ترانزیستور FET

ترانزیستور اثر میدان ( FET )

مقدمه

ترانزیستور های معمولی به دلیل ساختار فیزیکی خاصی که دارند ترانزیستور های دو پیوندی یا BJT نامیده می شوند و عناصری هستند که جریان را کنترل می کنند به زبانی دیگر جریان بیس ترانزیستور جریان کلکتور را کنترل می کند. البته در BJT تغییر ولتاژ بیس امیتر نیز می تواند I_B را تغییر داده و سرانجام I_C کنترل شود. برای برقراری جریان در اتصال کلکتور ، باید جریان بیس به اندازه ای باشد که بتواند به طور کامل بر پتانسیل سد پیوند بیس امیتر غلبه کند و آن را بشکند. وجود جریان ورودی زیاد در ترانزیستور BJT باعث می شود که مقاومت ورودی ترانزیستور های دو پیوندی نسبتا کم باشد به طوری که مقاومت ورودی حتی در آرایش کلکتور مشترک، از چند صد کیلو اهم تجاوز نکند.

بنابراین هنگامی که می خواهیم سیگنال منبعی با فرکانس بالا را تقویت کنیم نمی توانیم ترانزیستور BJT را در طبقه اول تقویت کننده به کار ببریم زیرا مقاومت ورودی کم آن باعث بار گذاری می شود

ترانزیستور اثر میدان پیوندی یا JFET ( Junction Field Effect Transistor )

ساختمان JFET با کانال N

شکل زیر ساختمان این نوع ترانزیستور را نشان می دهد:

این ترانزیستور از یک کریستال نوع N تشکیل شده است که یک فلز ۳ ظزفیتی مانند ایندیم را به گونه ای نفوذ می دهند که یک ناحیه نوع p با غلظتی بیش از ناحیه n تشکیل شود تا یک پیوند PN بوجود آید. در این حالت ناحیه N را کانال و نیمه هادی نوع P را دروازه یا گیت ( Gate )       می نامند. با اتصال دو سیم به دو طرف لایه N و یک سیم به لایه P یک عنصر سه پایه حاصل می شود که به ترانزیستور با اثر میدان پیوندی معروف است.

در عمل برای این که ترانزیستور مشخصات الکتریکی بهتری داشته باشد ، ناحیه گیت را مانند شکل زیر در اطراف کانال ایجاد می کنند.

در این ترانزیستور دو کریستال P را از داخل به هم وصل می کنند ، چنانچه ترانزیستوری با دو گیت در دست باشد ، باید به وسیله سیمی این دو پایه را به هم وصل نمود . ممکن است برای سادگی رسم شکل ، دو کریستال P را که به هم متصل است فقط با یک اتصال گیت ، نشان دهند.

علامت اختصاری این نوع ترانزیستور به صورت است :

ساختمان JFET با کانال P

ساختمان JFET با کانال P شبیه JFET با کانال N است، با این تفاوت که جنس کانال از نوع کریستال P و جنس گیت از کریستال N است. در شکل زیر ساختمان کریستالی و علامت اختصاری JFET با کانال P را مشاهده می کنید:

رفتار JFET در مدار

برای بررسی رفتار ترانزیستور در مدار ، نخست حالتی را در نظر می گیریم که پایه گیت به پایه سورس اتصال کوتاه شده باشد. در این حالت اثر تغییر V_DS را روی کانال بررسی می کنیم.

مطابق شکل زیر اگر پایه های درین سورس نیز اتصال کوتاه شده باشند ، هیچ جریانی از کانال نمی گذرد و نواحی P و N توسط لایه نازک سد که تهی از حامل های جریان است و بلافاصله پس از ایجاد پیوند PN به وجود می آید ، از یکدیگر جدا می شوند.

حال اگر یک منبع ولتاژ به نام V_DD را بین پایه های درین و سورس وصل کنیم ، به طوری که درین نسبت به سورس مثبت باشد ، با افزایش تدریجی ولتاژ ، جریانی که از کانال می گذرد نیز افزایش می یابد. اعمال این ولتاژ بین درین و سورس و عبور جریان از آن ، افت ولتاژی را در مسیر به وجود می آورد و پیوند PN را در گرایش معکوس قرار   می دهد. در این حالت ناحیه تهی شده از حامل های جریان بیشتر در داخل کانال نفوذ می کند. شکل زیر ، ناحیه تهی از بار P و N ( افزایش لایه سد ) در اثر افزایش جریان درین را نشان می دهد.

گسترش ناحیه تهی از بار در اثر توزیع پتانسیل V_DS  از درین تا سورس است. چون گیت در پتانسیل صفر قرار دارد و هم پتانسیل با سورس است، هرقدر در طول کانال به درین نزدیک تر شویم ، اختلاف پتانسیل آن نسبت به گیت بیش تر می شود ، زیرا در طول میله مانند افت ولتاژ در یک مقاومت است. در این شرایز اتصال PN بیشتر به بایاس مخالف میل می کند و لایه تهی از بار گسترده تر می شود. به بیان دیگر توسعه ناحیه تهی از بار ( گسترش ناحیه سد) از سمت درین رشد می کند.

چنانچه V_DS را باز هم افزایش دهیم ، ناحیه تهی شده گسترش بیشتری می یابد و سرانجام مطابق شکل زیر به حداکثر گسترش خود می رسد.

تا زمانی که کانال به حد اکثر گرفتگی نرسیده است ، افزایش V_DS  سبب افزایش جریان درین I_D می شود. با بسته شدن حداکثری کانال ، دیگر افزایش V_DS تغییر محسوسی در جریان درین ایجاد نمی کند و جریان درین ثابت می ماند ، در این حالت می گویند JFET به اشباع رسیده است.

جریان اشباع را I_DSS  ( جریان درین سورس اشباع ) می نامند. افزایش بیشتر V_DS ، ناحیه تهی از بار در سطح کانال را گسترده تر می کند و مقاومت کانال افزایش می دهد. چون میزان افزایش V_DS و افزایش مقاومت کانال ( R_DS ) به یک نسبت است، جریان درین همچنان ثابت باقی می ماند. همان طور در شکل زیر مشاهده می کنید ، افزایش V_DS بعد از بسته شدن حداکثری کانال ، تاثیری در مقدار I_D ندارد و I_D در حد مقدار I_DSS ثابت باقی مانده است.

چنان چه مطابق شکل زیر با اعمال یک ولتاژ به دو سر گیت سورس سد PN را در گرایش معکوس قرار دهیم ، هرگونه افزایشی در میزان این ولتاژ ، گسترش سریع تر لایه سد ( ناحیه تهی از حامل های جریان ) در داخل کانال را به همراه داردو موجب افزایش مقاومت کانال و کاهش جریان درین می شود.

شکل زیر نشان می دهد که با کاهش V_GG ، عرض کانال بیشتر می شود و مقاومت کانال را کاهش می دهد. در این شرایط جریان درین بیشتری از مدار می گذرد.

در این شکل نیز مقدار V_GS را افزایش داده ایم. در این حالت، کانال باریک تر می شود و مقاومت کانال را افزایش می دهد. لذا جریان درین ( I_D ) کمتری از مدار می گذرد.

منحنی مشخصه JFET

برای این که بتوانیم هر قطعه ی الکترونیکی را تحلیل و بررسی کنیم باید منحنی مشخصه های را در مورد  آن بدانیم. این منحنی مشخصه ها را رابطه ی بین ولتاژ و جریان پایه ها را بررسی می کنند.

در ترانزیستور JFET تغییرات جریان درین وابسته به تغییرات دو عامل است که یکی V_DS و دیگری V_GS می باشد. برای مشخص کردن میزان این وابستگی ها باید در هر مرحله یکی از این متغیر ها را ثابت نگه داریم و دیگری را تغییر دهیم و مجهول را بررسی کنیم.

مدار زیر برای رسم منحنی مشخصه های JFET می باشد:

 

منحنی مشخصه ی خروجی JFET

برای رسم منحنی مشخصه ی خروجی این ترانزیستور باید اثر تغییرات ولتاژ V_DS را بر جریان I_S به ازای ولتاژ های مختلف V_GS بررسی کنیم.

برای این کار می توانیم در هر مرحله ولتاژ V_GS را رو ی یک مقدار مشخص تنطیم کنیم و سپس با تغییر V_DS از صفر تا حداکثر جریان I_S را بررسی کنیم.

این منحنی مشخصه به صورت زیر می باشد :

نواحی کار منحنی مشخصه ی خروجی

در این قسمت نواحی مختلف ای ترانزیستور و حالت های کاری که ترانزیستور می تواند روی آن قرار بگیرد را بررسی می کنیم:

ناحیه قطع ( Cut off Region )

ناحیه قطع ناحیه ای است که در آن ولتاژ V_GS برابر با V_{GS off}  می باشد. در این حالت کانال داخل ترانزیستور بسته می شود و جریان I_D برابر با صفر است و با تغییرات V_DS این مقدار جریان تغییر نمی کند.

در این حالت ترانزیستور به صورت یک کلید قطع عمل می کند.

ناحیه اهمی ( Ohmic Region )

این بخش ناحیه ای از منحنی مشخصه خروجی بخش است که در آن تغییرات جریان I_D نسبت به V_DS  خطی است. در این ناحیه ترانزیستور مانند یک مقاومت اهمی تابع ولتاژ عمل می کند که مقدار آن با ولتاژ گیت سورس کنترل می شود.

ناحیه اشباع یا فعال ( Active Region )

در ناحیه ای که در آن V_DS > V_r می باشد ناحیه اشباع یا فعال می گویند. در این ناحیه تغییرات V_DS اثری بر مقدار I_D ندارد و جریان درین تقریبا ثابت است.

شکل زیر محدوده این ناحیه را بر روی منحنی مشخصه ی خروجی نشان می دهد :

برای آن که ترانزیستور از ناحیه اهمی وارد ناحیه اشباع (فعال) شود باید مقدار ولتاژ درین سورس از مقدار معینی که ولتاژ درین سورس گذر ( Transition Voltage )       ( V_Dstr ) نامیده می شود ، بیشتر باشد یعنی V_DS > V_DS(Tr) .

ولتاژ درین سورس گذر از رابطه :

در ناحیه اشباع ، مقدار جریان I_D را می توان از رابطه زیر بدست آورد :

 

منحنی مشخصه ی انتقالی JFET

در منحنی مشخصه ی انتقالی ، تغییرات V_GS را بر I_D بررسی می کنیم. مقدار V_GS می تواند از صفر ولت تا مقدار V_{GS off}  تغییر کند. این تغییرات ولتاژ ، جریان درین را از I_D = 0 تا I_DSS کنترل می کند. به همین دلیل نسبت بین دو کمیت I_D برحسب تغییرات V_GS در شرایطی که V_DS ثابت است را منحنی مشخصه انتقالی می گویند. در شکل زیر منحنی مشخصه ی انتقالی برای یک نوع JFET با کانال N رسم شده است :

ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق شده یا IGFET ( Insulated Gate FET )

این ترانزیستور ها دارای گیت عایق شده می باشند. در این ترانزیستور ها گیت با لایه اکسید سیلیکون از کانال جدا        می شود و هیچ جریانی از گیت نمی گذرد. لذا مقاومت ورودی آن فوق العاده افزایش می یابد. این ترانزیستور را بیشتر به نام MOSFET می شناسند. MOSFET مخفف Metal Oxide Semiconductor FET می باشد.

انواع ترانزیستور های MOSFET

ترانزیستور های MOSFET به دو صورت ساخته می شوند.

۱- ترانزیستور های MOSFET با کانال تهی شونده ( DMOSFET )
۲- ترانزیستور های MOSFET با کانال تشکیل شونده یا بهبود یافته (EMOSFET)

 

ترانزیستور MOSFET با کانال تهی شونده

 

ترانزیستور MOSFET با کانال تهی شونده نوع N

این نوع ترانزیستور از یک قطعه نیمه هادی پایه نوع P با ناخالصی کم تشکیل شده است. درون این قطعه، دو ناحیه نوع N با ناخالصی زیاد ایجاد می کنند. این نواحی را بوسیله یک کانال نوع N با ناخالصی کم به یک دیگر وصل می کنند. از طرفین کانال ، کنتاکت های درین – سورس خارج می شوند. گیت این ترانزیستور را یک صفحه فلزی تشکیل می دهد که توسط لایه نازکی از دی اکسید سیلیکون از کانال کاملا جدا شده است.

در شکل زیر ساختمان این نوع MOSFET رسم شده است. این نوع MOSFET را از این به بعد DMOSFET می نامیم.

اتصال ولتاژ به پایه های DMOSFET

هرگاه مطابق شکل به پایه درین سورس ولتاژی اتصال دهیم ، این ولتاژ به برقراری جریان در داخل کانال منجر می شود. هر قدر V_DS افزایش یابد ، جریان درین نیز افزایش می یابد تا سرانجام به یک مقدار ثابت می رسد. از آن پس ، افزایش V_DS در مقدار جریان تاثیر محسوسی ندارد. این رفتار ناشی از آن است که افزایش V_DS به گسترش ناحیه تهی در داخل کانال منجر می شود و گرفتگی کانال به حداکثر می رسد.

برقراری یک ولتاژ منفی بین گیت سورس مانند شکل زیر موجب می شود که در داخل کانال یک ناحیه تهی از حامل های جریان بوجود آید. در این حالت الکترون ها از کانال رانده می شود و به جای آن ها یون های مثبت باقی می مانند. به این ترتیب هدایت در کانال کاهش می یابد و جریان درین I_D کم می شود.

هر چه مقدار این ولتاژ منفی بیشتر شود ، جریان درین کم تر می شود تا این که در V_{GS off} کانال به طور کامل از بار آزاد تهی شده و جریان I_D خیلی کم تر و نزدیک به صفر است.

همان طور که مشاهده می شود در DMOSFET با کانال N نیز مانند JFET با کانال N ، تغییر ولتاژ گیت سورس در محدوده صفر تا V_{GS off}  روی جریان درین در محدوده مقدار ماکزیمم I_DSS تا صفر اثر دارد. در DMOSFET ها می توان مانند شکل به گیت سورس ولتاژ مثبت نیز اتصال داد.

ساختمان DMOSFET با کانال تهی شونده نوع P

ساختمان DMOSFET با کانال P تهی شونده ، شبیه نوع کانال N است. مطابق شکل بلور پایه از کریستال نوع N و کانال از نوع P است.

عملکرد هردو DMOSFET کانال N و P شبیه به هم است و فقط قطب باتری هایی که به DMOSFET با کانال P وصل       می شود برعکس DMOSFET با کانال N است.

علامت اختصاری DMOSFET

علامت اختصاری هر دو نوع DMOSFET در شکل زیر نشان داده شده است. بلور پایه به وسیله پیکانی مشخص می شود. بلور پایه معمولا ( نه همیشه ) از داخل به سورس اتصال دارد.

منحنی های  مشخصه DMOSFET

با توجه به توضیحات داده شده ، می توان در DMOSFET ، به گیت سورس ولتاژ مثبت یا منفی داد. اتصال ولتاژ منفی متداول است. شکل زیر خانواده منحنی های مشخصه V_DS – I_D را برای ولتاژ های گیت سورس مختلف نشان می دهد. با منفی تر شدن ولتاز گیت سورس ، I_D کاهش یافته است.

در شکل زیر منحنی مشخصه ی انتقالی را مشاهده می کنید :

ترانزیستور MOSFET با کانال تشکیل شونده

در این نوع ترانزیستور بر خلاف ترانزیستور با کانال تهی شونده ، کانال را در هنگام ساخت ایجاد نمی کنند. لذا تا وقتی که گیت ترانزیستور بایاس نشود ، ترانزیستور خاموش می ماند. به علت مقاومت خیلی زیاد بلور پایه که درین سورس را از یکدیگر جدا می کند ، عملا با افزایش V_DS جریان محسوسی از درین نمی گذرد.

شکل زیر ساختمان داخلی این نوع MOSFET را نشان می دهد :

در صورتی که گیت سورس را طوری بایاس کنیم که پتانسیل گیت از سورس مثبت تر باشد ، میدان الکترواستاتیکی گیت ، تعدادی الکترون آزاد از نواحی n⁺ و کریستال پایه جذب می کند و یک کانال باریک به صورت القایی بین درین و سورس بوجود می آید. این کانال ، مقاومت بین دوپایه را کاهش می دهد و موجب برقراری جریان درین می شود.
شکل زیر ایجاد کانال را پس از اعمال ولتاژ گیت سورس نشان می دهد. همان طور که ملاحظه می شود در این نوع ترانزیستور چون کانال تشکیل می شود آن را تشکیل شونده می گویند.

حداقل ولتاژی را که لازم است بین گیت – سورس اعمال شود تا جریان درین برقرار گردد ، ولتاژ آستانه روشن شدن ترانزیستور می گویند و آن را (Threshold) V_GS(th)  نشان می دهند. مقدار نامی این ولتاژ در حدود ۲ ولت است. هنگامی که کانال شکل گرفت ، هر قدر V_GS بیشتر شود عرض کانال افزایش می یابد و مقاومت بین درین و سورس کم می شود. در این حالت جریان درین به ازای یک ولتاژ معین درین سورس افزایش می یابد. افزایش ولتاژ درین سورس ( V_DS ) جریان درین را نیز افزایش می دهد. این افزایش جریان با گذشتن V_DS از حد بحرانی متوقف می شود.

 

منحنی مشخصه EMOSFET با کانال N

در شکل زیر منحنی مشخصه EMOSFET با کانال N رسم شده است. همان طور که مشاهده می شود هر قدر V_GS مثبت تر باشد جریان درین افزایش می یابد.

علامت اختصاری EMOSFET

علامت اختصاری هر دو نوع MOSFET با کانال N و P تشکیل شئنده را در شکل زیر مشاهده می کنید. خطوط شکسته بین درین سورس بیانگر عدم وجود کانال اولیه است.

MOSFET های قدرت Power MOSFET

در MOSFET های متداول مانند شکل زیر فقط لایه نازکی از کانال به صورت افقی قرار دارد. این لایه مقاومت نسبتا بالایی را بین درین و سورس ایجاد می کند. لذا این نوع MOSFET ها برای کار در قدرت های پایین مود استفاده قرار می گیرند.

وقتی به گیت سورس پتانسیل مثبتی می دهیم کانال در مجاورت گیت ، بین سورس و درین شکل می گیرد.
اما MOSFET های قدرت که LD MOSFET ( Laterally Diffused MOSFET ) نام گذاری شده اند ، ساختاری با کانال عرضی متفاوت با EMOSFET دارند و از نوع بهبود یافته هستند و برای کاربرد در قدرت های بالا طراحی شده اند. شکل زیر ساختمان داخلی یک نوع از این MOSFET ها را نشان می دهد.

کانال در این قطعه نسبت به EMOSFET های متداول ، کوتاه تر است و در نتیجه مقاومت کمتری ایجاد می کند. این خاصیت سبب تحمل ولتاژ بالاتر و عبور جریان بیشتر می شود.

در این نوع MOSFET ها وقتی گیت مثبت می شود ، کانال خیلی کوتاهی از نوع n در لایه p و بین دو ناحیه n⁺ و n^– نفوذ می کند و موجب برقراری جریان بین درین و سورس می شود.

 شکل ظاهری ترانزیستور های FET

در شکل زیر ساختمان ظاهری چند نمونه JFET و MOSFET را مشاهده می کنید :

بیشتر بخوانید :

تریستور چیست؟

تستر تریاک و تریستور

عیب یابی موتورهای الکتریکی

ترانزیستور چگونه کار می کند

IGBT چیست؟