ماسفت چیست؟ معرفی انواع ماسفت های الکترونیک

ترانزیستورهای اثر میدان سیلیکون اکسید فلز که معمولاً به عنوان ماسفت شناخته می شوند، دستگاه های الکترونیکی هستند که برای تعویض یا تقویت ولتاژ در مدارها استفاده می شوند. این یک دستگاه کنترل ولتاژ است و توسط سه پایانه ساخته شده است. پایانه های ماسفت به نام های درین، سورس و گیت شناخته می شوند. ماسفت متداول ‌ترین ترانزیستور در مدارهای دیجیتال است که بالقوه میلیون ‌ها ترانزیستور در یک تراشه حافظه یا ریزپردازنده ادغام شده و به عنوان کلید های مدار کنترل شده با ولتاژ مورد استفاده قرار می گیرند. در این مقاله ی آموزشگاه فن آموزان با عنوان ماسفت چیست؟ به بررسی تاریخچه ماسفت، ساختار و کاربرد آن ها می پردازیم. در ادامه انواع ماسفت های الکترونیک معرفی می شوند.

آموزشگاه فن آموزان دوره جامع آموزش تعمیرات برد الکترونیک و نیز دوره آموزش طراحی برد الکترونیکی را در کارگاههای مجهز به تجهیزات به روز و تخصصی بصورت عملی برگزار می کند. تمامی دوره ها تحت نظارت سازمان فنی و حرفه ای و با اعطای مدرک بین المللی می باشد. همچنین دوره تخصصی آموزش تعمیرات برد لوازم خانگی به دلیل گستردگی مبحث بردهای وسایل خانگی بصورت مجزا برگزتر می شود. برای مشاهده سرفصل های دوره تعمیر برد روی تصویر زیر کلیک نمایید:

ماسفت چیست؟

ماسفت در واقع یک ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی اکسید فلز بوده که به طور گسترده برای اهداف سوئیچینگ و تقویت سیگنال های الکترونیکی در دستگاه های الکترونیکی استفاده می شود. ماسفت یا یک هسته یا مدار مجتمع است که در آن در یک تراشه طراحی و ساخته می شود زیرا دستگاه در اندازه های بسیار کوچک موجود است. معرفی دستگاه ماسفت تحولی را در حوزه سوئیچینگ در الکترونیک ایجاد کرده است. MOSFET در واقع مخفف Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor می باشد.

ماسفت ها برای غلبه بر معایب ناشی از FET ها، مانند عملکرد کند، مقاومت در برابر تخلیه بالا و امپدانس ورودی متوسط، اختراع شدند. آن ها به عنوان کلید ها و تقویت کننده های الکتریکی عمل می کنند که بر اساس ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت، میزان الکتریسیته ای را که می تواند بین پایانه های منبع و تخلیه جریان یابد، کنترل می کنند.

تاریخچه ماسفت

ترانزیستورهای اولیه اغلب به نام ترانزیستورهای پیوند دو قطبی یا BJT وارد صنعت الکترونیک شدند. این نوع ترانزیستور ها نسبتا بزرگ بودند و تولید انبوه و کوچک سازی آن ها دشوار بود. اصول ترانزیستور اثر میدانی در دهه 1930 و 1940 میلادی تئوری شد، اما هیچ دستگاه عملی ساخته نشد. در دهه 1950 میلادی توانایی رشد یک لایه اکسید سیلیکون عایق بر روی سیلیکون نیمه رسانا نشان داده شد.

اختراع ماسفت به محمد آتالا و داون کاهنگ نسبت داده می شود که اولین نمونه کار خود را در آزمایشگاه بل در نوامبر 1959 میلادی ساختند. از دهه 1960 به بعد، ماسفت به سرعت محبوبیت یافت و جایگزین فناوری های قدیمی مانند BJT شد. اختراع ماسفت ها راه را برای مدار های مجتمع و عصر اطلاعات مدرن هموار کرد و با تولید میلیارد ها دلار در هر CPU مدرن، محبوب ترین قطعه الکترونیکی در تاریخ بشر به حساب می آید.

ساختار ماسفت

ماسفت یک دستگاه چهار پایانه است که دارای پایانه های منبع (Source)، دروازه (Gate)، تخلیه (Drain)  و بدنه (Body) است. به طور کلی، بدنه ماسفت با ترمینال منبع در ارتباط است. بنابراین یک دستگاه سه ترمینالی مانند ترانزیستور اثر میدانی را تشکیل می دهد. ماسفت ها به عنوان یک ترانزیستور پر کاربرد در مدارهای آنالوگ و دیجیتال در نظر گرفته می شوند. ساختار کلی این دستگاه به شرح زیر است:

عملکرد ماسفت نسبت به تغییرات الکتریکی رخ داده در عرض کانال همراه با جریان حامل ها یا حفره ها یا الکترون ها بستگی دارد. حامل های شارژ از طریق ترمینال منبع وارد کانال شده و از طریق تخلیه خارج می شوند.

عرض کانال توسط ولتاژ روی الکترودی که گیت نامیده می شود و بین منبع و درین قرار دارد کنترل می شود. ظرفیت ماسفت که در دستگاه وجود دارد، بخش مهمی است که کل عملیات در آن انجام می شود.

چندین ویژگی ذاتی، ماسفت ها را به رایج ترین نوع ترانزیستور تبدیل می کند. آن ها انرژی کمتری مصرف می کنند و سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به سایر انواع ترانزیستور ها دارند. آن ها هم چنین می توانند به راحتی کوچک شوند و در تراکم های بالا بسته بندی شوند و برای مدارهای مجتمع عالی مفید هستند. علاوه بر این، ماسفت ها فقط به ساخت و پردازش نسبتا ساده نیاز دارند.

عملکرد ماسفت

اصل کار ماسفت این است که بتواند ولتاژ و جریان بین پایانه های منبع و تخلیه را کنترل کند. عملکرد ماسفت شباهت زیادی به سوئیچ داشته و بر اساس خازن MOS است. خازن MOS بخش اصلی ماسفت است.

سطح نیمه هادی در لایه اکسید زیرین که بین منبع و ترمینال تخلیه قرار دارد می تواند با اعمال ولتاژهای گیت مثبت یا منفی از نوع p به نوع n معکوس شود. هنگامی که یک نیروی دافعه برای ولتاژ دروازه مثبت اعمال می کنیم، سوراخ های موجود در زیر لایه اکسید همراه با زیرلایه به سمت پایین رانده می شوند.

منطقه تخلیه پر از بارهای منفی محدود شده که با اتم های پذیرنده مرتبط هستند. وقتی به الکترون ها می رسند، یک کانال ایجاد می شود. 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 می ‌یابد و ولتاژ گیت، الکترون‌ های کانال را کنترل می‌کند. به جای ولتاژ مثبت، اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم، یک کانال سوراخ در زیر لایه اکسید ایجاد می شود.

کاربرد ماسفت

همان طور که قبلا ذکر شد، ماسفت وسیله ای است که برای سوئیچ یا تقویت سیگنال های الکتریکی استفاده می شود. این امر از طریق تغییر رسانایی در رابطه با سطح ولتاژ اعمال شده به دست می آید. یکی از زمینه های فناوری ماسفت به ماشین حساب های مهندسی و ساعت مچی مربوط می شود.

کاربرد ماسفت شامل موارد زیر است:

1. مدارهای مجتمع MOS
2. مدارهای CMOS
3. سوئیچ های آنالوگ
4. الکترونیک قدرت
5. حافظه MOS
6. سنسورهای ماسفت
7. فیزیک کوانتوم

 مدارهای مجتمع MOS

ماسفت محبوب ترین نوع ترانزیستور است و برای عملکرد الکتریکی تراشه های مدار مجتمع MOS ضروری است. آن ها به همان سری مراحل مانند ترانزیستور های دوقطبی برای جداسازی اتصال P-N روی یک تراشه نیاز ندارند. با این حال، امکان جدا سازی نسبتا آسان را فراهم می کنند.

مدارهای CMOS

یک ماسفت نوعی فناوری است که برای توسعه مدار های مجتمع CMOS استفاده می شود. چنین فناوری در ساخت تراشه های مدار مجتمع مانند ریز پردازنده ها، میکرو کنترلر ها، تراشه های حافظه و سایر مدار های منطقی دیجیتال استفاده می شود. هم چنین یک جزء اصلی در توسعه مدارهای آنالوگ از جمله حسگر های تصویر، مبدل های داده، مدار های RF و فرستنده های یکپارچه برای ارتباطات دیجیتال است. ویژگی های کلیدی دستگاه های CMOS شامل ایمنی بالای نویز و حداقل مصرف برق است.

سوئیچ های آنالوگ

مزایای ماسفت ها برای یکپارچه سازی مدار های دیجیتال بسیار بیشتر از مزایای یکپارچه سازی آنالوگ است. رفتار ترانزیستور در هر نمونه متفاوت است. مدار های دیجیتال را می توان در اکثر مواقع به طور کامل روشن یا خاموش کرد. از پارامتر های موثر بر انجام عملیات سوئیچینگ، می توان به سطح سرعت و شارژ اشاره کرد. در صورتی که تغییرات جزئی ولتاژ می تواند جریان خروجی را تغییر دهد، باید از عملکرد در ناحیه انتقال مدار آنالوگ اطمینان حاصل شود.

ماسفت ها هنوز در مدار های آنالوگ مختلفی به دلیل مزایای مرتبط با آن مورد استفاده قرار می گیرند. چنین مزایایی شامل قابلیت اطمینان، جریان دروازه صفر و امپدانس خروجی بالا و قابل تنظیم است. هم چنین پتانسیل تغییر مشخصات و عملکرد مدار های آنالوگ از طریق تنظیمات اندازه ماسفت وجود دارد. ماسفت ها نیز به دلیل جریان گیت (صفر) و ولتاژ آفست منبع تخلیه (صفر) گزینه ای ارجح برای کلید ها هستند.

الکترونیک قدرت

ماسفت ها در طیف گسترده ای از الکترونیک قدرت استفاده می شوند. آن ها برای محافظت معکوس باتری، تعویض برق بین منابع جایگزین و خاموش کردن بار های غیر ضروری کاربرد دارند. از ویژگی های کلیدی ماسفت ها می توان به جریان بالا و حفاظت یکپارچه اشاره کرد. توسعه فناوری ماسفت 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 حافظه تصادفی با دسترسی پویا یا همان DRAM است. سطوح بالاتری از عملکرد را ارائه می دهد، حداقل انرژی مصرف می کند و در مقایسه با حافظه هسته مغناطیسی نسبتا مقرون به صرفه است.

سنسورهای ماسفت

سنسور های ماسفت معمولا در اندازه گیری پارامتر های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی استفاده می شوند. به دلیل امکان فراهم کردن تعامل و پردازش عناصری مانند مواد شیمیایی، نور و حرکت در سیستم های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. سنسور های ماسفت دارای کاربرد های پردازش تصویر است که برای ادغام در دستگاه‌ های متصل به شارژ و سنسور های پیکسل فعال مناسب است.

فیزیک کوانتوم

ترانزیستور اثر میدان کوانتومی QFET و QWFET دو نوع ماسفت هستند که از تونل کوانتومی برای افزایش سرعت عملکرد ترانزیستور استفاده می کنند. این امر با حذف ناحیه رسانش الکترون حاصل می شود که منجر به کند شدن قابل توجه حامل ها می شود. عملکرد چنین دستگاه‌ های کوانتومی بر فرآیند پردازش حرارتی سریع، با استفاده از لایه‌ های بسیار ظریف مصالح ساختمانی متکی است.

از دیگر کاربرد های ماسفت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• برنامه های فرکانس رادیویی
• تنظیم موتورهای DC
• طراحی مدار های الکترونیکی

مزایای ماسفت

استفاده از ماسفت ها در پروژه های الکترونیکی و مدارات برقی به دلیل مزایای گسترده افزایش یافته است. مزایای ماسفت عبارتند از:

• بازده بیشتر ماسفت ها در ولتاژ های پایین
• بالا بودن امپدانس ورودی و سرعت سوئیچینگ به دلیل عدم وجود جریان گیت
• کاهش سایز برد های الکترونیکی
• مصرف انرژی کم
• کاربرد در مدار های دیجیتال به دلیل نوع بهبود دهنده
• ساخت و تولید آسان

معایب ماسفت

از معایب ماسفت ها می توان به نمونه های زیر اشاره کرد:

• ماسفت ها به دلیل لایه نازک اکسیدی در برابر بارهای الکترواستاتیکی آسیب پذیر هستند.
• ولتاژ اضافه بار باعث ناپایداری ماسفت ها می شود.
• عمر کوتاهی دارد.
• برای اندازه گیری دقیق ، کالیبراسیون مکرر مورد نیاز است.
• آن ها نسبت به ولتاژ اضافه بار بسیار حساس هستند.

انواع ماسفت

ماسفت می تواند به دو نوع زیر عمل کند:

1. نوع تخلیه یا کاهشی
2. نوع بهبود یا افزایشی

هر کدام از انواع ماسفت به صورت ماسفت کانال P یا ماسفت کانال N موجود است. از این رو به طور کلی چهار نوع ماسفت وجود دارد.

نوع تخلیه یا کاهشی

یکی از انواع ماسفت ها، نوع تخلیه یا کاهشی بوده که به نامD-MOSFET  معروف هستند. درین و سورس در مواد زیرلایه پخش شده و سپس توسط یک کانال باریک در مجاورت گیت عایق شده متصل می شوند. ما از ماسفت های کانال N برای توصیف عملیات اصلی استفاده می کنیم. عملکرد کانال P یکسان است، با این تفاوت که قطبیت های ولتاژ مخالف قطب های کانال N است. ماسفت های کاهشی در مواقع عدم وجود ولتاژ در ترمینال های گیت، بالا ترین میزان رسانایی خود را دارند. در حالی که میزان هدایت کانال در هنگام مثبت و منفی بودن ولتاژ ترمینال گیت کم می شود.

نوع بهبود یا افزایشی

E-MOSFET فقط در حالت بهبود کار می کند و حالت تخلیه ندارد. تفاوت آن با D-MOSFET در این است که کانال ساختاری ندارد. بستر به طور کامل تا لایه SiO2 گسترش می یابد. برای یک ماسفت کانال n، ولتاژ گیت مثبت بالای یک مقدار آستانه، با ایجاد یک لایه نازک از بار های منفی در ناحیه زیر لایه مجاور لایه SiO2، کانالی را القا می کند. رسانایی کانال با افزایش ولتاژ گیت به منبع افزایش می یابد و در نتیجه الکترون های بیشتری به ناحیه کانال کشیده می شود. توجه شود که اگر ولتاژ گیت از میزان مقدار آستانه کمتر باشد، کانالی برای انتقال الکترون ها ایجاد نخواهد شد. هدایت ماسفت های نوع افزایشی در زمانی که ولتاژ در ترمینال گیت وجود ندارد، انجام می شود. با بالا رفتن مقدار ولتاژ در ترمینال گیت و رسیدن به مقدار حداکثری، هدایت و میزان رسانایی این ماسفت ها افزایش پیدا می کند.

ماسفت کانال P

ماسفت کانال P از یون های منفی تشکیل شده است بنابراین با ولتاژ منفی کار می کند. هنگامی که ما ولتاژ منفی را به گیت اعمال می کنیم، الکترون های موجود در زیر لایه اکسید از طریق یک نیروی دافعه به سمت پایین به زیرلایه رانده می شوند. ناحیه انحراف توسط بارهای مثبت محدود شده پر می شود که با اتم های دهنده پیوند دارند. ولتاژ منفی همچنین حفره هایی را از منبع  +p و ناحیه تخلیه به ناحیه کانال جذب می کند. این ماسفت ها با نام PMOS نیز شناخته می شوند.

ماسفت کانال N

هنگامی که ولتاژ مثبت را به گیت اعمال می کنیم، سوراخ های موجود در زیر لایه اکسیدی با نیروی دافعه به سمت پایین به زیرلایه فشار داده می شوند. ناحیه انحراف توسط بارهای منفی محدود شده پر شده است که با اتم های پذیرنده پیوند دارند.

هم چنین ولتاژ مثبت 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 می ‌یابد و ولتاژ گیت الکترون‌ های کانال را کنترل می ‌کند. به جای ولتاژ مثبت اگر ولتاژ منفی اعمال کنیم کانال زیر لایه اکسید ایجاد می شود. ماسفت های کانال N به اختصار NMOS هستند و به صورت نمادین در شکل زیر نشان داده شده اند.

مشاهده و دانلود pdf مقاله: ماسفت چیست؟ معرفی انواع ماسفت های الکترونیک

آموزشگاه فن اموزان علاوه علاوه برا دوره های جامع تعمیرات و طراحی برد ، دوره های مرتبط با برد از جمله  آموزش آردوینو و آموزش نرم افزار آلتیوم دیزاینر را بصورت مجزا و تخصصی ویژه بازار کار برگزار می کند. برای اطلاعات بیشتر با ما تماس بگیرید.