در آموزش ترانزیستور خانواده FET و انواع آن می خواهیم بیشتر شماها را با ترانزیستور های میدان آشنا کنیم

مقدمه

ترانزیستور خانواده FET و انواع آن ترانزیستورهای پیوندی که به صورت مخفف با FET نمایش داده می‌شوند، که F حرف اول Field به معنای میدان و E حرف اول کلمه Effect به معنی اثر و T حرف اول کلمهTransistor به معنی ترانزیستور است
دیدکلی
FET یا ترانزیستور اثر میدان یک وسیله سه پایه است که در آن جریان گذرنده از دو پایه توسط پایه سوم کنترل می‌شود. برخلاف ترانزیستورBJT ، قطعات اثر میدان به جای جریان توسط یک ولتاژ در محل پایه سوم کنترل می‌شوند. علاوه بر اینFET قطعه‌ای یک قطبی است، یعنی جریان تنها توسط باربرهای اکثریت ایجاد می‌شود. این قطعات را می‌توان در بسیاری از کاربردها از تقویت سیگنال گرفته تا تحقق توابع منطقی و حافظه‌ای مورد استفاده قرار داد.

 ترانزیستور اثر میدانی یا FET

الف)ساختمان فت با کانال n:

یک میله سیلیسیمی را که کمی ناخالصی نوع n افزوده شده باشد، در نظر بگیرید.

این میله درست مانند یک مقاومت عمل می کند که مقدار آن به میزان ناخالصی افزوده شده ، سطح مقطع و طول میله بستگی دارد.

اکر در  قسمتی از این میله یک فلز سه ظرفیتی مانند ایندیُم را به گونه ای نفوذ دهیم که یک ناحیه نوع pبا غلظتی بیش از ناحیه nرا کانال و نیمه هادی نوع pرا دروازه یا گیت مینامند.

با اتصال دو سیم به طرف لایه nو یک سیم به لایه ی pیک عنصر سه پایه حاصل میشود که به ترانزیستور با اثر میدان پیوندی  معروف است.

علامت اختصاری jfetبا کانال Nبه صورت شکل زیر است.

ساختمان JFET با کانال p:

ساختمان  JFET با کانال pشبیه JFET با کانال nاست، با این تفاوت که جنس کانال از نوع کریستال p و جنس گیت از کریستال n است .

شکل زیر ساختمان و علامت اختصاری JFET با کانال p را مشاهده میکنید.

نواحی کار ترانزیستور JFET:

الف)ناحیه قطع :

ناحیه قطع ، پس از رسیدن VGS به ولتاژ آستانه،VGS(off)،شروع میشود. در این ناحیه ، در اثر ولتاژ مخالف گیت سورس ناحیه سد گسترش  می یابد و ناحیه سد سرتاسر کانال را فرا میگیرد.

در این حالت هیچ جریانی از درین نمی گذرد و ترانزیستور به صورت یک کلید قطع عمل میکند.

همچنین تا زمانی که مقدار VGSکم تر از ولتاژ شکست معکوس پیوند گیت سورس (VB)است تاثیری بر fetندارد.

ب)ناحیه اهمی:

ناحیه ی اهمی، بخشی از منحنی مشخصه JFETاست که در آن قانون اهم صدق می کند.

در این ناحیه ترانزیستور مانند یک مقاومت اهمی تابع ولتاژ عمل میکند که مقدار آن با ولتاژ گیت سورس کنترل میشود.

ج)ناحیه اشباع یا فعال:

ناحیه ای از منحنی مشخصه JFET که در آن VDS>=VP باشد را ناحیه اشباع یا فعال می نامند.

در این ناحیه تغییرات VDSاثر محسوسی  در جریان IDندارد و idتقریبا ثابت است.

شکل زیر ناحیه اشباع (فعال) را روی منحنی مشخصه JFET نشان میدهد.

د)ناحیه شکست بهمنی :

اگرVDS از حد معینی تجاوز کند، در محل اتصال pn که در بایاس مخالف قرار دارد پدیده شکست بهمنی رخ میدهد یعنی  جریان درین به سرعت

افزایش می یابد و ترانزیستور آسیب می بیند.

ناحیه شکست بهمنی روی منحنی شکل زیر نشان داده شده است.

منحنی مشخصه انتقالی :

مقدار VGS از صفر ولت تا مقدار VGSOFF می تواند تغییر کند. این تغییرات ولتاژ ، جریان درین را از ID=0تاIDSS کنترل میکند.

به همین دلیل نسبت بین  دو کمیت IDو VGS در شرایطی که VDS ثابت است را منحنی مشخصه انتقالی گویند.

هدایت انتقالی gm و نحوه بدست آوردن آن: نسبت تغییرات جریان درین( به تغییرات ولتاژ گیت سورس )

به ازای ولتاژ درین سورس ثابت را هدایت انتقالی دینامیک در JFET مینامند وآن را با gm نشان میدهند.

واحد gm به صورت  [Ω/۱] یا زیمنس است.

انواع بایاس ترانزیستور:

بایاس سرخود یا خود تغذیه:

بایاس سرخود یا خود تغذیه متداول ترین نوع بایاس است. می دانیم jfetباید طوری بایاس شود که

همواره پیوند گیت سورس در بایاس مخالف باشد .

برای این منظور باید در JFET با کانال nمقدار VGS منفی و در JFET با کانال P، مقدار VGS مثبت باشد.

برای دست یابی به این هدف میتوان با استفاده از یک منبع تغذیه (VDD)،درین سورس و گیت سورس را به درستی بایاس کرد.

بایاس مستقل:

ساده ترین روش بایاس کردن FETاستفاده ازدو منبع ولتاژ جداگانه است که برای تامین ولتاژهای تغذیه درین و گیت به کار میرود. این روش را بایاس ثابت گویند.

بایاس تقسیم کننده ولتاژ:

هر چند در روش خود تغذیه مقاومت RSبا ایجاد فیدبک منفی تا حدودی موجب پایداری نقطه کار FET میشود.

اگر بخواهیم مدار پایداری بیشتری داشته باشد، از مدار مطابق شکل زیر استفاده میکنیم

در این مدار به طورهمزمان از بایاس تقسیم ولتاژ R1وR2 و مدار خود تغذیه (مقاومت Rs) استفاده شده است.

به همین دلیل به این تغذیه تغذیه مرکب نیز میگویند.

موارد کاربرد ترانزیستور اثر میدان:

استفاده از فت در ساختمان منابع جریان:

اگر یک فت مطابق شکل زیر تغذیه شود ،در صورتی  که اگر یک fetمطابق شکل ۳-۴۵ تغذیه شود.

در صورتی که VDSآن بیشاز VPباشد ، جریان ID را ایجاد می کند ، در این مدار ، افت پتانسیل دو سر

مقاومت RSاختلاف پتانسیل گیت سورس را تامینمی کند.

با تغییر RSمی توان مقدار IDجریان منبع جریان را به میزان دلخواه تنظیم کرد.

استفاده از fet به عنوان مقاومت متغیر :

با توجه به شکل زیر اگر فت را طوری تنظیم کنیم  که VDS آن از حود چند دهم ولت تجاوز نکند ، مانند یک مقاومت اهمی عمل می کند .

مقدار این مقاومت را می توان با تغییر VGS تغییر داد. مقدار اهمی FET در این نلحیه از رابطه زیر محاسبه می شود.

استفاده از فت به عنوان تقویت کننده اولیه امپدانس ورودی زیاد:

چون فت امپدانس ورودی زیادی دارد، به عنوان تقویت کننده اولیه برای اتصال منابعی با مقاومت خروجی زیاد مانند میکروفن های خازنی به مدار مناسب است.

تقویت کننده سیگنال کوچک fet:

یکی از کاربرد های مهم قطعات فت ساخت مدار های تقویت کننده ولتاژ است.

از یک fet ممکن است به صورت سورس مشترک ،گیت مشترک یا درین مشترک استفاده کنیم.

هر یک از این سه آرایش مشابه ترانزیستور BJT، مشخصات ورودی و خروجی خاصی دارد.

مقایسه تقویت کننده های BJTبا تقویت کننده های FET:

ترانزیستور ، هر آرایشی که داشته باشد،عمل تقویت رانجام می دهد.

ترانزیستور های BJTبهره بیشتری دارند و قیمت آن ها نیز در مقایسه به FET ارزان تر است.

ترانزیستور های FETنسبت بهBJT فرکانس قطع بالاتری دارند و از پایداری حرارتی بیشتری برخوردارند هم چنین در برابر اغتشاش مصونیت بیشتری دارند وراندمان آن ها نیز بیشتر است.

ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق:

چون در ترانزیستور JFET جریان نشتی پیوند گیت سورس با افزایش دما محیط افزایش می یابد، ترانزیستور نسبت به حرارت تا حدودی ناپایدار است و مقاومت ورودی آن در آثر گرما به مقدار زیادی کاهش می یابد.

قابل توجه است که پایداری JFET در مقابل دما خیلی بیشتر از BJT است.

مقاومت ورودی JFET در حدود  اهم است.

برای افزایش این مقاومت ، میتوان از ترانزیستور اثر میدان با گیت عایق استفاده کرد.

در این ترانزیستور،گیت با لایه اکسید سیلیکون از کانال جدا می شود و هیچ جریانی از گیت عبور نمیکند.

لذا مقاومت ورودی آن فوق العاده افزایش می یابد.این ترانزیستور بیشتر به ماسفت میشناسند.

انواع ترانزیستور ماسفت:

الف)ترانزیستور ماسفت با کانال تهی شونده(DMOSFET)

ب)ترانزیستور با کانال تشکیل شونده یا بهبود یافته(EMOSFET)

ترانزیستور با کانال تهی شوند نوع N:

این نوع ترانزیستور از یک قطعه نیمه هادی پایه نوع pبا ناخالصی کم تشکیل شده است.

درون این قطعه دو ناحیه نوع nبا ناخالصی زیاد ایجاد می کنند.

این نواحی را بوسیله یک کانال نوع nبا ناخالصی کم به یکدیگر وصل می کنند.

از طرفین کانال ،کنتاکت های درین و سورس خارج میشوند . گیت این ترانزیستور را یک صفحه فلزی تشکیل میدهد که توسط لایه نازکی از دی اکسید سیلیکون از کانال کاملا جدا شده است.

ساختمان DMOSFET  با کانال تهی شونده نوع P:

ساختمان DMOSFETبا کانال Pتهی شونده ،شبیه نوع کانال Nاست.

نکته:

عملکرد هر دو DMOSFETکانال NوP شبیه به هم است و فقط قطب باتری به ماسفت با کانال Pوصل میشود برعکس ماسفت با کانال n است.

علامت اختصاری DMOSFET:

علامت اختصاری EMOSFET:

ماسفت های قدرت:

در ماسفت ها ماننده 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 ماسفت ها برای کار در قدرت های پایین مورد استفاده قرار می گیرد. و این نوع ماسفت ها را با نام تجاری LD MOSFET نشان میدهند.

VMOSFET:

مثال دیگری از ماسفت های قدرت ،VMOSFET ها هستند که برای قدرت بالاتر طراحی شده اند.در این ماسفت ها کانال کوتاه تر

و عریض تر است لذا مقاومت کم تری را بین درین و سورس ایجاد می کند . در نهایت جریان بیشتری میتواند  از کانال عبور کند.

عملکرد ماسفت به عنوان کلید زنی:

EMOSFET به علت دارا بودن ولتاژ آستانه(VGSth)به عنوان کلید به کار میروند. اگر ولتاژ گیت سورس کمتر از ولتاژ گیت سورس آستانه باشد ،ماسفت قطع است.

هنگامی که ولتاژگیت سورس بیشتر از ولتاژ آستانه می شود ماسفت به صورت کلید بسته عمل میکند .لذا با تغییر ولتاژ گیت سورس ، می توان به ماسفت به عنوان کلید فرمان داد.

CMOSFET:

با سری کردن دو ماست با کانال n وpمانند شکل زیرCMOSFET میشوند.

وقتی مانند شکل زیر Vin=0 است TR1وصل و TR2 قطع و مانند کلیدی باز عمل میکندو خروجی تقریبا برابر Vdd است.

وقتی به Vinولتاژ VDDبدهیم TR1 قطع و مانند کلید باز عمل می کند و TR2 وصل ومانند کلید بسته عمل می کند و خروجی تقریبا زمین شده و صفر ولت را نشان میدهد.

از مزایا CMOS تلفات توان بسیار کم است . زیرا با سری شدن دو نوع ماسفت یکی از ماسفت ها همواره قطع است و اساسا از منبع جریانی کشیده نمیشود.

نتیجه:

در مطلب ترانزیستور خانواده FET و انواع آن مفهمیدیم یک میله سیلیسیمی را که کمی ناخالصی نوع n افزوده شده باشد، در نظر می گیریم.

این میله درست مانند یک مقاومت عمل می کند که مقدار آن به میزان ناخالصی افزوده شده ، سطح مقطع و طول میله بستگی دارد.

امیدواریم از مطلب ترانزیستور خانواده FET و انواع آن لذت برده باشید

منتظر مطالب جذاب ما باشید

میتونید برای دریافت راحت تر مطالب آموزشی و اخبار تکنولوژی رباتیک به کانال تلگرامی و اینستاگرام بپیوندید