Jak działa tranzystor MOSFET i dlaczego jest tak popularny?

0

Tranzystor MOSFET (Metal–Oxide–Semiconductor Field-Effect Transistor) to jeden z najważniejszych elementów nowoczesnej elektroniki mocy i cyfrowej. Dzięki wysokiej impedancji wejściowej, szybkiemu przełączaniu i niskim stratom przewodzenia, MOSFET-y stały się standardem w zasilaczach impulsowych, sterownikach silników i falownikach. W artykule opisujemy dokładnie budowę, działanie, parametry i zastosowania MOSFET-ów.

Budowa tranzystora MOSFET

Tranzystor MOSFET składa się z trzech elektrod:

  1. Bramka (Gate, G)
    – izolowana od kanału tlenkiem (SiO₂)
    – steruje przepływem prądu przez tranzystor przy minimalnym poborze prądu
  2. Źródło (Source, S)
    – punkt, z którego wypływają nośniki przewodnictwa (elektrony dla N-MOS, dziury dla P-MOS)
  3. Dren (Drain, D)
    – punkt, do którego przepływają nośniki przewodnictwa

Kanał przewodzący

Między drenem a źródłem powstaje kanał przewodzący, którego szerokość zmienia się w zależności od napięcia przyłożonego do bramki. To właśnie umożliwia MOSFET-owi działanie jako przełącznika lub wzmacniacza sygnału.

Zasada działania MOSFET

MOSFET jest elementem sterowanym napięciem (Vgs), a nie prądem, jak tranzystory bipolarne BJT.

Dla N-MOSFET:

  • Gdy napięcie bramki względem źródła Vgs przekroczy napięcie progowe Vgs(th), w półprzewodniku tworzy się kanał elektrono-przewodzący.
  • Prąd zaczyna płynąć od drenu do źródła (Drain → Source).
  • Im większe Vgs, tym szerszy kanał, a tym samym mniejszy opór Rds(on) i większy prąd przepływa.

Dla P-MOSFET:

  • Działanie jest odwrotne biegunowo: kanał tworzy się, gdy bramka jest bardziej ujemna od źródła.

Najważniejsze parametry MOSFET-ów

1. Vgs(th) – napięcie progowe bramki

Minimalne napięcie między bramką a źródłem, przy którym MOSFET zaczyna przewodzić.

  • Typowe wartości: 1–4 V (dla MOSFET-ów logic level)
  • Standardowe MOSFET-y: 2–5 V
    W praktyce należy dobierać bramkę 2–3 razy powyżej Vgs(th), aby tranzystor był w pełni otwarty.

2. Rds(on) – rezystancja przewodzenia

Opór między drenem a źródłem, gdy MOSFET jest w pełni przewodzący.

  • Im mniejsza Rds(on), tym mniejsze straty mocy.
  • Kluczowy parametr dla MOSFET-ów mocy w przetwornicach i falownikach.

3. Id(max) – maksymalny prąd drenu

Największy prąd, jaki MOSFET może przewodzić bez uszkodzenia.

  • W przypadku MOSFET-ów mocy sięga kilkudziesięciu do kilkuset amperów.

4. Vds(max) – maksymalne napięcie dren–źródło

  • Określa, jakie napięcie tranzystor może wytrzymać w stanie wyłączonym.
  • Typowe wartości: 20–100 V (niskonapięciowe), 600–1200 V (mocne tranzystory do falowników).

5. Qg – ładunek bramki

  • Decyduje o tym, jak szybko MOSFET może przełączać się w układzie impulsowym.
  • Im mniejszy Qg, tym szybsze przełączanie przy tym samym sterowaniu.

MOSFET logic level

Są specjalne tranzystory, które w pełni przewodzą przy napięciu 5 V lub nawet 3,3 V, co pozwala na sterowanie z mikrokontrolerów (Arduino, ESP32).

  • Niezbędne w nowoczesnej elektronice cyfrowej i niskonapięciowej.

Zastosowania MOSFET-ów

1. Zasilacze impulsowe (SMPS)

  • Tranzystory przełączają napięcie z dużą częstotliwością (kilkadziesiąt kHz do setek kHz)
  • Niskie Rds(on) zmniejsza straty mocy
  • Wysoka szybkość przełączania zapewnia efektywność 90–95%

2. Sterowniki silników

  • Silniki DC, BLDC, krokowe – MOSFET-y działają jako klucze w mostkach H
  • Niskie straty i szybkie przełączanie pozwalają na precyzyjną regulację prędkości i momentu obrotowego

3. Falowniki i inwertery

  • W fotowoltaice i magazynach energii
  • MOSFET-y lub IGBT-y w falownikach przetwarzają napięcie DC na AC
  • Wysoka częstotliwość przełączania umożliwia filtrację wyjściowego napięcia i zmniejszenie rozmiaru elementów pasywnych

4. Elektronika cyfrowa

  • Jako przełączniki w logice CMOS
  • W mikrokontrolerach, procesorach, układach FPGA
  • Minimalny pobór prądu w stanie spoczynku dzięki izolowanej bramce

Dlaczego MOSFET jest tak popularny?

  1. Sterowanie napięciem – minimalny prąd bramki, łatwo sterować z logiki niskonapięciowej.
  2. Bardzo szybkie przełączanie – idealne w zasilaczach impulsowych i przetwornicach.
  3. Niskie straty mocy w stanie włączenia dzięki niskiej Rds(on).
  4. Duża wytrzymałość napięciowa i prądowa – od niskonapięciowych po przemysłowe układy mocy.
  5. Łatwość integracji w układach cyfrowych – szczególnie logic level MOSFET.
  6. Wszechstronność – od mikrokontrolerów po zasilacze 10 kW, falowniki i samochody elektryczne.

Podsumowanie

Tranzystor MOSFET to fundament nowoczesnej elektroniki mocy i cyfrowej. Jego działanie opiera się na sterowaniu kanałem przewodzącym napięciem bramki. Dzięki wysokiej impedancji wejściowej, niskim stratom przewodzenia i szybkiemu przełączaniu, MOSFET-y stały się standardem w:

  • zasilaczach impulsowych,
  • sterownikach silników,
  • falownikach i inwerterach,
  • mikrokontrolerach i układach cyfrowych.

W porównaniu do BJT, MOSFET oferuje łatwiejsze sterowanie i lepszą efektywność przy wysokich częstotliwościach, co tłumaczy jego ogromną popularność w elektronice współczesnej.