ماسفت چیست؟ معرفی انواع ماسفت ها

ماسفت ها به دلیل تطبیق پذیری و استفاده گسترده از محبوب ترین انواع ترانزیستور هستند. در این راهنما نحوه کار این ترانزیستورها و همچنین به اشتراک گذاشتن نکات کاربردی برای استفاده از ماسفت و انتخاب مناسب ترین نوع ماسفت را توضیح خواهیم داد. همچنین انواع مختلف ترانزیستورهای ماسفت را بررسی می کنیم.

ترانزیستور ماسفت (MOSFET)، یا به عبارت دیگر ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز، یک دستگاه نیمه هادی است که به طور گسترده برای اهداف سوئیچینگ و برای تقویت سیگنال های الکترونیکی در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. ماسفت یک هسته یا حتی یک مدار مجتمع است که در طراحی و ساخت یک تراشه استفاده می شود زیرا دستگاه در اندازه های بسیار کوچک موجود است. معرفی دستگاه ماسفت تحولی در حوزه سوئیچینگ در الکترونیک ایجاد کرده است. اجازه دهید به توضیح دقیق این مفهوم بپردازیم.

ویدئوی تصویری معرفی انواع ماسفت ها

ماسفت چیست؟

mosfet چیست؟ ماسفت یک دستگاه چهار پایانه است که دارای پایانه های سورس (S)، گیت (G)، درین (D)  و بدنه (B)  است. به طور کلی، بدنه ماسفت با ترمینال سورس در ارتباط است، بنابراین یک دستگاه سه پایانه مانند ترانزیستور اثر میدانی را تشکیل می دهد. ماسفت به طور کلی به عنوان یک ترانزیستور در نظر گرفته می شود و در مدارهای آنالوگ و دیجیتال به کار می رود. این مقدمه اولیه ماسفت است. ساختار کلی این نوع ترانزیستور به شرح زیر است:

طبق ساختار ماسفت که در شکل بالا دیدیم، عملکرد ماسفت به تغییرات الکتریکی رخ داده در عرض کانال همراه با جریان حامل ها (حفره ها یا الکترون ها) بستگی دارد. حامل های شارژ از طریق ترمینال سورس وارد کانال شده و از طریق درین خارج می شوند. به طور کلی، هدف ترانزیستور ماسفت کنترل جریان ولتاژ / جریان بین سورس و درین است. اصل کار بر اساس نوع ماسفت متفاوت است.

عرض کانال توسط ولتاژ روی الکترودی که گیت نامیده می شود و بین سورس و درین قرار دارد کنترل می شود. کانال نزدیک یک لایه بسیار نازک با اکسید فلزی عایق شده است. ظرفیت MOS که در دستگاه وجود دارد، بخش مهمی است که کل عملیات در آن انجام می شود.

نحوه عملکرد ماسفت

عملکرد ماسفت به خازن MOS بستگی دارد. خازن MOS بخش اصلی ماسفت است. سطح نیمه هادی در زیر لایه اکسید بین پایانه های سورس و درین قرار دارد. با اعمال ولتاژ گیت مثبت یا منفی می توان آن را از نوع p به نوع n معکوس کرد.

هنگامی که ولتاژ گیت مثبت اعمال می کنیم، حفره های موجود در زیر لایه اکسید با نیروی دافعه و حفره ها با زیرلایه به سمت پایین رانده می شوند. ناحیه تخلیه توسط بارهای منفی محدودی که با اتم های پذیرنده مرتبط هستند پر شده است. الکترون های رسیدن به کانال تشکیل می شود. علاوه بر این، ولتاژ مثبت همچنین الکترون ها را از منبع n+  جذب می کند و نواحی تخلیه را به داخل کانال جذب می کند. حال اگر ولتاژی بین درین و سورس اعمال شود، جریان آزادانه بین سورس و درین جریان می‌یابد و ولتاژ گیت الکترون‌های کانال را کنترل می‌کند. اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم، یک کانال حفره در زیر لایه اکسید ایجاد می شود.

انواع ماسفت

• ماسفت حالت کاهشی N-Channel
• ماسفت حالت کاهشی P-Channel
• ماسفت حالت افزایشی N-Channel
• ماسفت حالت افزایشی P-Channel

ماسفت می تواند به دو صورت عمل کند:

• حالت کاهشی: ترانزیستور به ولتاژ گیت- سورس (VGS) نیاز دارد تا دستگاه را خاموش کند. ماسفت در حالت کاهشی معادل یک سوئیچ “به طور معمول بسته” است.
• حالت افزایشی: ترانزیستور برای روشن کردن دستگاه به ولتاژ گیت- سورس (VGS) نیاز دارد. ماسفت با حالت افزایشی معادل یک سوئیچ “به طور معمول باز” است.

ماسفت ها بر اساس نوع عملیات به دو نوع تقسیم می شوند، یعنی ماسفت حالت افزایشی (E-MOSFET)  و ماسفت حالت تخلیه یا کاهشی (D-MOSFET)، این ماسفت ها بیشتر بر اساس مواد مورد استفاده برای ساخت، به عنوان N-Channel و P-Channel طبقه بندی می شوند. بنابراین، به طور کلی، 4 نوع مختلف ماسفت وجود دارد.

• ماسفت حالت کاهشی N-Channel
• ماسفت حالت کاهشی P-Channel
• ماسفت حالت افزایشی N-Channel
• ماسفت حالت افزایشی P-Channel

ماسفت P-Channel

درین و سورس به شدت دوپینp+  منطقه هستند و بستر در نوع n است. جریان به دلیل جریان حفره هایی با بار مثبت که به عنوان ماسفت کانال p شناخته می شود، جریان می یابد. هنگامی که ما ولتاژ گیت منفی اعمال می کنیم، الکترون های موجود در زیر لایه اکسید نیروی دافعه را تجربه می کنند و به سمت پایین به زیرلایه رانده می شوند، منطقه تخلیه توسط بارهای مثبت محدودی که با اتم های دهنده مرتبط است پر می شود. ولتاژ گیت منفی نیز حفره هایی را از منبع P+  و ناحیه تخلیه به ناحیه کانال جذب می کند.

ماسفت N-Channel

درین و سورس از ناحیه N+  به شدت دوپ شده و بستر از نوع p است. جریان به دلیل جریان الکترون هایی با بار منفی که به عنوان ماسفت کانال n نیز شناخته می شود، جریان می یابد. هنگامی که ما ولتاژ گیت مثبت را اعمال می کنیم، حفره های موجود در زیر لایه اکسید نیروی دافعه را تجربه می کنند و سوراخ ها به سمت پایین به سمت بارهای منفی محدود که با اتم های گیرنده مرتبط هستند رانده می شوند. ولتاژ گیت مثبت همچنین الکترون ‌ها را از منبع N+  و ناحیه تخلیه به داخل کانال جذب می‌کند، بنابراین یک کانال دسترسی الکترون تشکیل می‌شود.

مناطق عملیاتی ماسفت

در کلی ترین حالت، عملکرد این دستگاه عمدتاً در سه ناحیه انجام می شود که به شرح زیر است:

ناحیه قطع: منطقه ای است که دستگاه در حالت خاموش قرار می گیرد و مقدار جریان از آن صفر می شود. در اینجا، دستگاه به عنوان یک سوئیچ اصلی عمل می کند و در مواقعی که برای کارکردن به عنوان کلید برق ضروری است به کار می رود.

ناحیه اشباع : در این ناحیه، دستگاه ها بدون در نظر گرفتن افزایش ولتاژ در درین به سورس، مقدار جریان درین به سورس خود را ثابت خواهند داشت. این فقط یک بار اتفاق می افتد که ولتاژ در ترمینال درین به سورس بیش از مقدار ولتاژ قطع شده افزایش یابد. در این سناریو، دستگاه به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند که در آن یک سطح اشباع جریان در سراسر درین به پایانه های سورس جریان می یابد. به همین دلیل، زمانی که دستگاه ها قرار است سوئیچینگ را انجام دهند، ناحیه اشباع انتخاب می شود.

ناحیه خطی- اهمی:  منطقه ای است که در آن جریان در ترمینال درین به سورس با افزایش ولتاژ در مسیر درین به سورس افزایش می یابد. هنگامی که دستگاه های ماسفت در این منطقه خطی کار می کنند، کار تقویت کننده را انجام می دهند.

کاربردهای ماسفت

همانطور که قبلا ذکر شد، ماسفت وسیله ای است که برای تعویض یا تقویت سیگنال های الکتریکی استفاده می شود. این از طریق تغییر رسانایی در رابطه با سطح ولتاژ اعمال شده به دست می آید.

ماسفت متداول‌ترین ترانزیستور در مدارهای دیجیتال است که بالقوه میلیون‌ها ترانزیستور در یک تراشه حافظه یا ریزپردازنده ادغام شده اند. ترانزیستورهای ماسفت نیز معمولاً به عنوان کلیدهای مدار کنترل شده با ولتاژ گنجانده می شوند. تصور می شود که توسعه فناوری هایی مانند ماشین حساب جیبی و ساعت مچی دیجیتال بدون ماسفت امکان پذیر نبود.

مدارهای مجتمع MOS

ماسفت محبوب ترین نوع ترانزیستور است و برای عملکرد الکتریکی تراشه های مدار مجتمع (IC) ضروری است. آن ها برای جداسازی اتصال P-N روی یک تراشه به سری مراحل مشابه ترانزیستورهای دوقطبی نیاز ندارند. با این حال، آن ها امکان جداسازی نسبتا آسانی را فراهم می کنند.

مدارهای CMOS

یک نیمه هادی اکسید فلزی مکمل، نوعی فناوری است که برای توسعه مدارهای مجتمع استفاده می شود. چنین فناوری در ساخت تراشه های مدار مجتمع (IC) مانند ریزپردازنده ها، میکروکنترلرها، تراشه های حافظه و سایر مدارهای منطقی دیجیتال استفاده می شود. همچنین یک جزء اصلی در توسعه مدارهای آنالوگ از جمله حسگرهای تصویر، مبدل های داده، مدارهای RF و فرستنده های یکپارچه برای ارتباطات دیجیتال است.

سوئیچ های آنالوگ

مزایای ماسفت ها برای یکپارچه سازی مدارهای دیجیتال بسیار بیشتر از مزایای یکپارچه سازی آنالوگ است. رفتار ترانزیستور در هر نمونه متفاوت است. مدارهای دیجیتال را می توان در اکثر مواقع به طور کامل روشن یا خاموش کرد. سطح سرعت و شارژ دو عامل اصلی هستند که بر فرآیند سوئیچینگ تأثیر دارند. در صورتی که تغییرات جزئی V می تواند جریان خروجی (درین) را تغییر دهد، باید از عملکرد در ناحیه انتقال مدار آنالوگ اطمینان حاصل شود.

ماسفت ‌ها هنوز در مدارهای آنالوگ مختلفی به دلیل مزایای مرتبط با آن یکپارچه هستند. چنین مزایایی شامل قابلیت اطمینان، جریان گیت صفر و امپدانس خروجی بالا و قابل تنظیم است. همچنین پتانسیل تغییر مشخصات و عملکرد مدارهای آنالوگ از طریق تنظیمات اندازه ماسفت وجود دارد. ماسفت ها نیز به دلیل جریان گیت (صفر) و ولتاژ آفست سورس- درین (صفر) گزینه ای ارجح برای کلیدها هستند.

الکترونیک قدرت

ماسفت ها در طیف وسیعی از الکترونیک قدرت استفاده می شوند. آن ها برای محافظت معکوس باتری، سوئیچینگ برق بین منابع جایگزین، و خاموش کردن بارهای غیر ضروری یکپارچه شده اند. از ویژگی های کلیدی ماسفت های فشرده می توان به ردپای کوچک، جریان بالا و حفاظت یکپارچه ESD اشاره کرد. توسعه فناوری MOS نیز به طور گسترده به عنوان یکی از عوامل اصلی کمک کننده در یکپارچه سازی پهنای باند شبکه در شبکه های مخابراتی در نظر گرفته می شود.

حافظه MOS

توسعه MOSFET امکان استفاده راحت از ترانزیستورهای MOS را برای ذخیره سازی سلول های حافظه فراهم کرد. فناوری MOS یکی از اجزای کلیدی DRAM (حافظه تصادفی با دسترسی پویا) است. سطوح بالاتری از عملکرد را ارائه می دهد، حداقل انرژی را مصرف می کند و در مقایسه با حافظه هسته مغناطیسی نسبتا مقرون به صرفه است.

سنسورهای ماسفت

سنسورهای ماسفت که در غیر این صورت با نام سنسورهای MOS شناخته می شوند، معمولاً در اندازه گیری پارامترهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی استفاده می شوند. آنها همچنین در سیستم های میکروالکترومکانیکی ادغام می شوند، در درجه اول به این دلیل که امکان تعامل و پردازش عناصری مانند مواد شیمیایی، نور و حرکت را فراهم می کنند. فناوری MOS همچنین دارای کاربردهای سنجش تصویر است که برای ادغام در دستگاه‌های متصل به شارژ و سنسورهای پیکسل فعال مناسب است.

فیزیک کوانتوم

ترانزیستور اثر میدان کوانتومی (QFET)  و ترانزیستور اثر میدان کوانتومی (QWFET)  هر دو نوع ماسفت هستند که از تونل کوانتومی برای افزایش سرعت عملکرد ترانزیستور استفاده می کنند. این امر با حذف ناحیه هدایت الکترون حاصل می شود که منجر به کند شدن قابل توجه حامل ها می شود. عملکرد چنین دستگاه‌ های کوانتومی به فرآیند پردازش حرارتی سریع (RTP)، با استفاده از لایه‌های بسیار ظریف مواد برای ساخت متکی است.

ماسفت به عنوان سوئیچ

در آرایش مدار زیر، یک حالت بهبود یافته و ماسفت کانال N برای تعویض لامپ نمونه با شرایط روشن و خاموش استفاده می‌شود. ولتاژ مثبت در ترمینال گیت به پایه ترانزیستور اعمال می شود و لامپ به حالت ON در می آید. در این جا VGS =+v می شود. در سطح ولتاژ صفر، دستگاه به حالت OFF تبدیل می شود که VGS=0 است.

در مدار فوق مداری بسیار ساده برای تعویض یک بار مقاومتی مانند لامپ یا LED می باشد. اما هنگام استفاده از ماسفت به عنوان سوئیچ چه با بار القایی و چه با بار خازنی، حفاظت برای دستگاه ماسفت مورد نیاز است. در مواقعی که ماسفت محافظت نشده باشد، ممکن است به دستگاه آسیب برساند. برای این که ماسفت به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ آنالوگ عمل کند، باید بین ناحیه قطع خود که در آن VGS = 0 و ناحیه اشباع که در آن VGS =+v است، سوئیچ شود.

چگونه ماسفت را به عنوان سوئیچ انتخاب کنیم؟

هنگام انتخاب ماسفت به عنوان سوئیچ باید شرایط کمی رعایت شود که به شرح زیر است:

• استفاده از قطبیت کانال P یا N
• حداکثر درجه بندی مقادیر ولتاژ و جریان کارکرد
• افزایش Rds ON به این معنی که مقاومت در ترمینال درین تا سورس، زمانی که کانال کاملا باز است افزایش یابد.
• فرکانس عملیاتی افزایش یافته

کاربرد ماسفت به عنوان سوئیچ

یکی از بارز ترین نمونه های کاربرد ماسفت به عنوان سوئیچ، استفاده از آن به عنوان کلید کنترل روشنایی خودکار در چراغ های خیابانی است. این روز ها بسیاری از چراغ هایی که در بزرگراه ها مشاهده می کنیم از لامپ های تخلیه با شدت بالا تشکیل شده است. اما استفاده از لامپ های HID باعث افزایش سطح انرژی می شود.

روشنایی را نمی توان بر اساس نیاز محدود کرد و به همین دلیل باید یک سوئیچ برای روش روشنایی جایگزین وجود داشته باشد و آن LED است. استفاده از سیستم LED بر معایب لامپ های با شدت بالا غلبه خواهد کرد. مفهوم اصلی ساخت این دستگاه کنترل مستقیم چراغ‌ ها در بزرگراه ‌ها با استفاده از یک ریز پردازنده بود.

این را می توان تنها با اصلاح پالس های ساعت به دست آورد. بر اساس ضرورت از این دستگاه برای تعویض لامپ استفاده می شود. این شامل یک برد Raspberry Pi است که در آن یک پردازنده برای مدیریت گنجانده شده است. در این جا می توان LED ها را به جای HID ها جایگزین کرد و این ها از طریق ماسفت با پردازنده ارتباط برقرار می کنند. میکروکنترلر  وظیفه مربوطه را ارائه می دهد و سپس به ماسفت سوئیچ می کند تا سطح بالایی از شدت را ارائه دهد.

تفاوت MOSFET و BJT

بنابراین، اکنون شما اصول اولیه ماسفت و اصل کار آن را درک کرده اید، چه تفاوتی بین آن نسبت به یک ترانزیستور معمولی یا BJT وجود دارد؟

در زیر تفاوت های آن را در یک جدول خلاصه می کند:

تقویت کننده ماسفت

ماسفت ‌ها را می ‌توان برای ساخت مدار های تقویت‌کننده کلاس تک مرحله ‌ای “A” استفاده کرد که تقویت ‌کننده منبع مشترک ماسفت کانال N حالت افزایشی محبوب ‌ترین مدار است. تقویت کننده های ماسفت حالت تخلیه بسیار شبیه به تقویت کننده های JFET  هستند، با این تفاوت که ماسفت امپدانس ورودی بسیار بالاتری دارد.

این امپدانس ورودی بالا توسط شبکه مقاومتی بایاس گیت که توسط دو مقاومت تشکیل شده است، کنترل می شود. هم چنین سیگنال خروجی برای تقویت کننده ماسفت سورس مشترک حالت بهبود، معکوس می شود. زیرا وقتی ولتاژ گیت کم است، ترانزیستور خاموش می شود و ولتاژ خروجی یا همان ولتاژ درین زیاد است. هنگامی که ولتاژ گیت بالا است، ترانزیستور روشن و ولتاژ خروجی است.