Modi van werking van een MOSFET
Een MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) is een veld-effect transistor die zijn werking regelt door een elektrisch veld. Het heeft drie primaire terminals: de gate (poort), de drain (afvoer) en de source (bron).
De werking van de MOSFET hangt af van de spanning tussen de gate en de source (VGS) en de spanning tussen de drain en de source (VDS).
De verschillende werkingsmodi van een MOSFET worden bepaald door deze spanningen. De drie belangrijkste werkingsmodi zijn de cutoff-modus (uitschakeling), de liniaire modus (triode-modus) en de verzadigingsmodus (actieve modus).
Cutoff-modus (Uitschakeling)
De cutoff-modus, ook wel de uitschakelingsmodus genoemd, treedt op wanneer de spanning tussen de gate en de source (VGS) lager is dan de drempelspanning (Vth) van de MOSFET. In deze modus gedraagt de MOSFET zich als een open schakelaar, wat betekent dat er geen kanaal wordt gevormd tussen de drain en de source, en er dus geen stroom vloeit. Dit is de modus waarin de MOSFET volledig “uitgeschakeld” is en geen stroom doorlaat.
In de cutoff-modus is de spanning VGS < Vth, waardoor het kanaal tussen de drain en de source niet wordt geactiveerd. In digitale circuits wordt deze modus vaak gebruikt om het schakelen van het signaal in de “uit” of lage toestand te realiseren. Het wordt gebruikt in logische poorten en digitale schakelingen waar de transistor dient als schakelaar.
Liniaire modus (Triode-modus)
De liniaire modus, ook wel de triode-modus genoemd, treedt op wanneer de spanning tussen de gate en de source (VGS) hoger is dan de drempelspanning (Vth) en de spanning tussen de drain en de source (VDS) lager is dan het verschil tussen VGS en Vth (VDS < VGS – Vth). In deze modus gedraagt de MOSFET zich als een weerstand die wordt gecontroleerd door de spanning tussen de gate en de source. De stroom die door de MOSFET vloeit, is dus afhankelijk van de spanning VDS en de eigenschappen van het kanaal.
De liniaire modus wordt vaak gebruikt wanneer de MOSFET werkt als een versterker of in schakelingen waarbij een continue controle van de stroom nodig is. In deze modus is de stroom door de drain (ID) lineair afhankelijk van de spanning VDS, vergelijkbaar met de werking van een variabele weerstand. De MOSFET in de liniaire modus heeft de voorkeur voor toepassingen waar het belangrijk is om de stroom met hoge nauwkeurigheid te regelen, zoals in analoge versterkers.
Verzadigingsmodus (Actieve modus)
De verzadigingsmodus, ook wel de actieve modus genoemd, treedt op wanneer de spanning tussen de gate en de source (VGS) hoger is dan de drempelspanning (Vth) en de spanning tussen de drain en de source (VDS) groter is dan VGS – Vth. In deze modus is de MOSFET volledig “aan” en gedraagt zich als een stroomversterker. De stroom door de drain wordt gecontroleerd door de spanning VGS en is vrijwel onafhankelijk van de spanning VDS, zolang VDS groot genoeg is om de MOSFET in de verzadigingsmodus te houden.
De verzadigingsmodus is de meest gebruikte modus voor het werken met MOSFET’s in analoge versterkers en andere toepassingen waarbij de transistor als versterker fungeert. In deze modus biedt de MOSFET een hoge versterking van de stroom, waarbij de stroom van de drain voornamelijk wordt bepaald door de spanning op de gate en niet door de spanning op de drain. Dit maakt de verzadigingsmodus geschikt voor toepassingen die een lineaire versterking van signalen vereisen.
Modus van stroomregeling
De MOSFET kan ook worden gebruikt in een modus waarbij de stroom constant wordt gehouden, ongeacht de veranderingen in de spanning tussen de drain en de source (VDS). Deze modus wordt vaak toegepast in circuits waar een stabiele stroom vereist is, zoals stroomregelaars en systemen voor vermogensbeheer. In deze modus is de MOSFET vaak in de verzadigingsmodus, waarbij de stroom constant blijft en de spanning VDS zich aanpast om de gewenste stroom te handhaven.
Commutatiemodus
De MOSFET kan snel schakelen tussen een ingeschakelde toestand (laag weerstand) en een uitgeschakelde toestand (hoge weerstand). Deze modus wordt gebruikt wanneer de MOSFET fungeert als een schakelaar. In toepassingen zoals digitale logica, vermogensschakelaars en converters is het belangrijk dat de MOSFET snel kan schakelen tussen de twee toestanden, wat resulteert in lage verliezen en snelle prestaties.
In digitale circuits wordt de MOSFET vaak gebruikt om logische poorten en registers te implementeren, waarbij het van cruciaal belang is om snel van toestand te wisselen. De snelheid van de schakeling en de lage dissipatie van energie maken de MOSFET een ideale keuze voor digitale schakelingen in moderne elektronische systemen.
De verschillende werkingsmodi van de MOSFET (cutoff, liniaire en verzadiging) bieden de veelzijdigheid die nodig is voor diverse toepassingen, zoals versterking, schakelen en stroomregeling. De mogelijkheid van de MOSFET om te functioneren als een versterker in de verzadigingsmodus en als een schakelaar in de cutoff- of liniaire modus maakt het een essentieel onderdeel in zowel analoge als digitale circuits. De efficiëntie, snelle schakeltijden en lage energieverliezen maken de MOSFET een populaire keuze in moderne elektronische systemen, van versterkers tot digitale schakelingen en vermogensbeheer.
