ماسفت

ماسفت‌ها همانند JFET عمل می‌کنند اما دارای یک ترمینال گیت است که به طور الکتریکی از کانال رسانا جدا شده است.

و همچنین ترانزیستور اثر میدانی پیوندی (JFET) ، نوع دیگری از ترانزیستور اثر میدانی موجود است که ورودی گیت از کانال اصلی جریان اصلی عایق الکتریکی است و بنابراین ترانزیستور  اثر میدانی گیت ایزوله شده نامیده می‌شود.

متداول ترین نوع FET گیت عایق بندی که در انواع مختلفی از مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی یا به اختصار ماسفت MOSFET نامیده می‌شود.

IGFET یا MOSFET یک ترانزیستور اثر میدانی کنترل شده با ولتاژ است که با JFET تفاوت دارد به این دلیل که دارای یک الکترود گیت “اکسید فلز” است که توسط یک لایه بسیار نازک از مواد عایق از کانال n یا کانال p نیمه هادی اصلی عایق بندی شده است. معمولاً دی اکسید سیلیسیم، که معمولاً به عنوان شیشه شناخته می‌شود.

این الکترود فوق العاده نازک گیت فلزی را می‌توان به عنوان یک صفحه خازن در نظر گرفت. جداسازی گیت کنترل، مقاومت ورودی ماسفت را در محدوده مگا اهم (MΩ) بسیار بالا می برد و در نتیجه آن را تقریباً بینهایت می‌کند.

از آنجا که ترمینال گیت از کانال اصلی انتقال جریان بین تخلیه و منبع جدا شده است، هیچ جریانی به درون گیت جریان نمی‌یابد و دقیقاً مانند JFET ،MOSFET نیز مانند یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ عمل می‌کند که در آن جریان جاری درون کانال اصلی بین تخلیه و منبع متناسب با ولتاژ ورودی است. همچنین مانند JFET ، مقاومت ورودی بسیار زیاد MOSFET می‌تواند به راحتی مقادیر زیادی بار ساکن را جمع کرده و در نتیجه MOSFET به راحتی آسیب ببیند مگر اینکه با دقت کار کند یا محافظت شود.

مانند آموزش قبلی JFET ، ماسفت‌ها یک قطعه سه ترمیناله با گیت ، تخلیه و منبع است و هر دو ماسفت p کانال P (PMOS و Nکانال (NMOS) در دسترس هستند. تفاوت اصلی این بار این است که ماسفت به دو شکل اساسی در دسترس است:

نوع تخلیه – ترانزیستور برای خاموش کردن دستگاه به ولتاژ گیت- منبع  (VGS) نیاز دارد. حالت تخلیه ماسفت معادل با یک سوئیچ “نرمال بسته” است.

نوع پیشرفته – ترانزیستور برای روشن کردن دستگاه به ولتاژ گیت- منبع (VGS) نیاز دارد. حالت بهبود ماسفت معادل سوئیچ “نرمال باز” است.

نمادها و ساختار اصلی برای هر دو پیکربندی ماسفت در زیر نشان داده شده است.

چهار علامت ماسفت فوق ترمینال دیگری به نام بستر را نشان می‌دهد و به طور معمول به عنوان ورودی یا اتصال خروجی استفاده نمی شود اما در عوض برای زمینه سازی بستر استفاده می‌شود. از طریق اتصال دیود به بدنه یا زبانه فلزی ماسفت به کانال نیمه هادی اصلی متصل می‌شود.

معمولاً در ماسفت های نوع گسسته، این پایه بستر از داخل به ترمینال منبع متصل می شود. در این صورت، مانند انواع پیشرفته، از نماد برای شفاف سازی حذف شده است.

خط در نماد ماسفت بین اتصالات تخلیه (D) و منبع (S) نشان دهنده کانال نیمه رسانای ترانزیستورها است. اگر این خط کانال یک خط شکست ناپذیر جامد باشد، سپس آن نشان دهنده یک ماسفت نوع “تخلیه” (به طور نرمال باز) است زیرا جریان تخلیه می تواند با پتانسیل بایاس صفر گیت جریان یابد.

اگر خط کانال به صورت یک خط نقطه ای یا شکسته نشان داده شود، پس از آن ماسفت از نوع “پیشرفته” (به طور نرمال بسته) نشان داده می شود زیرا جریان تخلیه صفر با پتانسیل گیت صفر جریان می یابد. جهت پیکان به سمت این خط کانال نشان می‌دهد که آیا کانال رسانا از نوع P یا نوع نیمه هادی نوع N است.

نماد و ساختار ماسفت پایه

 

ساختار نیمه هادی FET با اکسید فلزی بسیار متفاوت از اتصالات FEN است. هر دو نوع ماسفت تخلیه و پیشرفته از یک میدان الکتریکی تولید شده توسط ولتاژ گیت استفاده می کنند تا جریان حامل های بار، الکترون‌ها برای کانال n یا حفره های کانال P را از طریق کانال منبع تخلیه نیمه هادی تغییر دهد. الکترود گیت در بالای یک لایه عایق بسیار نازک قرار می گیرد و یک جفت نواحی کوچک از نوع n درست در زیر الکترودهای تخلیه و منبع وجود دارد.

ما در آموزش قبلی دیدیم که گیت ترانزیستور اثر میدانی پیوندی، JFET باید به گونه ای بایاس شود که مانند بایاس معکوس اتصال pn باشد. با استفاده از یک قطعه ماسفت گیت ایزوله شده، چنین محدودیتی اعمال نمی‌شود، بنابراین ممکن است گیت MOSFET را در دو قطب، مثبت (ve+) یا منفی (ve-) بایاس شود.

این امر باعث می‌شود که قطعه ماسفت به عنوان سوئیچ های الکترونیکی یا ساخت گیت‌های منطقی بسیار با ارزش باشد زیرا بدون هیچ گونه بایاس معمولاً رسانا نیستند و این مقاومت ورودی بالای گیت به این معنی است که جریان کنترل بسیار کم بصورت ماسفت کنترل شده با ولتاژ مورد نیاز است. ماسفت‌های p-channel و n-channel به دو شکل اساسی، نوع پیشرفته و نوع تخلیه در دسترس هستند.

حالت تخلیه ماسفت

حالت تخلیه MOSFET که معمولاً کمتر از انواع حالت بهبود رایج است معمولاً بدون اعمال ولتاژ بایاس گیت “روشن” (هدایت) روشن می شود. این کانال وقتی VGS = 0 است هدایت می کند و آن را به قطعه ای نرمال بسته تبدیل می کند. نماد مداری که در بالا برای ترانزیستور MOS تخلیه نشان داده شده است، از یک خط کانال جامد برای نشان دادن یک کانال رسانای بسته شده معمول استفاده می‌کند.

برای ترانزیستور MOS تخلیه کانال n ، ولتاژ منبع گیت منفی ، VGS -کانال رسانای الکترون های آزاد خود را که (از این رو نام آن) تخلیه می کند و ترانزیستور را خاموش می کند. به همین ترتیب برای ترانزیستور MOS تخلیه کانال p ولتاژ منبع گیت مثبت،  VGS+ کانال حفره های آزاد خود را که تخلیه می کند و آن را به “خاموش” تغییر می‌دهد.

به عبارت دیگر، برای یک ماسفت حالت تخلیه n کانال VGS+ به معنای الکترونهای بیشتر و جریان بیشتر است. در حالی که VGS- به معنای الکترون کمتر و جریان کمتر است. عکس این قضیه برای انواع کانال p نیز صادق است. سپس حالت تخلیه ماسفت معادل یک سوئیچ “به طور معمول بسته شده” است.

ماسفت n کاناله حالت تهی و نمادهای مدار

حالت تخلیه MOSFET به روشی مشابه با ترانزیستورهای JFET ساخته شده است ، در حالی که کانال منبع تخلیه ذاتاً با الکترون ها و حفره هایی که در کانال نوع n یا p وجود دارند رسانا است. این دوپینگ کانال باعث ایجاد یک مسیر هدایت با مقاومت کم بین تخلیه و منبع با بایاس گیت صفر می‌شود.

حالت پیشرفته ماسفت

حالت رایج تر ماسفت حالت پیشرفته یا eMSFET، حالت معکوس نوع حالت تخلیه است. در اینجا کانال رسانش کمی دوپ شده و یا حتی بدون دوپینگ است و آن را غیر رسانا می کند. این باعث می‌شود که وقتی ولتاژ بایاس گیت، VGS برابر صفر است، دستگاه به طور معمول “خاموش” (غیر رسانا) باشد. نماد مدار نشان داده شده در بالا برای ترانزیستور MOS تقویت کننده از یک خط شکسته کانال برای نشان دادن یک کانال غیر رسانای معمول باز استفاده می‌کند.

برای ترانزیستور MOS تقویت n کانال، جریان تخلیه فقط هنگامی جریان می یابد که ولتاژ گیت (VGS) به ترمینال گیت بیش از سطح ولتاژ آستانه (VTH) که در آن هدایت اتفاق می‌افتد، اعمال شود و آن را به یک وسیله انتقال دهنده هدایت کند.

استفاده از ولتاژ گیت مثبت (ve+) به eMOSFET از نوع n باعث جذب بیشتر الکترون ها به سمت لایه اکسید اطراف گیت می شود و بدین ترتیب ضخامت کانال باعث افزایش یا بهبود (از این رو نام آن) می‌شود تا جریان بیشتری جریان یابد. به همین دلیل است که به این نوع ترانزیستور دستگاهی برای حالت بهبود گفته می شود زیرا اعمال ولتاژ گیت باعث بهبود کانال می‌شود.

افزایش این ولتاژ گیت مثبت باعث می‌شود مقاومت کانال بیشتر شود و باعث افزایش جریان تخلیه، ID از طریق کانال شود. به عبارت دیگر، برای حالت تقویت کانال n MOSFET: +VGS ترانزیستور را “روشن” می‌کند، در حالی که یک صفر یا VGS- ترانزیستور را “خاموش” می‌کند. بنابراین حالت بهبود MOSFET برابر با یک سوئیچ “به طور معمول باز” است.

عکس این مورد برای ترانزیستور MOS تقویت کانال p صادق است. وقتی VGS = 0 دستگاه “خاموش” است و کانال باز است. استفاده از ولتاژ گیت منفی (ve-) بر روی eMOSFET از نوع p باعث افزایش هدایت کانال ها در تبدیل آن به حالت “روشن” می شود. سپس برای حالت تقویت کانال p MOSFET: +VGS ترانزیستور را “خاموش” می کند ، در حالی که VGS- ترانزیستور را “روشن” می‌کند.

نماد های مدار و ماسفت N کاناله حالت پیشرفته

MOSFET های حالت پیشرفته به دلیل مقاومت “ON” پایینو مقاومت بسیار بالا “خاموش” و همچنین مقاومت ورودی بی نهایت بالا به دلیل گیت جدا شده، سوئیچ های الکترونیکی بسیار خوبی ایجاد می‌کنند. MOSFET های حالت پیشرفته در مدارهای مجتمع برای تولید گیت های منطقی از نوع CMOS و مدارهای سوئیچینگ قدرت به صورت گیت های PMOS (کانال P) و NMOS (کانال N) استفاده می‌شوند. CMOS در واقع مخفف مکمل MOS است یعنی دستگاه منطقی در طراحی خود PMOS و NMOS را دارد.

تقویت کننده ماسفت

درست مانند ترانزیستور اثر میدانی پیوندی قبلی ، می توان از MOSFET برای ساخت مدارهای تقویت کننده کلاس A با تقویت کننده منبع مشترک MOSFET کانال n استفاده کرد. حالت تخلیه تقویت کننده‌های MOSFET شباهت زیادی به تقویت کننده‌های JFET دارند، با این تفاوت که MOSFET امپدانس ورودی بسیار بالاتری دارد.

این امپدانس ورودی بالا توسط شبکه مقاومتی بایاس گیت ساخته شده توسط R1 و R2 کنترل می‌شود. همچنین، سیگنال خروجی برای تقویت کننده MOSFET منبع مشترک حالت معکوس می‌شود زیرا وقتی VG کم است ترانزیستور “خاموش” است و (VD (Vout زیاد است. وقتی VG زیاد است ترانزیستور “روشن” می‌شود و (VD (Vout همانطور که نشان داده شده کم است.

تقویت کننده ماسفت n کاناله حالت پیشرفته

بایاس DC این مدار تقویت کننده ماسفت (CS) منبع مشترک در واقع با تقویت کنندهJFET یکسان است. مدار MOSFET در حالت کلاس A توسط شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومتهای R1 و R2 بایاس می‌شود. مقاومت ورودی AC به صورت RIN = RG = 1MΩ داده می‌شود.

ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی یک قطعه سه ترمیناله فعال هستند که از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده اند و می توانند با استفاده از ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان عایق یا هادی عمل کنند.

توانایی تغییر MOSFET بین این دو حالت، این امکان را برای دو عملکرد اساسی فراهم می کند: “سوئیچینگ” (الکترونیک دیجیتال) یا “تقویت” (الکترونیک آنالوگ). سپس MOSFET توانایی کار در سه منطقه مختلف را دارد:

منطقه قطع – با VGS <Vthreshold ولتاژ منبع گیت بسیار کمتر از ولتاژ آستانه ترانزیستور است بنابراین ترانزیستور MOSFET “کاملا خاموش” می شود بنابراین ID = 0 ، با ترانزیستور مانند سوئیچ باز بدون در نظر گرفتن مقدار VDS رفتار می‌کند.

2. منطقه خطی (اهم) – با VGS> Vthreshold و VDS <VGS ترانزیستور در ناحیه مقاومت ثابت خود به عنوان یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ رفتار می کند که مقدار مقاومت آن توسط ولتاژ گیت ، سطح VGS تعیین می‌شود.
3. منطقه اشباع – با VGS> Vthreshold و VDS> VGS ترانزیستور در منطقه فعلی ثابت است و بنابراین “کاملاً روشن” است. جریان تخلیه ID= حداکثر با ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند.

خلاصه آموزش ماسفت

ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی یا به اختصار MOSFET، دارای مقاومت در برابر ورودی بسیار بالایی است که جریان از کانال بین منبع و تخلیه جریان می یابد و توسط ولتاژ گیت کنترل می‌شود. به دلیل این امپدانس ورودی و بهره زیاد، اگر به دقت محافظت نشود یا با آن برخورد نشود، می‌تواند به راحتی توسط الکتریسیته ساکن آسیب ببیند.

MOSFET برای استفاده به عنوان سوئیچ الکترونیکی یا تقویت کننده منبع مشترک ایده آل است زیرا مصرف برق آنها بسیار کم است. کاربردهای معمول برای ترانزیستورهای اثر نیمه هادی اکسید فلزی در ریزپردازنده ها، حافظه ها، ماشین حساب‌ها و گیت های منطقی CMOS و غیره است.

همچنین توجه داشته باشید که یک خط نقطه ای یا شکسته درون نماد نشان دهنده نوع تقویت کننده “OFF” است که نشان می‌دهد جریان ولتاژ “NO” می تواند از طریق کانال جریان یابد وقتی که ولتاژ منبع صفر گیت VGS اعمال شود.

خط قطع نشده مداوم در داخل نماد نشان دهنده نوع تخلیه نرمال “روشن” است که نشان می‌دهد جریان “می تواند” از کانال با ولتاژ گیت صفر عبور کند. برای انواع کانال p نمادها برای هر دو نوع کاملاً یکسان هستند با این تفاوت که فلش به سمت بیرون است. این را می توان در جدول سوئیچینگ زیر خلاصه کرد.

بنابراین برای ماسفت پیشرفته نوع n ، ولتاژ گیت مثبت ترانزیستور را “روشن” می کند و با ولتاژ گیت صفر، ترانزیستور “خاموش” است. برای نوع پیشرفته کانال P از نوع ماسفت، ولتاژ گیت منفی ترانزیستور را روشن کرده و با ولتاژ گیت صفر، ترانزیستور “خاموش” خواهد بود. نقطه ولتاژی که MOSFET در آن جریان را درون کانال هدایت می کند توسط ولتاژ آستانه VTH دستگاه تعیین می‌شود.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورهای اثر میدانی به جای استفاده از ترانزیستور به عنوان یک قطعه تقویت کننده، ما به عملکرد ترانزیستور در مناطق اشباع و برش در هنگام استفاده به عنوان سوئیچ حالت جامد خواهیم پرداخت. از سوئیچ های ترانزیستوری اثر میدانی در بسیاری از کاربردها برای روشن یا خاموش کردن جریان DC  مانند LED که فقط به چند میلی آمپر در ولتاژ DC کم یا موتورهایی که به ولتاژ بالاتر نیاز به جریان بالاتر دارند، استفاده می‌شود.