ترانزستورات الأثر الحقلي ذات أوكسيد معدن - نصف الناقل (MOSFET)

ترانزستورات الأثر الحقلي ذات أوكسيد معدن – نصف الناقل (MOSFET)

تُعوملتْ هذه الترانزستورات (metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor: MOSFET) معاملةَ الترانزستورات الحقليّة ذوات وصلة (JFET)، لكنها تختلف عنها بالبوابةِ المعزولة كهربائيًا عن قناةِ التّوصيل.

تملك أنواع أُخر من ترانزستوراتِ الأثرِ الحقليِّ (FET) بوابةَ دخلٍ معزولة كهربائيًّا عن قناة نقل التيار كما هو الحالُ بالنسبة إلى ترانزستورات (JFET)؛ ولذلك تدعى هذه الترانزستورات ترانزستورات الأثرِ الحقلي ذات البوابة المعزولة (IGFET: Insulated Gate Field Effect Transistor).

إن النوعَ الأكثر انتشاراً -من هذه الترانزستورات ذات البوابة المعزولة والتي تُستخدم في العديد من الدّارات الإلكترونيّة- تدعى ترانزستورات الأثر الحقلي من نوع أوكسيد معدن -نصف النّاقل والتي تُعرف بـ (MOSFET) اختصاراً.


محتويات المقال:


مقدمة:

إن ترانزستورات MOSFET  أو IGFET هي ترانزستورات الأثر الحقليّ المُتحكم فيها بالجهد. وتتميز عن الـ JFET بأن البوابة فيها قطبٌ كهربائي من (أوكسيد معدن) معزول كهربائيًّا عن قناة التّوصيل نصف الناقلة (سواءٌ كانت القناة من النوع n  أم p) بواسطة طبقة رقيقة من مادة عازلة. عادةً ما تكون ثاني أوكسيد السّيليكون والذي يُعرف بالزّجاج.

تعدُّ هذه الطبقة العازلة عن البوابة أحد لبوسي مكثف، حيث إنَّ عزل البوابة يجعل مقاومة دخل الـ MOSFET عالية جدًّا وتصل إلى مرتبات الميغا-أوم (ويمكن اعتبارها لا نهائيّة).

ما دام أنَّ قطب البوابة معزولٌ كهربائيًا عن قناة تمرير التيار بين المصرفِ (drain) والمصدر(source) هذا يعني انعدام تيار البوابة، وبشكل مشابه للـJFET ؛ فإن MOSFET  يسلك مسلكَ مقاومةِ تحكّمٍ بالجهد حيث يتناسب التيارُ المار عبرَ القناة بينَ المنبعِ والمصدر مع جهد الدخل.  بالإضافة إلى ذلك، فإنَّ مقاومةَ الدخل العالية قد تتسبب بتراكمِ كميّات كبيرة من الشّحنات السّاكنة؛ ممّا قد يؤدي إلى تلف التّرانزستور ما لم يتم التعامل معها أو حمايتها.

كما ذكرنا في شرحِ JEFT سابقًا، فإنَّ MOSFET له ثلاثةُ أطراف. وهي: البوابةُ والمصرفُ والمنبع وقناة التّوصيل سواء كانت PMOS(قناة من النوع P) أم NMOS(قناة من النوع n).

الاختلاف الرئيس فيه أنَّ MOSFET له نمطان رئيسان:

  • نمطٌ إفقاري: الترانزستور يحتاج إلى جهدِ دخل على القاعدة VGS للتّبديل إلى الوضعية OFF وهذا مشابه تمامًا للمفتاح في وضع (مغلق) NC.
  • نمطٌ أغنائي: التّرانزستور يحتاج إلى جهد دخلٍ على القاعدة VGS للتّبديل إلى الوضعية ON، وهذا مشابه تمامًا للمفتاح في وضع (مفتوح) NO.

إن الرموز الأساسيَّةَ وبنيةَ كلّ من نمطي MOSFET موضحةٌ في الصورة التّالية:

الرموز الأساسيَّة وبنية كلّ من نمطي MOSFET
الرموز الأساسيَّة وبنية كلّ من نمطي MOSFET (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

إن هذه الرموز تُظهر طرفاً إضافيّاً يُدعى طبقة الأساس (Substrate) لا يستخدم دخلًا أو خرجًا بل يُستخدم لتأريض المادةِ المكوّنة لقناةِ التّوصيل حيث يتصل بها بوصلة دايود إلى الإطار الخارجي المعدني للترانزستور.

يكون هذا الطرف عادةً في الأنواع المفردة من MOSFET متصّلاً داخليّاً بطرفِ المصدر، لكن يُحذف من الرَّمزِ للتَّوضيح.

يعدُّ الخطُّ في رمز الـMOSFET الواصلَ بين المصرفِ D والمنبع S إلى قناة التّوصيل نصف الناقلة. إذا كان هذا الخط غيرَ متقطع؛ فهذا يعبر بنمط أفقاريّ (NO) حيث يمرُّ تيار المصرف في حين يكون انحياز البوابة معدوماً. أمّا إذا كان متقطعاً؛ فهذا يعبربنمط إغنائي (OFF) حيث لا يمرُّ تيار المصرف ساعةَ يكون انحيازُ البوابة معدوماً. يشير اتجاه السّهم إلى خطِ القناة إذا ما كانت القناة من النّوع n أو p.

بنية MOSFET:

بنية ترانزستور MOSFET
بنية ترانزستور MOSFET (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

إنَّ بنية MOSFET مختلفةٌ جدّاً عن JEFT، حيث في كلا النمطين الإغنائي والإفقاري، يستخدم حقلًا كهربائيًّا ناتجًا عن جهد المطبق على البوابة للتَّحكم بتدفقِ حوامل الشّحنات، أيْ الإلكترونات للقناة من النوع n والثّقوب للقناة من النوع p، وذلك بالقناة نصفِ الناقلة بين المنبع والمصرفِ.

يوضع قطبُ البوابة على طبقةٍ عازلة رقيقة وهناك زوج من المناطق من النّوع n توضع أسفلَ كلّ من قطبي المنبع والمصرف.

كما وجدنا سابقاً، فإنَّ بوابة JEFT يجب أن تكونَ منحازة بطريقة تضمن انحيازًا عكسيّاً لوصلة PN لكن بوجود الطبقة العازلة في MOSFET لا نجد مثلَ هذه الشّروط. فمِنَ الممكنِ تحييزُ بوابة MOSFET بكلا القطبيتين سواء أكان (+Ve) أم (-Ve). هذا ما يجعل MOSFET مناسباً لتطبيقات كالمفاتيحِ الإلكترونيّة والبواباتِ المنطقيّة، لأنَّ غيابَ الانحياز يعني أن التّرانزستور في حالة عدم توصيل. كما أنَّ مقاومة الدخل العالية تعني عدم الحاجة إلى تيارِ تحكم. حيث إنَّ ترانزستور MOSFET هي عناصرُ مُتحكّم فيها بالجهد.

كلا النوعين للقناة (n أوp) متوفرٌ بنمطي عمل أساسيين (إغنائي وإفقاري).

ترانزستور MOSFET – النمط الإفقاري:

MOSFET-Dهو أقلُّ انتشاراً من النمط الإغنائي الذي فيه يكون الترانزستور فعّالاً (وضعية on) بدون تطبيقِ جهد انحياز على البَوابة. هذا هو سلوكُ القناة عند VGs=0 تجعله في وضع الإغلاق الطبيعي.

يُظهر رمز الدارة في الأعلى ترانزستور MOSFET-D الذي يوجد فيه خطُّ متقطع للدلالة على قناة توصيل في وضع الإغلاق الطبيعيّ.

من أجل قناة من النوع n في ترانزستورMOSFET-D. عندَ تطبيق جهد سالب على البوابة (-VGs) ستفتقر قناة التوصيل للإلكترونات الحُرّة (من هنا جاءت تسميته) جاعلاً الترانزستورَ بوضعية OFF والحالُ مثله من أجل قناة من النوع P. فعند تطبيق جهد موجب على البوابة (VGs+) ستفتقرُ قناة التّوصيل الثقوبَ الحرّة ممَّا يجعل الترانزستورَ بوضعية OFF.

بعباراتِ أخرى، من أجل قناة توصيل من النوع n في ترانزستور MOSFET-D. فإن الجهد +VGs يعني المزيد من الإلكترونات والمزيد من التّيار بينما –VGs يعني إلكترونات قليلة وتيار أقل، والعكسُ صحيح من أجل قناة من النوع p.

نستنتج ممّا سبقَ أنَّ ترانزستور  MOSFET-Dيُعادل مفتاحًا في وضعية الإغلاق (Normaly Closed).

ترانزستور MOSFET – نمط إفقاري ورموز الدارة:

منحنى جهد - تيار للترانزستور MOSFET-D قناة n
منحنى جهد – تيار للترانزستور MOSFET-D قناة n (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
MOSFET-Dقناة من النوع n وp
MOSFET-Dقناة من النوع n وp (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

 

إنَّ ترانزستور MOSFET-D مبنيٌّ بطريقة مشابهة لترانزستور JEFT. إذ إنَّ قناة المصرف مصدر تعتمد بالأصل على الإلكترونات والثّقوبِ التي تكون موجودةً في القناة من النوع n  أو p. والتّشابه للقناة يتيح مسارَ توصيل ذي مقاومةٍ صغيرة بين المصرف والمصدر مع انحيازٍ معدوم للبوابة.

ترانزستور MOSFET – النمط الإغنائي:

يعدُّ  MOSFET-E أكثرَ استخدامًا. وهو عكسُ النّمط الإفقاري، حين تكون القناة الموصلة متشابهةً قليلًا أو غيرَ متشابهة. ثمَّ يكون الترانستور غيرَ متصل. هذه النتائج تماثلُ حالة الإغلاق (غير متصل) OFF عند جهد انحياز البوابة VGs=0.

يظهر رمزُ الدارة في الأعلى، على أنه من أجل ترانزستور MOSFET-E   يُستخدم خط متقطع للقناة للتّعبير عن حالة فتح (NO) قناة غير موصلة.

 

ومن أجل قناة من النوع n   في ترانزستور MOSFET-E . تيار المصرف سيمرُّ فقط في حين جهد البوابة VGS  المطبق على البوابة أكبر من جهد العتبة VTh  ممّا يجعله متصلًا.

إن تطبيق جهدِ موجب +Ve  على البوابة في ترانزستور MOSFET-E  قناة من النوع n  يجذبُ المزيد من الإلكترونات باتّجاه طبقة الأوكسيد حول البوابة، وبذلك تزيد أو تُغني (من هنا جاءت التّسمية) عرضَ القناة سامحةً بذلك للمزيد من التيار بالعبور ولهذا يتم تسمية هذا النوع من الترانزستور “الإغنائيّة” حيث إنّه عند تطبيق جهد على البوابة يتمّ إغناء القناة (تعزيزها).

إن زيادة الجهد الموجب على البوابة سيسببُ نقصاناً في مقاومة القناة  وزيادةً في تدفق تيار المصرف ID  بالقناة. بعبارات أخرى من أجل قناة من النوع n  في ترانزستور MOSFET-E  (نمط إغنائي) +VGS تجعل الترانزستورON.  بينما جهد صفري أو -VGS  تجعل التّرانزستور OFF ، ويمكن القولُ إنّ النّمط الإغنائي في MOSFET  يعادل مفتاحًا في وضعية الفتح (Normaly Open).

والعكس صحيح من أجل قناة من النّوع p حين يكون VGs=0 التّرانزستور في وضعية OFF والقناة مفتوحة، عند تطبيق جهد سالب على البوابة(-Ve)  من أجل قناة من النوع p  قناة التّوصيل تصبح ON . نلخص ما سبق أنه من أجل MOSFET-E ذي قناة من النّوع p،  فإنَّ +VGs تجعل التّرانزستور في وضعية OFF بينما VGs- تجعل التّرانزستور في وضعية ON.

ترانزستور MOSFET – نمط إغنائي ورموز الدارة:

المَزِيَّة المصرفيّة للترانزستور E-MOSFET قناة n
المميزِة المصرفيّة للترانزستور E-MOSFET قناة n (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)
E-MOSFET قناة من النوع n وp
E-MOSFET قناة من النوع n وp (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

إنَّ النمطَ الإغنائي مناسبٌ للعمل مفاتيحَ إلكترونية؛ وذلك بسبب مقاومتها الصغيرة في وضعية ON ومقاومتها العالية في وضعية OFF. ما دام مقاومة الدخل لا نهائية بسبب البوابة المعزولة. يُستخدم هذا النّمط في الدارات المتكاملة لتصنيع بواباتٍ منطقيّة من نوع CMOS ودارات تبديل ذوات الاستطاعة العالية سواء أكانت PMOS (قناة من النوع P) أم NMOS (قناة من النوع N). إنّ CMOS يعني أنَّ العناصرَ المنطقيّة يوجد في تصميمها الداخلي كلا النوعين PMOS وNMOS.

ترانزستور MOSFET مضخماً:

كما درسنا سابقًا في JEFT، فإنَّ MOSFET يمكن استخدامُه لبناء دارات تضخيم أحادية المرحلة من الصنف A (MOSFET-E قناة من النوع n) وقد أصبحتِ المضخمات ذات المنبع (المصدر) المشترك الدارات الأكثر انتشاراً.

إنَّ مضخمات النّمط الإفقاري مشابهةٌ إلى حدٍّ كبير مضخماتِ JEFT باستثناء أنَّ MOSFET له ممانعةُ دخلٍ عالية يُتحكم فيها بمقسمِ جهد مُشكل من مقاومتين R1 وR2.

إنَّ خرج الإشارةِ من أجل MOSFET-D تكون معكوسة؛ لأن عند VG  LOW يكون التّرانزستور بوضعية OFF والخرج Vout يكون HIGH، عندما VG  في حالة HIGH عندها التّرانزستور بوضعية OFF والخرج Vout LOW كما هو موضح في الصورة بالأسفل.

مضخم MOSFET-D
مضخم MOSFET-D (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

إن الانحيازّ بالتّيار المستمر -لدارة مضخم MOSFET ذي منبع مشترك -مطابقٌ تمامًا لمضخم JEFT، دارة MOSFET من الصنف A منحازة بمقسم جهد مكوَّن من مقاومتين R1 وR2. وتعطى مقاومة الدخل المتناوب Rin=RG=1M[ohm].

ترانزستورات MOSFET لها ثلاثة أطرافٍ فعّالة مصنوعة من موادَّ نصف ناقلة مختلفة بحيث يمكنها العملُ عازلًا أو ناقلًا على وَفقِ تطبيق إشارة الجهد الصغيرة.

بعدما وجدنا قدرة ترانزستورات MOSFET على التّبديل بين حالتي عملٍ والتي أتاحت لنا توظيفَها في مجال الإلكترونيات الرقميّة كمفاتيح إلكترونية أو في مجال الإلكترونات التّشابهية كمضخمات. سندرس الآنَ قدرتها على العمل في ثلاثِ مناطقَ مختلفة:

  • منطقة القطع: عند VGs<Vth (جهد البوابة أقلُّ من جهد العتبة) يكون الترانزستور كليًّا في وضعية OFF كما أنه يسلك مسلكَ قاطعٍ مفتوح بغضِّ النّظر عن قيمة جهد المصرف VDs.
  • منطقة العمل الخطيِّ: مع VGs>Vth و VGs>VDs يكون التّرانزستور في منطقة المقاومة الثابتة ويسلك مسلكَ مقاومة تحكم بالجهد حيث تُحدد قيمة المقاومة على وَفق جهدِ البوابة VGs.
  • منطقة التّشبع: في VGs>Vth و VDs>VGs عندها الترانزستور في منطقة التيار الثابت ويكون كليًّا في وضعية on، تيار المصرف أعظم ما يمكن والترانزستور يسلك مسلكَ قاطعٍ مغلق.

ملخص:

ترانزستورات الأثر الحقلي ذوات أوكسيد معدن – نصف ناقل الذي يُعرف MOSFET اختصارًا، له مقاومة دخل عالية مع تدفق للتيار خلال القناة بين المصرفِ والمصدر التي يتم التّحكم فيها بجهد البوابة، بسبب ممانعة الدخل وربح الترانزستور فإنَّ MOSFET يمكن أن يتلف بسهولة بسبب الكهرباء السّاكنة ما لم يتم التعامل معها أو حمايتها.

إن ترانزستورات MOSFET مثالية للاستخدام كمفاتيح إلكترونيّة أو مضخمات ذوات وصلةِ منبع مشترك حيث إنَّ استهلاكها للطاقة قليل جدًّا.

التطبيقات النّموذجية لترانزستورات MOSFET تكمن في المتحكماتِ الصغيرة والذواكر والآلاتِ الحاسبة والبواباتِ المنطقية من نوع CMOS.

يشير الخط المنقط في رمز الترانزستور إلى النّمطِ الإغنائي ووضعية OFF بحيث لا يمكن للتيار العبورُ بالقناة عندما جهد البوابة صفري VGs=0 في حين أنّ الخط المستمرَّ في رمز الترانزستور إلى النّمط الإغنائي ووضعية ON بحيث يمكن للتيار العبورُ عبر القناة عند جهد البوابة صفري VGs=0.

من أجل قناة من النوع p  الرموز نفسها من أجل النّمطين باستثناء أن السَّهم يكون متّجهًا إلى الخارج.

يمكنُ تلخيص حالات عمل الترانزستور في الجدول التالي:

حالات عمل الترانزستور
حالات عمل الترانزستور (مصدر الصورة: موقع electronics-tutorials)

من أجل قناة من النوع n ونمط إغنائي، إنَّ تطبيق جهد موجب على البوابة تجعل الترانزستور يعمل في وضعية ON  في حين أنَّ انعدام الجهد تجعله في وضعية OFF.

أمَّا أجل قناة من النوع P ونمط إغنائي، فإن تطبيق جهد سالب على البوابة تجعل الترانزستور يعمل في وضعية ON  بينما انعدام الجهد تجعله في وضعية OFF.

تُحدد نقطة الجهد التي يبدأ عندها الترانزستور تمريرَ التيار عبر القناة تبعًا لجهد العتبة.

في المقال القادمِ من ترانزستورات التّأثر الحقلي بدلًا من استخدام الترانزستور كعنصر تضخيم سنوجّه الضوء إلى عمل الترانزستور في منطقة التّشبع والقطع وذلك عندَ استخدامه كمفتاح. إن ترانزستورات التأثير الحقلي تُستخدم في العديد من التّطبيقات لتبديل التيار المستمر بين حالتي ON  أو OFF مثل المصابيح التي تتطلب القليل من التيار رتبة mA عند جهد منخفض أو المحركات التي تحتاج إلى تيار عالٍ عند جهد عالٍ.


المصدر: هنا

ترجمة: قحطان غانم, مراجعة: علي العلي, تدقيق لغوي: محمد بابكر, تصميم: علي العلي, تحرير:قحطان غانم.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *