Transitor Mosfet (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor), Fet
I. MOSFET
Transitor MOSFET (Metal Oxide bán dẫn hiệu ứng trường) là một thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi như một công tắc điện tử và khuếch đại tín hiệu điện tử. MOSFET là linh kiện có 3 chân gồm:
- Gate (G): Điều khiển dòng điện qua MOSFET.
- Drain (D): Cực nguồn dòng điện chính.
- Source (S): Cực xả dòng điện về mạch.
Ngoài ra, còn có Body (B) (cực nền) nhưng thường được nối với Source.
MOSFET được chia thành 2 loại chính:
- MOSFET Kênh N (N-channel MOSFET)
- MOSFET Kênh P (P-channel MOSFET)
Mỗi loại có hai chế độ hoạt động: Chế độ tăng cường (Enhancement Mode) và Chế độ suy giảm (Depletion Mode).
II. Nguyên lý làm việc của MOSFET
Giải thích VGS và Vth trong MOSFET
-
VGS (Gate-Source Voltage):
Điện áp đặt giữa cực Gate (G) và cực Source (S) của MOSFET. Nó quyết định MOSFET đang tắt hay bật. -
Vth (Threshold Voltage – Điện áp ngưỡng):
Đây là điện áp tối thiểu cần đặt vào Gate-Source để MOSFET bắt đầu dẫn điện (hình thành kênh dẫn giữa Drain-Source).
🔹 Trường hợp 1: MOSFET Kênh N (N-channel MOSFET)
| Trạng thái | Điện áp Gate-Source (VGS) | Dòng Drain-Source (IDS) | Mô tả |
|---|---|---|---|
| Tắt (OFF) | VGS<Vth | Không có dòng | Không có kênh dẫn giữa D-S. |
| Bật (ON) | VGS>Vth | Dòng chảy D → S | Điện áp dương tạo ra kênh dẫn electron. |
✅ Khi VGS>Vth, một kênh dẫn electron được tạo ra giữa Drain và Source, cho phép dòng IDS chạy qua.
Ví dụ thực tế: Nếu một MOSFET có Vth=2V, thì:
- Khi VGS=1.5V, MOSFET tắt.
- Khi VGS=5V, MOSFET bật và dòng chảy qua Drain-Source.
🔹 Trường hợp 2: MOSFET Kênh P (P-channel MOSFET)
| Trạng thái | Điện áp Gate-Source (VGS) | Dòng Drain-Source (IDS) | Mô tả |
|---|---|---|---|
| Tắt (OFF) | VGS>Vth | Không có dòng | Không có kênh dẫn giữa D-S. |
| Bật (ON) | VGS<Vth | Dòng chảy D → S | Điện áp âm tạo ra kênh dẫn lỗ trống. |
✅ Khi VGS<Vth, một kênh dẫn lỗ trống được tạo ra, cho phép dòng IDS chạy qua.
✅ Ví dụ thực tế: Nếu một MOSFET kênh P có Vth=−2V, thì:
- Khi VGS=0V, MOSFET tắt.
- Khi VGS=−5V, MOSFET bật và dòng chảy qua Drain-Source.
3️⃣ Đặc điểm chính của MOSFET
- Điều khiển bằng điện áp: Không cần dòng điện vào cực Gate, giúp tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với BJT.
- Trở kháng đầu vào cao: Giúp giảm dòng rò và tăng hiệu suất.
- Chuyển mạch nhanh: Thích hợp cho mạch số và mạch công suất.
- Dễ bị phá hủy bởi tĩnh điện (ESD): Do lớp cách điện rất mỏng của Gate.
III. Điểm khác nhau giữa MOSFET và JFET
So sánh giữa MOSFET và JFET:
| Tiêu chí | MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) | JFET (Junction FET) |
|---|---|---|
| Cấu trúc | Có lớp cách điện (oxide) giữa Gate và Channel | Cổng (Gate) nối trực tiếp với Channel thông qua một tiếp giáp P-N |
| Loại kênh | Kênh N và Kênh P | Kênh N và Kênh P |
| Điều khiển | Điều khiển bằng điện áp Gate-Source (VGS) | Điều khiển bằng điện áp Gate-Source (VGS) |
| Dòng điện vào Gate | Rất nhỏ (≈ 0A), vì có lớp oxide cách ly | Nhỏ nhưng có dòng rò nhỏ do tiếp giáp P-N |
| Điện áp điều khiển | MOSFET có hai chế độ: Tăng cường (Enhancement) và Suy giảm (Depletion) | Chỉ hoạt động ở chế độ Suy giảm (Depletion) |
| Trở kháng đầu vào | Rất cao (10⁶ - 10¹² Ω) | Cao nhưng thấp hơn MOSFET (10⁸ - 10⁹ Ω) |
| Dòng Drain-Source (IDS) | Lớn hơn so với JFET | Nhỏ hơn MOSFET |
| Hiệu suất chuyển mạch | Nhanh, phù hợp với mạch số và công suất | Chậm hơn, chủ yếu dùng trong mạch khuếch đại tuyến tính |
| Khả năng chống nhiễu | Dễ bị nhiễu bởi tĩnh điện (ESD) | Ít bị nhiễu hơn do không có lớp cách ly oxide |
| Ứng dụng chính | Chuyển mạch công suất, vi xử lý, bộ khuếch đại xung | Khuếch đại tín hiệu yếu, mạch khuếch đại đầu vào |
Khi nào dùng MOSFET và khi nào dùng JFET?
✅ Dùng MOSFET khi:
- Cần chuyển mạch tốc độ cao (nguồn xung, điều khiển động cơ, CPU).
- Cần dòng điện lớn (công suất cao, đèn LED, RF, khuếch đại âm thanh).
✅ Dùng JFET khi:
- Cần mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ với ít nhiễu (mạch micro, cảm biến, preamp).
- Cần độ ổn định cao với nhiệt độ, ít bị ảnh hưởng bởi tĩnh điện.
IV. Khác biệt giữa BJT và MOSFET
1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
| Đặc điểm | BJT | MOSFET |
|---|---|---|
| Loại điều khiển | Dòng điện | Điện áp |
| Cấu trúc | Gồm 3 lớp bán dẫn: NPN hoặc PNP | Cấu trúc MOS gồm 4 vùng: Drain (D), Source (S), Gate (G), Body (B) |
| Cách kích hoạt | Dòng điện nhỏ vào cực Base (B) điều khiển dòng lớn giữa cực Collector (C) và Emitter (E) | Điện áp đặt vào Gate (G) tạo ra trường điện từ, điều khiển dòng giữa Drain (D) và Source (S) |
| Dòng điều khiển | Có dòng chảy qua Base | Không có dòng chảy qua Gate (chỉ cần điện áp) |
2. Đặc điểm kỹ thuật
| Đặc điểm | BJT | MOSFET |
|---|---|---|
| Tốc độ chuyển mạch | Chậm hơn MOSFET do hiện tượng lưu điện tích | Nhanh hơn, phù hợp với mạch tần số cao |
| Tiêu thụ năng lượng | Tiêu thụ công suất lớn hơn vì cần dòng điện ở cực Base | Tiêu thụ năng lượng thấp vì chỉ cần điện áp để kích hoạt |
| Hệ số khuếch đại | β (hFE) = IC/IB, thường từ 20-1000 | Hệ số khuếch đại cao hơn, có trở kháng đầu vào lớn |
| Ứng suất nhiệt | Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, có thể xảy ra hiện tượng "thermal runaway" | Ít bị ảnh hưởng hơn do điện trở nội thấp |
| Điện áp điều khiển | Thấp (0.7V với silicon BJT) | Cao hơn, thường từ 5V - 10V tùy loại MOSFET |
3. Ứng dụng
| Ứng dụng | BJT | MOSFET |
|---|---|---|
| Khuếch đại tín hiệu | Phù hợp do độ tuyến tính tốt | Cũng dùng được nhưng thường gặp trong mạch số |
| Mạch công suất lớn | Sử dụng trong một số ứng dụng như khuếch đại âm thanh | Tốt hơn do khả năng chịu dòng và điện áp lớn |
| Mạch số (Digital Circuits) | Ít dùng do tốc độ chậm | Được dùng rộng rãi trong vi điều khiển, CPU (CMOS technology) |
| Chuyển mạch (Switching) | Chuyển mạch tốt nhưng tổn hao lớn | MOSFET hiệu suất cao hơn, đặc biệt trong SMPS (Switching Mode Power Supply) |
4. Ưu nhược điểm
| Yếu tố | BJT | MOSFET |
|---|---|---|
| Ưu điểm | - Hoạt động tốt trong mạch analog - Có hệ số khuếch đại dòng cao |
- Tốc độ chuyển mạch nhanh - Ít hao tổn năng lượng do trở kháng đầu vào cao - Phù hợp với mạch công suất và kỹ thuật số |
| Nhược điểm | - Tiêu thụ điện năng nhiều hơn - Chuyển mạch chậm hơn MOSFET |
- Nhạy cảm với tĩnh điện (ESD) - Cần điện áp điều khiển cao hơn |
Tóm lại
- BJT phù hợp với mạch khuếch đại tín hiệu analog và mạch yêu cầu dòng điện lớn.
- MOSFET phù hợp với mạch số, mạch chuyển mạch nhanh, mạch công suất cao.
Làm thế nào để sử dụng MOSFET như một công tắc?
Để sử dụng MOSFET làm công tắc, bạn phải có điện áp cổng (Vss) cao hơn nguồn. Nếu bạn kết nối cổng với nguồn (Vss = 0) thì nó bị tắt.
Công tắc Mosfet
Ví dụ, chúng ta có IRFZ44N, đó là một MOSFET tiêu chuẩn và chỉ bật khi Vss = 10V – 20V. Nhưng thông thường, chỉ cấp nguồn 10V-15V là phổ biến đối với Vss cho loại MOSFET này.
Tuy nhiên, nếu bạn muốn điều khiển nó từ một Arduino đang chạy ở mức 5V, bạn sẽ cần một MOSFET mức logic có thể bật ở mức 5V (Vss = 5V). Ví dụ: ST STP55NF06L. Bạn cũng nên có một điện trở nối tiếp với đầu ra Arduino để hạn chế dòng điện, vì cổng có điện dung cao và có thể rút ra một dòng điện tức thời lớn khi bạn cố gắng bật nó. Khoảng 220 ohm là một giá trị khuyên dùng.
V. Ưu nhược điểm của MOSFET
Ưu điểm của MOSFET
- MOSFET cung cấp hiệu quả cao hơn trong khi hoạt động ở điện áp thấp hơn.
- Sự vắng mặt của dòng điện cực gate dẫn đến trở kháng đầu vào cao tạo ra tốc độ chuyển mạch cao.
- Hoạt động ở công suất thấp hơn và không có dòng điện.
- Có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều so với JFET
- Chế tạo, sản xuất MOSFET dễ dàng hơn JFET
- Tốc độ hoạt động cao hơn so với JFET
- Khả năng tuỳ biến kích thước rất cao
- MOSFET không có diode cổng. Điều này làm cho nó có thể hoạt động với điện áp cổng dương hoặc âm
- Nó có mức tiêu thụ điện năng thấp để cho phép nhiều thành phần hơn trên diện tích bề mặt chip
Nhược điểm của MOSFET
- Lớp oxit mỏng làm cho các MOSFET dễ bị hỏng bởi các điện tích tĩnh điện.
- Điện áp quá tải làm cho nó không ổn định.
- Không hoạt động tốt trong tần số vô tuyến tín hiệu thấp
VI. Ứng dụng của MOSFET
1️⃣ Ứng dụng trong công suất và điều khiển
✅ Chuyển mạch trong nguồn xung (SMPS)
- MOSFET được dùng rộng rãi trong bộ nguồn chuyển mạch (Switching Mode Power Supply - SMPS) do khả năng đóng cắt nhanh và tổn hao thấp.
- Ví dụ: Nguồn máy tính, sạc điện thoại, bộ nguồn LED.
✅ Điều khiển động cơ (Motor Control)
- MOSFET được sử dụng để điều khiển động cơ DC, động cơ bước (Stepper Motor) trong robot, ô tô điện và thiết bị công nghiệp.
- Dùng PWM (Pulse Width Modulation) để thay đổi tốc độ động cơ một cách hiệu quả.
- Ví dụ: Arduino điều khiển động cơ qua MOSFET IRF540.
✅ Mạch điều khiển nhiệt độ (Peltier, gia nhiệt)
- MOSFET giúp kiểm soát dòng điện chạy qua bộ làm mát Peltier hoặc dây điện trở nhiệt để duy trì nhiệt độ ổn định.
- Ví dụ: Bộ điều khiển nhiệt trong tủ lạnh mini Peltier.
2️⃣ Ứng dụng trong điện tử số và mạch logic
✅ Mạch logic CMOS
- MOSFET là linh kiện chính trong công nghệ CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) – nền tảng của vi xử lý, vi điều khiển, RAM, FPGA.
- Ví dụ: CPU, GPU, bộ nhớ RAM, ROM, vi điều khiển (Arduino, ESP8266, STM32, Raspberry Pi, v.v.).
✅ Mạch đóng cắt tải điện tử
- MOSFET thường được dùng thay relay cơ để đóng cắt các tải DC lớn với tốc độ cao.
- Ví dụ: Công tắc bán dẫn (Solid State Relay - SSR).
3️⃣ Ứng dụng trong khuếch đại tín hiệu
✅ Mạch khuếch đại tín hiệu RF (Radio Frequency)
- MOSFET được dùng trong mạch khuếch đại RF nhờ tần số hoạt động cao và nhiễu thấp.
- Ví dụ: Bộ khuếch đại công suất RF cho điện thoại di động, radio, Wi-Fi.
✅ Mạch khuếch đại âm thanh (Class D Amplifier)
- MOSFET có hiệu suất cao trong mạch khuếch đại Class D, ít tổn hao điện năng.
- Ví dụ: Amply công suất lớn trong loa Bluetooth, dàn karaoke.
4️⃣ Ứng dụng trong công nghệ và ô tô
✅ Điều khiển đèn LED công suất cao
- MOSFET điều khiển LED công suất lớn như đèn pha ô tô, đèn LED quảng cáo, đèn sân khấu.
- Ví dụ: MOSFET IRLZ44N trong mạch dimmer LED 12V.
✅ Điện tử ô tô và xe điện
- MOSFET đóng vai trò trong hệ thống ECU (Engine Control Unit), BMS (Battery Management System) và bộ điều tốc xe điện.
- Ví dụ: Xe điện Tesla sử dụng MOSFET công suất cao để điều khiển động cơ.
5️⃣ Ứng dụng trong bảo vệ mạch
✅ Bảo vệ quá dòng (Overcurrent Protection)
- MOSFET được sử dụng trong mạch bảo vệ pin lithium, ngăn ngừa sạc quá mức hoặc xả quá nhanh.
- Ví dụ: Mạch bảo vệ pin 18650 trong laptop, pin dự phòng.
✅ Chuyển mạch tự động (Battery Switching)
- MOSFET giúp chuyển đổi giữa nguồn pin và nguồn adapter trong laptop hoặc smartphone.
- Ví dụ: Bộ sạc nhanh QC3.0, PD dùng MOSFET để điều chỉnh điện áp đầu ra.