MOSFET come interruttore: quando si trova in saturazione?

Ho il seguente circuito collegato su una breadboard.

Variamo la tensione di gate usando un potenziometro. Ecco cosa mi confonde: secondo Wikipedia, il MOSFET è in saturazione quando V (GS)> V (TH) e V (DS)> V (GS) - V (TH).

Se aumento lentamente la tensione di gate a partire da 0, il MOSFET rimane spento. Il LED inizia a condurre una piccola quantità di corrente quando la tensione del gate è di circa 2,5 V circa. La luminosità smette di aumentare quando la tensione del gate raggiunge i 4 V. Non vi è alcun cambiamento nella luminosità del LED quando la tensione del gate è maggiore di 4V. Anche se aumento rapidamente la tensione da 4 a 12, la luminosità del LED rimane invariata.

Inoltre monitoro la tensione Drain to Source mentre sto aumentando la tensione di gate. La tensione di drain alla sorgente scende da 12V a quasi 0V quando la tensione del gate è di circa 4V. Questo è facile da capire: poiché R1 e R (DS) formano un divisore di tensione e R1 è molto più grande di R (DS), la maggior parte della tensione viene rilasciata su R1. Nelle mie misurazioni, circa 10 V viene lasciato cadere su R1 e il resto sul LED rosso (2 V).

Tuttavia, poiché V (DS) ora è circa 0, la condizione V (DS)> V (GS) - V (TH) non è soddisfatta, il MOSFET non è in saturazione? In tal caso, come si potrebbe progettare un circuito in cui il MOSFET è in saturazione?

Si noti che: R (DS) per IRF840 è 0,8 ohm. V (TH) è compreso tra 2V e 4V. Vcc è 12V.

Ecco la linea di carico che ho tracciato del mio circuito.

Ora, da quello che ho ottenuto dalle risposte qui è che per far funzionare il MOSFET come interruttore, il punto operativo dovrebbe essere verso la sinistra della linea di carico. Sono corretto nella mia comprensione?

E se si impongono le curve caratteristiche MOSFET, sul grafico sopra, il punto operativo sarebbe nella cosiddetta regione "lineare / triodo". Infatti, l'interruttore dovrebbe raggiungere quella regione il più rapidamente possibile per funzionare in modo efficiente. Lo capisco o sbaglio completamente?

Innanzitutto, la "saturazione" nei mosfet significa che il cambiamento nel VDS non produrrà un cambiamento significativo nell'Id (corrente di drain). Puoi pensare a MOSFET in saturazione come una fonte attuale. Ciò indipendentemente dalla tensione attraverso VDS (con limiti ovviamente) la corrente attraverso il dispositivo sarà (quasi) costante.

Ora torniamo alla domanda:

Secondo Wikipedia, il MOSFET è in saturazione quando V (GS)> V (TH) e V (DS)> V (GS) - V (TH).

È corretto.

Se aumento lentamente la tensione di gate a partire da 0, il MOSFET rimane spento. Il LED inizia a condurre una piccola quantità di corrente quando la tensione del gate è di circa 2,5 V circa.

Hai aumentato il Vgs sopra il Vth del NMOS in modo che il canale si formasse e il dispositivo abbia iniziato a condurre.

La luminosità smette di aumentare quando la tensione del gate raggiunge i 4 V. Non vi è alcun cambiamento nella luminosità del LED quando la tensione del gate è maggiore di 4V. Anche se aumento rapidamente la tensione da 4 a 12, la luminosità del LED rimane invariata.

Hai aumentato il Vgs rendendo il dispositivo che conduce più corrente. A Vgs = 4V la cosa che sta limitando la quantità di corrente non è più un transistor ma un resistore che hai in serie con il transistor.

Inoltre monitoro la tensione Drain to Source mentre sto aumentando la tensione di gate. La tensione di drain alla sorgente scende da 12V a quasi 0V quando la tensione del gate è di circa 4V. Questo è facile da capire: poiché R1 e R (DS) formano un divisore di tensione e R1 è molto più grande di R (DS), la maggior parte della tensione viene rilasciata su R1. Nelle mie misurazioni, circa 10 V viene lasciato cadere su R1 e il resto sul LED rosso (2 V).

Qui tutto sembra in ordine.

Tuttavia, poiché V (DS) ora è circa 0, la condizione V (DS)> V (GS) - V (TH) non è soddisfatta, il MOSFET non è in saturazione?

No non lo è. È nella regione lineare o triodo. Si comporta come un resistore in quella regione. Ciò sta aumentando Vds aumenterà Id.

In tal caso, come si potrebbe progettare un circuito in cui il MOSFET è in saturazione?

Hai già. Devi solo aver cura del punto operativo (assicurati che siano soddisfatte le condizioni che hai menzionato).

A) Nella regione lineare è possibile osservare quanto segue: -> quando si aumenta la tensione di ALIMENTAZIONE, il LED diventerà più luminoso quando la corrente attraverso il resistore e il transistor aumenterà e quindi più scorrerà attraverso il LED.

B) Nella regione di saturazione accadrà qualcosa di diverso -> quando si aumenta la tensione di ALIMENTAZIONE, la luminosità del LED non cambierà. La tensione aggiuntiva che si applica sull'ALIMENTAZIONE non si tradurrà in una corrente maggiore. Invece sarà attraverso MOSFET, quindi il volume DRAIN aumenterà insieme alla tensione di alimentazione (quindi aumentare l'offerta di 2 V significherà aumentare il volume di drenaggio di quasi 2 V)

Interpreto il significato di "saturazione" nel contesto dell'articolo di Wikipedia come segue:

$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Altre risposte qui forniscono una buona spiegazione del termine "saturazione" applicato ai MOSFET.

Noterò qui che questo utilizzo è molto diverso da ciò che si intende per transistor bipolari e alcune altre classi di dispositivi.

Il termine è usato correttamente per MOSFET dove

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

MA non avrebbe mai dovuto essere.
Ma lo è, quindi state attenti.

Un transistor bipolare (e NON un MOSFET) è "in saturazione" quando è acceso. La condizione equivalente in un MOSFET in modalità potenziamento (il tipo più comune) è quando è "completamente potenziato" MA il termine corretto per questo è già stato rubato.

Inserito il:

Un MOSFET viene "attivato" dalla tensione applicata al gate rispetto alla sorgente = Vgs.
I Vg richiesti in cui il FET inizia ad accendersi e conduce una quantità definita di corrente è noto come "tensione di soglia" o semplicemente "tensione di soglia" e di solito è scritto come Vgsth o Vth o simile.
Vth fornisce un'indicazione di quanta tensione sarà necessaria per far funzionare il FET come interruttore, ma l'effettivo Vgs completamente potenziato è in genere più volte Vgsth. Inoltre, i Vgs richiesti per il miglioramento completo variano con gli ID desiderati.

Questo grafico, copiato dalla risposta di Madmanguruman, mostra che a Vgs = 7V la realtion Ids / Vds è circa lineare fino a circa Ids = 20A, quindi il FET è "completamente migliorato" e sembra un resistore fino a questo punto. Per questo FET Vds è di circa 1,5 V a circa 20 A, quindi Rdson è di circa R = V / I = 1,5 / 20 = 75 milliOhms.
Per questo FET esiste una curva a Vgs = 1V, quindi VGSth = Vth è probabilmente nell'intervallo 0,5 V-0,8 V, ad esempio 100 uA.

Quello che devi fare per vedere la saturazione è fornire una tensione sufficiente fino a quando l'aumento di tensione non fa alcuna differenza rispetto alla corrente.
Per fare ciò, imposta il tuo Vgs su un valore on (> Vth) statico, quindi aumenta la tensione su Vds e misura la corrente. Inizialmente si solleverà abbastanza linearmente, trovandosi nella regione ohmica o lineare, ma alla fine si appiattirà e nonostante aumenti ulteriormente la corrente attraverso il MOSFET rimarrà lo stesso.

Per quanto riguarda la definizione di saturazione, capisco che saturazione / lineare nei MOSFET significa approssimativamente l'opposto di quello che fanno in un BJT. Questo documento (sotto MOSFET caratterizzazione poche pagine in) suggerisce simile, anche se fino a quando si capisce come funzionano e che cosa si intende con il termine, allora si dovrebbe essere a posto (almeno fino a quando si sta discutendo transistor con qualcuno :-))

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

C'è una buona applet di simulatore MOSFET in questa pagina. Spero possa essere d'aiuto.
Inoltre ho fatto una domanda simile qualche tempo fa; puoi riferirti anche a questo.

B) Nella regione di saturazione accadrà qualcosa di diverso -> quando si aumenta la tensione di ALIMENTAZIONE, la luminosità del LED non cambierà. La tensione aggiuntiva che si applica sull'ALIMENTAZIONE non si tradurrà in una corrente maggiore. Invece sarà attraverso MOSFET, quindi il volume DRAIN aumenterà insieme alla tensione di alimentazione (quindi aumentare l'offerta di 2 V significherà aumentare il volume di drenaggio di quasi 2 V)

Come mai? Aumentare l'offerta dovrebbe aumentare il V ds solo di Id X Rds (attivo). Considerando che il LED avrà quasi la stessa caduta di tensione diretta, la tensione aumentata dovrà essere condivisa dal resistore e dal dispositivo in serie. Poiché il resistore ha un valore molto più grande (390 ohm rispetto a 0,8 ohm del dispositivo), la maggior parte della caduta di tensione deve essere attraverso il resistore. Inoltre ci sarà sicuramente un aumento della corrente di drain con un aumento della resistenza. Le perdite MOSFET sono calcolate allo stato stady come il quadrato della corrente moltiplicato per Rds (attivo). Quindi l'osservazione "Volage DRAIN aumenterà insieme alla tensione di alimentazione (quindi aumentare l'alimentazione di 2 V significherà aumentare la volage di drenaggio di quasi 2 V)" non è corretta