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

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

ترانزیستور FET، یک قطعه نیمه‌هادی تک ‌قطبی است که مشخصات آن بسیار شبیه به ترانزیستور دوقطبی مشابه است. برخی از ویژگی‌های این قطعه، بازدهی بالا، عملکرد لحظه‌ای، مقاوم و ارزان بودن در توانهای بالا است که می‌ توان آن را در بیستر مدارهای الکترونیکی با ترانزیستورهای پیوندی دوقطبی (BJT) معادل جایگزین کرد.

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.

در ترانزیستورهای دوقطبی، آرایش مواد نیمه‌هادی فیزیکی نوع P و نوع N، نوع ترانزیستور را مشخص می‌کند. این تفاوت ساختار مواد نیمه‌ رسانا را برای ترانزیستورهای اثر میدان نیز می‌توان بیان کرد و FETها را در دو دسته اصلی FET کانال N و FET کانال P قرار داد ، که در عکس زیر میتوانید دقیق تر برسی کنید.

ترانزیستور اثر میدان، یک مزیت اساسی نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی مشابه دارد و آن این است که مقاومت ورودی (امپدانس ) بسیار بزرگی دارد ( چند مگاه اهم ). این مقاومت ورودی بزرگ، فت ها را نسبت به سیگنال‌های ولتاژ ورودی، بسیار حساس می‌کند. اما همین حساسیت بالا در بعضی اوقات دردسرساز می‌شود و ممکن است FET اوجاج ها و نویز ها را هم تقویت کند.

کنترل جریان گذرنده از این کانال با تغییر ولتاژ‌ اعمالی بر گیت (Gate) انجام میشود . همان‌طور که از نام ترانزیستورهای دوقطبی پیداست، قطعاتی دوقطبی هستند، زیرا با هر جریان دو نوع حامل‌های بار حفره و الکترون کار می‌کنند. در مقابل، ترانزیستور اثر میدان،‌ یک قطعه تک‌قطبی است که فقط به حرکت الکترون‌ها (کانال N) یا حفره‌ها (کانال P) بستگی دارد ، برای اینکه راحت تر بفهمیم پایه های ترانزیستور های BJT و FET با هم مقایسه میکنیم :

ترانزیستور اثر میدان FET	ترانزیستور دوقطبی (BJT)
سورس (S)	امیتر (E)
گیت (G)	بیس (B)
درین (D)	کلکتور (C)

انواع ترانزیستور اثر میدانی یا FET

براتون یک تصویر اماده کردیم با چارت بندی راحت تر یادتون بمونه به صویر زیر توجه کنید در ادامه تک تک این موارد بیشتر باز میکنیم.

ساختمان DMOSFET

ساختمان DMOSFETبا کانال P تهی شونده ،شبیه نوع کانال N است.

عملکرد هر دو DMOSFET کانال N وP شبیه به هم است و فقط قطب باتری به ماسفت با کانال Pوصل میشود برعکس ماسفت با کانال n است.

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.

ماسفت های 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.

نواحی کار ترانزیستور FET

ناحیه قطع یا فشردگی ترانزیستور FET

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 VGS کم تر از ولتاژ شکست معکوس پیوند گیت سورس (VB) است تاثیری بر fet ندارد.

ناحیه اهمی ترانزیستور FET

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.

ناحیه اشباع یا فعال ترانزیستور FET

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.

ناحیه شکست بهمنی ترانزیستور FET

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.

توضیحات بالا کامل میتونید روی عکس زیر مشاهده کنید

انواع آرایش fet

آرایش سورس مشترک fet (CS)

در آرایش سورس مشترک (مشابه امیتر مشترک)، ورودی به گیت اعمال می‌شود و خروجی نیز از درین گرفته می‌شود. این پیکربندی، به دلیل آن‌ که مقاومت ورودی بالا و تقویت ‌کنندگی ولتاژ مناسبی دارد، رایج ‌ترین آرایش کاری است و به عنوان مثال، در تقویت‌ کننده‌های سورس مشترک به کار می‌رود.

آرایش سورس مشترک هدایت FET، معمولاً در تقویت‌ کننده‌های فرکانس صوتی و پیش‌ تقویت‌ کننده‌ها و طبقات با مقاومت ورودی بالا به کار می رود. خروجی تقویت‌ کننده با این پیکربندی، به اندازه 180 درجه نسبت به ورودی اختلاف فاز دارد.

آرایش گیت مشترک (CG) fet

در آرایش گیت مشترک (مشابه بیس مشترک)، ورودی به سورس اعمال می‌شود و خروجی از درین گرفته می‌شود؛ در حالی که گیت مستقیماً به زمین متصل شده است. مقاومت ورودی بالا که در پیکربندی قبلی وجود داشت، در این‌جا وجود ندارد؛ زیرا گیت مشترک مقاومت ورودی پایینی دارد و مقاومت خروجی آن بزرگ است.

این نوع پیکربندی FET، می‌تواند در مدارهای فرکانس بالا یا مدارهای تطبیق امپدانس مورد استفاده قرار گیرد که به یک مقاومت ورودی کوچک برای تطبیق با مقاومت خروجی بزرگ نیاز دارند. در این آرایش، خروجی هم ‌فاز با ورودی است.

آرایش درین مشترک (CD) fet

در آرایش درین مشترک (مشابه کلکتور مشترک)، ورودی به گیت اعمال شده و خروجی از سورس گرفته می‌شود. پیکربندی درین مشترک یا «سورس فالوئر»، مقاومت ورودی بزرگ و مقاومت خروجی کوچکی دارد. بهره ولتاژ در این پیکربندی، نزدیک به 1 است و به همین دلیل در تقویت‌ کننده‌های بافر به کار می‌رود. بهره ولتاژ اارایش سورس مشترک ، کمتر از یک است.

این نوع آرایش ، به این دلیل ( درین مشترک ) نام دارد که سیگنالی در پایه درین آن وجود ندارد و فقط ولتاژ بایاس +VDD به آن متصل است. خروجی این پیکربندی با ورودی هم ‌فاز است.

انواع بایاس FET

بایاس سرخود یا خود تغذیه fet

بایاس سرخود یا خود تغذیه متداول ترین نوع بایاس است. می دانیم jfet باید طوری بایاس شود که همواره پیوند گیت سورس در بایاس مخالف باشد .

برای این منظور باید در JFET با کانال n مقدار 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 fet

ساده ترین روش بایاس کردن FET استفاده 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 fet

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 fet یا اثر میدان

استفاده از فت در ساختمان منابع جریان

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

در صورتی که VDS آن بیشاز VPباشد ، جریان ID را ایجاد می کند ، در این مدار ، افت پتانسیل دو سرمقاومت RS اختلاف پتانسیل گیت سورس را تامینمی کند.

با تغییر RS می توان مقدار ID جریان 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.

در معادله زیر اگر VGS و VP بر حسب ولت و IDSS بر حسب میلی آمپر باشد ، مقدار Rds بر حسب کیلواهم است.

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.

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.

مقایسه تقویت کننده های BJT با 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.

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

اگر در باره این قطعه سئالی دارید در بخش پرسش ها پایین همین صفحه بپرسید و ما در سریع ترین زمان به شما پاسخ خواهیم داد

آیا این مقاله برای شما مفید بود؟
_________ _________

هادی رحمتی

همیشه آرزو داشتم یک بستری در ایران فراهم بشه که بچه ها بتوانند تولید کردن بیاموزند و تولید برای همه آسون تر کنه آن آرزو، اکنون، “ربات افزار” نام دارد. ‫‫بعد از سال‌ها به این نتیجه رسیدم که خودم باید دست بکار بشم و امروز برای همه ربات افزار ، یک ماشین تبدیل رویا به واقعیت است.

مشاهده تمام نوشته های هادی رحمتی