ماسفت

عملکرد MOSFET مشابه JFET می‌باشد اما دارای گیتی می‌باشد که به لحاظ الکتریکی از کانال هدایت ایزوله شده‌است.

ترانزیستور MOSFET همانند ترانزیستور JFET از دسته ترانزیستورهای اثر میدان می‌باشد با این تفاوت که گیت با کانال حامل جریان ارتباط الکتریکی ندارد و بنابراین از دسته ترانزیستورهای اثر میدان با گیت ایزوله شده می‌باشد.

پرکاربرد ترین ترانزیستور اثر میدان با گیت ایزوله شده، ترانزیستور اکسیدفلز نیمه رسانای اثر میدان یا MOSFET می‌باشد .

IGFET یا MOSFET توسط ولتاژ کنترل می‌شوند و بر خلاف ترانزیستورهای JFET دارای الکترود گیت اکسید فلز هستند که این ترمینال را از دیگر قسمت‌های ترانزیستور جدا می‌کند ماده‌ای که غالباً برای ایزوله کردن گیت به کار می‌رود سیلیکون دی اکسید یا همان شیشه می‌باشد.

الکترود گیت را می‌توان به منزله یکی از صفحات خازن در نظر گرفت. ایزولاسیون پایه کنترلی گیت، مقاومت ورودی MOSFET را به طرز فوق‌العاده‌ای تا چند مگااهم MΩ بالا می‌برد که تقریباً می‌توان آن را برابر با بی نهایت تصور کرد.

هنگامی که ترمینال گیت به صورت الکتریکی از کانال اصلی حامل جریان که بین درین و سورس وجود دارد ایزوله می‌شود، هیچ جریانی از گیت عبور نمی‌کند و MOSFET همانند JFET به مثابه مقاومتی که با ولتاژ کنترل می‌شود عمل می‌کند در این حالت جریانی که از کانال اصلی بین درین و سورس عبور می‌کند وابسته به میزان ولتاژ ورودی است به علاوه این گروه از ترانزیستورها همانند JFET مقاومت ورودی فوق‌العاده بالایی دارند اما این امر ممکن است باعث تجمع بار ساکن فوق‌العاده زیادی در ترانزیستور شود و در صورت عدم حفاظت یا کاربری نادرست باعث آسیب دیدن ترانزیستور خواهد شد.

ترانزیستورهای MOSFET همانند JFET دارای سه ترمینال : گیت، درین و سورس هستند و به دو نوع کانال(N)(NMOS) و کانال (P)(PMOS) تقسیم می‌شوند اما یک نوع دسته بندی دیگر برای MOSFET ها وجود دارد که آن‌ها را به دو گروه دیگر تقسیم می‌کند :

نوع تخلیه (کاهشی)

ترانزیستور به ولتاژ گیت ــ سورس VGS برای خاموش شدن نیاز دارد MOSFET مد تخلیه مشابه کلید مدار بسته عمل می‌کند.

نوع افزایشی

در این حالت ترانزیستور به فرمان گیت ــ سورس (VGS) برای روشن شدن نیاز دارد MOSFET در مد افزایشی همانند کلید مدار باز عمل می‌کند .

 اشکال شماتیک و ساختار پایه هر دو پیکربندی ترانزیستور MOSFET در زیر نشان داده شده است.

در ۴ شکلی که در بالا مشاهده می‌کنید، یک ترمینال اضافی ( لایه زیرین ) وجود دارد که معمولاً از آن هیچ خروجی یا ورودی گرفته نمی‌شود و برای اتصال به زمین تعبیه شده این زیر لایه از طریق یک پیوند دیودی که متصل به بدنه یا بخش فلزی ترانزیستور است به کانال اصلی نیمه رسانا متصل می‌شود.

در برخی مواقع ترمینال زیرلایه از داخل به ترمینال سورس متصل شده در چنین شرایطی و در مد افزایشی برای سهولت از نمایش ترمینال در شکل شماتیک صرف‌نظر می‌شود.

خطی که در شکل شماتیک MOSFET بین درین و سورس وجود دارد ، نشان دهنده کانال نیمه رسانای ترانزیستور است اگر خط کانال در شکل شماتیک ممتد باشد نشان دهنده ی مد تخلیه ( پیشفرض روشن ) ترانزیستور MOSFET است و جریان درین با صفر بودن ولتاژ بایاس گیت می‌تواند از کانال عبور کند.

اگر خط نشان دهنده کانال به صورت شکسته یا نقطه‌چین باشد نشان دهنده مد افزایشی ( پیش‌فرض خاموش ) ترانزیستور MOSFET است در این حالت، اگر ولتاژ گیت صفر باشد هیچ جریانی از درین عبور نمی‌کند. جهت فلش نشانگر نوع کانال هدایتی P یا N است.

ساختار پایه MOSFET و شکل شماتیک آن

ساختار ترانزیستور اثر میدان اکسید فلز تفاوت زیادی با JFET دارد. ترانزیستورهای نوع تخلیه و افزایشی MOSFET از یک میدان الکتریکی که توسط ولتاژ گیت ایجاد شده برای تغییر جریان حامل های الکتریکی در طول کانال درین ــ سورس ( الکترون‌ها در انواع کانال N و حفره ها در انواع کانال P ) استفاده می‌کنند الکترود گیت در بالای یک لایه ایزوله کننده فوق‌العاده نازک واقع شده و دو بخش کوچک از نیمه‌رسانای نوع N در زیر الکترود های درین و سورس واقع شده‌است.

در مقاله گذشته متوجه شدیم که گیت یک ترانزیستور اثر میدان پیوندی باید به صورت معکوس بایاس شود ( در JFET گیت با کانال هدایت یک پیوند PN را تشکیل می‌دهد ) اما در MOSFET به دلیل ایزوله بودن گیت چنین شرطی وجود ندارد بنابراین امکان بایاس گیت یک ماسفت با هر پلاریته ای ( مثبت یا منفی ) وجود دارد.

این ویژگی MOSFET را به تبدیل به المانی با‌ارزش در سوییچ‌های الکترونیکی یا ساخت گیت‌های منطقی کرده چرا که بدون اعمال ولتاژ بایاس هدایت آغاز نمی‌شود و مقاومت ورودی بالای گیت باعث می‌شود که به جریان کنترلی برای راه‌اندازی ترانزیستور نیاز نباشد در‌واقع MOSFET ها دستگاه‌هایی هستند که تماماً با ولتاژ کنترل می‌شوند. هر دو نوع MOSFET (کانال N و کانال P) خود به زیر گروه افزایشی یا تخلیه ( کاهشی ) طبقه بندی می‌شوند.

مد تخلیه در MOSFET

ترانزیستور تخلیه (کاهشی) MOSFET که کمتر از مد افزایشی استفاده می‌شود به صورت پیشفرض روشن است به این معنا که جریان را بدون اعمال ولتاژ بایاس گیت هدایت می‌کند. این حالت ترانزیستور کاهشی MOSFET را به صورت یک کلید مدار بسته درمی آورد در‌واقع به همین دلیل است که در شکل شماتیک این ترانزیستور یک خط ممتد صاف وجود دارد ( به این معنا که مدار بسته است و هدایت جریان وجود دارد )

در ترانزیستور کاهشی کانال N ، در صورت اعمال ولتاژ منفی بین گیت و سورس (VGS-) کانال هدایتی از الکترون ها تخلیه می‌شود و به این صورت ترانزیستور به حالت خاموش می رود در نوع کانال P باید ولتاژی مثبت بین گیت و سورس (VGS+) اعمال شود تا حفره ها از کانال هدایتی خارج شوند و ترانزیستور با از دست دادن حامل‌هایش خاموش شود.

به عبارتی دیگر در ماسفت کاهشی کانال N ، ولتاژ گیت ــ سورس مثبت به معنای عبور بیشتر الکتون‌ها و در نتیجه عبور بیشتر جریان خواهد بود اما اعمال VGS– از تعداد الکترون‌ها می‌کاهد و متعاقباً جریان عبوری از کانال نیز کاهش پیدا می‌کند. در مورد نوع کانال P معکوس گفته‌های بالا صدق می‌کند.

ماسفت کاهشی هم ارز با یک کلید مدار بسته می‌باشد.

ماسفت کاهشی کانال N و علایم شماتیک آن

ماسفت‌های کاهشی مشابه JFET ها تولید می‌شوند که در آن کانال درین ـ سورس به حالت پیش‌فرض هدایت می‌کند. کانال یا از نوع N و یا از نوع P می‌باشد. در‌واقع دوپینگ نیمه‌رسانای به کار رفته در کانال با ناخالصی نوع N یا P مسیری هدایتی با مقاومت پایینی را بین درین و سورس ایجاد می‌کند که برای هدایت نیازی اعمال ولتاژ گیت ندارد.

ماسفت افزایشی

ماسفت مد افزایشی یا MOSFET بر عکس ماسفت کاهشی عمل می‌کند.

در این نوع ترانزیستور در کانال هدایت فرایند دوپینگ صورت نگرفته بنابراین در حالت معمولی هیچ حفره یا الکترونی داخل کانال وجود ندارد که آن را غیر رسانا می‌کند در نتیجه ترانزیستور در حالت معمولی خاموش است و تنها با اعمال ولتاژ بایاس به گیت هدایت آغاز می‌شود همین‌طور که می‌بینید در شکل شماتیک مدار یک خط نقطه چین یا شکسته وجود دارد که به این معنا است که ترانزیستور در حالت عادی مانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند.

در ماسفت افزایشی کانال N، جریان درین تنها زمانی به وجود می‌آید که ولتاژ گیت VGS بالاتر از ولتاژ آستانه VTH(Threshold Voltage) باشد اگر ولتاژ گیت از ولتاژ آستانه تجاوز کند ، ترانزیستور تبدیل به یک هادی انتقالی (Transconductance Device) خواهد شد.

اعمال ولتاژ مثبت به گیت یک MOSFET کانال N، الکترون‌های بیشتری را به سمت لایه اکسید اطراف گیت جذب می‌کند، بنابراین عرض کانال هدایت افزایش می‌یابد و جریان بیشتری می‌تواند از کانال عبور کند. در‌واقع به همین دلیل است که به این نوع ماسفت ، ماسفت افزایشی می‌گویند .

با افزایش ولتاژ مثبت گیت، مقاومت کانال کاهش می‌یابد و متعاقباً جریان درین بالا می‌رود به عبارتی دیگر برای

ماسفت افزایشی نوع N :

ــVGS+ ترانزیستور را روشن می‌کند اما VGS– یا ولتاژ صفر گیت باعث خاموش شدن ترانزیستور می‌شود. بنابراین مد افزایشی ترانزیستور ماسفت هم ارز با یک کلید مدار باز می‌باشد.

عکس موارد بالا در مورد ماسفت افزایشی کانال P صدق می‌کند به این معنی که اگر

 VGS=0، ترانزیستور خاموش است اما با اعمال ولتاژ منفی میزان هدایت کانال ماسفت افزایشی نوع P افزایش می‌یابد و ترانزیستور به حالت روشن می‌رود در نوع کانال P ، VGS+ ترانزیستور را خاموش می‌کند.

ماسفت افزایشی کانال N و شماتیک مدار آن

ماسفت‌های افزایشی ، کلید‌های الکترونیکی فوق‌العاده مناسبی هستند، چرا که مقاومت آن‌ها در حالت روشن بسیار پایین است و اگر خاموش باشند مقاومت بسیار بالایی دارند. همچنین به دلیل ایزولاسیون گیت، مقاومت ورودی این ترمینال فوق‌العاده زیاد است که از عبور جریان ناخواسته گیت به مدار جلوگیری می کند. از ماسفت های افزایشی در مدارات مجتمع برای ساخت دروازه های منطقی CMOS  و مدارات سوییچینگ توان بالا استفاده می‌شود که به دو نوع PMOS (گیت‌های کانال P) و NMOS ( گیت‌های کانال N) معروف می‌باشند.

تقویت کننده ماسفت

ماسفت ها همانند JFET ها می‌توانند به عنوان تقویت کننده کلاس A مورد استفاده قرار بگیرند در تقویت کننده های ماسفت کلاس A، مدار ماسفت افزایشی کانال N سورس مشترک بیشترین کاربرد را دارد. تقویت‌کننده‌های ماسفت کاهشی شباهت خیلی زیادی به تقویت کننده‌های JFET دارند، تنها تفاوت این است که ماسفت کاهشی امپدانس ورودی بالاتری دارد.

البته این امپدانس ورودی بالا توسط شبکه مقاومتی بایاس گیت کنترل می‌شود. سیگنال خروجی برای ماسفت افزایشی سورس مشترک ۱۸۰ درجه با سیگنال ورودی اختلاف فاز دارد چرا که هنگامی که VG پایین است ، ترانزیستور در حالت خاموش قرار دارد و مقدار VD(VOUT) بالاست اما هنگامی که VG بالاست ترانزیستور روشن می‌شود و VD(VOUT) کاهش می‌یابد.

تقویت کننده افزایشی کانال N

بایاس DC این مدار تقویت کننده ماسفت سورس مشترک تقریباً شبیه به تقویت کننده ی JFET می‌باشد مدار MOSFET در تقویت کننده کلاس A توسط شبکه بایاسی که از مقاومت‌های R۱ و R۲ تشکیل شده بایاس می‌شود مقاومت ورودی AC برابر با RIN=RG=1MΩ می‌باشد .

ماسفت‌ها المان‌هایی اکتیو هستند که از مواد گوناگونی ساخته شده‌اند. ماهیت این متریال می‌تواند با اعمال ولتاژ کوچکی تغییر و آن‌ها را از موادی نارسانا به رسانا تبدیل کند.

قابلیت ماسفت‌ها برای رفتن به هر یک از این دو وضعیت آن‌ها را قادر می‌کند که ۲ عملکرد پایه داشته باشند:

۱) عمل‌کرد به عنوان کلید (مدارات دیجیتال )

۲) تقویت کننده ( مدارات آنالوگ)

در ضمن ماسفت‌ها می‌توانند در ۳ ناحیه راه‌اندازی شوند :

(۱) ناحیه قطع :

اگر (VGS<Vthreshold) ولتاژ گیت ــ سورس فوق‌العاده پایین‌تر از ولتاژ آستانه ترانزیستور باشد ماسفت خاموش می‌شود و در نتیجه ID=0 در این حالت صرف از از مقدار VDS ترانزیستور همانند یک کلید مدار باز عمل می‌کند.

(۲) ناحیه خطی (اهمیک):

اگر (VGS>Vthreshold) باشد و VDS<VGS ، ترانزیستور در ناحیه مقاومتی اش قرار دارد و همانند مقاومتی که با ولتاژ کنترل می‌شود عمل می‌کند که مقدار آن وابسته به ولتاژ گیت است .

(۳) ناحیه اشباع :

اگر(VGS>Vthreshold) و VDS>VGS ترانزیستور کاملاً روشن است و جریان درین به ماکزیمم مقدار خود رسیده (ID=max) و ترانزیستور مانند یک کلید مدار بسته عمل می‌کند.

خلاصه مطالب مربوط به MOSFET

ترانزیستور اثر میدان اکسید فلز یا ماسفت ، دارای مقاومت بالایی در ترمینال گیت می‌باشد و جریانی که از کانال بین درین و سورس عبور می‌کند توسط ولتاژ گیت کنترل می‌شود به دلیل بهره و امپدانس ورودی بالا ، ماسفت ها در برابر الکتریسته ساکن آسیب‌پذیر هستند و اتخاذ روش‌های مناسب برای حفاظت از آن‌ها در برابر الکتریسیته ساکن ضروری می‌باشد .

ماسفت ها برای استفاده به عنوان کلیدهای الکترونیکی ایده‌آل هستند در ضمن در حوزه آنالوگ از آن‌ها به عنوان تقویت کننده استفاده می‌شود چرا که مصرف انرژی فوق العاده پایینی دارند استفاده از ماسفت در میکروپراسسور ها ، حافظه ها ، ماشین حساب و دروازه های منطقی CMOS بسیار رایج می‌باشد .

نقطه چین یا خط شکسته در شکل شماتیک نشانگر ماسفت افزایشی است که در حالت معمولی خاموش است به این معنا که اگر هیچ ولتاژی به گیت اعمال نشود ، هیچ جریانی از کانال هدایتی عبور نمی‌کند .

خط ممتد نشانگر ماسفت کاهشی می‌باشد این نوع ماسفت بر خلاف نوع افزایشی بدون اعمال ولتاژ گیت روشن است و هدایت در کانال درین ــ سورس انجام می‌گیرد. اطلاعات مربوط به ۴ نوع ماسفت را جدول زیر خلاصه شده :

بنابراین برای ماسفت افزایشی نوع N اعمال ولتاژ مثبت، ترانزیستور را روشن می‌کند و هنگامی که ولتاژ گیت به صفر برسد، ترانزیستور خاموش می‌شود. در ماسفت افزایشی نوع P ولتاژ گیت منفی ترانزیستور را روشن میکند و اگر ولتاژ گیت ــ سورس برابر با صفر شود ترانزیستور به حالت قطع می‌ورد. ولتاژی که پس از رسیدن به آن هدایت در کانال آغاز می‌شود ولتاژ آستانه VTH نام دارد.

 در مقاله بعدی در مورد استفاده از ترانزیستورهای اثر میدان به عنوان سوییچ صحبت خواهد شد. در حالت سوییچ، دو ناحیه قطع و اشباع ترانزیستور مورد استفاده قرار می‌گیرد. از ماسفت‌ها هم برای خاموش و روشن کردن المان‌های توان پایین مانند LED و هم برای موتورهای توان بالا استفاده می‌شود.