MOSFET als Schalter – Wann ist er in Sättigung?

Zunächst einmal bedeutet "Sättigung" in Mosfets, dass eine Änderung des VDS keine signifikante Änderung des Id (Drainstrom) bewirkt. Sie können sich MOSFET in Sättigung als Stromquelle vorstellen. Unabhängig von der Spannung an VDS (mit Einschränkungen natürlich) ist der Strom durch das Gerät (fast) konstant.

Nun zurück zur Frage:

Laut Wikipedia ist der MOSFET in Sättigung, wenn V(GS) > V(TH) und V(DS) > V(GS) - V(TH).

Das ist richtig.

Wenn ich die Gate-Spannung von 0 ausgehend langsam erhöhe, bleibt der MOSFET ausgeschaltet. Die LED beginnt, einen kleinen Strom zu leiten, wenn die Gate-Spannung etwa 2,5 V beträgt.

Sie haben die Vgs über Vth des NMOS erhöht, sodass der Kanal gebildet wurde und das Gerät zu leiten begann.

Die Helligkeit hört auf zuzunehmen, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V erreicht. Es gibt keine Änderung in der Helligkeit der LED, wenn die Gate-Spannung größer als 4 V ist. Auch wenn ich die Spannung schnell von 4 auf 12 erhöhe, bleibt die Helligkeit der LED unverändert.

Sie haben die Vgs erhöht, wodurch das Gerät mehr Strom leitet. Bei Vgs = 4 V ist das, was die Strommenge begrenzt, nicht mehr der Transistor, sondern der Widerstand, den Sie in Reihe mit dem Transistor haben.

Ich überwache auch die Drain-Source-Spannung, während ich die Gate-Spannung erhöhe. Die Drain-Source-Spannung fällt von 12 V auf nahezu 0 V ab, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V beträgt. Das ist leicht zu verstehen: Da R1 und R(DS) einen Spannungsteiler bilden und R1 viel größer als R(DS) ist, fällt die meiste Spannung an R1 ab. Bei meinen Messungen fallen etwa 10 V auf R1 und der Rest auf die rote LED (2 V).

Hier sieht alles in Ordnung aus.

Da jedoch V(DS) jetzt ungefähr 0 ist, ist die Bedingung V(DS) > V(GS) - V(TH) nicht erfüllt, ist der MOSFET nicht in Sättigung?

Nein ist es nicht. Es liegt im linearen oder Triodenbereich. Es verhält sich in diesem Bereich wie ein Widerstand. Das Erhöhen von Vds erhöht Id.

Wenn dies der Fall ist, wie würde man eine Schaltung entwerfen, in der der MOSFET in Sättigung ist?

Du hast bereits. Sie müssen sich nur um den Betriebspunkt kümmern (stellen Sie sicher, dass die von Ihnen genannten Bedingungen erfüllt sind).

A) Im linearen Bereich können Sie Folgendes beobachten: -> Bei Erhöhung der SUPPLY-Spannung wird die LED heller, da der Strom über Widerstand und Transistor steigt und somit mehr durch die LED fließt.

B) Im Sättigungsbereich passiert etwas anderes -> bei Erhöhung der SUPPLY-Spannung ändert sich die LED-Helligkeit nicht. Die zusätzliche Spannung, die Sie an die SUPPLY anlegen, führt nicht zu einem größeren Strom. Stattdessen liegt es über dem MOSFET, sodass die DRAIN-Spannung zusammen mit der Versorgungsspannung ansteigt (eine Erhöhung der Versorgung um 2 V bedeutet also eine Erhöhung der Drain-Spannung um fast 2 V).

Ich interpretiere die Bedeutung von 'Sättigung' im Kontext des Wikipedia-Artikels wie folgt:

Das Datenblatt für einen MOSFET zeigt ein Diagramm mit Kurven, die einen bestimmten Wert zeigen$I_D$für ein bestimmtes$V_{DS}$bei einem bestimmten$V_{GS}$, in der Regel für eine Reihe von verschiedenen$V_{GS}$Werte.

In diesem Beispiel trennt die rote Parabellinie den sogenannten „linearen“ Bereich vom „Sättigungs“-Bereich. Im Sättigungsbereich ist die$I_D$Linien sind flach - der Strom steigt nicht mehr an$V_{DS}$erhöht sich. Im linearen Bereich, wenn der Drainstrom zunimmt,$V_{DS}$steigt - der MOSFET wirkt wie ein Widerstand.

Angenommen, Ihr Teil hat in Ihrer Situation ähnliche Kurven wie das Beispiel, technisch gesehen "nein", befindet sich das Gerät nicht im Sättigungsbereich. Davon abgesehen, Ihre$I_D$ist so niedrig, dass die$V_{DS}$Der Abfall ist im Vergleich zum Vorwiderstand minimal. Egal was$V_{GS}$ansteigt, ist der 'lineare' Abfall des MOSFET im Vergleich zu dem winzig$390 \Omega$Widerstand und "sieht" gesättigt aus.

Andere Antworten hier geben eine gute Erklärung des Begriffs "Sättigung", wie er auf MOSFETs angewendet wird.

Ich möchte hier nur anmerken, dass sich diese Verwendung stark von der unterscheidet, die für Bipolartransistoren und einige andere Geräteklassen gedacht ist.

Der Begriff wird korrekterweise für MOSFETs verwendet, wo

• V(DS) > V(GS) - V(TH)

ABER es hätte nie sein sollen.
Aber es ist so, also seien Sie sich dessen bewusst.

Ein Bipolartransistor (und NICHT ein MOSFET) ist "in Sättigung", wenn er hart eingeschaltet wird. Die äquivalente Bedingung in einem MOSFET im Anreicherungsmodus (die häufigste Art) ist, wenn er "vollständig verbessert" ist, ABER der richtige Begriff dafür wurde bereits gestohlen.

Hinzugefügt:

Ein MOSFET wird durch eine an das Gate angelegte Spannung relativ zur Source = Vgs "eingeschaltet".
Die erforderliche Vgs, bei der der FET beginnt, sich einzuschalten und eine definierte Strommenge zu leiten, ist als „Gate-Schwellenspannung“ oder einfach „Schwellenspannung“ bekannt und wird normalerweise als Vgsth oder Vth oder ähnlich geschrieben.
Vth gibt einen Hinweis darauf, wie viel Spannung benötigt wird, um den FET als Schalter zu betreiben, ABER die tatsächliche vollständig verbesserte Vgs beträgt typischerweise ein Vielfaches von Vgsth. Außerdem variieren die für die vollständige Verbesserung erforderlichen Vgs mit den gewünschten IDs.

Dieses Diagramm, das aus Madmangurumans Antwort kopiert wurde, zeigt, dass bei Vgs = 7 V die Ids / Vds-Beziehung bis zu etwa Ids = 20 A ungefähr linear ist, sodass der FET "vollständig verbessert" ist und bis zu diesem Punkt wie ein Widerstand aussieht. Für diesen FET beträgt Vds etwa 1,5 V bei etwa 20 A, sodass Rdson etwa R = V / I = 1,5/20 = 75 MilliOhm beträgt.
Für diesen FET gibt es eine Kurve bei Vgs = 1 V, sodass VGSth = Vth wahrscheinlich im Bereich von 0,5 V bis 0,8 V bei beispielsweise 100 uA liegt.

Was Sie tun müssen, um eine Sättigung zu sehen, ist eine ausreichende Spannung bereitzustellen, bis der Spannungsanstieg schließlich keinen Unterschied zum Strom macht.
Stellen Sie dazu Ihre Vgs auf einen statischen Ein-Wert (> Vth) ein, erhöhen Sie dann die Spannung über Vds und messen Sie den Strom. Anfangs steigt er ziemlich linear an und liegt im ohmschen oder linearen Bereich, aber er flacht schließlich ab und trotz weiterer Erhöhung bleibt der Strom durch den MOSFET gleich.

In Bezug auf die Definition der Sättigung verstehe ich die Sättigung / Linearität in MOSFETs so, dass sie ungefähr das Gegenteil von dem bedeutet, was sie in einem BJT tun. Dieses Dokument (unter MOSFET-Charakterisierung ein paar Seiten) schlägt ähnliches vor, aber solange Sie verstehen, wie sie funktionieren und was Sie mit dem Begriff meinen, sollten Sie in Ordnung sein (zumindest bis Sie mit jemandem über Transistoren sprechen :-)).

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

Auf dieser Seite gibt es ein gutes MOSFET-Simulator-Applet. Ich hoffe, es hilft.
Auch ich habe vor einiger Zeit eine ähnliche Frage gestellt ; Sie können sich auch darauf beziehen.

B) Im Sättigungsbereich passiert etwas anderes -> bei Erhöhung der SUPPLY-Spannung ändert sich die LED-Helligkeit nicht. Die zusätzliche Spannung, die Sie an die SUPPLY anlegen, führt nicht zu einem größeren Strom. Stattdessen liegt es über dem MOSFET, sodass die DRAIN-Spannung zusammen mit der Versorgungsspannung ansteigt (eine Erhöhung der Versorgung um 2 V bedeutet also eine Erhöhung der Drain-Spannung um fast 2 V).

Wie so? Eine Erhöhung der Versorgung sollte V ds nur um Id X Rds(on) erhöhen. In Anbetracht der Tatsache, dass die LED fast den gleichen Durchlassspannungsabfall aufweist, muss die erhöhte Spannung vom Vorwiderstand und vom Gerät geteilt werden. Da der Widerstand einen viel größeren Wert hat (390 Ohm im Vergleich zu 0,8 Ohm des Geräts), muss der Hauptanteil des Spannungsabfalls über den Widerstand erfolgen. Darüber hinaus wird es definitiv eine Erhöhung des Drain-Stroms mit einer Erhöhung des Widerstands geben. MOSFET-Verluste werden im stationären Zustand als Quadrat des Stroms multipliziert mit Rds(on) berechnet. Die Beobachtung "DRAIN-Spannung steigt zusammen mit der Versorgungsspannung (eine Erhöhung der Versorgung um 2 V bedeutet also eine Erhöhung der Drain-Spannung um fast 2 V)" ist falsch