Tranzystor to półprzewodnikowy element elektroniczny. Zaliczamy go elementów aktywnych gdyż umożliwia przekształcanie energii elektrycznej. Rozwinięcie skrótu MOSFET to Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor i oznacza tranzystor  polowy o strukturze metal-tlenek-półprzewodnik.

Produkowane w tej technoligii tranzystory składają się z trzech warstw. Najniższa z nich to płytka wycięta z jednorodnego kryształu krzemu, ewentualnie z krzemu z domieszką germanu. Druga w kolejności warstwa to napylona bardzo cieniutka warstwa dielektryka czyli izolatora w postaci krzemionki lub tlenku metalu (tlenki glinu lub cyrkonu). Grubość tej warstwy wynosi w zależności od wykonania około 10 nm (0,000 000 01 metra), a w najlepszych wykonaniach dochodzi obecnie do 1,2 nm. Dla porównania: 5 atomów krzemu ułożonych jeden na drugim ma właśnie grubość zbliżoną do 1,2 nm. Ostatnia warstwa to dobrze przewodzący metal. Najczęściej wykorzystuje się do tego celu złoto. Budowa takiego tranzystora schematycznie przedstawiona jest rysunku 1.

Rys. 1. Uproszczony schemat budowy tranzystora MOSFET typu N.

Należy zaznaczyć, że MOSFETy występują w dwóch odmianach: typu N orazy typu P, prawie analogicznie jak w przypadku tranzystorów bipolarnych, które produkowane są w odmianach PNP i NPN. Jednak zdecydowanie częściej spotyka się odmianę N. Dodatkowo rozróżniamy MOSFETy z kanałem zubożonym czyli takie które normalnie są włączone (przy zerowym napięciu bramka-źródło przewodzą na drodze źródło-dren, w praktyce nie spotykane), oraz z kanałem wzbogaconym, czyli takie, które w normalnym stanie są wyłączone i nie przewodzą na drodze źródło-dren. Przewodzą dopiero gdy napięcie między bramką a źródłem przekroczy wartość U_GSth (zwane napięciem progowym otwierania, różnym dla różnych MOSFETów, wynoszącym kilka woltów, ale zazwyczaj nie wolno przekroczyć wartości około ±15...±20V bo skończy się to uszkodzeniem tranzystora).

 

Rys. 2. Symbole MOSFETów z kanałem wzbogaconym.

 

Dużą zaletą tranzystorów unipolarnych, a więc MOSFETów jest to, że są one sterowane napięciowo, w przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, które sterowane są prądowo. Dzięki temu łatwiej zrozumieć zasadę ich działania. A działają prawie jak zawory hydrauliczne.

 

Rys. 3. Tranzystor MOSFET jako zawór hydrauliczny.

 

Taki zawór można bardzo łatwo zamykać i otwierać, używając do tego niewielkiej siły aby sterować przepływem cieczy pod wysokim ciśnieniem w grubej rurze. Innymi słowy niewielkim nakładem pracy uzyskujemy duży efekt. Można powiedzieć, że zawór jest w tym przypadku wzmacniaczem. 
Niewielka siła jaką wkładamy w przekręcenie kurka steruje o wiele większą siłą wody, która napiera na zawór. Dzięki tej ich właściwości możemy sterować prądami i napięciami, które są dużo wyższe niż te, które oferuje nam mikroprocesor bezpośrednio na swoich wyjściach.

 

Rys. 4 Zasada działania MOSFETa z kanałem N

 

Jak już zostało wcześniej wspomniane, typowy MOSFET normalnie nie przewodzi prądu na drodze źródło-dren. Aby przełączyć taki tranzystor stan przewodzenia należy podać napięcie między źródło a bramkę jak na powyższej ilustracji.

 

Rys. 5 Prąd źródło-dren w funkcji napięcia źródło-bramka przykładowego MOSFETa

 

Na rysunku powyżej znajduje się charakterystyka prądowo-napięciowa tranzystora IRF540. Widać na niej iż zaczyna on przewodzić gdy napięcie bramka-źródło zbliży się do 4 woltów. Jednak do pełnego otwarcia potrzebuje nawet 7 woltów. To znacznie więcej niż oferuje nam typowy mikroprocesor. 
W niektórych zastosowaniach może wystarczyć prąd przewodzenia na poziomie 15 amperów, dostępny przy napięciu bramka-źródło 5V. Ale co zrobić, gdy jest to zdecydowanie za mało? Są dwa wyjścia. Można zastosować specjalne MOSFETy z obniżonym napięciem U_GSth np. BUZ10L. Można też zastosować układ podwyższający napięcie. Jednak bez względu na zastosowane rozwiązania czy tranzystory, każdy MOSFET posiada kilka kluczowych parametrów. Są to:

• Dopuszczalne napięcie źródło-dren, w literaturze oznaczane jako U_DSmax

• Maksymalny prąd drenu I_Dmax

• Progowe napięcie otwierania U_GSth

• Rezystancja źródło-dren w stanie całkowitego otwarcia R_DSon

W wielu zastosowaniach kluczowy jest parametr R_DSon gdyż pośrednio określa nam straty mocy, których oczywiście nie chcemy. Dla przykładu weźmy tranzystor w obudowie TO-220 o rezystancji R_DSon = 0,05Ω i układ w którym płynie prąd o natężeniu 4A.

 

Rys. 6 Element półprzewodnikowy w obudowie TO-220

 

Policzmy straty mocy:

U_DS=0,05Ω*4A=0,2V

P=0,2V*4A=0,8W

Moc strat, jaką jest w stanie rozproszyć tranzystor w obudowie TO-220 wynosi niewiele ponad 1W, więc w tym przypadku obeszłoby się bez radiatora. Jednak dla prądu 10A straty wyniosą już 5W, a więc bez radiatora się nie obejdzie. Uogólniając: im mniejsze R_DSon tym lepiej. Dlatego przy doborze MOSFETów do konkretnego zastosowania należy zawsze brać pod uwagę ten parametr. W praktyce wraz ze wzrostem dopuszczalnego napięcia U_DSmax rośnie rezystancja źródło-dren. Z tego to powodu nie należy dobierać tranzystorów z większym, niż jest to wymagane, U_DSmax.