МОП-транзистор в качестве переключателя — когда он находится в состоянии насыщения?

Прежде всего, «насыщение» мосфетов означает, что изменение VDS не приведет к значительному изменению Id (тока стока). Вы можете думать о MOSFET в насыщении как об источнике тока. То есть независимо от напряжения на VDS (с ограничениями, конечно) ток через устройство будет (почти) постоянным.

Теперь возвращаясь к вопросу:

Согласно Википедии, МОП-транзистор находится в состоянии насыщения, когда V (GS) > V (TH) и V (DS) > V (GS) - V (TH).

Это верно.

Если я медленно увеличиваю напряжение затвора, начиная с 0, полевой МОП-транзистор остается выключенным. Светодиод начинает проводить небольшой ток, когда напряжение затвора составляет около 2,5 В или около того.

Вы увеличили Vgs выше Vth NMOS, чтобы канал был сформирован и устройство начало проводить.

Яркость перестает увеличиваться, когда напряжение затвора достигает около 4В. Яркость светодиода не меняется, когда напряжение на затворе превышает 4 В. Даже если я быстро увеличу напряжение с 4 до 12, яркость светодиода останется неизменной.

Вы увеличили Vgs, сделав устройство проводящим больше тока. При Vgs = 4 В то, что ограничивает ток, больше не транзистор, а резистор, который вы включаете последовательно с транзистором.

Я также отслеживаю напряжение сток-исток, когда увеличиваю напряжение затвора. Напряжение сток-исток падает с 12 В почти до 0 В, когда напряжение затвора равно 4 В или около того. Это легко понять: поскольку R1 и R(DS) образуют делитель напряжения, а R1 намного больше, чем R(DS), большая часть напряжения падает на R1. По моим измерениям около 10 В падает на R1, а остальное на красный светодиод (2 В).

Здесь вроде все в порядке.

Однако, поскольку V(DS) теперь приблизительно равно 0, условие V(DS) > V(GS) - V(TH) не выполняется, не находится ли полевой МОП-транзистор в состоянии насыщения?

Нет это не так. Он находится в линейной или триодной области. Он ведет себя как резистор в этой области. То есть увеличение Vds увеличит Id.

Если это так, как можно разработать схему, в которой МОП-транзистор находится в состоянии насыщения?

У тебя уже есть. Вам просто нужно позаботиться о рабочей точке (убедитесь, что условия, которые вы упомянули, соблюдены).

A) В линейной области вы можете наблюдать следующее: -> при увеличении напряжения ПИТАНИЯ светодиод будет становиться ярче, так как ток через резистор и транзистор будет увеличиваться, и, следовательно, через светодиод будет протекать больше.

Б) В области насыщения произойдет нечто другое -> при повышении напряжения ПИТАНИЯ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ИСТОЧНИК, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет через MOSFET, поэтому напряжение стока будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение питания на 2 В будет означать увеличение напряжения стока почти на 2 В).

Я интерпретирую значение «насыщенности» в контексте статьи в Википедии следующим образом:

В таблице данных для MOSFET будет показан график с кривыми, показывающими конкретный$I_D$для конкретного$V_{DS}$в определенном$V_{GS}$, обычно для нескольких различных$V_{GS}$ценности.

В этом примере красная параболическая линия отделяет так называемую «линейную» область от области «насыщенности». В области насыщения$I_D$линии плоские - ток больше не увеличивается по мере$V_{DS}$увеличивается. В линейной области при увеличении тока стока$V_{DS}$увеличивается - МОП-транзистор действует как резистор.

В вашей ситуации, предполагая, что ваша часть имеет кривые, аналогичные примеру, технически «нет», устройство не находится в области насыщения. При этом ваш$I_D$настолько низок, что$V_{DS}$падение незначительно по сравнению с последовательным резистором. Не важно что$V_{GS}$повышается до, «линейное» падение МОП-транзистора крошечное по сравнению с$390 \Omega$резистор, и "выглядит" насыщенным.

Другие ответы здесь дают хорошее объяснение термина «насыщение» применительно к МОП-транзисторам.

Я просто отмечу, что это использование сильно отличается от того, что предназначено для биполярных транзисторов и некоторых других классов устройств.

Этот термин правильно используется для МОП-транзисторов, где

• V(DS) > V(GS) - V(TH)

НО этого никогда не должно было быть.
Но это так, так что имейте в виду.

Биполярный транзистор (а НЕ МОП-транзистор) находится «в насыщении», когда он резко включен. Эквивалентное состояние в режиме улучшения MOSFET (наиболее распространенный вид) - это когда он «полностью улучшен», НО правильный термин для этого уже украден.

Добавлен:

МОП-транзистор «включается» напряжением, приложенным к затвору относительно истока = Vgs.
Требуемое значение Vgs, при котором полевой транзистор начинает включаться и проводит определенный ток, называется «пороговым напряжением затвора» или просто «пороговым напряжением» и обычно записывается как Vgsth или Vth или подобное.
Vth дает представление о том, какое напряжение потребуется для работы полевого транзистора в качестве переключателя, НО фактическое полностью улучшенное Vgs обычно в несколько раз превышает Vgsth. Кроме того, Vgs, необходимые для полного улучшения, зависят от желаемых идентификаторов.

Этот график, скопированный из ответа Мадмангурумана, показывает, что при Vgs = 7 В соотношение Ids / Vds примерно линейно примерно до Ids = 20A, поэтому полевой транзистор «полностью усилен» и примерно до этого момента выглядит как резистор. Для этого полевого транзистора Vds составляет около 1,5 В при токе около 20 А, поэтому Rdson составляет около R = V / I = 1,5/20 = 75 мОм.
Для этого полевого транзистора есть кривая при Vgs = 1 В, поэтому VGSth = Vth, вероятно, находится в диапазоне 0,5–0,8 В, скажем, 100 мкА.

Что вам нужно сделать, чтобы увидеть насыщение, так это подавать достаточное напряжение, пока в конечном итоге рост напряжения не повлияет на ток.
Для этого установите на Vgs статическое значение (>Vth), затем поднимите напряжение на Vds и измерьте ток. Первоначально он будет расти довольно линейно, находясь в омической или линейной области, но в конечном итоге он выровняется, и, несмотря на дальнейшее увеличение тока через MOSFET, он останется прежним.

Что касается определения насыщения, я понимаю, что насыщение/линейность в МОП-транзисторах означает примерно противоположное тому, что они делают в биполярных транзисторах. Этот документ (под характеристикой МОП-транзисторов на нескольких страницах) предлагает подобное, хотя, пока вы понимаете, как они работают и что вы подразумеваете под этим термином, все должно быть в порядке (по крайней мере, пока вы не обсуждаете транзисторы с кем-то :-)) )

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

На этой странице есть хороший апплет симулятора MOSFET. Я надеюсь, что это помогает.
Также я задал аналогичный вопрос некоторое время назад; вы также можете обратиться к нему.

Б) В области насыщения произойдет нечто другое -> при повышении напряжения ПИТАНИЯ яркость светодиода не изменится. Дополнительное напряжение, которое вы подаете на ИСТОЧНИК, не приведет к увеличению тока. Вместо этого он будет через MOSFET, поэтому напряжение стока будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение питания на 2 В будет означать увеличение напряжения стока почти на 2 В).

Как же так? Увеличение подачи должно увеличить V ds только на Id X Rds(on). Учитывая, что светодиод будет иметь почти одинаковое прямое падение напряжения, повышенное напряжение должно быть разделено между последовательным резистором и устройством. Поскольку сопротивление резистора гораздо больше (390 Ом по сравнению с 0,8 Ом устройства), основная доля падения напряжения приходится на резистор. Более того, при увеличении сопротивления ток стока определенно будет увеличиваться. Потери MOSFET рассчитываются в стационарном состоянии как квадрат тока, умноженный на Rds(on). Таким образом, наблюдение «Напряжение стока будет расти вместе с напряжением питания (поэтому увеличение питания на 2 В будет означать увеличение напряжения стока почти на 2 В)» неверно.