ماسفت: بخش اول ـ آشنایی با ساختار و عملکرد

مقدمه

ماسفت (MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) نوعی ترانزیستور اثر میدانی با گیت ایزوله است که هدایت آن تنها با ولتاژ کنترل می‌شود، نه جریان. همین ویژگی، ماسفت را به ابزاری بسیار کارآمد برای کاربردهای سوییچینگ و نیز تقویت سیگنال تبدیل کرده است.

به دلیل وجود لایهٔ اکسید سیلیکون روی گیت، هیچ جریان مستقیمی از گیت به کانال عبور نمی‌کند؛ بنابراین مصرف توان ماسفت در ناحیهٔ گیت تقریباً ناچیز است و این ویژگی یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌ها نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی (BJT) به شمار می‌آید.

ماسفت‌ها را می‌توان با هر دو نوع نیمه‌هادی N و P ساخت و همین موضوع امکان استفاده از جفت‌های مکمل N-MOS و P-MOS را فراهم می‌کند. ترکیب این دو در یک ساختار، مبنای مدارات CMOS را تشکیل می‌دهد؛ فناوری‌ای که امروز پایهٔ اغلب مدارهای منطقی و دیجیتال کم‌مصرف محسوب می‌شود.

به دلیل همین مزایا، ماسفت‌ها در بسیاری از کاربردهای الکترونیک قدرت، مدارهای آنالوگ و دیجیتال، و منابع تغذیه سوئیچینگ، عملاً جایگزین رایج‌تر و کارآمدتری برای BJTها شده‌اند.

مطلب حاضر در دو بخش تهیه شده است. در صورت تمایل به مطالعه‌ی فقط روش تست ماسفت، می‌توانید از این بخش صرف نظر کرده و مستقیماً بخش دوم را مطالعه کنید.

ساختار

ماسفت یک عنصر چهارپایه است. این پایه‌ها عبارت‌اند از Gate، Drain، Source و Body (یا Substrate).
در اغلب ماسفت‌های قدرت، پایه‌ی بادی به‌صورت داخلی به Source متصل شده است؛ بنابراین عملاً ماسفت از دید مدار، یک قطعه‌ی سه‌پایه به‌نظر می‌رسد.

ماسفت با کنترل عرض کانال هدایتی بین سورس و درین عمل می‌کند.
حامل‌های بار ـ بسته به نوع ماسفت، الکترون در ماسفت‌های نوع N و حفره در ماسفت‌های نوع P ـ از سمت Source وارد شده و از Drain خارج می‌شوند.

عرض و در نتیجه مقاومت این کانال توسط ولتاژ اعمال‌شده به گیت کنترل می‌شود.
گیت از طریق یک لایه‌ی نازک اکسید سیلیکون (SiO₂) از کانال ایزوله شده است؛ بنابراین هیچ جریان مستقیمی بین گیت و کانال برقرار نمی‌شود و ماسفت در ورودی خود تقریباً جریان نمی‌کشد. همین ویژگی است که ماسفت را برای سوییچینگ و مدارات منطقی بسیار کارآمد می‌کند.

انواع ماسفت

ماسفت‌ها در دو حالت کار می‌کنند:

1. مد افزایشی (Depletion Mode): ترانزیستور برای خاموش شدن به ولتاژ‌گیت ـ سورس نیاز دارد. ماسفت در این حالت مانند کلیدی است که در حالت نرمال بسته (Normally Closed) است.
2. مد تخلیه‌ای (Enhancement Mode): ترانزیستور برای روشن شدن به ولتاژ‌گیت ـ سورس نیاز دارد. ماسفت در این حالت مانند کلیدی است که در حالت نرمال باز (Normally Open) است.

حال با توجه به این اصل عملکرد ماسفت، می‌توان طبقه‌بندی زیر را انجام داد:

• ماسفت مد افزایشی کانال P یا (P-Channel Depletion MOSFET)
• ماسفت مد تخلیه‌ای کانال P یا (P-Channel Enhancement MOSFET)
• ماسفت مد افزایشی کانال N یا (N-Channel Depletion MOSFET)
• ماسفت مد تخلیه‌ای کانال N یا (N-Channel Enhancement MOSFET)

ماسفت کانال P

در ماسفت نوع P، ناحیه‌های سورس و درین به‌شدت از نوع P+ دوپ شده‌اند و بستر (‌Body, Substrate) از نوع N است. جریان در این ماسفت به‌دلیل حرکت حفره‌های با بار مثبت برقرار می‌شود و به همین دلیل به آن ماسفت کانال P گفته می‌شود.

وقتی که یک ولتاژ منفی به گیت اعمال می‌کنیم، الکترون‌هایی که در زیر لایهٔ اکسید قرار دارند، نیروی دافعه‌ای را تجربه کرده و به سمت پایین، داخل بستر رانده می‌شوند. در نتیجه، ناحیهٔ تضعیف (Depletion Region) توسط بارهای مثبت باقی‌مانده که مربوط به اتم‌های دهنده (donor atoms) هستند، پر می‌شود.

ولتاژ منفی گیت همچنین حفره‌ها را از نواحی P+ سورس و درین به سمت ناحیهٔ کانال جذب می‌کند و بدین ترتیب کانال تشکیل شده و هدایت آغاز می‌شود.

ماسفت کانال N

در ماسفت نوع N، ناحیه‌های سورس و درین به‌شدت از نوع N+ دوپ شده‌اند و بستر (‌Body, Substrate) از نوع N است. جریان در این ماسفت به‌دلیل حرکت الکترون‌های با بار منفی برقرار می‌شود و به همین دلیل به آن ماسفت کانال N گفته می‌شود.

وقتی که یک ولتاژ مثبت به گیت اعمال می‌کنیم، حفره‌هایی که در زیر لایهٔ اکسید قرار دارند، نیروی دافعه‌ای را تجربه کرده و به سمت پایین، و به سمت پایین، به سمت ناحیه‌ای که دارای بارهای منفی پیوند‌یافته‌ی اتم‌های پذیرنده (Acceptor) است، رانده می‌شوند.

ولتاژ مثبت گیت همچنین الکترون‌ها را از نواحی N+ سورس و درین به سمت ناحیهٔ کانال جذب می‌کند و بدین ترتیب کانال تشکیل شده و هدایت آغاز می‌شود.

نحوه عملکرد ماسفت

اصل کار ماسفت بر پایه ساختار خازن MOS است. این خازن، بخش مرکزی و تعیین‌کننده رفتار ماسفت محسوب می‌شود. ناحیه نیمه‌هادی که درست زیر لایه اکسید قرار دارد و بین دو ناحیه سورس و درین واقع شده، با اعمال ولتاژ به گیت می‌تواند ماهیت خود را از نوع P به نوع N یا برعکس تغییر دهد.

زمانی که ولتاژ مثبتی به پایه گیت اعمال می‌شود، حفره‌های موجود در زیر لایه اکسید دافعه پیدا کرده و به عمق بستر نیمه‌هادی رانده می‌شوند. در این حالت، ناحیه زیر گیت خالی از حامل‌های بار مثبت شده و ناحیه تضعیف (depletion) شکل می‌گیرد که در آن بارهای منفیِ ثابتِ ناشی از اتم‌های پذیرنده باقی می‌مانند. با ادامه افزایش ولتاژ گیت، الکترون‌ها به سمت گیت جذب شده و یک کانال غنی از الکترون در زیر لایه اکسید ایجاد می‌شود. ولتاژ مثبت گیت همچنین الکترون‌هایی را از نواحی N+ سورس و درین به داخل کانال می‌کشد و مسیر هدایت بین سورس و درین کامل می‌شود.

در این شرایط، اگر اختلاف ولتاژی میان سورس و درین برقرار شود، جریان می‌تواند آزادانه در کانال عبور کند و ولتاژ گیت وظیفه کنترل تعداد الکترون‌ها و میزان هدایت کانال را بر عهده خواهد داشت.

در مقابل، اگر ولتاژ منفی به گیت اعمال شود، فرایندی معکوس رخ می‌دهد و زیر لایه اکسید یک کانال حفره‌ای تشکیل می‌شود.

جمع‌بندی

این مطلب بخش اول از پست آشنایی با ساختار و عملکرد ماسفت بود. در این بخش یک آشنایی کلی با ساختار فیزیکی و نحوه عملکرد ماسفت‌ها ارایه شد.

در بخش دوم پست، به بررسی قدم به قدم تست ماسفت به کمک مولتی‌متر دیجیتال خواهیم پرداخت. بنابراین، پس از مطالعه این بخش، می‌توانید با آگاهی کامل از ساختار و عملکرد ماسفت، به راحتی با روش‌های تست عملی آن آشنا شوید و سلامت یا خرابی قطعه را تشخیص دهید.