ماسفت (MOSFET) چیست؟ تعریف، نماد و عملکرد و کاربردهای آن

در مقاله امروز قصد داریم به ترانزیستورهای مهم و عملیاتی MOSFET بپردایم. راجع به تعریف MOSFET، نماد، نحوه عملکرد و کاربردهای ماسفت با جزئیات صحبت خواهیم داد.

ماسفت ها در بسیاری از کاربردهای الکترونیکی استفاده می شوند. ماسفت ها در تراشه‌های حافظه کوچک یا ریزپردازنده‌هایی که به طور گسترده در تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ استفاده می‌شوند، کاربرد دارند. این یک قطعه الکترونیکی کنترل شده با ولتاژ است که برای اهداف تقویت و سوئیچینگ استفاده می شود. 

ماسفت (MOSFET) چیست؟

ماسفت نوع پیشرفته ای از FET است که با اکسیداسیون کنترل شده نیمه هادی ها تولید می شود و دارای 4 ترمینال به نام های:

درین (D)

گیت (G)

سورس(S)

بدنه (B)

است بطوریکه، پایه گیت (G) عملاً از کل مجموعه توسط یک لایه نازک از اکسید سیلیکون (SiO2) عایق شده است.

پایه بدنه (B) به صورت داخلی به ترمینال سورس (S) متصل است و بنابراین پکیج ماسفت از 3 پایه تشکیل شده است.

شکل زیر شکل فیزیکی، ساختار و نماد ماسفت را نشان می دهد: (در ادامه به تفصیل در مورد آنها صحبت خواهیم کرد)


MOSFET مخفف "Metal-oxide Semiconductor Field Effect Transistor" است.

نماد ماسفت MOSFET

اگرچه ماسفت دارای 4 پایه است، اما همانطور که قبلاً اشاره کردم، ترمینال 4 به صورت داخلی به ترمینال سورس متصل است و بنابراین بسته از 3 پین تشکیل شده است.

نمادهای ماسفت در شکل زیر نشان داده شده است:

what is mosfet, mosfet symbol, mosfet full form, mosfet definition, mosfet transistor, mosfet, mosfet full form


چرا MOSFET برای ما با اهمیت است؟

برخلاف BJT، ماسفت تقریباً به جریان ورودی نیاز ندارد و جریان زیاد را در خروجی کنترل می کند.

ماسفت ها سریعتر از FET ها کار می کنند، بنابراین در کاربرد های سوئیچینگ با فرکانس بالاتر استفاده می شود.

FET مقاومت درین بالایی دارد، در حالی که در MOSFET بسیار کم است.

تاریخچه MOSFET

ماسفت به عنوان پایه و اساس الکترونیک مدرن در سال 1959 زمانی که در آزمایشگاه بل توسط محمد عطلا و داون کهنگ اختراع شد، پایه گذاری شد.

ماسفت در دهه 1960 با چند تغییر در نسخه اصلی به دنیای الکترونیک عرضه شد.

در دهه 1960، اختراع ماسفت ها منجر به رشد نمایی دنیای نیمه هادی ها شد و استفاده از نیمه هادی ها را در مدارهای مجتمع و واحدهای میکروکنترلر امکان پذیر کرد.

ماسفت از نظر سایز فشرده و از نظر استفاده آسان است، به همین دلیل است که همیشه در مدارهای مجتمع استفاده می شود.

انقلاب ماسفت

تکامل و توسعه MOSFET منجر به انقلابی در الکترونیک شد که به عنوان انقلاب MOS یا انقلاب MOSFET شناخته می شود.

تولد ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز به عنوان تولد الکترونیک مدرن تلقی و گرامی داشته شد.

ماسفت یکی از پرتولیدترین فناوری های این عصر است. آیا می توانید تعداد ماسفت های تولید شده تا به امروز را تصور کنید؟ تا کنون، تعداد 15e23 است.

ساختار ماسفت

بیایید ساختار ماسفت نوع N را با هم بررسی کنیم: در ماسفت نوع N، دو ناحیه N بسیار دوپینگ شده در یک بستر P با دوپینگ کم دیفیوژ (آمیخته یا ذوب) می‌شوند.

لایه سیلیکون اکسید (SiO2) روی ترمینال گیت برای ایجاد عایق قرار می گیرد.

پروب های آلومینیومی برای اتصال پایانه ها مانند گیت، درین و سورس به مناطق مربوطه استفاده می شود.

لایه اکسید سیلیکون (SiO2) تفاوت اصلی بین FET و MOSFET است و بنابراین ماسفت گاهی اوقات به عنوان فت با گیت ایزوله شده یا ترانزیستورهای اثر میدانی با گیت ایزوله شدهIGFET   شناخته می شود.

به دلیل این لایه اکسید، ماسفت به عنوان یک آی سی کنترل شده با ولتاژ عمل می کند، یعنی ولتاژ در ترمینال گیت تعیین کننده میزان هدایت بین درین و سورس است.

مسیر هدایت بین ورس (S) و درین (D) ، کانال نامیده می شود و عرض آن توسط ولتاژ گیت (G) در ماسفت کنترل می شود.

ماسفت یک قطعه تک قطبی است، یعنی هدایت جریان با حرکت الکترون ها یا حفره ها (حامل اکثریت بار) انجام می شود.

ساختار داخلی ماسفت N-Channel در شکل زیر نشان داده شده است:

انواع ماسفت

ماسفت ها به دو نوع تقسیم می شوند. انواع ماسفت به شرح زیر است:

ماسفت کانال N.

ماسفت کانال P.

بیایید این انواع ماسفت را یکی یکی بررسی کنیم:

ماسفت کانال N (N-Channel)

در ماسفت N-Channel، یک لایه P تکی بین دو لایه N قرار دارد و مسیر جریان به دلیل الکترون های دارای بار منفی (که به عنوان حامل های بار اکثریت نامیده می شوند) وجود دارد.

شکل زیر نماد، ساختار و بلوک دیاگرام MOSFET کانال N را نشان می دهد:

ماسفت کانال P (P-Channel)

در ماسفت P-Channel، یک لایه N بین دو لایه P و جریان جریان به دلیل حفره های دارای بار مثبت (به عنوان حامل‌های اکثریت بار) وجود دارد.

شکل زیر نماد، ساختار و بلوک دیاگرام ماسفت کانال P را نشان می دهد:

اصول عملکرد ماسفت

برای درک اصل کار ماسفت، ابتدا باید حالت های عملیاتی آن را بررسی کنیم. بسته به قطبیت ولتاژ گیت، ماسفت در دو حالت به نام های زیر کار می کند:

حالت افزایشی (Enhancement).

حالت تخلیه (Depletion).

بیایید یک ماسفت نوع N را مثال بزنیم:

اگر یک ولتاژ مثبت به پایه گیت ماسفت نوع N اعمال شود، با ایجاد یک پل بین درین و سورس شروع به هدایت می کند و ترانزیستور در مد افزایشی نامیده می شود.

هنگامی که یک ولتاژ مثبت در ترمینال گیت اعمال می شود، سطح زیر لایه اکسید شروع به جذب الکترونیک می کند در حالی که حفره ها ها را دفع می کند. از این رو، الکترون ها در زیر لایه اکسید سیلیکون انباشته می شوند.

با افزایش ولتاژ در پایه گیت، الکترون های بیشتری جذب می شوند و در نتیجه رسانایی در ماسفت نوع N افزایش می یابد.

اگر ولتاژ را در پایه گیت معکوس کنیم، ماسفت نوع N الکترون ها را دفع می کند و حفره ها را جذب می کند، بنابراین اتصال بین Drain و Source قطع می شود و ماسفت در حالت Depletion  تخلیه قرار می گیرد.

هر دو حالت عملیاتی ماسفت نوع N در شکل زیر نشان داده شده است:

مشخصه ماسفت

در آرایش ماسفت تقویتی، باید حداقل ولتاژ ورودی وجود داشته باشد که قبل از شروع هدایت به گیت اعمال شود، این حداقل ولتاژ را ولتاژ آستانه می نامند.

برای انجام این تقویت، ولتاژ سورس گیت Vgs باید بیشتر از ولتاژ آستانه باشد.

جریان درین Id با افزایش بایاس مستقیم ماسفت افزایش می یابد و آنها را برای مدارهای تقویت کننده مناسب می کند.

هنگامی که ما یک ولتاژ ثابت بین درین و سورس Vds اعمال می کنیم، می توانیم مقادیر جریان درین Id را بر حسب مقادیر مختلف ولتاژ در گیت و سورس Vgs رسم کنیم.

این مشخصه VI میزان هدایت ماسفت را نشان می دهد. این هدایت انتقالی نسبت بین جریان درین خروجی به ولتاژ ورودی گیت سورس است.

برای مقدار ثابت Vds، شیب هدایت عبوری را می توان به صورت زیر پیدا کرد

gm= Id/Vds

این ضریب به عنوان هدایت انتقالی نامیده می شود. واحد آن موهو (رسانایی) یا SI زیمنس است که آمپر بر ولت است.

بهره ولتاژ این ماسفت با افزایش هدایت و مقدار مقاومت ناحیه تخلیه افزایش می یابد.

در Vgs=0، ماسفت تقویت‌کننده  نوع N مانند یک سوئیچ باز یا معمولاً خاموش عمل می‌کند، زیرا اثر میدانی نمی‌تواند کانال N- را در اطراف گیت باز کند. بنابراین ترانزیستور در این نقطه تحت ناحیه "قطع" قرار می گیرد. وضعیت OFF ماسفت با خط نقطه چین نشان داده می شود، بر خلاف ناحیه تخلیه که یک خط پیوسته را نشان می دهد و ناحیه هدایت ترانزیستور را نشان می دهد.

همانطور که ولتاژ گیت سورس Vgs را به پایه گیت اعمال می کنیم، کانال در ناحیه بین سورس و درین شروع به هدایت می کند.

ولتاژی که در آن ترانزیستورها شروع به هدایت می کنند به عنوان ولتاژ آستانه شناخته می شود و با Vth نشان داده می شود.

همانطور که ما ولتاژ سورس گیت را افزایش می دهیم، به کانال رسانا اجازه می دهد تا عریض تر شود و در نهایت Id جریان درین را افزایش می دهد.

توجه به این نکته مهم است که گیت هرگز رسانا نمی شود زیرا عملاً از کانال رسانا بین سورس و درین جدا می شود. ماسفت امپدانس بالایی دارد که در بسیاری از مدارهای تقویت کننده الکتریکی مفید است.

اگر ولتاژ آستانه بزرگتر از ولتاژ سورس گیت باشد، کانال هدایت نمی کند، تنها زمانی هدایت می کند که ولتاژ آستانه کمتر از ولتاژ سورس گیت Vgs باشد.

در ناحیه هدایت یا اشباع جریان درین را می توان به صورت محاسبه کرد

Id = K(Vgs-Vth)²

توجه به این نکته مهم است که مقادیر ولتاژ آستانه Vth و K (پارامتر هدایت) برای ماسفت های مختلف متفاوت است، این مقادیر از نظر فیزیکی تغییر نمی کنند زیرا به طور پیش فرض در ترکیب ماده ای که ترانزیستورها از آن ساخته شده اند می آیند.

از شکل بالا مشخص است که نمودار سمت راست به صورت سهمی شروع می شود و سپس خطی می شود و شیب منحنی مشخصه را نشان می دهد که با افزایش جریان درین برای مقدار ثابت ولتاژ سورس درین Vds افزایش می یابد. .

برای قرار دادن ماسفت در حالت ON، گیت ترانزیستور باید از سطح آستانه داده شده بایاس شود.

بایاس پایه گیت را می توان با استفاده از دو روش مختلف به دست آورد، یعنی بایاس دیود زنر و بایاس فیدبک درین. قبل از بایاس، باید یک نکته را در نظر بگیرید که ولتاژ گیت باید بیشتر از سورس باشد و مقداری بیشتر از ولتاژ آستانه باشد.

ماسفت به عنوان سوییچ

این اساسی ترین و شناخته شده ترین کاربرد ماسفت است.

شکل مدار زیر را در نظر بگیرید، یک MOSFET کانال N در مد افزایشی برای راه اندازی لامپ استفاده می شود.

هنگامی که ولتاژ مثبت VGS به گیت ماسفت اعمال می شود، یک کانال ایجاد می شود و لامپ روشن می شود.

به طور مشابه، هنگامی که ولتاژ گیت صفر است، لامپ خاموش می شود.

ماسفت تنها زمانی می تواند به عنوان یک مدار سوئیچینگ آنالوگ کار کند که در ناحیه قطع یعنی زمانی که ولتاژ سورس گیت صفر است تا ناحیه اشباع شده یعنی زمانیکه VGS اشباع می شود کار کند، می توانید با مطالعه منحنی مشخصه ها، فرآیند کامل را بررسی کنید. 

مدار بالا دارای مقدار بار مقاومتی کوچکی دارد است، اگر می خواهید ماسفت خود را از بارگذاری بیش از حد محافظت کنید، باید آن را به یک رله یا دیود وصل کنید. اگر محافظت کافی از ماسفت خود نداشته باشید، در نهایت به آن آسیب خواهید رساند.

مقایسه ماسفت با دیگر ترانزیستورها

ماسفت عملاً برای بهبود عملکرد ترانزیستورهای پیوند اثر میدانی طراحی شده است، زیرا آنها دارای مقاومت تخلیه بسیار بالا، سرعت سوییچینگ بسیار پایین و همچنین نویزپذیری پایین است. ما در مقالات دیگر درباره ترانزیستورها پیوند دوقطبی و ترانزیستور اثر میدانی بحث و بررسی کرده ایم، بنابراین اجازه دهید در اینجا هر سه نوع ترانزیستور JFET، BJT و MOSFET را با هم مقایسه کنیم تا مفاهیم را خلاصه کنیم. 

تفاوت ماسفت و BJT

تفاوت عمده بین BJT و MOSFET این است که BJT یک قطعه دوقطبی است که در آن هدایت با حرکت الکترون ها و حفره ها انجام می شود در حالی که MOSFET یک قطعه تک قطبی است که در آن هدایت با حرکت الکترون ها یا حفره ها انجام می شود.

سه پایه در BJT به نام کلکتور، بیس، امیتر مشابه سه پایه ماسفت هستند که به ترتیب درین، گیت و درین نامیده می شوند.

زمینه دیگری که ماسفت با BJT متفاوت است این است که هیچ ارتباط مستقیمی بین گیت و کانال هدایت سورس و درین وجود ندارد، بر خلاف BJT که جریان کمی در سمت بیس برای کنترل جریان بزرگ در سمت امیتر و کلکتور لازم است. به همین دلیل است که ماسفت را IGFET (ترانزیستور اثر میدانی گیت عایق) می‌نامند.

BJT یک قطعه کنترل شنده با جریان است در حالی که MOSFET یک قطعه کنترل شونده با ولتاژ است، برای درک بهتر این موضوع می توانید این مقاله را دوباره  بخوانید تا بدانید ماسفت چگونه یک تجهیز کنترل شونده با ولتاژ است.

ماسفت ترجیحاً در مدارهای آنالوگ و موتورهای BLDC استفاده می شود، اما ترانزیستورهای پیوند دوقطبی اولین انتخاب در این زمینه نیستند.

ما عمدتاً از BJT برای انجام کاربردهای جریان کم در خطوط موازی استفاده می کنیم در حالیکه ماسفت در کاربردهای توان بالا به کار می رود.

ماسفت در مقایسه با JFET

هر دو MOSFET و JFET متعلق به یک خانواده از ترانزیستورهای اثر میدان هستند.

ماسفت دارای چهار پایه است در حالی که JFET دارای سه پایه است، سه پایه یعنی سورس گیت و درین یکسان هستند در حالی که تنها جزء متفاوت آن ها بدنه ماسفت است.

ماسفت امپدانس ورودی بالاتری نسبت به JFET دارد.

ماسفت به دلیل کانال هدایتش که از قبل ایجاد شده است، مقاومت درین بالاتری نسبت به JFET دارد.

ماسفت نویز کمتری نسبت به JFET ایجاد می کند

JFET به دلیل عدم وجود لایه اکسید فلزی که در ماسفت وجود دارد، هزینه کمتری دارد و تولید آن آسان است.

ماسفت به دلیل ظرفیت ورودی کم می تواند به راحتی آسیب ببیند، در حالی که ظرفیت ورودی بالاتر، JFET را از آسیب فوری نجات می دهد.

JFET جریان گیت بالاتری نسبت به ماسفت دارد.

ماسفت می تواند در دو مد، مد تخلیه و همچنین مد افزایشی کار کند، از سوی دیگر، JFET فقط در مد تخلیه کار می کند.

ماسفت در برابر IGBT

IGBT ترانزیستور دوقطبی گیت عایق شده است در حالی که ماسفت ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی است.

IGBT ترکیبی از ترانزیستور اتصال دوقطبی با ماسفت است، در عین حال، ماسفت ترانزیستور واقعی است.

ماسفت ها نسبت به تخلیه های الکترواستاتیکی تحمل بالایی ندارند، در حالی که یک IGBT از این نظر بسیار پایدار است.

IGBT نسبت به بارگذاری بیش از حد متحمل است در حالی که ماسفت به دلیل بارگذاری بیش از حد مستعد آسیب است.

IGBT در کاربردهای توان بالا استفاده می شود، در خطوط موازی، ماسفت ظرفیت نسبتاً کمتری برای مقابله با چنین کاربردهای عملیاتی با توان بالا مانند IGBT دارد.

کاربردهای ماسفت

ماسفت بیشتر به عنوان کلید اتوماتیک الکترونیکی در مدارهای آنالوگ و دیجیتال استفاده می شود.

این به طور گسترده در کاربرد هایی استفاده می شود که در آن گین بالا مورد نیاز است.