ترانزیستور MOSFET چیست؟

ترانزیستور MOSFET یا ترانزیستور اثر میدان نیمه‌ هادی اکسید فلز رایج‌ترین نوع ترانزیستور اثر میدان (FET) است. کنترل جریان در ترانزیستور اثر میدان توسط میدان الکتریکی انجام می‌شود. آن‌ها به‌عنوان سوئیچ‌های الکتریکی و تقویت‌کننده‌ها عمل کرده که میزان برق را کنترل می‌کنند. در نتیجه می‌تواند بین پایانه‌های منبع ورود و تخلیه بر اساس ولتاژ اعمال‌شده به ترمینال ورودی جریان یابد. ماسفت تکنولوژی برای اکثر ترانزیستورهای گسسته، منطق دیجیتال، مدارهای مجتمع (IC) و ترانزیستور (TFT) LCD  است. آن‌ها انقلابی در الکترونیک مدرن هستند و به‌عنوان سازنده‌ترین مورد در تاریخ بشر در نظر گرفته می‌شوند.

درواقع ترانزیستور MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) یا ماسفت یک نوع ترانزیستور بسیار رایج در الکترونیک است. از این قطعه در بسیاری از ادوات الکترونیکی ازجمله مدارهای مجتمع، قدرت، و رایانه‌ها استفاده می‌شود. MOSFET بر پایه اثر میدان، جریان الکتریکی را کنترل می‌کند و عملکرد سوئیچینگ و تقویت سیگنال را انجام می‌دهد.

تاریخچه ماسفت

ترانزیستورهای اولیه اغلب ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJTs) بودند. این‌ قطعات نسبتاً بزرگ بوده و تولید انبوه و کوچک‌سازی آن‌ها دشوار بود. اصول ترانزیستور اثر میدانی در دهه‌های ۱۹۳۰ و ۱۹۴۰ نظریه‌پردازی شد، اما هیچ دستگاه عملی ساخته نشد.

اختراع ماسفت به محمد عطالا و داوون کاهنگ نسبت داده می‌شود و اولین نمونه کار در آزمایشگاه‌های بل در نوامبر ۱۹۵۹ ساخته شد. MOSFET از دهه ۱۹۶۰ به بعد به ‌سرعت محبوب و جایگزین فناوری‌های قدیمی مانند لوله‌های خلأ و BJTs شد.

ساختار اصلی مافست چیست و چگونه کار می‌کند؟

ساختار اصلی MOSFET شامل چهار ترمینال زیر می‌شود:

•    لایه‌ی پایه (Source)
•    لایه‌ی دریچه (Gate)
•    لایه‌ی زیرین (Drain)
•    بدنه

ترمینال بدنه به سورس متصل هست به همین دلیل به عنوان یک قطعه سه پایه عمل خواهد کرد. بین لایه‌ی دریچه و لایه‌ی زیرین، یک‌لایه‌ی نیمه‌هادی (سیلیکون) وجود دارد که به‌عنوان جزء اصلی ترانزیستور عمل می‌کند. این لایه‌ی نیمه‌هادی توسط یک‌لایه‌ی اکسید (اکسید سیلیکا) از لایه‌ی دریچه جدا شده است.

زمانی که یک ولتاژ مثبت بر روی لایه‌ی دریچه اعمال می‌شود، الکترون‌های باردار شده در لایه‌ی نیمه‌هادی به سمت لایه‌ زیرین حرکت می‌کنند. این وضعیت سوئیچ را در حالت روشن (ON) قرار می‌دهد و جریان بین لایه‌ی سورس یا پایه و لایه‌ی زیرین در این حالت از راه داده‌های الکترونیکی عبور می‌کند.

با عکس‌العمل برعکس، یعنی اعمال ولتاژ صفر بر روی لایه‌ی دریچه،MOSFET  به حالت خاموش (OFF) تغییر می‌کند و جریان بین لایه‌ی سورس و لایه‌ی زیرین قطع می‌شود.

چرا از مافست استفاده می‌کنند؟

MOSFET به دلیل ویژگی‌های خاص خود، ازجمله مقاومت ورودی بالا، توان مصرفی کم و سرعت عمل سوئیچینگ سریع، در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. همچنین، به دلیل قابلیت کنترل دقیق جریان و ولتاژ و نیز امکان ایجاد اینتگرال‌های بزرگ در مدارهای مجتمع از اهمیت بالایی برخوردار است.

ماسفت‌های قدرت به منظور کنترل جریان بالا یا قدرت در مدارها استفاده می‌شوند. این‌ها به‌عنوان ترانزیستورهای تکی بسته‌بندی می‌شوند. استفاده از آن‌ها در مواردی مانند تعویض منابع تغذیه و کنترل‌کننده‌های موتور رایج است. از آنجایی که توانایی کنترل جریان بالا در این ماسفت‌ها وجود دارد، می‌توانند برای کاربردهایی که نیاز به قدرت بالا و کنترل دقیق جریان دارند، به کار گرفته شوند.

MOSFET IC ها زمانی استفاده می‌شوند که بسیاری از ترانزیستورهای MOSFET در یک تراشه قرار می‌گیرند. این کار می‌تواند از چند ترانزیستور تا میلیاردها ترانزیستور فردی در تراشه‌های پیچیده‌تر مانند CPU ها و GPU های مدرن باشد. این پدیده به نام قانون مور (قدرت عضو دو) شناخته می‌شود. بر اساس این قانون، تعداد ترانزیستورها در یک تراشه به طور مستمر افزایش می‌یابد. ماسفت‌های مدرن با کارایی بالا، اندازه نانومتری دارند و در آینده ممکن است به اندازه‌ی چند انگستروم هم برسند.

همچنین، در تراشه‌های مدرن از پیکربندی MOS مکمل (CMOS) به دلیل بهره‌برداری بهتر از قدرت آن استفاده می‌شود. این پیکربندی امکان استفاده بهتر از ترانزیستورها و کاهش مصرف توان را فراهم می‌کند که در نتیجه باعث افزایش کارایی و عملکرد تراشه‌های MOSFET می‌شود.

تراشه‌های ماسفت (MOSFET) می‌توانند تعداد مختلفی از ترانزیستورها را بر روی یک تراشه (IC) قرار دهند، از چند عدد ترانزیستور گرفته تا چند میلیارد ترانزیستور فردی در CPU ها و GPU های مدرن. این تعداد ترانزیستورها در یک تراشه به عنوان تعداد مدارهای مجتمع (IC) شناخته می‌شود.

MOSFET ها همچنین در حافظه‌های کامپیوتر، مثل حافظه‌های RAM و ROMنیز استفاده می‌شوند. در حافظه‌های SRAM قدیمی‌تر، حالت و ساختار ترانزیستورها در فلیپ فلاپ برای ذخیره‌ی یک بیت باینری استفاده می‌شود. اما در حافظه‌های DRAM مدرن، از بار یک خازن MOS برای ذخیره‌ی داده‌ها استفاده می‌شود. همچنین حافظه‌های EPROM، EEPROM و حافظه‌های فلش مدرن نیز از ماسفت‌های دروازه شناور برای ذخیره‌ی داده‌ها استفاده می‌کنند.

تکنولوژی MOS

خازن‌های MOS نیز در بسیاری از انواع سنسورها استفاده می‌شوند. در تصویربرداری دیجیتال، شارژ فوتون‌ها توسط یک خازن MOS ذخیره می‌شوند و سپس توسط یک مدار مجتمع (IC)، همچون سنسورهای CCD یا CMOS، خوانده می‌شوند. تکنولوژی MOS همچنین در سنسورهای بیولوژیکی و شیمیایی نیز استفاده می‌شود و به علت ویژگی‌های منحصر به فرد خود در این زمینه‌ها مورد توجه قرار گرفته است.

چند نوع مافست وجود دارد؟

ماسفت‌ها به‌ دو صورت نوع N و نوع P تولید می‌شوند. MOSFET نوع N، الکترون‌ها را به‌عنوان حامل بار استفاده می‌کند. MOSFET  نوع P از حفره‌ها به‌عنوان حامل بار استفاده می‌کند. این دو نوع با توجه به ساختار داخلی و ماهیت تراشه سازی متفاوت هستند.

از MOSFET‌ها در انواع برنامه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود، ازجمله در مدارهای تقویت‌کننده‌، سوئیچ‌ها، مبدل‌های قدرت، درایورها، مدارهای سوئیچینگ و الکترونیک قدرت (فرآیند کنترل جریان و ولتاژ و تبدیل آن‌ها به فرمی است که به منظور استفاده در بارهای مصرفی مناسب باشند). همچنین، این ترانزیستورها معمولاً در مدارهای مجتمع و در فرآیند تولید نیمه‌رساناها مانند CMOS استفاده می‌شوند.

استفاده گسترده از ترانزیستور MOSFET در صنایع الکترونیکی نشان از اهمیت آن در طراحی و ساخت دستگاه‌ها و مدارهای الکترونیکی دارد.

ویژگی‌های مافست چیست؟

یکی از ویژگی‌های مهم ترانزیستور MOSFET، مقاومت ورودی بالای آن است. این به این معنی است که نیاز به جریان ورودی کمی برای کنترل ترانزیستور و روشن یا خاموش کردن آن دارد. در نتیجه توان کمتری برای عملکرد نیاز دارد.

همچنین، ترانزیستور MOSFET دارای سرعت سوئیچینگ بسیار بالایی است. در نتیجه می‌تواند به‌ سرعت بین حالت روشن و خاموش تغییر کند. این ویژگی برای برنامه‌هایی که نیاز به سوئیچینگ سریع دارند مفید است، مانند درایورهای موتور، مدارهای تبدیل توان و سیستم‌های سوئیچینگ قدرت.

همچنین، MOSFET به دلیل ولتاژ کاری بالا، قدرت پخش حرارت مناسب و امکان استفاده از آن در تراشه‌های مجتمع، برای برنامه‌های قدرت و سوئیچینگ بسیار مناسب هستند. این ترانزیستورها به‌طور گسترده در صنایع انرژی، الکترونیک قدرت، سیستم‌های خنک‌کننده و سایر برنامه‌هایی که نیاز به کنترل قدرت دارند، استفاده می‌شوند.

به‌طور خلاصه، ترانزیستور MOSFET به‌عنوان یک عنصر کلیدی در صنعت الکترونیک شناخته می‌شود. این ترانزیستورها برای کنترل جریان و ولتاژ در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند و به دلیل ویژگی‌هایی مانند مصرف کم با توان بالا، سرعت سوئیچینگ بالا و کار در ولتاژهای بالا بسیار باارزش هستند. با پیشرفت تکنولوژی، MOSFET‌ها با قدرت بیشتر، سرعت بالاتر و اندازه‌ی فیزیکی کوچک‌تری در دسترس قرار می‌گیرند، که این امکان را به مهندسان الکترونیک می‌دهد تا مدارات پیچیده‌تر و کارآمدتری را طراحی کنند.

به‌عنوان نمونه‌ای از کاربردهای MOSFET، می‌توان به استفاده آن در درایورهای موتورهای الکتریکی اشاره کرد. در این برنامه، MOSFET به‌عنوان یک سوئیچ قدرتمند استفاده می‌شود که به‌طور دقیق جریان موردنیاز برای کنترل حرکت موتور را تأمین می‌کند. همچنین، MOSFET‌ها در مدارهای تقویت‌کننده، تراشه‌های حافظه، مبدل‌های توان و مدارهای سوئیچینگ دیگر نیز استفاده می‌شوند.

بیشتر بخوانید:

تفاوت ترانزیستور IGBT و ماسفت در چیست؟