در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس با ترانزیستورهای پیوندی اثر میدان یا JFETها آشنا شدیم. نوع دیگری از ترانزیستورهای اثر میدان وجود دارد که ورودی گیت آن‌ها، از نظر الکتریکی نسبت به کانال حامل جریان عایق شده است و به همین دلیل، ترانزیستور اثر میدان با گیت ایزوله شده (Insulated Gate Field Effect Transistor) یا IGDET نامیده می‌شود. در این آموزش، با این نوع ترانزیستور با نام ماسفت آشنا می‌شویم.
متداول‌ترین FET با گیت ایزوله شده که در کاربردهای مختلفی به کار می‌رود، ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز یا ماسفت (MOSFET) است. IGFET یا MOSFET یک ترانزیستور اثر میدان کنترل شده با ولتاژ است که با JFET تفاوت دارد و این تفاوت، یک الکترود گیت «اکسید فلز» است که از نظر الکتریکی نسبت به نیمه‌هادی اصلی کانال N یا کانال P با یک لایه بسیار نازک از ماده عایق کننده (معمولاً اکسید سیلیکون) جدا شده است.
این الکترود گیت فلز ایزوله شده بسیار نازک را می‌توان به عنوان یک صفحه خازن در نظر گرفت. ایزولاسیون گیت کنترل سبب می‌شود مقاومت ورودی ماسفت بسیار بزرگ و در محدوده مگااهم باشد.
از آن‌جایی که ترمینال گیت از نظر الکتریکی از کانال اصلی گذر جریان بین درین و سورس جدا است، مانند JFET هیچ جریانی از گیت عبور نمی‌کند و ماسفت نیز مانند یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ عمل می‌کند که در آن، جریان گذرنده از کانال اصلی، متناسب با ولتاژ ورودی است. همچنین، مشابه JFET، ماسفت‌ها نیز مقاومت ورودی بسیار بزرگی دارند و می‌توانند به سادگی مقادیر زیادی از بار استاتیکی را جمع کنند. بنابراین، اگر ماسفت به دقت محافظت نشود یا به درستی مورد استفاده قرار نگیرد، آسیب خواهد دید.
ماسفت‌ها قطعاتی با سه ترمینالِ گیت (Gate)، درین (Drain) و سورس (Source) هستند. این قطعات در انواع ماسفت کانال P یا PMOS و ماسفت کانال N یا NMOS و به دو فرم اساسی زیر در دسترس هستند:
- نوع کاهشی یا تخلیه‌ای (Depletion-mode MOSFET): برای خاموش (OFF) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت-سورس ($$V_{GS}$$) را به آن اعمال کرد. ماسفت مد کاهشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «معمولاً بسته» (Normally Closed) است.
- نوع افزایشی (Enhancement-mode MOSFET): در این نوع، برای روشن (ON) کردن ترانزیستور، باید ولتاژ گیت-سورس ($$V_{GS}$$) را به آن اعمال کرد. ماسفت مد افزایشی، معادل با یک سوئیچ یا کلید «معمولاً باز» (Normally Open) است.
نمادها و ساختارهای پایه هر دو پیکربندی ماسفت‌ها در شکل زیر نشان داده شده است.
چهار نماد ماسفت بالا، یک ترمینال اضافه دارند که سابستریت (Substrate) یا پولک نامیده می‌شود و معمولاً به عنوان یک اتصال ورودی یا خروجی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، اما برای زمین کردن به کار می‌رود. این ترمینال، از طریق دیود به کانال نیمه‌رسانایی به بدنه (Body) یا ورقه فلزی ماسفت متصل شده است.
معمولاً برای ماسفت‌های گسسته (Discrete)، این سابستریت با ترمینال سورس اتصال درونی دارد. خط بین اتصالات درین و سورس در نماد ماسفت، کانال نیمه‌رسانایی ترانزیستور را نشان می‌دهد. اگر این خط ممتد باشد، یک ماسفت کاهشی (معمولاً ON) را نشان می‌دهد که با پتانسیل بایاس گیت صفر، جریان درین می‌تواند از آن عبور کند.
اگر خط درین-سورس منقطع باشد، نمایان‌گر یک ماسفت افزایشی (معمولاً OFF) است که با وجود پتانسیل گیت صفر، جریان درین نیز برابر با صفر است. جهت پیکان، نوع P یا نوع N بودن کانال هدایت را مشخص می‌کند.
ساختار FET نیمه‌هادی اکسید فلز، بسیار متفاوت از FET پیوندی است. در هر دو نوع ماسفت افزایشی و کاهشی، میدان الکتریکی ولتاژ گیت را برای جریان یافتن حامل‌های بار (الکترون‌ها برای کانال n و حفره‌ها برای کانال p) در کانال درین-سورس ایجاد می‌کند. الکترود گیت، روی یک لایه عایق بسیار نازک قرار می‌گیرد و یک جفت ناحیه نوع n کوچک در زیر الکترودهای درین و سورس قرار دارد.
در آموزش‌های قبل دیدیم که گیت یک JFET را باید به گونه‌ای بایاس کنیم که پیوند PN بایاس معکوس شود. در یک ماسفت با گیت ایزوله شده، دیگر محدودیتی وجود ندارد و گیت می‌تواند هر پلاریته‌ای داشته باشد.
این موضوع، ماسفت را مخصوصاً به عنوان یک سوئیچ یا کلید یا برای ساختن گیت‌های منطقی ارزشمند می‌کند؛ زیرا در حالت عادی، ماسفت‌ها بدون بایاس هدایت نمی‌کنند. مقاومت گیت ورودی بالای ماسفت‌ها به این معنی است که به اندازه کمی (یا مقدار صفر) جریان گیت نیاز دارند؛ زیرا ماسفت‌ها قطعاتی هستند که با ولتاژ کنترل می‌شوند. هر دو نوع ماسفت کانال N و کانال P، به دو شکل اصلی افزایشی و کاهشی در دسترس هستند.
ماسفت کاهشی
ماسفت مد تخلیه یا کاهشی که نسبت به انواع مد افزایشی کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، بدون اعمال ولتاژ بایاس گیت، «معمولاً بسته» (Normally ON) است (هدایت می‌کند).
در یک ترانزیستور MOS کانال n کاهشی، ولتاژ گیت-سورس منفی ($$ -V_{GS}$$)، کانال هدایت الکترون‌های آزاد را کوچکتر خواهد کرد و موجب خاموش شدن آن خواهد شد. به طور مشابه، در یک ماسفت کاهشی کانال p، ولتاژ $$V_{GS}$$ مثبت سبب تهی شدن کانال از حفره‌های آزاد و خاموش شدن ترانزیستور می‌شود.
به عبارت دیگر، در یک ماسفت مد تخلیه کانال $$n$$، $$ + V _ {GS} $$ به این معنی است که الکترون‌های بیشتر و و جریان بیشتری خواهیم داشت. در حالی که $$ – V _ {GS} $$ به معنی تعداد الکترون‌های کمتر و جریان کمتر است. خلاف این گفته نیز برای ماسفت‌های نوع کانال p صدق می‌کند.
ماسفت افزایشی
نوع متداول‌تر ماسفت، یعنی ماسفت افزایشی یا eMOSFET برعکس ماسفت کاهشی است. در این نوع ماسفت، کانال هدایت به اندازه کمی آلاییده شده یا اینکه ناخالصی ندارد و این امر سبب می‌شود کانال نارسانا باشد. در نتیجه، وقتی ولتاژ بایاس گیت $$ V _{GS}$$ صفر باشد، این نوع ترانزیستور «معمولاً OFF» است.
در یک ماسفت افزایشی کانال n، جریان درین فقط وقتی برقرار است که ولتاژ گیت اعمالی، بزرگتر از ولتاژ ترشولد ($$ V _ {TH}$$) باشد.
با اعمال یک ولتاژ گیت مثبت به eMOSFET کانال n، ضخامت کانال افزایش یافته و الکترون‌های بیشتری به سمت لایه اکسید در اطراف گیت جذب خواهد شد. در نتیجه جریان بیشتری عبور خواهد کرد. به همین دلیل، این نوع ماسفت را افزایشی می‌نامند که با اعمال ولتاژ به گیت، کانال اصطلاحاً افزایش پیدا می‌کند.
افزایش ولتاژ مثبت گیت، سبب کاهش مقاومت کانال و در نتیجه افزایش جریان درین در کانال می‌شود. به عبارت دیگر، در یک ماسفت افزایشی کانال n، ولتاژ $$ + V _ {GS}$$ ترانزیستور را روشن می‌کند؛ در حالی که ولتاژ صفر یا $$ – V _ {GS}$$ منجر به خاموشی آن می‌شود. بنابراین می‌توان گفت که ماسفت افزایشی کانال n، معادل با یک کلید «معمولاً باز» است.
عکس گفته‌های بالا برای ماسفت افزایشی کانال p صادق است؛ وقتی $$ V _ {GS} =0 $$ باشد، ترانزیستور خاموش است. اعمال یک ولتاژ گیت منفی به eMOSFET نوع p، رسانایی کانال را افزایش می‌دهد و ترانزیستور را روشن می‌کند.
ماسفت‌های افزایشی، سوئیچ‌های الکترونیکی بسیار خوبی هستند، زیرا به دلیل مقاومت ورودی بسیار بزرگ ناشی از گیت ایزوله شده، مقاومت حالت ON بسیار کم و مقاومت حالت OFF بسیار بزرگی دارند. ماسفت‌های افزایشی در مدارهای مجتمع برای تولید گیت‌های منطقی CMOS و در مدارهای سوئیچینگ قدرت به فرم گیت‌های PMOS و NMOS به کار می‌روند.
تقویت کننده ماسفت
مشابه JFETها، از ماسفت‌ها نیز می‌توان برای ساختن تقویت کننده‌های کلاس A استفاده کرد. تقویت کننده‌های سورس مشترک ماسفت کانال n افزایشی محبوب‌ترین مدارهای این دسته هستند. تقویت کننده‌های ماسفت کاهشی، بسیار شبیه تقویت کننده‌های JFET هستند؛ با این تفاوت که امپدانس ورودی ماسفت بسیار بزرگتر است.
این امپدانس ورودی بالا، از طریق بایاس گیت با شبکه مقاومتی (متشکل از مقاومت‌های $$R_1$$ و $$R_2$$) کنترل می‌شود. همچنین، سیگنال خروجی تقویت کننده ماسفت سورس مشترک مد افزایشی برعکس می‌شود.
بایاس DC این تقویت کننده ماسفت سورس مشترک، از نظر ظاهری مشابه تقویت کننده JFET است. مدار ماسفت در کلاس A و با شبکه مقسم ولتاژ متشکل از مقاومت‌های $$R_1$$ و $$ R_2$$ بایاس می‌شود.
ماسفت‌ها قطعات اکتیو سه سری هستند که از مواد نیمه‌هادی مختلفی تشکیل می‌شوند و بسته به کاربرد یک ولتاژ سیگنال کوچک، می‌توانند به عنوان یک عایق یا یک هادی مورد استفاده قرار گیرند.
توانایی ماسفت برای تغییر در دو حالت، سبب می‌شود این دو عملکرد اساسی داشته باشد: «سوئیچینگ» یا کلیدزنی در الکترونیک دیجیتال یا «تقویت کنندگی» در الکترونیک آنالوگ. ماسفت‌ها این قابلیت را دارند که در سه ناحیه مختلف کار کنند:
- ناحیه قطع یا Cut-off: در این ناحیه، $$ V _ {GS} < V_{threshol}$$ بوده و بنابراین، ترانزیستور کاملاً OFF می‌شود ($$ I _ D = 0 $$) و بدون توجه به مقدار $$ V _ {DS}$$ شبیه یک کلید باز عمل می‌کند.
- ناحیه خطی (اهمی): در این ناحیه $$ V _ {GS}> V _ {threshold}$$ و $$ V_{DS}< V_{GS}$$ است و ترانزیستور در ناحیه مقاومت ثابت خود قرار دارد. در نتیجه، ترانزیستور یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ است که با ولتاژ گیت $$ V _{GS}$$ تعیین می‌شود.
- ناحیه اشباع: در این ناحیه، $$ V_{GS}> V_{threshold}$$ و $$ V _{DS}> V_{GS}$$ است و ترانزیستور در ناحیه جریان ثابت خود قرار دارد و به همین دلیل، کاملاً ON است. در این حالت، جریان درین $$I_D$$ در حالت ماکزیمم قرار داشته و ترانزیستور مانند یک کلید بسته عمل می‌کند.
جمع‌بندی
ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز یا ماسفت (MOSFET)، مقاومت گیت ورودی بسیار بزرگی دارد و جریان گذرنده از کانال بین سورس و درین با ولتاژ گیت کنترل می‌شود. به دلیل امپدانس ورودی و بهره بزرگ، اگر ماسفت‌ها با دقت حفاظت نشوند، به وسیله الکتریسیته ساکن به سادگی آسیب می‌بینند.
ماسفت‌ها برای استفاده به عنوان کلیدهای الکترونیکی یا تقویت کننده‌های سورس مشترک گزینه‌های ایده‌آلی هستند؛ زیرا مصرف توان آن‌ها بسیار کم است. کاربردهای متداول ماسفت‌ها در ریزپردازنده‌ها، حافظه‌ها، گیت‌های CMOS منطقی و… به کار می‌روند.
خط منقطع در نماد ماسفت، نوع افزایشی «معمولاً OFF» را نشان می‌دهد که در هنگام صفر بودن ولتاژ گیت $$ V _ {GS}$$ جریانی از کانال عبور نمی‌کند.
خط ممتد در نماد ماسفت، نوع کاهشی «معمولاً ON» را نشان می‌دهد که جریان با ولتاژ گیت $$ V _ {GS}$$ صفر می‌تواند از آن عبور کند. برای انواع کانال p، نمادها دقیقاً مشابه هستند؛ با این تفاوت که پیکان‌ها به سمت بیرون هستند.
موارد فوق را می‌توان در جدول زیر خلاصه کرد:
| نوع ماسفت | $$ V _ {GS} = +v _e$$ | $$ V _{GS} = 0 $$ | $$ V _ {GS} = – v _ e $$ |
| کاهشی کانال N | ON | ON | OFF |
| افزایشی کانال N | ON | OFF | OFF |
| کاهشی کانال P | OFF | ON | ON |
| افزایشی کانال P | OFF | OFF | ON |
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
- آموزش الکترونیک 1
- مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی برق و الکترونیک
- آموزش حل تمرین الکترونیک 1
- تقویت کننده های الکترونیکی – مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
- انواع تقویت کننده ها از نظر نوع عملکرد تقویتی — به زبان ساده
- بایاس ترانزیستور (Transistor Biasing) — از صفر تا صد
^^
