ماسفت

ماسفت (MOSFET) همانند JFET عمل می‌کند اما دارای یک ترمینال گیت است که به‌طور الکتریکی از کانال رسانا جدا شده‌است.

و همچنین ترانزیستور اثر متصل به میدان (JFET) ، نوع دیگری از ترانزیستور Field Effect نیز وجود دارد که ورودی Gate از کانال اصلی جریان اصلی عایق الکتریکی است.

بنابراین ترانزیستور Effect Gate Field Effect ترانزیستور نامیده می شود.

متداول ترین نوع گیت عایق شده FET که در انواع مختلفی از مدارهای الکترونیکی استفاده می شود ، ترانزیستور اثر افقی نیمه هادی اکسید فلز یا به اختصار MOSFET نامیده می شود.

IGFET یا MOSFET یک ترانزیستور اثر میدانی کنترل شده با ولتاژ است که با JFET تفاوت دارد.

به این دلیل که دارای یک الکترود دروازه “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 به عنوان شیشه شناخته می شود.

این الکترود فوق العاده نازک گیت فلزی را می توان به عنوان یک صفحه خازن در نظر گرفت.

جداسازی دروازه کنترل‎‌،‌مقاومت ورودی‌MOSFET را در منطقه مگا اهم (MΩ) بسیار بالا می‌برد و در‌نتیجه 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 دروازه جریان نمی یابد” و دقیقاً مانند JFET ، MOSFET نیز مانند یک مقاومت کنترل شده ولتاژ عمل می کند ، جایی که جریان از کانال اصلی عبور می کند بین تخلیه و منبع متناسب با ولتاژ ورودی است.

همچنین مانند JFET ، مقاومت ورودی بسیار زیاد MOSFET می تواند به راحتی مقادیر زیادی بار ساکن را جمع کند.

در نتیجه MOSFET به راحتی آسیب ببیند مگر اینکه با دقت کار کند یا محافظت شود.

مانند آموزش قبلی:

JFET، MOSFET سه دستگاه ترمینال با Gate ، Drain و Source است .

هر دو MOSFET کانال P (PMOS) و کانال N (NMOS) در دسترس هستند.

تفاوت اصلی این بار این است که MOSFET به دو شکل اساسی در دسترس است:

• نوع تخلیه – ترانزیستور برای خاموش‌کردن دستگاه به ولتاژ Gate-Source (VGS) نیاز دارد.

حالت تخلیه MOSFET برابر با یک سوئیچ “به طور معمول بسته شده” است.

• نوع پیشرفته – ترانزیستور برای روشن کردن دستگاه به ولتاژ Gate-Source (VGS) نیاز دارد.

حالت بهبود MOSFET معادل سوئیچ “Open normal” است.

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

چهار علامت MOSFET فوق یک ترمینال اضافی به نام Substrate را نشان می دهد.

به طور معمول به عنوان ورودی یا اتصال خروجی استفاده نمی‌شود اما در عوض برای اتصال زمین به کار می‌رود.

از طریق اتصال دیود به بدنه یا زبانه فلزی MOSFET به کانال نیمه هادی اصلی متصل می شود.

معمولاً در ماسفت های نوع گسسته ، این سرب بستر از داخل به ترمینال منبع متصل می شود.

در این صورت ، مانند انواع پیشرفت ، از نماد برای روشن شدن حذف شده است.

خط در نماد MOSFET بین اتصالات تخلیه (D) و منبع (S) نشان دهنده کانال نیمه رسانای ترانزیستورها است.

اگر این خط کانال یک خط شکست ناپذیر است‌، نشان دهنده یک MOSFET نوع “تخلیه” (به طور معمول روشن) 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 MOSFET از نوع “Enhancement” (به طور معمول خاموش) نشان‌داده‌می شود زیرا جریان تخلیه صفر با پتانسیل گیت صفر جریان دارد.

جهت‌پیکان به‌سمت این خط کانال نشان می‌دهد که آیا کانال رسانا از‌نوع P یا نوع نیمه هادی نوع‌N است.

ساختار و نماد اصلی ماسفت

ساختار نیمه هادی FET با اکسید فلزی بسیار متفاوت با اتصالات FUN است.

هر دو MOSFET از نوع تخلیه و تقویت از یک میدان الکتریکی تولید شده توسط ولتاژ گیت استفاده می کنند تا جریان حامل های بار ، الکترون ها را برای کانال n یا سوراخ های کانال P را از طریق کانال منبع تخلیه نیمه هادی تغییر دهد.

الکترود دروازه 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.

در آموزش‌قبلی دیدیم که دروازه یک ترانزیستور اثر میدان اتصال‌،‌JFET باید به‌گونه‌ای بایاس باشد که بایاس معکوس اتصال pn باشد.

با استفاده از یک دستگاه GOS عایق MOSFET ، چنین محدودیتی اعمال نمی شود.

بنابراین ممکن است دروازه MOSFET را در دو قطب ، مثبت (+ ve) یا منفی (-ve) بایاس کنید.

این امر باعث می شود که دستگاه MOSFET به عنوان سوئیچ های الکترونیکی یا ساخت گیت های منطقی بسیار با ارزش باشد زیرا بدون هیچ گونه تعصبی معمولاً رسانا نیستند و این مقاومت ورودی ورودی گیت بالا به این معنی است که جریان کنترل بسیار کم یا بدون نیاز به جریان کنترل است زیرا MOSFET دستگاه های کنترل شده با ولتاژ هستند.

MOSFET های p-channel و n-channel به دو شکل اساسی ، نوع Enhancement و نوع Depletion در دسترس هستند.

حالت تخلیه ماسفت

حالت تخلیه ماسفت که معمولاً کمتر از انواع حالت بهبود است معمولاً بدون‌اعمال ولتاژ بایاس گیت “ON” (هدایت) روشن می‌شود.

این کانال وقتی VGS = 0 را هدایت می کند و آن را به دستگاهی کاملاً 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 می کند.

برای ترانزیستور MOS تخلیه کانال n ، ولتاژ منفی منبع گیت ، -VGS کانال رسانای الکترون های آزاد خود را که “خاموش” ترانزیستور را خاموش می کند (از این رو نام آن) تخلیه می کند.

به‌همین ترتیب برای ترانزیستور‌MOS تخلیه کانال‌p ولتاژ منبع گیت مثبت‌،‌+‌VGS کانال سوراخ های آزاد خود را که‌”خاموش”‌می کند تخلیه می‌کند.

به عبارت دیگر ، برای یک حالت کاهش  MOSFET: + VGS‌چند کانال 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 MOSFET معادل یک سوئیچ “به طور معمول بسته شده” است.

حالت N-Channel MOSFET 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 سوراخ 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 بایاس دروازه صفر می شود.

حالت پیشرفته ماسفت

حالت رایج تر ماسفت یا eMOSFET ، حالت معکوس نوع حالت تخلیه است.

در اینجا کانال رسانش کمی دوپ شده و یا حتی بدون جبران می شود و آن را غیر رسانا می کند.

این منجر به این می‌شود که وقتی ولتاژ بایاس گیت‌، VGS برابر صفر باشد‌، دستگاه به‌طور معمول “خاموش”‌(غیر رسانا) است.

نماد‌مدار نشان‌داده‌شده در بالا برای ترانزیستور‌MOS تقویت‌کننده از یک‌خط شکسته کانال برای نشان‌دادن یک کانال غیر رسانای‌معمول باز استفاده می‌کند.

برای ترانزیستور MOS تقویت چند کانال ، جریان تخلیه فقط هنگامی جریان می یابد که ولتاژ گیت (VGS) به ترمینال دروازه بیش از سطح ولتاژ آستانه (VTH) که در آن هدایت اتفاق می افتد ، 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 دروازه می شود و بدین ترتیب ضخامت کانال باعث افزایش یا افزایش (از این رو نام آن) می شود تا جریان بیشتری جریان یابد.

به همین دلیل‌است که به این‌نوع ترانزیستور دستگاهی برای‌بهبود حالت گفته می‌شود زیرا استفاده از ولتاژ گیت‌کانال را افزایش می‌دهد.

افزایش این ولتاژ گیت مثبت باعث می‌شود مقاومت کانال بیشتر شود و باعث افزایش‌جریان 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 معادل یک سوئیچ “به طور معمول باز” است.

عکس این مورد برای ترانزیستور MOS تقویت کانال‌p صادق است.‌وقتی VGS = 0 دستگاه “خاموش”‌است و کانال‌باز است.

استفاده از ولتاژ گیت منفی‌(-ve)‌بر روی eMOSFET از نوع p باعث افزایش هدایت کانال‌ها در تبدیل آن به حالت “روشن”‌می‌شود.

سپس برای حالت‌تقویت کانال p MOSFET: + VGS ترانزیستور را “خاموش”‌می‌کند‌، در حالی که -VGS ترانزیستور را “روشن”‌می‌کند.

حالت N-Channel MOSFET و نمادهای مدار

MOSFET های حالت پیشرفته به دلیل مقاومت کم “ON” و مقاومت بسیار خاموش “OFF” و همچنین مقاومت ورودی بی نهایت بالا به دلیل گیت جدا شده ، سوئیچ های الکترونیکی بسیار خوبی ایجاد می کنند.

MOSFET های حالت پیشرفته در مدارهای مجتمع برای تولید Logic Gates از نوع CMOS و مدارهای سوئیچینگ نیرو به شکل دروازه های PMOS (کانال P) و NMOS (کانال N) استفاده می شوند.

CMOS در واقع مخفف Complementary MOS است به این معنی که دستگاه منطقی در طراحی خود دارای‌PMOS و NMOS است.

تقویت کننده ماسفت

درست مانند ترانزیستور Junction Field Effect قبلی ، می توان از MOSFET برای ساخت مدارهای تقویت کننده کلاس A “A” با تقویت کننده منبع مشترک MOSFET کانال n استفاده کرد.

حالت تقویت‌کننده های ماسفت شباهت زیادی به تقویت کننده‌های JFET دارند‌، با این تفاوت که MOSFET امپدانس ورودی بسیار بالاتری‌دارد.

این امپدانس ورودی بالا توسط شبکه مقاومتی بایاس بایگانی ساخته شده توسط R1 و R2 کنترل می شود.

همچنین ، سیگنال خروجی برای تقویت کننده تقویت کننده MOSFET منبع مشترک حالت معکوس می شود زیرا وقتی VG کم است ترانزیستور “خاموش” است و VD (Vout) زیاد است.

وقتی VG زیاد است ترانزیستور “روشن” می شود و VD (Vout) همانطور که نشان داده شده کم است.

تقویت کننده ماسفت‌های چندکانال در حالت پیشرفته

بایاس DC این مدار تقویت کننده منبع مشترک (CS) MOSFET در واقع با آمپلی فایر JFET یکسان است.

مدار ماسفت در حالت کلاس A توسط شبکه تقسیم ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومتهای R1 و R2 مغرض می شود.

مقاومت ورودی AC به صورت RIN = RG = 1MΩ داده می شود.

ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز سه دستگاه فعال ترمینال 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:

1. 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 از مقدار VDS.
2. منطقه خطی (اهم) – با VGS> Vthreshold و VDS <VGS ترانزیستور در ناحیه مقاومت ثابت خود به عنوان یک مقاومت تحت کنترل ولتاژ رفتار می کند که مقدار مقاومت آن توسط ولتاژ گیت ، سطح VGS تعیین می شود.
3. منطقه اشباع – با VGS> Vthreshold و VDS> VGS ترانزیستور در منطقه فعلی ثابت است و بنابراین “کاملاً روشن”‌است.

Drain ID ID = حداکثر با ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند.

خلاصه آموزش MOSFET

ترانزیستور اثر افقی نیمه هادی اکسید فلز، یا به اختصار ماسفت ، دارای مقاومت در برابر ورودی بسیار بالایی است که جریان از کانال بین منبع و تخلیه جریان می یابد و توسط ولتاژ گیت کنترل می شود.

به دلیل این امپدانس ورودی و افزایش زیاد ، اگر به دقت محافظت نشود یا با آن برخورد نشود ، می توان به راحتی توسط الکتریسیته ساکن آسیب دید.

ماسفت برای استفاده به‌عنوان سوئیچ الکترونیکی یا تقویت کننده منبع مشترک ایده‌آل است زیرا مصرف برق آنها بسیار کم است.

کاربردهای معمول برای ترانزیستورهای اثر نیمه هادی اکسید‌فلز در ریزپردازنده‌ها‌، حافظه‌ها‌، ماشین حساب ها و‌Logic CMOS Gates 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 می دهد 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 کاهش “ON” است که نشان می دهد جریان “CAN” از کانال با ولتاژ گیت صفر عبور می کند.

برای انواع کانال p نمادها برای هر دو‌نوع کاملاً یکسان هستند با این تفاوت که فلش به سمت بیرون است.

این را می توان در جدول سوئیچینگ زیر خلاصه کرد.

MOSFET type	VGS = +ve	VGS = 0	VGS = -ve
N-Channel Depletion	ON	ON	OFF
N-Channel Enhancement	ON	OFF	OFF
P-Channel Depletion	OFF	ON	ON
P-Channel Enhancement	OFF	OFF	ON

بنابراین برای نوع تقویت‌کننده نوع n MOSFET‌،‌ولتاژ گیت مثبت ترانزیستور را‌”روشن” می‌کند و با ولتاژ گیت صفر ، ترانزیستور‌”خاموش” است.

برای نوع تقویت کننده کانال P از نوع ماسفت ، ولتاژ گیت منفی “ON” ترانزیستور را روشن کرده و با ولتاژ گیت صفر ، ترانزیستور “خاموش” خواهد بود.

نقطه ولتاژی که ماسفت در آن جریان را از طریق کانال شروع می‌کند توسط ولتاژ آستانه VTH دستگاه تعیین می‌شود.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورهای Field Effect به جای استفاده از ترانزیستور به عنوان یک دستگاه 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 افکت در بسیاری از برنامه ها برای روشن کردن جریان مستقیم “روشن” یا “خاموش” مانند LED که فقط به چند میلی آمپر در ولتاژ DC کم یا موتورهایی که به ولتاژ بالاتر نیاز به جریان بالاتر دارند ، استفاده می شود.