ترانزیستور اثر میدان(FET) قسمت دوم : ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق شده یا IGFET
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 VDS افزایش یابد ، جریان درین نیز افزایش می یابد تا سرانجام به یک مقدار ثابت می رسد. از آن پس ، افزایش VDS در مقدار جریان تاثیر محسوسی ندارد. این رفتار ناشی از آن است که افزایش VDS 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 ID کم می شود.
هر چه مقدار این ولتاژ منفی بیشتر شود ، جریان درین کم تر می شود تا این که در VGS off کانال به طور کامل از بار آزاد تهی شده و جریان ID 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 VGS off روی جریان درین در محدوده مقدار ماکزیمم IDSS 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 VDS – ID را برای ولتاژ های گیت سورس مختلف نشان می دهد. با منفی تر شدن ولتاز گیت سورس ، ID 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 VDS 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) VGS(th) نشان می دهند. مقدار نامی این ولتاژ در حدود ۲ ولت است. هنگامی که کانال شکل گرفت ، هر قدر VGS 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 ( VDS ) جریان درین را نیز افزایش می دهد. این افزایش جریان با گذشتن VDS 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 VGS 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.
توجه: هرگونه شبیه سازی در زمینه نرم افزارهای مهندسی برق قدرت پذیرفته میشود.
تمام شبیه سازی های شما توسط تیم مجرب و متخصص ایران پروژه انجام می شود.
جهت سفارش با ایمیل های زیر و یا ایدی تلگرام مدیر ارتباط برقرار کنید:
Iran_Projects@yahoo.com
Iranprojects@yahoo.com
Iranprojects0098@gmail.com
آدرس کانال تلگرامی
ایدی ادمین
