Che cos'è la tensione di soglia di un MOSFET?

La tensione di soglia è la tensione gate-source alla quale inizia a formarsi un canale conduttivo tra drain e source. Al di sotto il MOSFET è spento, a parte una minima corrente di perdita. I MOSFET di potenza standard hanno soglie di circa 2-4 V ma richiedono circa 10 V sul gate per accendersi completamente; i componenti logic-level si accendono del tutto a 4,5 V o meno.

Qual è la differenza tra regione lineare e regione di saturazione di un MOSFET?

Nella regione lineare (ohmica) VDS è inferiore a VGS − Vth e il canale si comporta come un resistore controllato in tensione; gli interruttori lavorano qui quando sono completamente accesi. In saturazione VDS è pari o superiore a VGS − Vth e la corrente di drain è fissata soprattutto dal gate, crescendo circa con il quadrato di VGS − Vth; gli amplificatori lavorano qui. Le curve di uscita del simulatore mostrano entrambe le regioni.

Perché un MOSFET ha bisogno di un driver di gate?

Il gate è un condensatore che va caricato e scaricato a ogni commutazione. Più veloce è il processo, meno tempo il dispositivo passa a metà accensione, dove le perdite di commutazione sono alte. Il pin di un microcontrollore fornisce solo pochi milliampere; i driver di gate erogano ampere di picco e la tensione di gate corretta per commutare in modo rapido e freddo.

Simulatore MOSFET a Canale N e Curve

Che cos'è un MOSFET a canale N ad arricchimento?

Principio di funzionamento

Un MOSFET è un interruttore comandato in tensione realizzato su un chip semiconduttore con tre terminali: gate, drain e source. In un dispositivo a canale N ad arricchimento il gate poggia su un sottile strato di ossido sopra un corpo di tipo P. Applicando una tensione gate-source positiva si richiamano elettroni in superficie e, superata la tensione di soglia, la regione si inverte formando un canale N conduttivo fra drain e source. Senza tensione di gate il dispositivo è interdetto: è esattamente ciò che significa modo ad arricchimento.

Regioni di funzionamento

Sotto la tensione di soglia il MOSFET è in interdizione e conduce solo la corrente di perdita. Appena sopra soglia, con piccola tensione drain-source, si comporta come un resistore il cui valore è fissato dal gate: è la regione ohmica o lineare, caratterizzata dalla resistenza di conduzione RDS(on). Alzando la tensione drain-source oltre il punto di saturazione il canale si strozza: la corrente di drain diventa quasi indipendente da quella tensione ed è governata solo dal gate, ed è la regione usata per amplificare.

Pilotaggio del gate e perdite di commutazione

Il gate è un condensatore isolato, perciò a regime un MOSFET non richiede praticamente corrente di comando; caricare e scaricare quella capacità, però, assorbe corrente reale ed è ciò che determina la rapidità di commutazione. Le perdite totali hanno due componenti: la conduzione, pari alla corrente di drain al quadrato per RDS(on), e la commutazione, durante le transizioni. Pilotare il gate con decisione e arricchire pienamente il canale mantiene entrambe piccole, ed è per questo che un MOSFET di commutazione si pilota ben oltre la soglia.

Dove si usa

I MOSFET di potenza commutano la corrente in quasi ogni convertitore moderno: regolatori buck e boost, inverter per motori, amplificatori in classe D, circuiti di protezione delle batterie e relè a stato solido. I MOSFET di piccolo segnale formano le porte logiche dentro ogni circuito integrato CMOS. Elevata impedenza d'ingresso, commutazione rapida e bassa resistenza di conduzione alle tensioni medie li hanno resi l'interruttore di potenza predefinito sotto i 200 volt circa.

Domande frequenti

Che cos'è la tensione di soglia di un MOSFET?: La tensione di soglia è la tensione gate-source alla quale inizia a formarsi un canale conduttivo tra drain e source. Al di sotto il MOSFET è spento, a parte una minima corrente di perdita. I MOSFET di potenza standard hanno soglie di circa 2-4 V ma richiedono circa 10 V sul gate per accendersi completamente; i componenti logic-level si accendono del tutto a 4,5 V o meno.
Qual è la differenza tra regione lineare e regione di saturazione di un MOSFET?: Nella regione lineare (ohmica) VDS è inferiore a VGS − Vth e il canale si comporta come un resistore controllato in tensione; gli interruttori lavorano qui quando sono completamente accesi. In saturazione VDS è pari o superiore a VGS − Vth e la corrente di drain è fissata soprattutto dal gate, crescendo circa con il quadrato di VGS − Vth; gli amplificatori lavorano qui. Le curve di uscita del simulatore mostrano entrambe le regioni.
Perché un MOSFET ha bisogno di un driver di gate?: Il gate è un condensatore che va caricato e scaricato a ogni commutazione. Più veloce è il processo, meno tempo il dispositivo passa a metà accensione, dove le perdite di commutazione sono alte. Il pin di un microcontrollore fornisce solo pochi milliampere; i driver di gate erogano ampere di picco e la tensione di gate corretta per commutare in modo rapido e freddo.