الترانزستورات ج15 ترانزستورات MOSFET ج1

تعرفنا في المقال السابق على ترانزستورات تأثير الحقل الكهربائي FET، وتحدثنا عن النوع الأول ضمن هذه العائلة وهو ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو الوصلة JFET.

سنتكلم في مقالنا اليوم عن النوع الثاني من ترانزستورات عائلة FET وهو ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي ذو البوابة المعزولة IGFET المعروف باسم ترانزستور تأثير الحقل الكهربائي نوع معدن-أكسيد نصف ناقل MOSFET.

متابعة مفيدة وممتعة ..

1 معلومات أساسية:

يتحكم الجهد الكهربائي بعمل ترانزستورات البوابة المعزولة حيث تملك قطباً كهربائياً electrode معدنياً (غالباً الألومنيوم) هو البوابة التي تكون معزولة كهربائياً بأوكسيد عن القناة المصنوعة من مادة نصف ناقلة من النمط P أو N، حيث يكون القطب المعدني رقيق جداً تليه مادة عازلة عادة (ثاني أكسيد السليكون SiO2 silicon dioxide) المعروف بالزجاج، ثم مادة نصف الناقل.

يعتبر قطب البوابة ذو العازل الرقيق جداً بمثابة أحد وجهي مكثف، كما تسبب العازلية العالية لبوابة التحكم مقاومة دخل عالية جداً لهذا النوع أعلى من رتبة ميغا أوم MΩ.

بما أن طرف البوابة معزول عن تدفق التيار الرئيسي عبر القناة المتشكلة بين المنبع والمصرف فإنه لا يوجد تيار كهربائي مار عبر البوابة، لكن يتم التحكم بمقاومة القناة بتغيير قيمة الجهد المطبق على البوابة (بشكل مشابه لترانزستورات JFET)، إن مقاومة الدخل العالية يمكن أن تسبب تراكم كمية كبيرة من الشحنات الساكنة التي يمكن أن تسبب انهيار وتلف ترانزستور MOSFET في حال لم تتم حمايته والتعامل معه بشكل صحيح.

تملك ترانزستورات البوابة المعزولة ثلاثة أرجل هي:

• البوابة Gate.

• المصرف Drain.

• المنبع Source.

كما تصنف في نمطين:

• ترانزستورات البوابة المعزولة نمطP أو PMOS

• ترانزستورات البوابة المعزولة نمط N أو NMOS.

إن الفرق الرئيسي بين ترانزستورات الوصلة JFET وترانزستورات البوابة المعزولة MOSFET هو أن الأخيرة تتواجد ضمن نمطين أساسيين هما:

• النمط الناضب Depletion mode:

هي ترانزستورات تتطلب توافر جهد بوابة - منبع VGS لإيقاف عمل الجهاز، وتشبه ترانزستورات هذا النوع القواطع التي تكون حالتها الافتراضية مغلق وتسمى Normally Closed.

• النمط المُعَزَز Enhancement mode:

هي ترانزستورات تتطلب توافر جهد بوابة - منبع VGS لتشغيل الجهاز. وتشبه ترانزستورات هذا النوع القواطع ب التي تكون حالتها الافتراضية مفتوحة وتسمى Normally Opened.

• النمط الناضب المعزز Depletion- Enhancement mode:

يمكن اعتباره نمطاً هجيناً من النمطين السابقين حيث يمكن أن يعمل وفق أحد النمطين لكن ليس النمطين معاً في نفس الوقت.

الشكل 1: رموز أنواع ترانزستورات البوابة المعزولة في الدارات الالكترونية

نلاحظ في الرموز الموجودة في الشكل السابق وجود وصلة طرفية إضافية تدعى الركيزة أو المادة الأساسية Substrate، وهي لا تستخدم كوصلة دخل أو خرج ولكن تستخدم للتأريض. تصل هذه الوصلة بين القناة الناقلة الرئيسية وجسم أو معدن الترانزستور عبر وصلة ديود. عادة تكون هذه الركيزة متصلة داخلياً إلى المنبع وذلك في النمط المنفصل لترانزستورات البوابة المعزولة discrete type MOSFET.

يمثل الخط الواصل بين المنبع والمصرف القناة نصف الناقلة، فإذا كان الخط كامل وغير منقط فهذا يدل على أن الترانزستور من النوع الناضب أما إذا كان الخط منقط فيكون الترانزستور من النوع المعزَّز، أما اتجاه السهم فيحدد نوع القناة P أو N.

البنية الأساسية لترانزستورات MOSFET:

الشكل 2: بنية ترانزستور MOSFET قناته N

• تستخدم ترانزستورات MOSFET سواءاً ذات النوع الناضب أو المعزز الحقل الكهربائي المتولد من جهد البوابة من أجل تغيير تدفق مرور حاملات الشحنة (الثقوب في النمط الموجب والالكترونات في النمط السالب) عبر قناة المصرف - المنبع النصف ناقلة.

• يتوضع قطب البوابة Gate في أعلى الطبقة الرقيقة العازلة، حيث توجد منطقتين سالبتين صغيرتين عاليتي الإشابة تحت قطبي المصرف والمنبع مباشرة.

• رأينا في ترانزستورات الوصلة JFET أن البوابة تنحاز فقط في حالة الانحياز العكسي للوصلة PN أما ترانزستورات البوابة المعزولة فلا يوجد فيها هذا التقييد حيث يمكن للبوابة أن تنحاز عند أي قطبية سواء موجبة أو سالبة، تجعل هذه الميزة من ترانزستورات البوابة المعزولة مفيدة عند استخدامها كمفاتيح تبديل كهربائية أو لصنع البوابات المنطقية لعدم وجود انحياز.

• ومن الميزات الأخرى: مقاومة الدخل العالية فلا توجد حاجة لتيار للتحكم، فالجهد هو الذي يتحكم بعمل الجهاز.

سنتحدث بشيء من التفصيل نوعي ترانزستورات MOSFET الناضب والمعزز:

2 ترانزستورات MOSFET من النمط الناضب:

غير شائعة الاستخدام، حيث يكون الترانزستور في حالة عمل افتراضية من دون تطبيق جهد انحياز على البوابة أي Normally Closed، حيث يؤدي تطبيق جهد بين البوابة -المنبع VGS لإيقاف عمل الجهاز بشكل مشابه لترانزستورات الوصلة.

فعلى سبيل المثال: من أجل ترانزستور MOSFET من النمط الناضب وقنته N: يقوم جهد البوابة الموجب بتوسيع القناة، مما يزيد من مرور تيار المصرف، وبالعكس عندما تزداد سلبية الجهد يتناقص مرور تيار المصرف، أي أن +VGS يولد الكترونات أكثر وتيار أكبر، بينما -VGS يعطي الكترونات أقل وتيار أقل، والعكس صحيح بالنسبة للقناة P في ترانزستورات MOSFET من النمط الناضب.

الشكل 3: منحني خواص ترانزستور MOSFET من النمط الناضب قناته N

تشبه هذه الترانزستورات نظائرها في ترانزستورات JFET حيث تكون قناة المصرف - المنبع ناقلة أساساً وتحتوي إما ثقوباً أو الكترونات نوع P أو نوع N، حيث ينتج عن إشابة هذه القناة ممراً ناقلاً ذو مقاومة منخفضة بين المصرف والمنبع مع جهد انحياز للبوابة صفر.

سنتابع حديثنا في المقال القادم عن ترانزستور MOSFET من النمط المعزز، إضافة لتطبيقات ترانزستورات MOSFET ، تابعونا ..

المراجع:

هنا

Solayman، Prof. Nadim. الهندسة الالكترونية 1. Hims : جامعة البعث، 2004، 6.

مراجع الصور :

هنا

هنا

هنا