در اطراف همه ما تجهیزات الکترونیکی مختلفی وجود دارند که به طور روزمره از آن‌ها استفاده می‌کنیم، اما بدون ترانزیستور MOSFET اغلب دستگاه‌های الکترونیکی مورد بحث شامل گوشی هوشمند، کامپیوتر شخصی، تلوزیون هوشمند، دوربین عکاسی دیجیتال و ... در دسترس ما قرار نداشتند. اگر می‌خواهید بدانید ترانزیستور ماسفت چیست و چگونه کار میکند در این مقاله با ما همراه باشید.
زمانی که برای اولین مرتبه با ماسفت آشنا شدم، گمان می‌کردم که کاربرد محدودی دارد، اما این قطعه الکترونیکی آغاز عصر جدیدی در دنیای فناوری را رقم زده که ساخت بسیاری از تجهیزات الکترونیکی پیشرفته بدون ترانزیستور mosfet امکان‌پذیر نبوده است.
سنسورهای CMOS و CCD دوربین ها، پنل تلویزیون، حافظه SSD، منبع تغذیه، ماژول تنظیم کننده ولتاژ مادربرد (VRM) و حتی گوشی موبایل و کامپیوتر شخصی شما با استفاده از ماسفت یا بر پایه این فناوری کار می‌کنند. به همین دلیل آشنایی با ماسفت و کاربردهای آن اهمیت بالایی دارد.
در این مقاله با مفهوم ترانزیستور ماسفت، چگونگی عملکرد این قطعه و کاربردهای آن آشنا خواهید شد.
ماسفت چیست؟
ماسفت در ساخت بسیاری از مدارهای دیجیتال یا حتی آنالوگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. ماسفت به زبان ساده نوعی ترانزیستور محسوب می‌شود و از سه پایه شامل: گیت (Gate)، درین (Drain) و سورس (Source) به همراه اتصال بدنه تشکیل شده است. بدنه این ترانزیستور معمولاً برای دفع موثر گرما به هیت سینک و پایه‌های ترانزیستور mosfet ربه برد الکترونیکی متصل می‌شوند.
به دلیل سهولت ساخت ماسفت های بسیار کوچک، به سادگی می‌توانیم آن را در مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار دهیم. سوئیچینگ سریع و توان مصرفی پایین، موجب شده تا این قطعه الکترونیکی به طور گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار گیرد.
به کارگیری نیمه‌هادی‌ها در مدارهای الکتریکی پیچیده موجب می‌شود تا نوعی ایزولاسیون بین بخش‌های مختلف مدار نیز ایجاد شود. بدین ترتیب آسیب ناشی از جریان‌های الکتریکی مخرب بدلیل وجود ایزولاسیون ایجاد شده محدود خواهد بود.
آشنایی با نحوه عملکرد ترانزیستور MOSFET
همانطور که در بخش قبلی مقاله عنوان شد، این ترازیستور به سه پایه سورس، گیت و درین مجهز شده که با اعمال ولتاژ به پایه گیت می‌توانیم جریان الکتریکی بین پایه‌های درین و سورس را کنترل کنیم. زمانی که کلید اتاق خودتان را فشار می‌دهید، مدار الکتریکی وصل شده و جریان الکتریکی به لامپ می‌رسد؛ بنابراین ولتاژ اعمال شده به گیت نیز همین کار را روی ماسفت انجام می‌دهد.
اتصال گیت به منبع ولتاژ موجب می‌شود تا مقاومت میان درین و سورس به شدت کاهش یافته و کانال عبور جریان از پایه‌های درین به سورس ایجاد شود. زمانی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نشود، مقاومت درین به سورس به شدت افزایش یافته و مسیر عبور جریان نیز از بین می‌رود.
ظرفیت خازنی موجود بین پایه‌های ماسفت موجب می‌شود تا این ترانزیستور به صورت یک کلید ایده‌آل عمل نکند و تاخیر بسیار کوچکی در بین وضعیت روشن و خاموش ترانزیستور ماسفت وجود داشته باشد.
عملکرد تراتزیستور mosfet معمولاً توسط میکروکنترلر تکمیل می‌شود. در حقیقت میکروکنترلر فرمان قطع و وصل کلید را به پایه گیت mosfet ارسال میکند، اما ولتاژ عملکرد میکروکنترلر در محدوده کمتر از 5 ولت قرار دارد و برای عملکرد ماسفت باید حداقل ولتاژ 10-15 ولت به پایه گیت اعمال شود.
به همین دلیل برای استفاده از آن در مدارهای الکتریکی از درایور ماسفت (Driver) استفاده می‌کنند. درایور یک قطعه الکترونیکی است که در بین ترانزیستور mosfet و کنترلر قرار می‌گیرد و سیگنال‌های دیجیتالی دریافتی از کنترلر را به پالس‌های الکتریکی مورد نیاز برای کنترل mosfet تبدیل میکند.
این نوع ترانزیستور غالباً به عنوان جزئی از مدار مبدل الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد و با کلیدزنی با سرعت بسیار بالا ما را قادر می‌سازد تا بتوانیم برق را از شکل مستقیم (DC) به متناوب (AC) یا برعکس تبدیل کنیم. سرعت بسیار بالای این ترانزیستور در کلیدزنی موجب می‌شود تا بتوانیم برق متناوب با فرکانس بالایی داشته باشیم. باید توجه داشته باشید که در فرکانس‌های بسیار بالا می‌توانیم ابعاد مدار الکتریکی را شکل قابل توجهی کاهش دهیم و مدارهای کوچک و کارآمدی داشته باشیم.
دسته‌بندی ماسفت
ترانزیستورهای ماسفت به دو دستهEnhancement MOSFET و Depletion MOSFET تقسیم‌بندی می‌شوند.
در ماسفت Enhancement هیچ کانالی از قبل بین درین و سورس ایجاد نشده و با اعمال ولتاژ مناسب به پایه گیت کانال عبور جریان ایجاد می‌شود. عرض کانال به سطح ولتاژ اعمال شده به گیت بستگی دارد و در نتیجه امکان کنترل جریان عبوری از آن وجود دارد.
در نوع Depletion کانال توسط شرکت سازنده روی آن ایجاد شده و با اعمال ولتاژ به پایه گیت می‌توانیم عرض کانال را تغییر دهیم. در حالی که ماسفت Enhancement به طور پیش فرض و بدون اعمال ولتاژ به پایه گیت در حالت قطع قرار دارد، ماسفت Depletion به دلیل وجود کانال در حالت وصل قرار گرفته و با اعمال ولتاژمنفی به پایه گیت می‌توانیم عرض کانال را کاهش دهیم.
به طور کلی ماسفت‌های Enhancement و Depletion در دو نوع N و P ساخته می‌شوند. در نوع N جریان از درین به سورس و در نوع P جریان از سورس به درین جاری می‌شود.
نیمه‌هادی نوع N با افزودن ناخالصی شامل فسفر، آرسنیک، آنتیموان و... به نیمه‌هادی خالص مانند سیلیکون یا ژرمانیوم ساخته می‌شود. نیمه‌های نوع P نیز با افزودن آلومینیوم، اندیوم، گالیوم و ... به یک نیمه‌هادی خالص ساخته می‌شود.
انواع ترانزیستور ماسفت
PMOS Logic: ماسفت PMOS طوری طراحی شده که با اعمال ولتاژ منفی به پایه‌های گیت-سورس روشن و با اعمال ولتاژ مثبت خاموش می‌شود.در این نوع پایه‌های درین و سورس به نیمه‌هادی نوع P متصل می‌شوند.
NMOS Logic: ماسفت NMOS با اعمال ولتاژ مثبت به پایه‌های گیت-سورس روشن و با اعمال ولتاژ منفی خاموش می‌شود. در این نوع پایه‌های درین و سورس به نیمه‌های نوع N متصل می‌شوند.
CMOS Logic: فناوری CMOS در ساخت ترانزیستور mosfet و مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدارهای مجتمع در طیف وسیعی از تجهیزات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
MISFETs: تمامی ماسفت‌ها زیر مجموعه MISFETها هستند، اما تمامی MISFETها ماسفت محسوب نمی‌شوند؛ به عبارت دیگر این نوع ترانزیستور نوع خاصی از MISFETها هستند که در آن گیت توسط لایه عایق دی‌اکسید سیلیکون در مقابل نیمه‌هادی عایق شده است.
FGMOS: در ماسفت FGMOS پایه گیت از لایه‌های بیشتری شامل Control Gate و Floting Gate تشکیل می‌شود. Floting Gate در میان لایه‌های عایق قرار گرفته و می‌تواند حتی در زمان خاموش شدن mosfet نیز الکترون‌ها را ذخیره کند.
در کنار کاربردهای دیگر FGMOS، از این فناوری در ساخت سلول حافظه NAND نیز استفاده می‌شود که اصلی‌ترین جزء درایوهای SSD را تشکیل می‌دهد.
داده با شارژ الکتریکی Floting Gate روی این نوع ترانزیستور ثبت می‌شود، اما برای حذف داده‌ها باید ولتاژ منفی قدرتمندی به Control Gate اعمال شود. این ولتاژ به لایه عایق آسیب می‌رساند و به همین دلیل عمر درایوهای SSD با تعداد دفعات خواندن و نوشتن اطلاعات مشخص می‌شود.Power MOSFETs: پاور ماسفتکه با نام‌های V-MOSFET و V-FET نیز شناخته می‌شود، طوری طراحی شده که در سطوح ولتاژ پایین عمل میکند و سرعت کلیدزنی بالایی را با بهره‌وری مناسب ارائه میکند. این فناوری در لوازم الکترونیکی مصرفی، منابع تغذیه، مبدل‌های DC-DC، کنترلرهای دور موتور، حمل و نقل و ... مورد استفاده قرار می‌گیرد.
DMOS: ماسفت DMOS از ساختار نو‌آورانه‌ای بهره می‌گیرد و ولتاژ شکست بالاتری را در مقایسه ساختار عادی دارد. اغلب پاور ماسفت‌ها معمولاً با استفاده از این فناوری ساخته می‌شوند.
MOS Capacitor: این خازن بخشی از ساختار این نوع ترانزیستور محسوب می‌شود. صفحه فلزی متصل به گیت و لایه نیمه‌هادی نقش صفحات فلزی خازن و لایه دی‌اکسید سیلیکون نقش الکترولیت که در میان صفحات فلزی قرار می‌گیرد را ایفا می‌کنند. این نیمه‌هادی به عنوان خازن ذخیره‌سازی در تراشه حافظه و همچنین CCD در فناوری ساخت سنسور دوربین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
TFT: ترانزیستور TFT نوع خاصی از ماسفت محسوب می‌شود که از یک لایه نازک نیمه‌هادی معمولاً از جنس سیلیکون، لایه دی الکتریک و صفحه فلزی گیت تشکیل می‌شود. این فناوری به طور گسترده‌ای در ساخت پنل‌های نمایشگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
Bipolar-MOS Transistors: ماسفت BiCMOS از ترکیب دو فناوری BJT و CMOS در یک مدار مجتمع حاصل شده است. این فناوری در مدارهای مدیریت توان آنالوگ و مدارهای تقویت کننده مانند BiCMOS Amplifier مورد استفاده قرار می‌گیرد.
MOS Sensors: طیف وسیعی از سنسورهای MOS برای اندازه‌گیری متغیرهای فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی مورد استفاده قرار می‌گیرند. از این میان می‌توانیم به ماسفت OGFET، ترانزیستور اثر میدانی حساس به یون (ISFET)، ترانزیستور اثر میدانی سنسور گاز (Gas Sensor FET)، ترانزیستور جریان شارژ (CFT) و ترانزیستور اثر میدانی اصلاح شده توسط آنزیم (Enzyme-Modified FET) اشاره کنیم.
سنسورهای CCD و CMOS که در ساخت دوربین‌های تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند نیز در همین دسته‌بندی قرار دارند.
Multi-Gate Field Effect Transistors: همانطور که نام این ترانزیستورها نشان می‌دهد به بیش از یک پایه گیت مجهز شده‌‌اند و به طور یکپارچه یا مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند. این ماسفت‌ها معمولاً برای دستگاه‌های رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند که حذف اثر میلر مزیتی برای این تجهیزات محسوب می‌شود.
اثر میلر به افزایش ظرفیت خازنی ورودی و خروجی مدارهای الکترونیکی اشاره دارد که به دلیل استفاده از ترانزیستورهای متعدد به طور سری با یکدیگر رخ می‌دهد. در حقیقت افزایش ظرفیت خازنی به کندتر شدن سرعت کلیدزنی منجر می‌شود.
RHBD: تشعشعات فضایی می‌تواند در عملکرد قطعات حساس ماهواره‌ها و کاوشگرها اختلال ایجاد کند. در همین راستا می‌توانیم از ترانزیستور ELT برای ساخت دستگاه‌های RHBD استفاده کنیم که در برابر تشعشعات مقاوم هستند. در این طرح معمولاً درین توسط گیت و خود گیت نیز توسط سورس احاطه می‌شود.
کاربرد ترانزیستور MOSFET
پس از آشنایی با چگونگی عملکرد و انواع ترانزیستور MOSFET، شاید چگونگی و نحوه استفاده از ماسفت برای شما سوال برانگیز باشد. این فناوری امروزه کاربردهای گسترده‌ای در ساخت دستگاه‌های دیجیتالی دارد.
امکان کنترل میزان رسانایی mosfet از طریق اعمال ولتاژ به پایه گیت ما را قادر می‌سازد تا بتوانیم از این فناوری برای کلیدزنی یا تقویت سیگنال الکتریکی استفاده کنیم.
این نوع ترانزیستورها کاربردهای گسترده‌ای در مدارهای الکترونیکی دارد و به لطف پیشرفت فناوری امروزه می‌توانیم میلیون‌ها ماسفت را در یک تراشه حافظه یا میکروپروسسور قرار دهیم. به علاوه استفاده از این ترانزیستور به عنوان کلید کنترل شونده با ولتاژدر مدارهای الکتریکی رواج دارد. ترانزیستور mosfet به اندازه‌ای اهمیت دارد که بدون آن ساخت ماشین حساب جیبی و ساعت مچی برای بشر امکان‌پذیر نبوده است.
این قطعه در ساخت مدارهای مجتمع IC، مدارهای CMOS، کلیدهای آنالوگ، الکترونیک قدرت، حافظه MOS، سنسورها و فیزیک کوانتومی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جمع‌بندی و پاسخ به سوالات پر تکرار
زندگی کنونی ما به شدت با استفاده از نیمه‌هادی‌ها و به ویژه انواع مختلف ماسفت متحول شده است. چند دهه پیش شاید کسی نمی‌توانست دستاوردهای کنونی بشر که به واسطه فناوری نیمه‌هادی‌ها و به ویژه mosfet امکان‌پذیر شده را در ذهن خود مجسم کند.
امروزه ترانزیستورهای mosfet در مقیاس انبوه تولید می‌شوند و به همین دلیل معمولاً قیمت ترانزیستور ماسفت تاثیر چندانی در قیمت نهایی تجهیزات الکترونیکی ندارد. با این وجود قیمت تمامی ان ترانزیستورها یکسان نیست و به عوامل مختلفی مانند فناوری ساخت، کاربرد و ... بستگی دارد.
خرابی ترازیستور mosfet می‌تواند عملکرد کامپیوتر دسکتاپ، لپ تاپ یا دیگر تجهیزات الکترونیکی را مختل یا حتی متوقف کند. برای تست ترانزیستور ماسفت می‌توانید از حالت دیود مولتی متر یا ابزارهای دیگر استفاده کنید.
آیا ماسفت یک کلید یا تقویت کننده است؟
ماسفت یک قطعه الکترونیکی است که در دسته‌بندی ترانزیستورهای FET قرار می‌گیرد. این قطعات به طور گسترده‌ای برای کلیدزنی و تقویت سیگنال‌های الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ماسفت برای چه مواردی استفاده می شود؟
پردازنده گوشی هوشمند، کامپیوتر و لپ تاپ از تعداد بسیار زیادی ماسفت تشکیل شده است. از این فناوری در ساخت دوچرخه‌های برقی، دستگاه‌های ATM، مایکروفر، ربات، هواپیما، کامپیوترهای سرور و ... نیز استفاده می‌شود.
کار ترانزیستور ماسفت در کامپیوتر چیست؟
انواع مختلفی از ترانزیستور mosfet در بخش‌های مختلف یک کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرند. ماسفت‌ها در حافظه RAM و ROM، منبع تغذیه، ماژول تنظیم ولتاژ پردازنده (VRM) و حتی حافظه SSD مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین پردازنده مرکزی و تراشه کارت گرافیک کامپیوتر شما نیز از میلیون‌ها یا میلیاردها ترانزیستور MOSFET تشکیل شده است.
ماسفت در مادربرد یا منبع تغذیه کامپیوتر شما برای کلیدزنی و تنظیم ولتاژ مورد نیاز قطعات کامپیوتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالی که ماسفت‌های درایو SSD و حافظه رم برای ذخیره‌سازی اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرند، از نظر روش ذخیره‌سازی داده با یکدیگر تفاوت دارند. پردازنده کامپیوتر شما نیز بدون ترانزیستور ماسفت کاربردی ندارد.
تفاوت ماسفت و ترانزیستورچیست؟
ماسفت نوعی ترانزیستور است و در حقیقت قطعه پرکاربردی در خانواده بزرگ ترانزیستورها محسوب می‌شود. گیت این نوع ترانزیستور با استفاده از لایه اکسید سیلیکون عایق شده و مقاومت مسیر عبور جریان بین پایه‌های درین و سورس به ولتاژ اعمال شده به پایه گیت بستگی دارد.
-