ترانزیستور ماسفت چیست و چه کاربردی دارد؟

ترانزیستور ماسفت یا MOSFET (مخفف عبارت Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor، به معنای ترانزیستور اثر میدانیِ نیمه ‌رسانای اکسید فلز) دستگاهی نیمه هادی است که به صورت گسترده برای اهداف سوئیچینگ و تقویت سیگنال های الکترونیکی در برد های الکترونیکی استفاده می شود. این ترانزیستور بر اساس ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت، مقدار الکتریسیته ای را که بین پایانه ها جریان می یابد، کنترل می کند. با ما تا انتهای این مقاله همراه باشید تا شما را با موضوعات مرتبط با این ترانزیستور آشنا کنیم. برای شروع اجازه دهید به صورت تخصصی تر ببینیم ترانزیستور ماسفت چیست؟

ترانزیستور ماسفت چیست؟

یکی از اجزای اصلی مدار های مجتمع ترانزیستور ماسفت است و به دلیل اندازه‌ی کوچکش، در تراشه ها و برد های الکترونیکی استفاده می‌شود؛ این ترانزیستور دارای چهار پایانه‌ی منبع (S)، دروازه (G)، تخلیه (D) و بدنه (B) می باشد. پایانه‌ی بدنه معمولاً به ترمینال منبع متصل می شود تا که ماسفت به عنوان یک ترانزیستور اثر میدانی (Field Effect) عمل کند.

بستر و پایانه های منبع (S) و تخلیه‌ی (D) ترانزیستور، از مواد نیمه هادی دوپ شده‌ی مثبت یا منفی تشکیل شده اند (با استفاده از مواد دوپینگ p و n). پایانه‌ی دروازه نیز که از سیلیکون رسانا ساخته شده، توسط یک لایه‌ی اکسید نارسانا از آنها جدا می شود. با اعمال ولتاژ به گیت، خواص الکتریکی ماده‌ی نیمه هادی زیرین تغییر می یابد و به این صورت باعث اجازه دادن یا جلوگیری از جریان یافتن الکتریسیته، بین پایانه های منبع و تخلیه (drain) می شود.

چندین ویژگی ذاتی ترانزیستور های ماسفت، آنها را به رایج ترین نوع ترانزیستور موجود در بازار تبدیل می کند. آنها انرژی کمی مصرف می کنند و سرعت سوئیچینگ بالاتری نسبت به سایر انواع ترانزیستور ها دارند. همچنین اندازه‌ی کوچک شان اجازه می دهد در تراکم های بالا بسته بندی شوند و برای استفاده در مدارهای مجتمع عالی باشند. آنها همچنین به فرایند ساخت و پردازش نسبتاً ساده ای نیز نیاز دارند.

موارد استفاده و کاربرد ترانزیستور ماسفت

همانطور که گفته شد، امروزه ترانزیستور ماسفت رایج ترین نوع ترانزیستور شناخته می شود. کاربرد اصلی این ترانزیستور کنترل رسانایی و یا میزان جریان الکتریسیته بین پایانه های منبع و تخلیه بر اساس میزان ولتاژ اعمال شده به ترمینال گیت است. این عملکرد می تواند به عنوان یک سوئیچ برای روشن یا خاموش کردن مداری دیگر و یا ترانزیستورهای دیگر استفاده شود که اساس منطق مدار دیجیتال را تشکیل می دهد. آنها همچنین می توانند برای تغییر میزان رسانایی مدارهای آنالوگ نیز استفاده شوند و به عنوان یک تقویت کننده‌ی سیگنال عمل کنند. در ادامه برای اینکه با کاربرد های دیگر این نوع ترانزیستور آشنا شوید، آن ها را به ماسفت های قدرتی و IC تقسیم بندی می کنیم.

کاربرد ماسفت های قدرتی (power MOSFET):

ماسفت های قدرتی (power MOSFET) برای کنترل جریان و یا توان بالا در مدارها استفاده می شوند. این ها اغلب ترانزیستورهای منفردی هستند که به عنوان جزء مجزایی بسته بندی می شوند و در منابع تغذیه‌ی سوئیچینگ و کنترل کننده های موتور مورد استفاده قرار می گیرند.

ماسفت های IC (MOSFET IC)

زمانی که تعداد زیادی ماسفت روی یک تراشه قرار بگیرد به آن ماسفت IC می گویند. این نوع ماسفت می تواند از تنها چندین ترانزیستور تا چندین میلیارد ترانزیستور جداگانه در CPU و GPU های مدرن متغیر باشند.

• ماسفت های IC بر روی CPU
• در حال حاضر ماسفت‌های مدرن با کارایی بالا، تنها چندین نانومتر اندازه دارند و پیشبینی می‌شود این اندازه به آنگستروم نیز برسد.
• ماسفت ها در حافظه‌ی کامپیوتر هم برای رم (RAM) و هم برای رام (ROM) استفاده می شوند.

انواع مختلف ترانزیستور های ماسفت

بالاتر به دو نوع مختلف از ترانزیستور های ماسفت اشاره کردیم، حال بیایید با بقیه‌ی آنها آشنا شویم.

ماسفت های PNP و NPN

سیلیکون خالص یک ماده‌ی نیمه هادی است و به خودی خود باری را هدایت نمی کند. افزودن ناخالصی یا به اصطلاح دوپینگ، سیلیکون را کمی شارژ می کند به صورتی که قادر به هدایت الکتریسیته خواهد شد. بسته به دوپینگی که به سیلیکون اضافه می شود، سیلیکون تبدیل به هادی نوع n و p می شود.

• سیلیکون هادی نوع n: هنگامی که عنصر دوپینگ دارای یک الکترون ظرفیت اضافی باشد، سیلیکون تبدیل به یک هادی نوع n با بار منفی می شود. عناصر دوپینگ نوع n شامل فسفر، آرسنیک و بیسموت هستند.
• سیلیکون هادی نوع p: هنگامی که عنصر دوپینگ یک الکترون از پوسته بیرونی خود را از دست داده باشد (فقط دارای سه الکترون ظرفیتی باشد) سیلیکون را به یک هادی نوع p با بار مثبت تبدیل می کند که در آن سوراخ های الکترونی (electron holes) بار را حمل می کنند. عناصر دوپینگ نوع p عبارتند از بور، گالیم و ایندیم.

در یک ترانزیستور ماسفت، بستر یا بدنه به صورت ملایم ولی پایانه های منبع و تخلیه، به صورت شدید تری با مواد نوع n و p دوپ شده اند. نوع ماده‌ی دوپینگ به کار رفته در بدنه باید مخالف پایانه ها باشد. به همین خاطر یک ساختار “ساندویچی” به وجود می آید که دو نوع ماسفت های نوع PNP یا کانال p و NPN یا کانال n را ایجاد می‌کنند.

ترانزیستورهای نوع افزایش (Enhancement) و تخلیه (depletion)

دو نوع دیگر ترانزیستور های ماسفت، انواع افزایشی و تخلیه می باشند. در ترانزیستورهای نوع افزایشی یا enhancement، پایانه های منبع و تخلیه‌ی قطعه توسط بدنه از یکدیگر جدا می شوند. بنابراین هنگامی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نشود، جریانی نیز بین پایانه های منبع و تخلیه جریان نخواهد یافت. اعمال ولتاژ به گیت، بر بدنه زیرین تاثیر خواهد گذاشت تا جریان برقرار شود. ترانزیستور Enhancement را می توان به عنوان یک سوئیچ “معمولا باز” در نظر گرفت.

در ترانزیستور نوع تخلیه (depletion)، پایانه های منبع و تخلیه‌ی بسیار دوپ شده توسط یک ناحیه کم تر دوپ شده از همان نوع به یکدیگر متصل می شوند. هنگامی که هیچ ولتاژی به گیت اعمال نشود، جریان می تواند بین منبع و تخلیه برقرار شود. اما با اعمال ولتاژ به گیت، بدنه‌ی زیرین برای ایجاد مقاومت در برابر جریان تحت تاثیر قرار خواهد گرفت. ترانزیستور depletion حالت تخلیه را می توان به عنوان یک کلید “به طور معمول بسته” در نظر گرفت.

هر دو نوع ترانزیستور ماسفت NPN و PNP را می توان به ترانزیستورهای نوع افزایشی یا تخلیه تبدیل کرد. این عمل اجازه می دهد بتوان ترانزیستور هایی را برای استفاده در کنترل ولتاژ مثبت یا منفی طراحی کرد.

سایر انواع ترانزیستور ماسفت

از انواع دیگر ترانزیستور ماسفت، می توان به موارد زیر اشاره کرد.

• ماسفت گیت شناور یا FGMOS (Floating-Gate MOSFET): ماسفت گیت شناور (FGMOS) یکی از انواع ترانزیستور های ماسفت است که در آن پایانه‌ی گیت، مستقیماً به ترمینال منبع متصل نیست. این ترانزیستور در حافظه های غیر فراری مانند EEPROM و فلش مموری ها برای ذخیره داده ها استفاده می شوند.
• ماسفت TFT: ترانزیستور لایه نازک یا thin-film transistor (TFT) یکی از انواع منحصر به فرد ترانزیستور ماسفت به شمار می آید. این قطعه شامل رسوب لایه های نیمه هادی نازک، همراه با یک لایه‌ی دیالکتیک و چندین تماس فلزی بر روی یک بستر نگهدارنده است. از TFT در ساخت پنل های نمایش ویدئویی استفاده می شود.
• ترانزیستور ماسفت multi-gate: ماسفت multi-gate یا چند گیتی، ترانزیستوری دارای پیکربندی تترود است که در آن سطح جریان توسط چندین گیت کنترل می شود. این قطعه معمولاً در دستگاه‌هایی که به کاهش تلفات مرتبط با اثر میلر نیاز دارند استفاده می شود.

سوالات پرتکرار

تا به اینجا با ساختار، کاربرد ها و انواع ترانزیستور ماسفت آشنا شدیم. حال نوبت آن است که به بررسی سوالات پرتکرار مربوط این قطعه‌ی مهم در برد های الکترونیکی بپردازیم.

• چگونه عملکرد ماسفت را تست کنیم؟

برای تست کردن و بررسی عملکرد ماسفت، ابتدا باید افت دیود در آن را بررسی کنید. این کار نیاز به استفاده از DMMی دارد که روی حالت دیود تنظیم شده باشد. افت دیود در ماسفت ایده آل 0.4 تا 0.9 ولت خواهد بود. برای کامل کردن ارزیابی عملکرد، باید یک بررسی مقاومت نیز انجام شود. در صورت سالم بودن ترانزیستور، بدون توجه به قطبیت پروب DMM، باید مقاومت بالایی بین منبع تخلیه وجود داشته باشد.

• ماسفت ها چگونه ساخته می شوند؟

ساخت ترانزیستور ماسفت طی مراحل زیاد و به صورت لایه لایه انجام می شود. این فرآیند معمولاً با یک ویفر از سیلیکون خالص شروع شده و با مراحل زیر ادامه پیدا می کند:

• مرحله‌ ی Deposition یا لایه نشانی: در این مرحله یک لایه‌ی جدید طی فرآیند رسوب بخار شیمیایی، بر روی لایه‌ی ویفر موجود ایجاد می شود.
• مرحله‌ ی فوتولیتوگرافی: در این مرحله نوری از طریق یک قالب تابانده خواهد شد تا نواحی مختلف لایه مشخص شود.
• مرحله‌ ی حکاکی: طی مرحله‌ی حکاکی از یک ماده شیمیایی اسیدی برای برداشتن بالاترین لایه‌ی ماده ای که توسط قالب محافظت نمی شود، استفاده خواهد شد.
• مرحله‌ ی شستشو: شستشو هرگونه ماده‌ی شیمیایی باقیمانده را از بین خواهد برد.
• مرحله‌ ی دوپینگ: ماده‌ی دوپینگ همانطور که در بالاتر نیز گفته شد، برای ایجاد لایه های نوع p و n، به سیلیکون اضافه خواهد شد.
• مرحله‌ی انتهایی: در انتها نیز ترانزیستور تکمیل شده بریده، آزمایش و بسته بندی خواهند شد.

• چرا ماسفت یک دستگاه کنترل ولتاژ است؟

به این خاطر ترانزیستور ماسفت به عنوان یک دستگاه کنترل کننده‌ی ولتاژ شناخته می شود که جریان خروجی (تخلیه ای) را می تواند از طریق ولتاژ منبع گیت کنترل کند.