ماسفت چیست؟ کاربرد ترانزیستور mosfet و انواع آن 

ماسفت چیست و چگونه کار میکند ؟

یکی از متداول ترین انواع ترانزیستور FET گیت عایق بندی ایزوله که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلز  (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) یا به اختصار ماسفت MOSFET نامیده می‌شود. ماسفت یا GFET یک ترانزیستور اثر میدانی کنترل شده با ولتاژ است. این ترانزیستور به دلیل اینکه یک الکترود گیت “اکسید فلز” دارد که با لایه بسیار نازکی از مواد عایق از کانال n یا کانال p نیمه هادی اصلی عایق بندی شده، با  JFETمتفاوت است.

گیت از لحاظ الکتریکی به کمک لایه‌ نازکی از یک عایق که معمولاً اکسید سیلیکون است، از نیمه‌هادی نوع N یا P که در پیوند اصلی قرار دارند ایزوله می‌شود. این لایه عایق فوق العاده نازک را می توان به عنوان صفحه یک خازن در نظر گرفت. جدا سازی گیت کنترل باعث افزایش مقاومت ورودی MOSFET تا محدوده مگا اهم (MΩ) می شود و مقاومت ورودی تقریباً بی نهایت ایجاد می‌کند. به این دلیل که ترمینال گیت (Gate) از کانال انتقال جریان اصلی بین درین (Drain) و سورس (Source) از نظر الکتریکی جدا شده است، هیچ جریانی به گیت وارد نمی‌شود. درست مانندJFET ، ترانزیستور MOSFET نیز مانند یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ عمل میکند، جایی که جریان از طریق کانال اصلی بین درین و سورس متناسب با ولتاژ ورودی است. مقاومت ورودی بسیار بالای MOSFET میتواند به راحتی باعث تجمیع مقدار زیادی از بار استاتیک شده و در نتیجه به MOSFET صدمه وارد شود، مگر اینکه با دقت محافظت شود.

با توجه به کاربرد زیادی که ترانزیستورها و انواع آن ها در صنعت دارند، تامین قطعات مورد نیاز دستگاه‌ها و پروژه ها، زیاد انجام می‌شود. برای برطرف کردن مشکلات احتمالی ناشی از تداخل عملکرد ویژگی‌های ترانزیستور، بهتر است فهرستی از اولویت‌های پروژه تهیه کرده و از آن برای محدود کردن بخش‌های مناسب، استفاده کنید؛ به عنوان مثال در یک پروژه ممکن است نیاز باشد ترانزیستور igbt خرید؛ در حالی که در پروژه‌ای دیگر خرید ترانزیستور دارلینگتون نتیجه بهتری برای پروژه به بار خواهد آورد.

انواع ترانزیستور ماسفت

ترانزیستور MOSFET متشکل از ادواتی با سه ترمینال گیت، درین (تخلیه) و سورس (منبع) است و دارای دو نوع کانال P (PMOS) و کانال N (NMOS) می باشد. ماسفت‌های p-channel و n-channel به دو شکل اساسی، نوع پیشرفته و نوع تخلیه در دسترس هستند.

• با کانال تهی شونده (DMOSFET)
• با کانال تشکیل شونده یا بهبود یافته (EMOSFET)

در خرید ترانزیستور ماسفت توجه داشته باشید که MOSFET ها برای گذر به حالت خاموشی یا OFF نیاز به اعمال ولتاژ منفی بین گیت و سورس دارند. حالت تخلیهMOSFET  معادل یک سوئیچ در حالت معمولی بسته یا Normally Closed  است. این الکترود فوق العاده نازک گیت فلزی را می‌توان به عنوان یک صفحه خازن در نظر گرفت. جداسازی گیت کنترل، مقاومت ورودی ماسفت را در محدوده مگا اهم (MΩ) بسیار بالا می برد و در نتیجه آن را تقریباً به بینهایت می‌رساند.

از آنجا که ترمینال گیت از کانال اصلی انتقال جریان بین تخلیه و منبع جدا شده، هیچ جریانی به داخل گیت وارد نمی‌شود و مانند یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ عمل می‌کند؛ دقیقا مانند JFET که در آن جریان جاری درون کانال اصلی بین تخلیه و منبع متناسب با ولتاژ ورودی است. مقاومت ورودی بسیار زیاد ماسفت می‌تواند به راحتی مقادیر زیادی بار ساکن را جمع کرده و باعث آسیب پذیر شدن آن شود؛ مگر اینکه با دقت کار کند یا محافظت شود.

کار ماسفت چیست؟

کاربرد ماسفت در پروژه های مختلف الکتریکی و الکترونیکی که با استفاده از قطعات مختلف الکتریکی و الکترونیکی طراحی می شوند، بسیار گسترده است که در ادامه برخی از این کاربردها را معرفی می کنیم؛

• ماسفت برای سوئیچینگ و تقویت سیگنال های الکترونیکی در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود.
• به عنوان یک اینورتر استفاده می شود.
• می توان از آن در مدار دیجیتال استفاده کرد.
• ماسفت می تواند به عنوان یک تقویت کننده فرکانس بالا استفاده شود.
• می توان از آن به عنوان یک عنصر پسیو(غیرفعال) مانند مقاومت، خازن و سلف استفاده کرد.
• می توان از آن در درایو موتور DC براشلس استفاده کرد.
• می توان از آن در رله الکترونیکی DC استفاده کرد.
• در منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) استفاده می شود.
• با توجه به راندمان بالا و مصرف انرژی کم، از آنها برای سرعت سوئیچینگ برتر در آی سی های دیجیتال مانند میکروکنترلر و میکروپروسسور استفاده می شود.

چگونه مشابه ترانزیستور را پیدا کنیم؟

خیلی اوقات در بردهای الکترونیکی نیاز به قطعه الکترونیکی داریم که نمی توانیم به راحتی آن را در بازار و اینترنت پیدا کنیم؛ یا به دلیل گرانی بیش از حد و یا کمیاب بودن قطعه مورد نظر ترجیح می دهیم تا از مشابه آن استفاده کنیم. در این حالت راه حل چیست؟

یک راه این است که مشابه قطعه مورد نظر را پیدا کنیم؛ با مراجعه به سایت alltransistors.com می توانید پارت نامبر ترانزیستور مورد نظر خود را جستجو کرده و به شما قطعات مشابه آن ترانزیستور را به شما پیشنهاد خواهد کرد. در این سایت علاوه بر پیدا کردن مشابه ترانزیستور ماسفت، می توانید مشابه قطعاتی مانند SCR، IGBT و … را نیز بیابید.

تفاوت ماسفت N و P

استفاده از ولتاژ گیت مثبت (ve+) به eMOSFET از نوع n باعث جذب بیشتر الکترون ها به سمت لایه اکسید اطراف گیت می شود؛ بدین ترتیب ضخامت کانال باعث افزایش یا بهبود (از این رو نام آن) می‌شود تا جریان بیشتری جریان یابد. به همین دلیل است که به این نوع ترانزیستور دستگاهی برای حالت بهبود گفته می شود زیرا اعمال ولتاژ گیت باعث بهبود کانال می‌شود.

افزایش این ولتاژ گیت مثبت باعث می‌شود مقاومت کانال بیشتر شده و باعث افزایش جریان تخلیه، 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 برابر با یک سوئیچ “به طور معمول باز” است.

عکس این مورد برای ترانزیستور MOS تقویت کانال p صادق است. وقتی VGS = 0 دستگاه “خاموش” است و کانال باز است. استفاده از ولتاژ گیت منفی (ve-) بر روی eMOSFET از نوع p باعث افزایش هدایت کانال ها در تبدیل آن به حالت “روشن” می شود؛ سپس برای حالت تقویت کانال p MOSFET: +VGS ترانزیستور را “خاموش” می کند ، در حالی که VGS- ترانزیستور را “روشن” می‌کند.

نوع کاهشی یا تخلیه Depletion mode MOSFET (DMOSFET)

ترانزیستور ماسفت نوع تخلیه یا کاهشی، در مقایسه با نوع پیشرفته، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. رفتار این نوع ماسفت‌ها بدون اعمال ولتاژ در پایه گیت به صورت یک کلید در حالت طبیعی بسته است. به عبارتی در حالتی که ولتاژ بین گیت و سورس صفر باشد، ترانزیستور روشن است. در نوع کانال N این ترانزیستور اعمال یک ولتاژ منفی بین پایه‌های گیت و سورس ترانزیستور را از حالت روشن به حالت خاموش می‌برد و به همین ترتیب اعمال ولتاژ مثبت در نوع کانال P ترانزیستور را خاموش می‌کند.

در ترانزیستور نوع تخلیه کانال N ولتاژ مثبت بین گیت سورس به معنی تزریق الکترون بیشتر و در نتیجه آن جریان بیشتر است در حالی که ولتاژ منفی به منزله الکترون کمتر و در پی آن جریان کمتر است. خلاف این موضوع در ترانزیستور تخلیه کانال P نیز صدق می‌کند. بنابراین رفتار ترانزیستور ماسفت حالت تخلیه به صورت یه سوئیچ در حالت طبیعی بسته است.

ماسفت کانال تخلیه مشابه ترانزیستور JFET ساخته می‌شود؛ به طوری که هدایت کانال درین و سورس به وسیله الکترون و حفره‌های موجود در نیمه هادی های نوع N و نوع P صورت می‌گیرد. این ناخالصی کانال، یک مسیر هدایت با مقاومت پایین بین درین و سورس در حالت بایاس گیت صفر، ایجاد می‌کند.

حالت تخلیه MOSFET به روشی مشابه با ترانزیستورهای JFET ساخته شده است ، در حالی که کانال منبع تخلیه ذاتاً با الکترون ها و حفره هایی که در کانال نوع n یا p وجود دارند رسانا است.

نوع افزایشی، پیشرفته یا بهبود یافته Enhancement mode MOSFET (EMOSFET)

ترانزیستور ماسفت کانال افزایشی یا پیشرفته، نسبت به ترانزیستور حالت تخلیه در صنعت الکترونیک، رایج تر است. این نوع ماسفت ناخالصی کمتری در کانال هدایت دارد. با توجه به نوع نیمه هادی مورد استفاده در ساخت ترانزیستور، در این نوع ماسفت هم دو نوع کانال N و کانال P وجود دارد. در نوع کانال N جریان در درین زمانی برقرار می شود که ولتاژ گیت سورس بیشتر از مقدار ولتاژ آستانه (Threshold)  باشد. اعمال ولتاژ مثبت در پایه گیت EMOSFET الکترون‌های بیشتری پیرامون لایه اکسید تزریق کرده و باعث افزایش یا بهبود ضخامت کانال می‌شود؛ به همین دلیل است که به این نوع ترانزیستور، نوع کانال بهبود یافته می گویند و با کنترل ولتاژ گیت امکان ساخت تقویت کننده وجود دارد.

افزایش ولتاژ گیت باعث کاهش مقاومت کانال و در نتیجه افزایش جریان درین می‌شود. به عبارت دیگر، در ماسفت کانال N ولتاژ گیت سورس Vgs ترانزیستور را ON می کند؛ در حالی که ولتاژ صفر یا ولتاژ منفی Vgs ترانزیستور را خاموش می کند. بنابراین MOSFET حالت بهبود یافته معادل یک سوئیچ “به طور معمول باز” است. خلاف این قضیه برای ترانزیستور حالت بهبود یافته کانال P درست است؛ وقتی VGS = 0 دستگاه خاموش است و کانال باز است. استفاده از یک ولتاژ گیت منفی موجب هدایت کانال می شود و ترانزیستور را فعال یا ON می کند. به همین ترتیب برای حالت کانال P ولتاژ مثبت، ترانزیستور را خاموش می کند، در حالی که VGS منفی ترانزیستور را ON می کند. در تصویر زیر نواحی مختلف کاری شامل ناحیه اهمی،‌ ناحیه اشباع و ناحیه قطع ترانزیستور نمایش داده شده است.

ترانزستورهای ماسفت حالت بهبود یافته به دلیل مقاومت پایینی که در حالت روشن و مقاومت بالایی که در حالت خاموش دارند؛ همچنین مقاومت ورودی بی نهایتی که به دلیل گیت ایزوله دارند، به عنوان سوئیچ های الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نوع ماسفتها در آی سی ها برای تولید گیت‌های منطقی CMOS و مدارات سوئیچینگ توان CMOS به صورت گیت های PMOS (P-channel)  و NMOS (N-channel) استفاده می‌شوند. (خرید آی سی اورجینال)

CMOS در واقع به کوتاه شده عبارت  Complementary MOS است که از هر دو عنصر منطقی PMOS و NMOS به صورت ترکیبی در طراحی آن استفاده شده است. در چنین حالتی که ترانزیستور برای روشن شدن یا گذر به حالت ON نیاز به اعمال ولتاژ مثبت بین گیت و سورس دارد، ماسفت معادل یک سوئیچ در حالت معمولی باز یا Normally Open است.

مدار سوئیچ با ماسفت

ساختار نیمه هادی FET با اکسید فلزی بسیار متفاوت از اتصالات FEN است. هر دو نوع ماسفت تخلیه و پیشرفته از یک میدان الکتریکی تولید شده توسط ولتاژ گیت استفاده می کنند تا جریان حامل های بار، الکترون‌ها برای کانال n یا حفره های کانال P را از طریق کانال منبع تخلیه نیمه هادی تغییر دهند. الکترود گیت در بالای یک لایه عایق بسیار نازک قرار می گیرد و یک جفت نواحی کوچک از نوع n درست در زیر الکترود های تخلیه و منبع وجود دارد.

گیت ترانزیستور اثر میدانی پیوندی، باید به گونه ای بایاس شود که مانند بایاس معکوس اتصال pn باشد. با استفاده از یک قطعه ماسفت گیت ایزوله شده، چنین محدودیتی اعمال نمی‌شود، بنابراین ممکن است گیت MOSFET را در دو قطب، مثبت (ve+) یا منفی (ve-) بایاس شود. این امر باعث می‌شود که ماسفت به عنوان سوئیچ های الکترونیکی یا ساخت گیت‌های منطقی بسیار با ارزش باشد زیرا بدون هیچ گونه بایاس معمولاً رسانا نیستند و این مقاومت ورودی بالای گیت به این معنی است که جریان کنترل بسیار کم بصورت ماسفت کنترل شده با ولتاژ مورد نیاز است.

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

در چهار نماد MOSFET که در بالا نمایش شده یک ترمینال اضافی به نام Substrate وجود دارد که به طور معمول به عنوان یک ورودی و یا یک اتصال خروجی استفاده نمی‌شود، بلکه از آن به عنوان زمین بستر استفاده می شود. این ترمینال به کانال نیمه رسانای اصلی از طریق یک اتصال دیود به بدنه یا تب tab فلزی MOSFET وصل میشود. معمولا این پایه در ترانزیستورها به پایه سورس متصل می‌شود.

خط بین تو سر درین و سورس که در نماد ترانزیستور وجود دارد مسیر جریان در نیمه‌هادی است که در نوع DMOSFET به صورت ممتد و در نوع EMOSFET به صورت منقطع نمایش داده می‌شود که به نوع بیانگر حالات کلیدی ترانزیستور به دو صورت در حالت عادی بسته و در حالت عادی باز است. همچنین نماد پیکان هم بیانگر نوع N یا نوع P بودن ترانزیستور است که اگر نوک پیکان به سمت داخل باشد ترانزیستور از نوع N است و برعکس.

ساختمان MOSFET بسیار متفاوت از ساختار FET است. هر کدام از MOSFET های نوع کانال تخلیه و کانال بهبود یافته از میدان الکتریکی تولید شده در گیت برای تغییر جریان حامل (الکترون ها برای کانال N یا حفره برای کانالP)، در کانال بین درین و سورس استفاده می‌کنند. پایه گیت در بالای لایه عایق بسیار نازک قرار می گیرد و یک جفت ناحیه کوچک از نوع  Nزیر پایه‌های درین و سورس وجود دارد.

در MOSFET  میتوان گیت را در هر دو حالت مثبت و منفی بایاس کرد. این امر باعث می‌شود که از ترانزیستور به عنوان سوئیچ یا گیت های منطقی استفاده کرد؛ چرا که بدون هیچ‌گونه بایاس معمولا غیر رسانا هستند و مقاومت بالای ورودی باعث می شود به جریان خیلی کم و یا حتی بدون جریان ماسفت‌ها به سوئیچ‌های کنترل شده با ولتاژ تبدیل شوند.

تقویت کننده ماسفت

از ترانزیستور ماسفت برای ساخت مدارهای تقویت کننده کلاس A با تقویت کننده منبع مشترک ماسفت کانال N استفاده کرد. حالت تخلیه تقویت کننده‌های MOSFET شباهت زیادی به تقویت کننده های JFET دارند، با این تفاوت که MOSFET امپدانس ورودی بسیار بالاتری دارد. این امپدانس ورودی بالا به وسیله شبکه مقاومتی بایاس گیت ساخته شده توسط R1 و R2 کنترل می‌شود. همچنین، سیگنال خروجی برای تقویت کننده MOSFET منبع مشترک حالت معکوس می‌شود زیرا وقتی VG کم است ترانزیستور “خاموش” است و VD (Vout) زیاد است. وقتی VG زیاد است، ترانزیستور “روشن” می‌شود و (VD (Vout همانطور که نشان داده شده، کم است.

بایاس DC سورس مشترک Common source تقویت کننده‌های ماسفتی مشابه تقویت‌کننده‌های JFET است. مدار ماسفتی تقویت کننده در حالت کلاس A توسط دو تقسیم مقاومت R1 و R2 که در شکل زیر نمایش داده شده است بایاس می‌شود و AC ورودی به کمک یک مقاومت با مقدار نسبتا بالا به عنوان مثال Rin = 1 MΩ درایو می‌شود. ترانزیستورهای اثر میدان نیمه هادی فلزات اکسید یک عنصر فعال با سه ترمینال هستند که از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده اند که می‌توانند به عنوان یک عایق یا هادی ولتاژ سیگنال کوچک عمل کنند. با قابلیت هایی که ماسفت دارد، می تواند دو کاربرد مهم در الکترونیک شامل سوئیچینگ (در الکترونیک دیجیتال) و تقویت کننده (در الکترونیک آنالوگ) داشته باشد. از این رو با توجه به منحنی مشخصه نمایش داده شده در تصاویر بالا، سه ناحیه کاری با ترتیب زیر دارد:

ناحیه قطع (Cut region)

با اعمال ولتاژ گیت-سورس کوچکتر از مقدار ولتاژ آستانه ترانزیستور کاملا در ناحیه قطع یا خاموش خواهد بود که در این حالت جریان درین صفر بوده و صرفنظر از ولتاژ درین سورس ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ باز رفتار می‌کند.

ناحیه خطی یا اهمی (linear (ohmic) region)

اعمال ولتاژ بیشتر از مقدار آستانه در پایه گیت (Vgs > Vthreshold) و همچنین ولتاژ درین سورس از مقدار ولتاژ گیت-سورس کوچکتر باشد (Vds<Vgs) ترانزیستور در ناحیه مقاومت ثابت خود خواهد بود که عنوان یک مقاومت قابل کنترل با ولتاژ به صورتی که مقدار مقاومت به میزان ولتاژ گیت-سورس بستگی دارد.

ناحیه اشباع(Saturation region)

زمانی که ولتاژ گیت-سورس بیشتر از مقدار ولتاژ آستانه (Vgs > Vthreshold) و ولتاژ درین-سورس بیشتر از مقدار ولتاژ گیت-سورس (Vds>Vgs) باشد، ترانزیستور در ناحیه جریان ثابت یا کاملا روشن قرار میگیرد. جریان درین در حالتی که ترانزیستور به صورت یک سوئیچ بسته رفتار میکند جریان ماکزیمم در مسیر درین امکان پذیر است.

خلاصه آموزش ماسفت

ترانزیستور اثر میدانی نیمه هادی اکسید فلزی که به اختصار به آن  MOSFETمی گویند، مقاومت ورودی بسیار بالایی دارد که جریان از کانال بین منبع و تخلیه جریان می یابد و توسط ولتاژ گیت کنترل می‌شود؛ به دلیل امپدانس ورودی بالا و همچنین بهره بالا، ترانزیستور ماسفت اگر با دقت محافظت و یا بایاس نشوند، به راحتی توسط الکتریسته استاتیک آسیب می‌ببینند. MOSFET ها به دلیل اینکه مصرف برق بسیار کمی دارند، برای استفاده به عنوان سوئیچ الکترونیکی یا تقویت کننده منبع مشترک ایده آل هستند. از جمله کاربردهای ترانزیستور ماسفت می توان به نقش آن ها در ریزپردازنده ها، میکروپروسسورها، محاسبه‌گرها، حافظه ها و گیت های منطقی CMOS و غیره اشاره کرد. ماسفت‌ها جهت استفاده به عنوان سوئیچ‌های الکترونیکی یا تقویت‌کننده‌های سورس مشترک به دلیل توان مصرفی پایین ایده‌آل هستند. خطوط منقطع و ممتد در نماد مداری به دلیل ذات دو نوع ترانزیستور MOSFET است که در نوع بهبود یافته به عنوان یک کلید در حالت طبیعی باز در نظر گرفته می‌شود. در نوع کانال تخلیه به صورت یک کلید در حالت طبیعی بسته رفتار می‌کند.

با توجه به اینکه کیفیت بالا و اورجینال بودن قطعات الکترونیکی به کار رفته در پروژه ها اهمیت بسیار بالایی دارند، بهتر است خرید ترانزیستور در انواع مختلف را فقط از فروشگاه های معتبر با ضمانت انجام دهید. برای خرید و اطلاع از قیمت ماسفت کافی است عبارت “خرید ترانزیستور ماسفت از دیجی قطعه” را در موتور جستجوی خود سرچ کرده تا وارد فروشگاه اینترنتی دیجی قطعه شده و تمامی اطلاعات و مشخصات مربوط به ترانزیستور ماسفت را مشاهده کنید؛ همچنین درصورت نیاز می توانید با کارشناسان مجرب ما در دیجی قطعه در تماس بوده و در زمینه خرید ماسفت راهنمایی های لازم را از آنها کسب کنید.