکنولوژیکی آنها را به سیستم های الکترونیکی می پردازند.

تفاوت های اساسی بین MOSFETS و BJT

در هسته ، MOSFET ها و BJT ها به عنوان سوئیچ یا تقویت کننده در مدارهای الکترونیکی عمل می کنند ، اما بر اساس اصول مختلف کار می کنند. BJT ها دستگاه های کنترل شده فعلی هستند و برای عملیاتی شدن نیاز به جریان مداوم جریان پایه دارند. در مقابل ، MOSFET ها کنترل ولتاژ هستند و برای تعدیل هدایت بین پایانه های تخلیه و منبع ، به ولتاژ در ترمینال دروازه نیاز دارند. این تفاوت اساسی منجر به چندین مزیت عملیاتی برای MOSFET ها می شود.

کارایی در مصرف برق

ماهیت کنترل شده با ولتاژ MOSFET به این معنی است که آنها در مقایسه با BJT ها به طور قابل توجهی در مدارهای رانندگی مصرف می کنند. از آنجا که برای حفظ وضعیت MOSFET ، جریان دروازه لازم نیست (به جز در هنگام انتقال سوئیچینگ که در آن خازن دروازه شارژ یا تخلیه می شود) ، مصرف انرژی استاتیک حداقل است. این راندمان در دستگاه های باتری و ادغام در مقیاس بزرگ که در آن راندمان انرژی به عمر باتری طولانی تر و کاهش مشکلات حرارتی بسیار مهم است ، بسیار مهم است.

سوئیچینگ سرعت و پاسخ فرکانس

MOSFET ها به طور کلی سرعت سوئیچینگ سریعتر را در مقایسه با BJT ها ارائه می دهند. عدم ذخیره سازی بار در منطقه پایه (مانند BJTS) به MOSFET اجازه می دهد تا به سرعت روشن و خاموش شوند و آنها را برای برنامه های با فرکانس بالا مناسب می کند. این ویژگی به ویژه در تعویض منبع تغذیه و مدارهای دیجیتالی با سرعت بالا که در آن انتقال سریع برای عملکرد ضروری است ، مفید است.

عملکرد حرارتی و ثبات

مدیریت حرارتی جنبه مهمی از طراحی الکترونیکی است. MOSFET ضریب دمای مثبت را نشان می دهد ، به این معنی که مقاومت آنها با دما افزایش می یابد. این خاصیت امکان ثبات حرارتی بهتر و موازی آسان تر از MOSFET های مختلف را بدون خطر فراری حرارتی ، یک مسئله مشترک با BJTS به دلیل ضریب دمای منفی آنها فراهم می کند.

هدایت حرارتی پیشرفته

طراحی ساختاری MOSFETS باعث اتلاف گرمای کارآمد می شود. ساخت مسطح آنها امکان تماس با سطح بزرگتر را در تماس با غرق گرما و بهبود هدایت حرارتی فراهم می کند. این ویژگی در برنامه های پر قدرت که در آن حذف گرمای کارآمد برای حفظ قابلیت اطمینان دستگاه و طول عمر ضروری است ، بسیار مهم است.

سر و صدای حرارتی پایین

MOSFET ها ذاتاً در مقایسه با BJTS نویز حرارتی کمتری تولید می کنند. این ویژگی باعث می شود آنها برای مدارهای آنالوگ دقیق و برنامه های تقویت نویز کم ، مانند تجهیزات صوتی با وفاداری بالا و دستگاههای حساس پردازش سیگنال مناسب باشند.

مقیاس پذیری و ادغام در ICS

یکی از مزایای مهم MOSFET در مقیاس پذیری آنها نهفته است. آنها می توانند در مقیاس های بسیار کوچک تولید شوند ، که برای مدارهای یکپارچه با چگالی بالا (IC) ضروری است. توانایی قرار دادن میلیون ها MOSFET بر روی یک تراشه واحد ، قابلیت های پیچیده ای را که در ریزپردازنده های مدرن و دستگاه های حافظه وجود دارد ، امکان پذیر می کند.

سازگاری با فناوری CMOS

فناوری مکمل MOS (CMOS) ، که از هر دو MOSFET های N-Channel و P کانال استفاده می کند ، ستون فقرات اکثر مدارهای منطق دیجیتال را تشکیل می دهد. مصرف انرژی کم و مصونیت زیاد از نویز مدارهای CMOS به طور مستقیم به خواص MOSFET ها نسبت داده می شود. این سازگاری تضمین می کند که MOSFET ها در تکامل فن آوری های نیمه هادی یکپارچه باقی می مانند.

پیشرفت در تکنیک های ساختگی

تکنیک های ساخت مدرن باعث افزایش عملکرد MOSFET ها شده است. نوآوری هایی از قبیل فن آوری های Finfets و Silicon-on-Insulator (SOI) باعث کاهش جریان های نشت و بهبود کنترل شکل گیری کانال می شود و منجر به دستگاه های سریعتر و کارآمدتر می شود. این پیشرفت ها بر انعطاف پذیری ساختارهای MOSFET در سازگاری با خواسته های جدید فناوری تأکید می کند.

مزایای خاص برنامه

MOSFET ها به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود ، مزایای خاصی را در برنامه های مختلف ارائه می دهند. توانایی آنها در رسیدگی به بارهای جریان زیاد و کار در فرکانس های زیاد باعث می شود که آنها به ترتیب برای الکترونیک برق و برنامه های RF مناسب باشند.

سیستم های الکترونیکی قدرت

در الکترونیک برق ، MOSFET ها برای کارآیی آنها در فرکانس های بالا و توانایی رسیدگی به سطح قدرت قابل توجه ترجیح داده می شوند. آنها معمولاً در اینورترها ، درایورهای موتور و مبدل های برق مورد استفاده قرار می گیرند. استفاده از MOSFET در این سیستم ها منجر به بهبود کارایی ، کاهش اندازه و افزایش عملکرد می شود.

برنامه های فرکانس رادیویی (RF)

MOSFET ها به دلیل امپدانس ورودی زیاد و قابلیت سوئیچینگ سریع ، برای تقویت کننده های RF مناسب هستند. برنامه های کاربردی در دستگاه های ارتباطی ، مانند تلفن های همراه و تجهیزات شبکه بی سیم ، از این خصوصیات برای دستیابی به انتقال و دریافت داده های پر سرعت استفاده می کنند.

دوام و قابلیت اطمینان

MOSFET ها به دلیل استحکام خود در شرایط مختلف عملیاتی شناخته شده اند. توانایی آنها در مقاومت در برابر سنبله های ولتاژ و شرایط بیش از حد جریان به قابلیت اطمینان سیستم های الکترونیکی کمک می کند.

ولتاژ شکست پیشرفته

MOSFET ها را می توان با ولتاژهای با شکست بالا طراحی کرد و آنها را برای برنامه هایی که در آن گذرا ولتاژ نگران کننده است ، مناسب می کند. این ویژگی به ویژه در محیط های خودرو و صنعتی که سر و صدای الکتریکی می تواند قابل توجه باشد ، از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

ماندگاری در زندگی عملیاتی

ماهیت حالت جامد MOSFET ها ، عاری از قطعات متحرک یا مکانیسم های تخریب موجود در سایر مؤلفه ها ، زندگی عملیاتی طولانی را تضمین می کند. این طول عمر باعث کاهش هزینه های نگهداری و جایگزینی در برنامه های بلند مدت می شود.

مقرون به صرفه در ساخت

فرآیندهای ساخت برای MOSFET طی چند دهه بهینه شده است و در نتیجه هزینه های تولید کمتری دارد. مقیاس پذیری آنها و توانایی ادغام متراکم در ویفرهای سیلیکون به صرفه جویی در هزینه در تولید انبوه کمک می کند.

اقتصاد مقیاس

با افزایش تقاضا برای دستگاه های الکترونیکی ، تولید در مقیاس بزرگ MOSFET ها منجر به اقتصاد مقیاس شده است. این عامل هزینه واحد MOSFET ها را کاهش می دهد و باعث می شود آنها برای الکترونیک مصرفی و کاربردهای بزرگ صنعتی به طور یکسان مقرون به صرفه تر شوند.

ساده سازی طراحی مدار

ویژگی های MOSFET امکان طراحی مدار ساده تر با اجزای کمتری را فراهم می کند. این ساده سازی هزینه های مواد و زمان مونتاژ را کاهش می دهد. علاوه بر این ، ماهیت ولتاژ محور MOSFET می تواند نیاز به مدارهای اضافی راننده مورد نیاز BJT را از بین ببرد.

ملاحظات زیست محیطی

در دوره فعلی ، تأثیرات زیست محیطی یک عامل مهم در توسعه فناوری است. MOSFET از طریق بهره وری انرژی آنها و کاهش مصرف مواد در این جنبه مثبت است.

کارایی انرژی

کاهش مصرف برق در دستگاه های با استفاده از MOSFET منجر به کاهش تقاضای انرژی می شود. این کارآیی در کاهش اثرات زیست محیطی مراکز داده ، الکترونیک مصرفی و تجهیزات صنعتی ضروری است.

کاهش زباله های الکترونیکی

دوام و ماندگاری MOSFET به طول عمر دستگاه کمک می کند و در نتیجه زباله های الکترونیکی را کاهش می دهد. علاوه بر این ، گرایش به مینیاتوریزاسیون با MOSFET باعث کاهش استفاده از مواد می شود و با اهداف پایداری هماهنگ می شود.

پایان

ترجیح MOSFET نسبت به ترانزیستورهای سنتی ریشه در عملکرد ، کارایی و سازگاری برتر آنها با خواسته های الکترونیکی مدرن دارد. عملکرد ، مقیاس پذیری و سازگاری با ولتاژ آنها با فن آوری های پیشرفته ساخت ، آنها را در طراحی مدار معاصر ضروری می کند. از آنجا که صنعت الکترونیک به سمت بهره وری و ادغام بالاتر پیشرفت می کند ، نقش آن دستگاه های MOSFET قرار است نوآوری در حوزه های مختلف فن آوری برجسته تر شود.