ترانزیستور ماسفت چیست؟

ماسفت چیست؟ بسیاری از مدار های الکترونیکی بر پایه ی ترانزیستور طراحی می گردد و اغلب اوقات در برد مدار چاپی ترانزیستور ماسفت دیده می شود. این قطعه ای مهم در 90 درصد مدارات مجتمع حضور دارد. این نوع ترانزیستور در دهه 1970 میلادی، دنیای الکترونیک را تسخیر کرد و برگرفته از حرف اول عبارت Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor است. روش راه اندازی ماسفت دارای مزایا و معایبی مانند اشغال کردن فضای کم، ضعیف بودن در برابر اغتعاش در فرکانس های پایین و… می باشد.

تاریخچه ساخت ترانزیستور ماسفت

ماسفت برای اولین بار در سال 1925 میلادی ساخته شد. اما نبود تکنولوژی برای ساخت انبوه آن باعث کنار گذاشته شدن آن و پیشرفت رقبایش شد. پس از حدود 50 سال و در دهه ی 1970 میلادی، با پیشرفت تکنولوژی، ماسفت بار دیگر به عرصه ی الکترونیک بازگشت و توانست دنیای الکترونیک را به تسخیر خودش درآورد. تا جایی که امروزه حدود 90 درصد مدارات مجتمع تماما با استفاده از ماسفت ها ساخته می شوند.

معنا و ساختمان ماسفت

mosfet چیست و از نام آن از چه چیزی برگرفته شده است؟ MOSFET برگرفته از حرف اول عبارت Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor است. این عبارت به این معناست که ماسفت یک ترانزیستور از نوع اثر میدان با ساختار نیمه هادی فلز-اکسید می باشد. دیدن یک طرحواره از ساختمان MOS موجب می شود بهتر بتوانید معنا و مفهوم این عبارت را درک کنید.

همان طور که مشاهده می کنید روی یک زیرلایه از نوع p (یعنی ناحیه ای که چگالی حفره ها از الکترون ها بیشتر است) دو ناحیه از نوع n⁺ وجود دارد. می دانید در ناحیه n تجمع الکترون ها از حفره ها بیشتر است. همچنین معنای + این است که دوپینگ این ناحیه بیشتر از حالت عادی می باشد. یعنی چگالی الکترون های آزاد به شدت بیشتر از حفره ها است.

به این دو قسمت دو فلز وصل شده که پایه های درین و سورس ماسفت را تشکیل می دهند. بین این دو ناحیه یک لایه اکسید سیلیکن روی ناحیه p و روی این اکسید یک لایه فلز قرار می گیرد که پایه گیت ماسفت به این فلز متصل می باشد. پس منظور از Semiconductor این است که ترانزیستور ماسفت از جنس نمیه هادی و منظور از Metal-Oxide همتن لایه اکسید – فلز می باشد.

انواع ترانزیستور ماسفت

ماسفت ها در دو نوع تهی و افزایشی (یا ارتقایی) ساخته می شوند که ما در اینجا فقط نوع افزایشی را بررسی می کنیم. هر دو نوع ماسفت تهی و افزایشی به دو نوع nmos و pmos تقسیم می شوند. شکل بالا ساختمان ماسفت nmos افزایشی می باشد. چون نواحی درین و سورس و کانالی که بین این دو وجود دارد، از نوع n ساخته شده است. در نوع pmos زیرلایه از نوع n و درین و سورس از نوع p می باشد. علامت مداری nmos و pmos به صورت زیر است.

راه اندازی ماسفت

اکنون ببینید چطور یک ماسفت روشن شده و جریان در درین آن جاری می شود. ابتدا در مورد ماسفت نوع n (nmos) بحث می کنید. در مرحله ی اول باید ماسفت بایاس شود. یعنی یک ولتاژ مثبت بین گیت و سورس ایجاد کنید. شرط لازم برای روشن شدن ماسفت افزایش V_GS از مقدار V_TH است. VTH یک ولتاژ ثابت است که برای هر ترانزیستور، در دیتاشیت ثبت می شود.

تا زمانی که V_GS<V_TH باشد هرگز جریانی از درین عبور نمی کند و ماسفت خاموش است. وقتی V_GS>V_TH باشد، با افزایش ولتاژ بین درین و سورس(V_DS) جریان درین افزایش می یابد. لحظه ای که V_GD (ولتاژ بین گیت و درین ماسفت) از V_TH کمتر شود، ماسفت به حالت اشباع می رود. در این حالت، افزایش V_DS تاثیر چندانی بر افزایش I_D (جریان درین) ندارد. ناحیه بین خاموش و اشباع را که نمودار جریان درین بر حسب ولتاژ درین-سورس تقریبا خطی است، ناحیه ترایود می نامند. در نمودار زیر این مفاهیم بهتر قابل درک است.

همان طور که می بینید هر چقدر بایاس بزرگتر باشد (V_GS بیشتر)، نمودار I_D بر حسب V_DS بالاتر می رود. در هر V_GS دلخواه، افزایش مقدار V_DS از یک مقدار معین موجب افزایش جریان درین نخواهد شد. پس در این شرایط اگر بخواهید جریان درین باز هم افزایش یابد، باید V_GS نیز افزایش پیدا کند.

برای ماسفت از نوع pmos، مقدار V_TH منفی است و برای راه اندازی باید V_GS کوچکتر از V_TH باشد. در این شرایط اگر ولتاژ V_GD از V_TH کوچکتر باشد، ماسفت در ناحیه ترایود و اگر بزرگتر باشد، ماسفت در ناحیه اشباع قرار می گیرد. نتیجتا V_GD = V_TH مرز میان ناحیه اشباع و ترایود می باشد.

مزایا و معایب انواع ترانزیستور ماسفت

اکنون باید به این پرسش پاسخ دهید که ماسفت چه مزایایی داشت که توانست دنیای الکترونیک را تسخیر کند. یکی از مزیت های ماسفت فضای کمی است که روی چیپ یا همان مدار مجتمع (IC) اشغال می کند و همین امر هم کاربرد ماسفت در مدار مجتمع را بسیار گسترده کرده است.

یکی دیگر از مزایای مهم ماسفت این است که می توان مدارهای مجتمع VLSI را تماما با ماسفت پیاده سازی نمود. چون می توان تمام المان های الکتریکی از قبیل مقاومت بار و خازن را با ماسفت در مدار مجتمع اجرا کرد. ماسفت ها نسبت به بقیه ی انواع ترانزیستور توان کمتری مصرف می کنند. همچنین مقاومت ورودی ماسفت ها بی رقیب است و حتی به مقادیر 10⁵ گیگا اهم می رسد.

در مقابل مزایای مهم ذکر شده، ماسفت ها معایبی هم دارند. وجود ظرفیت های خازنی بین گیت و سورس، گیت و درین ، درین و سورس و همچنین خازن مربوط به پایه، باعث کند شدن ماسفت ها در برابر BJT (ترانزیستور پیوند دوقطبی) می شود و پاسخ فرکانسی ماسفت را محدود می کند. یکی دیگر از معایب ماسفت، ضعیف بودن در برابر اغتشاش در فرکانس های پایین می باشد که باعث می شود استفاده از ماسفت در امپلیفایرها (تقویت کننده ها) محدود باشد.

به دست آوردن سلامت ماسفت از طریق تست

در پایان نحوه ی تست سلامت ماسفت را با استفاده از مولتی متر بررسی می کنیم. از آنجا که ماسفت ها نسبت به بار الکتریکی ساکن بسیار حساس هستند، باید دقت کنید که از تماس ماسفت با فرش، موکت، پتو و اجسامی از این قبیل جلوگیری شود. بهتر است روی یک میز چوبی تست را انجام داده و همچنین از تماس دست با ماسفت خودداری کنید. به کمک قسمت فلزی پروب مولتی متر یا یک پیچ گوشتی، همه ی پایه های ماسفت را به هم وصل کرده تا در صورتی که بار الکتریکی روی آن قرار دارد، تخلیه شود. همچنین برای سرعت بیشتر در تست، با استفاده از دیتاشیت قطعه، پایه های آن را مشخص نموده و روی یک کاغذ می نویسید.

در ابتدا به تست nmos می پردازیم. طبق مراحل زیر سلامت یک ماسفت بررسی می شود:

1. مولتی متر را در حالت تست دیودی (بیزر) قرار می دهیم.
2. پروب مشکی رو به گیت و پروب قرمز را به سورس متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.
3. پروب مشکی رو به سورس و پروب قرمز را به درین متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.
4. پروب مشکی رو به سورس و پروب قرمز را به گیت متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.
5. پروب مشکی رو به درین و پروب قرمز را به سورس متصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 250 تا 650 نشان دهد.

سلامت یک pmos هم به روش زیر قابل بررسی می باشد:

1. پروب مشکی رو به گیت و پروب قرمز را به سورس متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.
2. پروب مشکی رو به سورس و پروب قرمز را به درین متصل می کنیم. مولتی متر باید عددی بین 250 تا 650 نشان دهد.
3. پروب مشکی رو به سورس و پروب قرمز را به گیت متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.
4. پروب مشکی رو به درین و پروب قرمز را به سورس متصل می کنیم. مولتی متر نباید بوق بزند.

کلام آخر

ماسفت چیست؟ ماسفت ها مزایای بسیار مهمی دارند که باعث شده در بیش از 90% IC ها و مدارات الکترونیکی به بقیه انواع ترانزیستور ترجیح داده شوند. این قطعات به دلیل لایه ی اکسید-فلز که در گیت دارند، از مقاومت ورودی بسیار زیادی بهره می برند. همچنین تمام المان های یک مدار الکترونیکی از قبیل خازن و مقاومت با استفاده از ماسفت در مدار مجتمع قابل ساخت است.

سلامت یک ماسفت به سادگی در 4 مرحله با استفاده از یک مولتی متر قابل بررسی است. ماسفت ها بسیار نسبت به الکتریسیته ساکن حساس بوده و حین کار با ماسفت باید از میز فلزی که به زمین مدار متصل شده استفاده کرد. مرصا الکترونیک