ماسفت چیست و چه کاربردی دارد؟

FET ها دارای معایبی مانند مقاومت در برابر تخلیه بالا، امپدانس ورودی متوسط و عملکرد کندتر می باشند. برای غلبه بر این معایب، ماسفت (MOSFET) که یک FET پیشرفته می باشد، اختراع شده است.

ماسفت مخفف ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز یا ترانزیستور اثر میدان سیلیکونی اکسید فلز می باشد. همچنین IGFET به معنای ترانزیستور اثر میدان گیت عایق بندی شده نیز نامیده می شود. FET در هر دو حالت کاهشی و افزایشی عمل می کند. شکل زیر نشان می دهد که یک ماسفت چگونه به نظر می رسد:

ساختار ماسفت چگونه است؟

ساختار ماسفت کمی شبیه به FET می باشد. یک لایه اکسید که بر روی لایه ای که ترمینال گیت به آن متصل شده، قرار گرفته است. این لایه اکسید همانند عایق عمل می کند (sio₂ لایه را عایق بندی می کند) و به همین دلیل نام دیگر ماسفت IGFET می باشد. در ساختار ماسفتها، یک لایه نازک همراه با یک ناحیه ضخیم پراکنده شده است. با توجه به لایه مورد استفاده، ماسفتهای نوع P یا N نامیده می شوند. تصویر زیر ساختار ماسفتها را نشان می دهد:

ولتاژ بایاس گیت منفی، به عنوان MOSFET تخلیه عمل می کند در حالیکه ولتاژ بایاس گیت مثبت به عنوان یک MOSFET افزایشی عمل می کند.

ولتاژ موجود در گیت عملکرد ماسفت را کنترل می کند. در این حالت، به دلیل اینکه گیت از کانال عایق بندی شده است، هر دو ولتاژ مثبت و منفی می توانند بر روی آن اعمال شوند. با ولتاژ گیت بایاس منفی همانند ماسفت کاهشی و تخلیه کننده عمل می کند در حالیکه با ولتاژ بایاس گیت مثبت همانند یک ماسفت افزایشی یا تقویت کننده عمل می کند.

طبقه بندی ماسفتها

با توجه به نوع مواد مورد استفاده در ساختار ماسفتها و نوع عملکرد آنها، ماسفتها همانند تصویر زیر طبقه بندی می شوند:

ماسفتهای کانال N، NMOS نامیده می شوند و نماد آنها به صورت زیر است.

ماسفتهای کانال P، PMOS نامیده می شوند و نماد آنها به صورت زیر می باشد.

ساختار ماسفتهای N-channel

ماسفتهای N-channel معمولا پر کاربردتر هستند، به همین دلیل ابتدا این نوع را توضیح می دهیم.

با توجه به تصویر زیر نحوه عملکرد یک ماسفت N-channel را می بینید. یک لایه نوع P نازک به دو ناحیه N تقسیم می شود بطوریکه همانند منبع و تخلیه عمل می کند. بین این دو ناحیه N، یک پراکندگی رخ می دهد تا یک N-channel را شکل دهد، بطوریکه ناحیه تخلیه و منبع بهم وصل می شوند.

یک لایه نازک سیلیکون دی اکسید (SiO₂) در کل سطح قرار گرفته و سوراخ هایی برای تماس های اهمی (با مقاومتها) وجود دارد. لایه رسانای آلومینیومی در کل کانال قرار گرفته است، بطوریکه بر روی این لایه SiO2 از منبع تا تخلیه که گیت را تشکیل می دهد، وجود دارد. لایه SiO2 به ترمینالهای مشترک یا زمین متصل شده است.

ماسفت به دلیل ساختاری که دارد، مساحت چیپ کمتری نسبت به BJT دارد، به طوریکه در مقایسه با ترانزیستور اتصال دو قطبی تنها ۵% آن را شامل می شود. این ترانزیستور می تواند در هر دو حالت افزایشی و کاهش کار کند. جزئیات آن را در ادامه توضیح می دهیم:

عملکرد ماسفت تخلیه N-channel

برخلاف FET هیچ اتصال PN بین گیت و کانال در آن وجود ندارد. همچنین مشاهده می کنید که کانال N در نواحی مثبت، دی الکتریک عایق بندی شده SIO2 و لایه فلزی آلومینیوم گیت، با هم یک ظرف خازنی موازی را تشکیل می دهند.

اگر NMOS باید در حالت تخلیه کار کند، ترمینال گیت باید در پتانسیل منفی باشد در حالیکه تخلیه در پتانسیل مثبت است، شکل زیر این مساله را نشان داده است:

هنگامیکه هیچ ولتاژی بین گیت و منبع اعمال نشود، مقداری جریان از طریق ولتاژ بین منبع جریان و تخلیه جریان می یابد. زمانیکه مقداری ولتاژ منفی در V_GG اعمال می شود، سپس حامل های اقلیت همانند سوراخ ها جذب می شوند و نزدیک لایه SiO₂  قرار می گیرند. اما اکثریت حامل ها مانند الکترون ها دفع می شوند.

با مقداری پتانسیل منفی در V_GG ، مقدار مشخصی از جریان تخلیه I_D بین منبع و تخلیه جریان می یابد. هنگامیکه این پتانسیل منفی بیشتر می شود، الکترون ها دفع می شود و جریان تخلیه I_D کاهش می یابد. از آنجاییکه هر چه V_GG  اعمال شده منفی تر باشد، مقدار I_D جریان تخلیه کمتر خواهد بود.

کانال نزدیک به تخلیه نسبت به منبع مانند FET تخلیه می شود و به همین دلیل جریان کاهش می یابد. به همین دلیل به آن حالت کاهش ماسفت می گویند.

عملکرد ماسفت N-channel حالت افزایشی

اگر ما بتوانیم قطب های ولتاژ V_GG را تغییر دهیم، می توان با همان MOSFET در حالت افزایشی کار کرد. شکل زیر ماسفت با ولتاژ منبع گیت مثبت V_GG را نشان می دهد.

زمانیکه هیچ ولتاژی بین گیت و منبع فعال نشود، مقداری جریان در اثر ولتاژ بین تخلیه و منبع جریان می یابد. هنگامیکه ولتاژ مثبت در V_GG فعال می شود، حامل های اقلیت خارج می شوند و حامل های اکثریت یعنی الکترون ها به سمت لایه SiO₂ جذب می شوند.

با مقداری پتانسیل مثبت در V_GG ، مقدار مشخصی از جریان تخلیه I_D از منبع برای تخلیه جریان می یابد. هنگامیکه این پتانسیل مثبت بیشتر افزایش می یابد، جریان تخلیه به دلیل جریان الکترونها از منبع افزایش می یابد و به دلیل ولتاژ اعمال شده در V_GG بیشتر تحت فشار قرار می گیرد. به همین دلیل هر چه V_GG اعمال شده مثبت تر باشد، جریان تخلیه نیز بیشتر خواهد شد. جریان به دلیل افزایش جریان الکترون بهتر نسبت به حالت تخلیه افزایش می شود. از این رو این حالت به عنوان حالت افزایشی ماسفت نامیده می شود.

ماسفت کانال P

ساختار و عملکرد ماسفتهای P و N یکسان است. یک لایه n که در آن دو منطقه P+ به شدت پراکنده شده است. این دو منطقه P+ همانند منبع و تخلیه عمل می کند. یک لایه نازک از SiO₂ روی سطح ایجاد شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، سوراخ ها از طریق این لایه برش داده می شوند تا با بخش های P+ ارتباط برقرار کند.

عملکرد ماسفتهای P

هنگامیکه به ترمینال گیت در V_GG نسبت به ولتاژ منبع تخلیه V_DD پتانسیل منفی داده می شود، به دلیل وجود نواحی P+، جریان از کانال P منتشر می شود و ماسفت P در حالت افزایشی کار می کند.

زمانیکه به ترمینال گیت در V_GG نسبت به ولتاژ منبع تخلیه V_DD پتانسیل مثبت داده می شود، به دلیل دافعه تخلیه رخ می دهد و به همین دلیل جریان کاهش می یابد. بنابراین ماسفت P در حالت کاهشی عمل می کند. هر چند دو نوع MOSEFT از لحاظ ساختاری با هم متفاوت هستند، اما عملکرد هر دو یکسان است. بنابراین با تغییر قطب ولتاژ، هر دو نوع می توانند در هر دو حالت کار کنند.

این مساله را می توان با استفاده از منحنی مشخصه تخلیه بهتر درک کرد.

مشخصه تخلیه

طبق تصویر زیر، مشخصه تخلیه MOSEFT بین جریان تخلیه I_D و ولتاژ منبع تخلیه V_DS کشیده شده است. منحنی مشخصه زیر برای مقادیر مختلف ورودی نشان داده شده است.

در حقیقت، زمانیکه V_DS افزایش می یابد، جریان تخلیه I_D باید افزایش یابد، اما به دلیل ولتاژ فعال V_GS، جریان تخلیه در سطح مشخصی کنترل می شود. بنابراین جریان گیت، جریان تخلیه خروجی را کنترل می کند.

مشخصه انتقال

مشخصه انتقال، تغییر در مقدار V_DS را با تغییر در I_D و V_GS در هر دو حالت کاهشی و افزایشی تعریف می کند. منحنی مشخصه انتقال زیر برای نمایش روند جریان تخلیه در مقابل ولتاژ گیت به منبع ترسیم شده است.

مقایسه FET، BJT و ماسفت

در جدول مقایسه ای زیر سه مشخصه FET، BJT و ماسفت را با هم مقایسه کرده ایم.