Định nghĩa I²t

Khi nhắc đến cầu chì và phương pháp bảo vệ mạch điện, I²t là một thông số kỹ thuật đại diện cho năng lượng nhiệt tích lũy trong cầu chì hoặc dây dẫn trong suốt thời gian ngắt mạch do quá dòng. Năng lượng này được tính bằng tích của bình phương dòng điện (I) và thời gian (t). Trong đó, khi I²t càng lớn thì năng lượng nhiệt tích lũy càng cao dẫn đến khả năng làm hỏng cầu chì hoặc dây dẫn càng lớn. Nói cách khác, I²t là một chỉ số thể hiện mức độ nghiêm trọng của dòng điện quá tải đối với cầu chì và dây dẫn. Thông số này được sử dụng để đảm bảo rằng cầu chì hoặc dây dẫn có thể chịu được năng lượng nhiệt tích lũy trong quá trình ngắt mạch, từ đó ngăn ngừa cháy nổ hoặc các sự cố khác.

Đặc điểm của MOSFET

Theo định nghĩa, mosfet là một transistor có hiệu ứng trường kim loại - oxit bán dẫn và nó thường xuất hiện trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao. Do mosfet có khả năng đóng nhanh dòng điện và điện áp khá lớn nên dòng điện sẽ bị biến thiên. Trong Mosfet có nhiều biến thể dẫn xuất khác nhau nhằm mục đích tạo ra các phần tử có tính đặc trưng phù hợp với một số ứng dụng cụ thể. Một số ví dụ có thể kể đến như MOSFET nhiều cổng hoặc MuGFET (multigate field-effect transistor). Thông thường, chất bán dẫn chủ yếu trong MOSFET là silic nhưng một số hãng vẫn sản xuất các vi mạch bán dẫn từ hỗn hợp giữa silic và germani (SiGe). Ví dụ, ngoài việc sử dụng SiGe thì một số đơn vị sản xuất còn có chất bán dẫn khác là gali arsenua, chất bán dẫn này có đặc tính điện tốt hơn nhưng lại không tạo ra được lớp oxide phù hợp nên sẽ không dùng để chế tạo các transistor mosfet. Các phần tiếp của bài viết này sẽ phân tích sâu hơn về cấu tạo, ứng dụng cũng như độ bền nhiệt của mosfet.

1. Cấu tạo của mosfet

Thông thường, một thiết bị mosfet thường có cấu tạo bao gồm:

• G: Cực cổng - Trong đó là G cực có thể điều khiển cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại nhờ vào lớp điện môi cực mỏng nhưng độ cách điện cực lớn.
• S: Cực nguồn
• D: Cực máng - Cực đón các hạt mang điện

Trong đó, Mosfet có điện trở giữa cực G với S và cực G với D sẽ lớn vô cùng, còn điện trở giữa cực D với S sẽ phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G với S. Các trường hợp này có thể được cụ thể như sau:

• Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS lớn.
• Khi UGS > 0 sẽ do hiệu ứng từ trường làm điện trở RDS giảm.
• Mặt khác, khi điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS sẽ càng nhỏ đi.

2. Ứng dụng của Mosfet

Trong các ứng dụng ngày nay, thiết bị Mosfet được sử dụng nhiều trong bộ dao động để tạo ra từ trường do nó có khả năng đóng cắt nhanh và làm dòng điện biến thiên. Không chỉ vậy, Mosfet còn được sử dụng ở một số bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện áp cao.

3. Nguyên lý hoạt động của mosfet

Thông thường, Mosfet hoạt động ở 2 chế độ bao gồm đóng và mở ở tần số rất cao. Trong đó, các kỹ sư thường quan tâm đến vấn đề điều khiển do mosfet cần đảm bảo đóng cắt trong một khoảng thời gian ngắn. Và do đó cơ chế đóng cắt của mosfet thường phụ thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó và thường hoạt động như sau:

• Đối với kênh P: Điện áp điều khiển mở của Mosfet là UGS 0 và dòng điện sẽ chạy từ S đến D.
• Đối với kênh N: Điện áp điều khiển mở của Mosfet là UGS>0. Điện áp điều khiển đóng là Ugs<=0. Dòng điện sẽ chạy từ D xuống S.

Vì thời gian đóng cắt phải đảm bảo ngắn nhất có thể nên Mosfet kênh N điện áp khóa là UGS = 0 V còn kênh P thì UGS = ~0.

4. Ưu điểm của Mosfet

Trong Mosfet có điện trở đóng mở thấp và mức tiêu thụ tĩnh điện nhỏ nên chúng có hiệu suất năng lượng vượt trội. Do đó, với hiệu suất này có thể giúp giảm thiểu sinh nhiệt và kéo dài tuổi thọ pin cho các thiết bị di động. Hơn nữa, MOSFET còn có mức tiêu hao điện năng tối thiểu trong quá trình chuyển mạch, cho phép hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng tần số cao. Các mosfet có thể được chế tạo với kích thước cực nhỏ nhằm cho phép tích hợp các chip bán dẫn với mật độ cao. Với sự tiến bộ không ngừng của quy trình sản xuất MOSFET như thu nhỏ kích thước linh kiện và sử dụng vật liệu tiên tiến đã cho phép các cơ sở sản xuất các mạch tích hợp với số lượng bóng bán dẫn ngày càng tăng. Chính vì vậy, khả năng thu nhỏ và tích hợp của mosfet sẽ góp phần vào sự phát triển của các thiết bị điện tử có kích thước nhỏ và hiệu năng mạnh mẽ hơn.

Bên cạnh đó, MOSFET cũng có khả năng chống nhiễu rất tốt để phù hợp với các mạch analog và kỹ thuật số hiệu suất cao. Trong mosfet có lớp oxit cách điện giữa cực cổng và kênh giúp chúng hoạt động như một rào cản chống lại nhiễu điện từ bên ngoài và tăng cường tính toàn vẹn của tín hiệu và giảm thiểu khả năng bị nhiễu. Đặc tính này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi xử lý tín hiệu chính xác và truyền dữ liệu đáng tin cậy.

Các thiết bị mosfet cũng cung cấp tốc độ chuyển mạch nhanh, cho phép thời gian phản hồi nhanh và hoạt động hiệu quả trong các hệ thống kỹ thuật số. Ngoài ra, MOSFET là một thiết bị rất phù hợp cho các ứng dụng như vi xử lý, thiết bị bộ nhớ và hệ thống truyền thông do khả năng bật và tắt nhanh chóng tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý dữ liệu tốc độ cao. Hơn nữa, các mosfet có thời gian chuyển mạch ngắn hơn dẫn đến tổn thất công suất thấp hơn trong quá trình chuyển đổi, góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng tổng thể.

Mức độ ổn định nhiệt của Mosfet cũng rất tốt nhằm cho phép chúng hoạt động đáng tin cậy trong dải nhiệt độ rộng. Đặc tính này rất quan trọng trong các ứng dụng tiếp xúc với điều kiện môi trường thay đổi hoặc yêu cầu hiệu suất ổn định ở nhiệt độ vận hành cao. Đặc tính nhiệt vượt trội của MOSFET giúp nâng cao độ bền và độ tin cậy, khiến chúng đặc biệt phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và ô tô có yêu cầu khắt khe.