ترانزیستور ماسفت چیست؟ تاریخچه، کاربرد، انواع

IGFET که با نام MOSFET یا ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید-فلز یا به اختصار ترانزیستور ماسفت نیز شناخته می شود، نوع دیگری از ترانزیستور اثر میدانی (FET) است که ورودی یا گیت آنها از نظر الکتریکی نسبت به کانالی که جریان را انتقال می دهد، عایق بندی شده است. این نوع ترانزیستورها برای این ساخته شدند که برخی از معایب ترانزیستوزهای اثر میدانی مثل عملکرد کند، مقا.مت در برابر تخلیه بلا و… را جبران کند.

امروزه بیشتر ترانزیستورها از نوع ماسفت به عنوان اجزای مدارهای مجتمع دیجیتال به کار برده می شوند. اگرچه تعداد BJT های گسسته از ماسفت های گسسته بیشتر است اما تعداد ترانزیستورهای ماسفت در یک مدار مجتمع ممکن است به صدها میلیون برسد.

ابعاد هر دستگاه ماسفت زیر یک میکرون است که هر 18 ماه یکبار کاهش می یابد. ماسفت های بسیار بزرگ تر می توانند نزدیک به 100 آمپر جریان را در ولتاژهای پایین سوئیچ کنند. برخی از آنها نزدیک به 1000 ولت را در جریان های پایین تر کنترل می کنند. این دستگاه ها کسر خوبی از یک سانتی متر مربع سیلیکون را اشغال می کنند.

ماسفت ها کاربرد بسیار گسترده تری نسبت به JFET دارند، با این حال، ماسفت های قدرتی در حال حاضر به اندازه ترانزیستورهای اتصال دوقطبی به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند. در ادامه مطلب با وینرتولز همراه باشید تا با ترانزیستور ماسفت، تاریخچه،اصول اولیه کار با آن، انواع ماسفت، و نحوه ساخت و استفاده از ماسفت و… آشنا شوید.

ترانزیستور ماسفت چیست؟

ترانزیستور ماسفت، ترانزیستور اثر میدانی با گیت ایزوله‌ شده (Insulated Gate Field Effect Transistor) یا ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید-فلز (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) رایج ترین نوع ترانزیستور اثر میدانی (FET) است. IGFET یا MOSFET به عنوان سوئیچ ها و تقویت کننده های الکتریکی عمل می کنند و بر اساس ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت، میزان الکتریسیته ای که می تواند بین پایانه های منبع و تخلیه جریان یابد را کنترل می کنند.

به طور خلاصه، ماسفت یک ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید فلزی است که برای سوئیچ یا تقویت ولتاژ در مدارها استفاده می شود. ماسفت به عنوان بخشی از خانواده ترانزیستورهای اثر میدانی، یک دستگاه کنترل جریان است که هدف آن در اصل کنترل جریان ولتاژ یا جریان بین سورس و درین است. اصل کار بر اساس نوع ماسفت متفاوت است.

ماسفت فناوری اساسی برای اکثر ترانزیستورهای گسسته، منطق دیجیتال، مدارهای مجتمع (IC) و ال سی دی های ترانزیستور لایه نازک (TFT) است. آنها در الکترونیک مدرن به منزله اسب کار هستند و دست سازترین کالا در تاریخ بشر محسوب می شوند.

یک ماسفت از چهار پایانه یا همان ترمینال: سورس یا منبع (the source)، درین یا تخلیه (the drain)، گیت (the gate) و بدنه (the base) تشکیل شده است. از آنجایی که معمولاً بدنه به ترمینال سورس متصل می شود در نتیجه می توان گفت که ماسفت ها سه پایه ای هستند. زیرلایه، پولک یا سابستریت یک ترمینال اضافی دیگر در ترانزیستور ماسفت است که در آن سورس و درین از نیمه هادی های دوپ شده مثبت یا منفی تشکیل شده است و معمولاً برای اتصال به زمین مورد استفاده قرار می گیرد.

پایانه گیت فلزی (یا سیلیکون رسانا) توسط یک لایه اکسید نارسانا از آنها جدا می شود. با اعمال ولتاژ به گیت، خواص الکتریکی نیمه هادی زیرین تغییر می یابد، یا باعث می شود الکتریسیته بین منبع و تخلیه جریان یابد یا مانع از جریان الکتریسته بین منبع و تخلیه می شود.

چندین ویژگی ذاتی ترازیستورهای ماسفت را به رایج ترین نوع ترانزیستور تبدیل می کند. آنها انرژی کمتری مصرف می کنند و سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به سایر انواع ترانزیستورها دارند. آنها همچنین می توانند به راحتی کوچک شوند و در تراکم های بالا بسته بندی شوند و برای مدارهای مجتمع عالی باشند. آنها همچنین فقط به ساخت و پردازش نسبتاً ساده نیاز دارند.

تاریخچه ماسفت

اولین بار سال 1926 میلادی بود که ترانزیستور ماسفت معرفی شد. یعنی اصول ترانزیستور اثر میدانی در دهه 1930 و 1940 تئوری پردازی شد، اما از آنجایی که آن زمان، امکانات، ابزار و دانش کافی نبود، ساخت و استفاده شان با مشکلاتی مواجه گردید. در واقع در این دوران هیچ دستگاه عملی ساخته نشد، تنها اتفاقی که افتاد، در دهه 1950 توانایی رشد یک لایه اکسید سیلیکون عایق بر روی سیلیکون نیمه رسانا نشان داده شد.

از اینرو تکنولوژی ماسفت به مدت حدوداً 50 کنار گذاشته شدد. اوایل دهه 1970 بود که بار دیگر ترانزیستور ماسفت نگاه ها را به سمت خود جلب کرد و در ساخت مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار گرفت. ترانزیستورهای اولیه اغلب ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT) بودند. این ترانزیستورها نسبتاً بزرگ بودند و تولید انبوه و کوچک سازی آنها دشوار بود.

این مقاله را حتما بخوانید کلاه ماسک جوشکاری چیست و چرا باید از آن استفاده کنیم؟

اختراع ماسفت به محمد آتالا (Mohamed Atalla) و داون کاهنگ (Dawon Kahng) نسبت داده می شود. آنها با موفقیت اولین نمونه کار را در آزمایشگاه بل (Bell Labs) در نوامبر 1959 ساختند. از دهه 1960 به بعد، ماسفت به سرعت محبوبیت یافت و جایگزین فناوری های قدیمی مانند لوله های خلاء و BJTها شد. تکنولوژی به کار رفته در ماسفت راه را برای مدارهای مجتمع و عصر اطلاعات مدرن هموار کرد و با تولید میلیاردها دلار در هر CPU مدرن، بیشتر کالاهای تولید شده در تاریخ بشر به حساب می آیند.

مزایا و معایب ماسفت

مزایا

ماسفت ها در ولتاژهای پایین تر با راندمان بیشتری کار می کنند.
عدم وجود جریان گیت منجر به امپدانس ورودی بالا و سرعت سوئیچینگ بالا می شود.

معایب

ماسفت ها به دلیل لایه نازک اکسیدی در برابر بارهای الکترواستاتیکی آسیب پذیر هستند.
ولتاژ اضافه بار باعث ناپایداری ماسفت ها می شود.

ترانزیستور ماسفت چگونه ساخته می شوند؟

ساخت نیم رسانا در مراحل زیادی انجام می شود و ترانزیستورها و مدارهای یک لایه ای به طور همزمان می سازد. این فرآیند معمولاً با یک ویفر از سیلیکون خالص شروع می شود.

Deposition یک لایه جدید بر روی یک لایه موجود ایجاد می کند. این امر اغلب در فرآیند رسوب بخار شیمیایی انجام می شود.
فوتولیتوگرافی، نوری را از طریق یک ماسک می تاباند تا نواحی یک لایه را مشخص کند. ماسک علاوه بر اینکه تعیین می کند چه مناطقی نور می گیرند، شکل منتجه از ساختارهای حاصل را مشخص می کند. نور لایه پوشاننده را از نظر شیمیایی تغییر می دهد و آن را از مرحله بعدی اچینگ (Etching) محافظت می کند. با توجه به اندازه بسیار کوچک ترانزیستورهای ماسفت مدرن، طول موج های نور مرئی معمولی بیش از حد طولانی هستند، بنابراین اشعه ماوراء بنفش (UV) و نور شدید UV جدید در این مرحله مورد نیاز است.
اچینگ از یک ماده شیمیایی اسیدی برای حذف و برداشتن بالاترین لایه ماده ای که توسط ماسک محافظت نمی شود، استفاده می کند.
واشینگ یا شستشو هرگونه مواد شیمیایی باقیمانده را از بین می برد.
لایه های دوپینگ جایی قرار دارند که عناصر یا یون های اضافی برای ایجاد لایه های نوع p و n ایمپلنت می شوند.

سپس چیپست ها یا تراشه های تکمیل شده، بریده، تست و بسته بندی می شوند. در زمان بسته بندی، تراشه سیلیکونی در یک محفظه پلاستیکی یا فلزی قرار می گیرد که حاوی کانتکت های مورد نیاز برای اتصال تراشه با اجزای خارجی است. این بسته ها می توانند به اشکال مختلفی مانند بسته های سوراخ دار، بسته های درون خطی دوگانه (DIP)، بسته های نازک طرح کلی کوچک (TSOP)، آرایه شبکه پین (PGA)، آرایه شبکه توپی (BGA) یا آرایه شبکه زمینی (LGA) باشند.

نحوه کار ترانزیستور ماسفت

برای درک نحوه کار ترانزیستورهای MOSFET، به یک نمودار مدار معمولی به شرح زیر نگاه می کنیم:

یک بلوک که به عنوان سابستریت نیمه رسانای نوع p نیز شناخته می شود به عنوان پایه یا بدنه ماسفت عمل می کند.
دو طرف این سابستریت نوع p به شدت با ناخالصی نوع n دوپ شده است (با علامت n+ مشخص شده است)
سپس پایانه های سورس و درین از این دو ناحیه انتهایی خارج می شوند
تمام سطح سابستریت با یک لایه دی اکسید سیلیکون پوشیده شده است
دی اکسید سیلیکون به عنوان عایق عمل می کند
سپس یک صفحه فلزی نازک عایق شده در بالای دی اکسید سیلیکون قرار می گیرد که به عنوان یک صفحه خازن عمل می کند.
سپس ترمینال گیت از صفحه فلزی نازک خارج می شود
سپس یک مدار DC با اتصال یک سورس ولتاژ بین این دو ناحیه از نوع n (که با رنگ قرمز مشخص شده اند) تشکیل می شود.

هنگامی که ولتاژ در گیت اعمال می شود، میدان الکتریکی ایجاد می کند که عرض ناحیه کانال (جایی که الکترون ها در آن جریان دارند) را تغییر می دهد. هرچه منطقه کانال وسیع تر باشد، رسانایی دستگاه بهتر خواهد بود.

کاربردهای ترانزیستور ماسفت

قبلاً گفتیم که ماسفت برای سوئیچ یا تقویت ولتاژ در مدارها استفاده می شود، با این حال، ماسفت موارد دیگری هم مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله:

ماسفت رایج ترین نوع ترانزیستور امروزی است. کاربرد اصلی آنها کنترل رسانایی یا میزان جریان الکتریسیته بین پایانه های سورس و درین بر اساس میزان ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت آن است.
این ترانزیستورها را می توان به عنوان یک سوئیچ برای روشن و خاموش کردن مدار دیگر یا ترانزیستورهای دیگر استفاده کرد که اساس منطق دیجیتال را تشکیل می دهد. آنها همچنین می توانند برای تغییر میزان رسانایی مدارهای آنالوگ استفاده شوند و به عنوان تقویت کننده سیگنال عمل کنند.
ماسفت های قدرتی برای کنترل جریان یا توان بالا در مدارها استفاده می شوند. این ماسفت ها اغلب ترانزیستورهای منفرد هستند که به عنوان اجزای مجزا بسته بندی می شوند. ماسفت های قدرتی در منابع تغذیه سوئیچینگ و کنترل کننده های موتور رایج هستند.
ماسفت های IC زمانی استفاده می شوند که بسیاری از ماسفت ها روی یک تراشه قرار می گیرند. این ماسفت ها می توانند از تنها چند عدد ترانزیستور تا چند میلیارد ترانزیستور جداگانه در CPU ها و GPU های مدرن متغیر باشند. این زیربنای قانون مور را تشکیل می دهد. اندازه و سایز ترانزیستورهای ماسفت مدرن با کارایی بالا اکنون تنها چند نانومتر بوده و در فرآیندهای تولید آینده تنها به چند آنگستروم خواهند رسید. آی سی های مدرن به دلیل استفاده بهتر از برق، از پیکربندی MOS (CMOS) مکمل استفاده می کنند.
ماسفت ها در حافظه کامپیوتر هم برای رم و هم برای رام استفاده می شوند. در SRAM های قدیمی تر، یک ترانزیستور در فلیپ فلاپ برای ذخیره یک بیت باینری استفاده می شود. DRAM مدرن از شارژ یک خازن MOS برای ذخیره داده ها استفاده می کند. EPROM، EEPROM و حافظه های فلش مدرن از ماسفت های گیت شناور برای ذخیره داده ها استفاده می کنند.
خازن های MOS پایه و اساس بسیاری از انواع سنسورها یا حسگرها را تشکیل می دهند. در تصویربرداری دیجیتال، بار فوتون (photon’s charge) توسط یک خازن MOS ذخیره می شود و سپس توسط یک آی سی در دستگاه های قدیمی تر (CCD) و سنسورهای جدیدتر CMOS پیکسل فعال (حسگرهای CMOS) خوانده می شود. فناوری MOS در حسگرهای بیولوژیکی و شیمیایی نیز استفاده می شود.

سایر کاربردهای واقعی ترانزیستور ماسفت عبارتند از:

اساساً کاربردهای ترانزیستورهای ماسفت را می توان در پروژه های مختلف الکتریکی و الکترونیکی که امروزه به راحتی با میکروکنترلر ساخته می شوند، پیدا کرد. از جمله:

کنترل نور خیابان با شدت خودکار
جفت شدن با میکروکنترلر برای ساختن سیستمی که نورها را به طور خودکار از طریق پالس های کلاک مربوطه کنترل می کند.
کاربردهای رادیویی کنترل شده مانند قایق ها، هلیکوپترها و هواپیماهای بدون سرنشین
کنترل گشتاور و سرعت موتور
برنامه های فرکانس رادیویی به طور گسترده ای از تقویت کننده های ماسفت استفاده می کنند.
ماسفت به عنوان یک عنصر مدار غیرفعال عمل می کند.
ماسفت های قدرتی را می توان برای تنظیم موتورهای DC استفاده کرد.
در محیط های کنترل صنعتی و روباتیک و همچنین طراحی مدار چاپر (chopper circuit) از ماسفت ها استفاده می شود.

انواع ماسفت ها

ماسفت ها به طور کلی بسته به شیمی و کاربردشان به چند دسته تقسیم می‌شوند.

ماسفت های PNP و NPN (PNP and NPN MOSFETs)

سیلیکون خالص یک نیمه هادی است و به خودی خود بار را هدایت نمی کند. اما با افزودن ناخالصی ها یا دوپینگ (doping)، سیلیکون کمی شارژ شده و قادر به هدایت الکتریسیته می شود. هنگامی که عنصر دوپینگ دارای یک الکترون ظرفیت اضافی باشد، تبدیل به رسانای نوع n با بار منفی می شود. فسفر، آرسنیک و بیسموت عناصر دوپینگ معمولی نوع n به شمار می آیند.

هنگامی که دوپینگ که فقط دارای سه الکترون ظرفیت است، یک الکترون از لایه بیرونی خود را از دست می دهد به یک رسانای نوع p با بار مثبت تبدیل می شود که در آن سوراخ های الکترونی (electron holes) بار را حمل می کنند. عناصر دوپینگ معمولی نوع p عبارتند: از بور، گالیم و ایندیم.

در یک ماسفت، بدنه یک ناحیه دوپینگ ملایم از نوع p یا n است. پایانه های سورس و درین، نواحی بسیار دوپ شده از نوع مخالف بدنه هستند. این یک ساختار “ساندویچی” از سیلیکون مثبت – منفی مثبت (PNP، کانال p) یا منفی مثبت منفی (NPN، کانال n) ایجاد می‌کند که گیت بالا از نظر الکتریکی در برابر سیلیکون عایق بندی شده است.

ترانزیستورهای نوع افزایشی و کاهشی (Enhancement and depletion type transistors)

در ترانزیستورهای مد افزایشی، پایانه های سورس و درین توسط بدنه از یکدیگر جدا می شوند. هنگامی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نمی شود، طبیعتاً هیچ جریانی هم بین منبع و تخلیه نمی تواند جریان یابد. وقتی هیچ ولتاژی بر گیت اعمال نمی شود، رسانایی هم وجود ندارد. اعمال ولتاژ به گیت بر بدنه زیرین تأثیر می گذارد و اجازه می دهد رسانایی دستگاه افزایش یابد. ترانزیستور نوع افزایشی را می توان به عنوان یک سوئیچ یا کلید”معمولا باز یا در حالت عادی باز (normally open)” در نظر گرفت.

در یک ترانزیستور ماسفت مد کاهشی، پایانه های سورس و درین بسیار دوپ شده توسط یک ناحیه کم دوپ شده از همان نوع به یکدیگر متصل می شوند. هنگامی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نمی شود، رسانایی کانال در حداکثر میزان خود است و جریان می تواند بین سورس و درین جریان یابد. اعمال ولتاژ به گیت، بدنه زیرین را برای مقاومت در برابر جریان جریان تحت تأثیر قرار می دهد و باعث می شود رسانایی دستگاه کاهش یابد. ترانزیستور نوع کاهشی را می توان به عنوان یک سوئیچ “به طور معمول بسته یا در حالت عادی بسته (normally closed)” در نظر گرفت.

هر دو ترانزیستور ماسفت NPN و PNP را می توان به ترانزیستورهای حالت افزایشی یا کاهشی تبدیل کرد که این امر باعث می شود چهار نوع اصلی ترانزیستور ایجاد شود. در واقع ترانزیستورهای افزایشی یا کاهشی هر کدام به دو نوع n-channel یا p-channel تقسیم بندی می شوند. با این کار می توان ترانزیستور را برای استفاده از ولتاژ کنترل کننده مثبت یا منفی طراحی کرد.

در ساخت نیم رسانای اکسید فلزی مکمِّل (CMOS)، جفت های متضاد یا مکمل ترانزیستورهای کانال p و کانال n با هم استفاده می شوند. با انجام این کار، هنگام تعویض بین حالت های روشن و خاموش، فقط برای مدت کوتاهی از برق استفاده می شود. این امر انرژی مورد نیاز و گرمای تولید شده توسط مدار را در مقایسه با منطق کانال n یا p بسیار کاهش می دهد. از آنجا که برق و گرما بزرگترین نگرانی در طراحی مدرن آی سی هستند، CMOS به طراحی غالب برای گیت های منطقی تبدیل شده است.

خازن MOS وسیله ای ساده تر از ماسفت است که ساختاری مشابه ماسفت دارد اما فاقد سورس و درین می باشد. گیت و بدنه یک خازن کوچک ایجاد می کنند که می تواند بار الکتریکی را ذخیره کند. این ظرفیت را می توان در رم فرار (volatile RAM) برای ذخیره بیت یا در یک CCD برای جمع آوری شارژ استفاده کرد.

در ماسفت گیت شناور (FGMOS یا floating-gate MOSFET) گیت مستقیماً به پایانه متصل نیست. در عوض، آن الکتریسیته ایزوله ای است که گیت های ثانوی دیگری دارد که بر آن تأثیر می گذارد. این امر اجازه می دهد تا گیت از یک حالت به حالت دیگر تغییر کند. ماسفت گیت شناور در حافظه های غیر فرار مانند EEPROM و حافظه فلش برای ذخیره داده ها استفاده می شود.

MOSFET چه فرقی با BJT دارد؟

بنابراین، حالا که شما اصول اولیه ترانزیستور ماسفت و اصول کار آن را درک کرده اید، حتماً دوست دارید بدانید که چه تفاوتی بین ماسفت و یک ترانزیستور معمولی که همچنین به عنوان BJT (bipolar junction transistor) شناخته می شود، وجود دارد؟
ماسفت یک ترانزیستور اثر میدانی نیمه رسانای اکسید فلزی است در حالی که BJT یک ترانزیستور اتصال دوقطبی است.
ساختار سخت افزاری ماسفت عبارت است از 3 پایانه گیت، سورس و درین که یک پیچیدگی ساختار بالاتری دارد ولی ساختار سخت افزاری BJT عبارت است از امیتر (Emitter)، بدنه (base) و کالکتور (collecter)
اصل کار برای کارکرد ماسفت، به ولتاژ الکترود گیت عایق اکسید وابسته است ولی کارکرد BJT به جریان در پایانه بدنه بستگی دارد.
ماسفت برای استفاده در برنامه های کاربردی کنترل جریان با قدرت بالا و مدارهای آنالوگ و دیجیتال مناسب است ولی BJT در برنامه های کاربردی با جریان کم استفاده می شود.
مقاومت ورودی ماسفت بالاست. مقاومت ورودی BJT کم است.
ماسفت یک دستگاه کنترل ولتاژ است BJT یک دستگاه کنترل جریان است

حق انتخاب با شماست: کدام ترانزیستور را انتخاب کنید؟

اگرچه MOSFET مزایایی مانند کنترل ولتاژ نسبت به BJT دارد، انتخاب هر کدام به اهداف کاربردی شما بستگی دارد. توصیه ما این است که اگر به دنبال تنظیم جریان بالا در پالس های باریک یا برای هر برنامه کاربردی با توان بالا هستید، ماسفت بهترین ترانزیستور است. اما برای استفاده از مدارهای الکتریکی رایج یا کاربردهای جریان کم در خانه، BJT ها ممکن است کار شما را ه بیندازند.

سوالات متداول

ترانزیستور ماسفت چیست؟

ماسفت یا ترانزیستورهای اثر میدان سیلیکون اکسید فلز یک دستگاه چهار ترمینال کنترل شده با ولتاژ است که برای اهداف سوئیچینگ و تقویت استفاده می شود.

آیا ماسفت می تواند در هر دو جهت حرکت کند؟

بله، ماسفت ها دو طرفه هستند.

چند نوع ماسفت وجود دارد؟

ماسفت ها به دو دسته تقسیم می شوند: افزایشی و کاهشی. هر دسته هم به صورت n-channel یا p-channel موجود است.

مناطق عملیاتی ترانزیستور ماسفت کدامند؟

سه منطقه عملیاتی وجود دارد که به عنوان منطقه برش (cut off region)، منطقه اهمی (ohmic region) و منطقه اشباع (saturation region) نامگذاری می شوند.

منطقه برش منطقه ای است که در آن رسانایی وجود نخواهد داشت و در نتیجه ماسفت خاموش می شود. در این شرایط ماسفت مانند یک سوئیچ باز عمل می کند.
منطقه اهمی منطقه ای است که در آن جریان IDS با افزایش مقدار VDS افزایش می یابد. هنگامی که ماسفت ها برای کار در این منطقه ساخته می شوند، به عنوان تقویت کننده استفاده می شوند.
در منطقه اشباع، ماسفت ها علی رغم افزایش VDS جریان IDS خود را ثابت نگه می دارند و زمانی که VDS از مقدار ولتاژ قطع VP بیشتر شود. تحت این شرایط، دستگاه مانند یک سوئیچ بسته عمل می کند که از طریق آن مقدار اشباع شده IDS جریان می یابد. در نتیجه، هر زمان که ماسفت برای انجام عملیات سوئیچینگ مورد نیاز باشد، این منطقه، منطقه عملیاتی انتخاب می شود.