ترانزیستور ماسفت چیست?

ماسفت (MOSFET)

علاوه بر ترانزیستورهای پیوندی اثر میدان (JFET)، نوع دیگری از ترانزیستور اثر میدانی وجود دارد که ورودی گیت از کانال عبور جریان به طور الکتریکی جدا شده است به خاطر همین به عنوان ترانزیستور اثر میدان با گیت مجزا (گیت عایق شده) یا IGFET نامگذاری شده است. رایج ترین نوع ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق شده که در بسیاری از انواع مختلف مدارهای الکترونیکی استفاده شده است MOSFET نامگذاری شده است. MOSFET مخفف  Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز) می باشد.

IGFET یا MOSFET یک ترانزیستور اثر میدان با ولتاژ کنترل شده است که با JFET در این تفاوت دارد که گیت آن دارای یک الکترود گیت اکسید فلز است که به طور الکتریکی از کانال نیمه هادی نوع n یا کانال نیمه هادی نوع p توسط یک لایه نازک از مواد عایق که معمولا دی اکسید سیلیکون است جدا شده است.

این الکترود گیت فلزی عایق شده می تواند به عنوان یک صفحه از یک خازن لحاظ شود. جدا شدن گیت، مقاومت ورودی MOSFET را خیلی بالا می برد (درحد مگا اهم)، درنتیجه تقریبا آنرا بی نهایت می کند.

از آنجایی که پایه گیت از کانال اصلی عبور جریان جدا شده است، هیچ جریانی از گیت نمی گذرد و همانند JFET، ماسفت هم شبیه یک مقاومت کنترل ولتاژ عمل می کند. به طوری که جریانی که سرتاسر کانال اصلی بین درین و سورس وجود داشته است متناسب با ولتاژ ورودی است. همچنین همانند JFET، مقاومت ورودی بسیار بالای MOSFETها می تواند به راحتی مقدار زیادی از بار ساکن را ذخیره کند که به موجب آن ماسفت به راحتی آسیب می بیند مگر اینکه با دقت به کار برده شود یا محافظت شود.

همانند JFETها، MOSFETها دستگاههای سه پایه ای هستند که نام پایه ها ی آن عبارتست از گیت Gate، درین Drain و سورس Source و هم چنین دارای دو نوع کانال (P(PMOS و کانال (N(NMOS می باشد. تفاوت اصلی در این است که ماسفت ها دردو فرم اساسی در دسترس هستند:

1- ترانزیستورهای MOSFET با کانال تهی شونده: (DMOSFET) ترانزیستور برای خاموش کردن دستگاه به ولتاژ گیت–سورس احتیاج دارد.این نوع ترانزیستور مشابه یک کلید معمولا بسته است.

2- ترانزیستورهای MOSFET با کانال تشکیل شونده یا بهبودیافته (EMOSFET) : ترانزیستور برای روشن کردن دستگاه به ولتاژ گیت-سورس احتیاج دارد. این نوع ترانزیستور مشابه یک کلید معمولا باز است.

نمادها و ساختار اساسی برای هر دو نوع MOSFET به صورت زیر نشان داده شده است:

در چهار نماد بالا یک پایه فرعی به نام Substrate نشان داده شده که معمولا به جای استفاده از آن به عنوان اتصال ورودی یا خروجی ، برای اتصال زمین استفاده شده است. که کانال نیمه هادی اصلی را از طریق  یک پیوند دیود به بدنه یا لبه فلزی  MOSFET وصل می کند. معمولا در نوع ماسفت تهی شونده، پایه ی Substrate به طور داخلی به پایه سورس متصل شده است. که در این حالت درMOSFETها با کانال تشکیل شونده برای شفاف سازی از علائم حذف شده است.

خط بین اتصالات درین و سورس کانال نیمه هادی را نشان می دهد. اگر این خط یک خط پیوسته توپر باشد این نشان دهنده ی MOSFET با کانال تهی شونده است که جریان درین می تواند با پتانسیل صفر گیت جاری شود. اگر خط کانال به صورت نقطه چین یا شکسته نشان داده شود آن یک MOSFET با کانال تشکیل شونده است به طوریکه جریان صفر درین با پتانسیل صفر گیت جاری می شود. جهت پیکان نشان می دهد که آیا کانال رسانا ماسفت نوع N است یا نوع P.

ساختمان MOSFET

ساختار ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز (MOSFET) بسیار متفاوت از ساختار JFET است. هر دو نوع EMOSFET و DMOSFET از یک میدان الکتریکی که توسط یک ولتاژ گیت تولید شده است برای تغییر جریان بارهای حامل،( الکترون ها برای کانال N و یا حفره ها برای کانال P) از طریق کانال نیمه هادی درین-سورس استفاده می کنند. الکترود گیت در بالای یک لایه ی عایق بسیار نازک واقع شده است و یک جفت از ناحیه های کوچک نوع n زیر الکترودهای درین و سورس وجود دارد.

در JFET دیدیم که گیت باید طوری بایاس شود که پیوند pn در بایاس معکوس باشد اما در ماسفت محدودیتی وجود ندارد و ممکن است گیت ماسفت با هر دو پلاریته مثبت یا منفی بایاس شود.

به این ترتیب گیت عایق MOSFET بدون هیچ محدودیتی به کاربرده می شود بنابراین بایاس کردن گیت MOSFET در قطب مثبت یا منفی میسر است. این باعث می شود که دستگاه MOSFET به عنوان سوئیچ های الکترونیکی و یا برای ساخت گیت های منطقی بسیار با ارزش باشد زیرا بدون بایاس آنها معمولا نارسانا هستند و این مقاومت ورودی بالای گیت به این معناست که جریان خیلی کم یا جریان نمی توانند ماسفت را کنترل کنند به طوریکه MOSFETها دستگاه های کنترل ولتاژ هستند. هر دو نوع MOSFET کانال P و کانال N در دو فرم اساسی در دسترس هستند:  MOSFET با کانال تهی شونده و MOSFET با کانال تشکیل شونده.

MOSFET با کانال تهی شونده (DMOSFET):

MOSFET با کانال تهی شونده که نسبت به نوع دیگر آن (با کانال تشکیل شونده) کمتر متداول است معمولا بدون استفاده از ولتاژ بایاس گیت هدایت می کند. هنگامی که V_GS = 0 کانال هدایت بسته است . در نماد مدار ترانزیستور MOSFET با کانال تهی شونده از یک خط توپر برای نشان دادن کانال رسانای معمولا بسته استفاده می شود .

برای ترانزیستور MOSFET با کانال تهی شونده نوع N، یک ولتاژ منفی بین گیت-سورس ، کانال هدایت را از الکترون های آزاد آن تهی خواهد کرد و ترانزیستورخاموش می شود. به همین ترتیب برای ترانزیستور با کانال تهی شونده نوع P یک ولتاژ مثبت بین گیت-سورس کانال را از حفره های آزاد تهی خواهد کرد و دستگاه خاموش می شود.

به عبارت دیگر، برای یک MOSFET با کانال تهی شونده نوع N، +V_GS  به معنی الکترون های بیشتر و جریان بیشتر است در حالی که -V_GS به معنی الکترون های کمتر و جریان کمتر است.عکس آن نیز برای نوع P درست است. بنابراین MOSFET با کانال تهی شونده مشابه با یک کلید بسته است.

MOSFET با کانال تهی شونده نوع N و نمادهای مداری :

ماسفت با کانال تهی شونده به روشی مشابه با ترانزیستور JFET ساخته می شود که مشترکاتشون کانال درین-سورس است که ذاتا رساناست با الکترون ها و حفره هایی که قبلا در کانال نوع N یا نوع P معرفی شدند. این ناخالصی کانال، یک مسیر رسانا با مقاومت پائین بین درین و سورس با بایاس صفر گیت تولید می کند.

MOSFET با کانال تشکیل شونده

MOSFET با کانال تشکیل شونده که متداول تر است عکس MOSFET با کانال تهی شونده است. در اینجا کانال رسانا به طور کم نا خالص شده است که آنرا نارسانا می کند. این باعث می شود هنگامی که ولتاژ بایاس گیت  V_GS برابر صفر است MOSFET به طور معمولی خاموش شود (نارسانا). همان طور که در نماد مدار بالا نشان داده شده است در یک ترانزیستور MOSFET با کانال تشکیل شونده از یک خط کانال شکسته برای نشان دادن یک کانال نارسانای معمولا باز استفاده شده است.

برای ترانزیستور MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع N جریان در درین زمانی جاری می شود که ولتاژ گیت vgs به پایه گیت اعمال شده باشد و بالاتر از سطح ولتاژ استانه vth باشد در این صورت عرض کانال را پر می کند.

با اعمال ولتاژ مثبت به گیت به یک MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع N الکترون های بیشتری به سمت لایه اکسید اطراف گیت جذب می کند. بنابراین با افزایش ضخامت کانال اجازه می دهد جریان بیشتری عبور کند. به دلیل اینکه اعمال یک ولتاژ گیت کانال را وسیع می کند به این نوع از ترانزیستورها، دستگاههایی با کانال تشکیل شونده می گویند.

افزایش ولتاژ مثبت گیت باعث کاهش مقاومت کانال خواهد شد، که موجب افزایش جریان درین سرتاسر کانال هم خواهد شد، به عبارت دیگر در یک MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع N:ولتاژ +V_GS ترانزیستور را روشن می کند ، در حالی که ولتاژ صفر یا -V_GS  ترانزیستور را خاموش می کند. بنابراین MOSFET با کانال تشکیل شونده مشابه یک کلید باز است.

عکس آن نیز برای یک ترانزیستور MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع P درست است. هنگامی که V_GS = 0  است دستگاه خاموش است و کانال باز است. اعمال ولتاژ منفی گیت به MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع P، قابلیت رسانائی کانال ها را افزایش می دهد و باعث روشن شدن آن می شود.بنابراین برای MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع P: +V_GS  ترانزیستور را خاموش می کند، در حالی که -V_GS ترانزیستور را روشن می کند.

MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع N و نمادهای مداری 

MOSFETها با کانال تشکیل شونده به خاطر مقاومت فعال پائین و مقاومت غیر فعال بالای آنها و هم چنین به خاطر مقاومت ورودی بی نهایت به دلیل گیت عایق شده، برای استفاده به عنوان سوئیچ های الکترونیکی ایده آل هستند. ترانزیستورهای EMOSFET در مدارهای مجتمع ،برای تولید گیت های منطقی نوع  CMOS استفاده شده اند و در مدارهای سوئیچینگ توان به شکل گیت های PMOS(کانال P) و NMOS (کانالN) وجود دارند. CMOS مخفف Complementary Mos است به این معنی است که در طراحی ان قطعه ی  منطقی هر دو نوع PMOS و NMOS به کار رفته است.

تقویت کننده MOSFET

درست مثل ترانزیستور پیوندی اثر میدان ، (MOSFETها) نیز می توانند برای ساخت مدارهای تقویت کننده تک مرحله ی کلاس A استفاده شود که معروفترین مدارش تقویت کننده سورس مشترک با کانال تشکیل شونده نوع N است. تقویت کننده های MOSFET با کانال تهی شونده خیلی شبیه به تقویت کننده های JFET هستند با این تفاوت که MOSFETها امپدانس ورودی خیلی بالاتری دارد.

این امپدانس ورودی بالا توسط یک شبکه ی مقاومتی متشکل از R1 و R2 کنترل شده است. همچنین سیگنال خروجی در تقویت کننده ی EMOSFET سورس مشترک معکوس شده است زیرا هنگامی که V_G پائین است ترانزیستور خاموش است و  V_D (Vout) بالاست. و هنگامی که V_G بالاست ترانزیستور روشن است و  (V_D (Vout پائین است.

تقویت کننده MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع N

به طور خلاصه

ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز یا MOSFET ، دارای یک مقاومت ورودی بالا و جریانی که سرتاسر کانال بین درین و سورس جاریست و توسط ولتاژ گیت کنترل شده است. به خاطر این امپدانس ورودی بالا و بهره ، MOSFETها می توانند به راحتی با الکتریسیته ساکن آسیب ببینند اگر با دقت به کار برده نشوند یا محافظت نشوند.

MOSFETها برای استفاده به عنوان سوئیچ های الکترونیکی یا به عنوان تقویت کننده های سورس مشترک ایده آل هستند زیرا توان مصرفی آنها خیلی پایین است. ترانزیستورهای اثر میدان اکسید فلز در ریزپردازنده ها ، مموری ها ، ماشین حساب ها، گیت های منطقی CMOS و … کاربرد دارند.

همچنین توجه داشته باشید که یک خط نقطه چین یا شکسته در نماد EMOSFET از نوع ماسفت با کانال تشکیل شونده است که نشان می دهد هنگامی که بین گیت و سورس ولتاژ صفر اعمال شود هیچ جریانی نمی تواند سرتاسر کانال جاری شود.

یک خط پیوسته ممتد در نماد DMOSFET (ماسفت با کانال تهی شونده) است که به طور معمول روشن است و این نشان می دهد که جریان می تواند با ولتاژ صفر گیت در سرتاسر کانال جاری شود. برای نوع های کانال P ، نمادها دقیقا برای هر دو نوع همان است با این تفاوت که در نوع P، فلش ها به سمت خارج اشاره می کند. که می تواند درجدول زیر خلاصه شود:

بنابراین برای MOSFET های با کانال تشکیل شونده نوع N، یک ولتاژ گیت مثبت ترانزیستور را روشن می کند و با ولتاژ گیت صفر ترانزیستور خاموش می شود. برای یک MOSFET با کانال تشکیل شونده نوع P ، یک ولتاژ گیت منفی ترانزیستور را روشن می کند و با ولتاژ گیت صفر ترانزیستور خاموش می شود. ولتاژ مشخص می کند که کدام MOSFET شروع به عبور جریان در سرتاسر کانال کند که توسط ولتاژ آستانه دستگاه مشخص شده است.