مقدمة شاملة عن MOSFET

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) هو جهاز يتم تشغيله بالجهد ويتم التحكم فيه بواسطة مجال كهربائي. وهو يعمل كمكوّن أساسي في الدوائر المتكاملة والأجهزة المنفصلة، ويُستخدم بشكل واسع في مختلف أنظمة الدوائر التناظرية والرقمية نظرًا لبساطة هيكله واستجابته السريعة وسهولة دمجه.

لقد ساهم تطوّر MOSFET بشكل كبير في تقدم التكنولوجيا في إلكترونيات القدرة وإدارة الطاقة وتصميم رقائق الحواسيب والإلكترونيات السيارات.

١. الهيكل التفصيلي

يتكون الهيكل الأساسي لترانزستور MOSFET من أربع مناطق أساسية:

• المصدر: النقطة التي يتم فيها حقن الإلكترونات أو الثقوب؛ وهو يعمل كطرف إدخال للتيار.
• المصب: الطرف الذي تخرج منه حامليات الشحنة؛ وهو طرف إخراج التيار.
• البوابة: تتحكم في تشكيل قناة موصلة عن طريق تطبيق جهد خارجي؛ وتعمل كمفتاح. وعادةً ما تكون مغطاة بطبقة أكسيد رقيقة (SiO₂) تمتلك خصائص عزل ممتازة.
• الركيزة: المادة شبه الموصلة الأساسية للجهاز، وهي عادةً سيليكون من النوع P أو النوع N ومُشَابَكَة بشكل خفيف.

علاقة نوع الركيزة مع القناة:

• NMOS: ركيزة من النوع P + مصدر/مدخلات من النوع N؛ الإلكترونات هي حاملات التيار.
• PMOS: ركيزة من النوع N + مصدر/مدخلات من النوع P؛ الثقوب هي حاملات التيار.
• الفرق بين الوضعية المحسّنة والوضعية المستنفدة:
• الوضعية المحسّنة: حالة عدم التوصيل الافتراضية؛ يتطلب تطبيق جهد على البوابة ليبدأ التوصيل.
• الوضعية المستنفدة: حالة التوصيل الافتراضية؛ تصبح غير موصلة عندما يُطبَّق جهد على البوابة.

2. مبدأ التشغيل (التحكم بواسطة المجال الكهربائي)

يعتمد تشغيل الترانزستور MOSFET بشكل أساسي على تأثير المجال الكهربائي، والذي يتحكم في توزيع حاملات الشحنة داخل المادة شبه الموصلة.

• ترانزستور MOSFET من النوع المحسن (Enhancement-Mode NMOSFET): عند تطبيق جهد موجب على البوابة، يجذب المجال الكهربائي الإلكترونات نحو الركيزة من النوع P الموجودة تحت البوابة، مما يؤدي إلى تشكيل طبقة عكسية من النوع N وتكوين قناة توصيلية بين المصدر والجامع.
• ترانزستور MOSFET من النوع المحسن للقنوات من النوع P (Enhancement-Mode PMOSFET): عند تطبيق جهد سالب على البوابة، تنجذب الثقوب إلى سطح الركيزة من النوع N، مما يؤدي إلى تشكيل قناة من النوع P تسمح بحدوث التوصيل بين المصدر والجامع.

التحكم في حالات التشغيل والإيقاف:

يتوقف سلوك التبديل لترانزستور MOSFET على جهد البوابة-المصدر (VGS):

عندما يكون VGS ≤ Vth (جهد العتبة)، تتكون القناة ويتم تشغيل الجهاز.

عندما يكون VGS < Vth، تختفي القناة ويتم إيقاف الجهاز.

3. طرق التصنيف الرئيسية

يمكن تصنيف ترانزستورات MOSFET بعدة طرق بناءً على معايير مختلفة:

تُستخدم أجهزة NMOS على نطاق أوسع في التطبيقات عالية التردد والأداء العالي بسبب حركية إلكترونات أعلى ومقاومة تشغيل أقل.

4. مجالات التطبيق النموذجية

تتناسب MOSFETs مع مختلف السيناريوهات بدءًا من التحكم بمنخفض الطاقة إلى التشغيل بجهد عالٍ:

• الدوائر الرقمية وتصميم المنطق: تتكون بوابات CMOS المنطقية، من NMOS و PMOS متكاملتين، أساس المعالجات الدقيقة والوحدات الدقيقة المتحكمات والشرائح الذاكرة. تدمج SoCs الحديثة (System-on-Chip) بلايين من MOSFETs.
• إمدادات الطاقة والتحكم بها: باعتبارها أجهزة تبديل فعّالة، تُستخدم على نطاق واسع في محولات DC-DC، ومصادر الطاقة التبديلية (SMPS)، ومعكوسات الطاقة، وسائقات LED. وتدعم تصميمات التبديل اللطيف، والضوضاء الكهرومغناطيسية المنخفضة، والكفاءة العالية.
• الدوائر التناظرية: تُستخدم MOSFETs كمكبرات للجهد، ومصادر تيار ثابت، ومفاتيح تناظرية. فهي تعمل بشكل ممتاز في مكبرات الصوت وحلقات التغذية الراجعة للطاقة.
• التحكم في السيارات والصناعات: تُستخدم MOSFETs على نطاق واسع في وحدات التحكم الإلكترونية (ECUs) في السيارات، ومحركات التحكم في المحركات، والمشّاحات المحمولة (OBCs). كما تُستخدم أيضًا في وحدات الدفع، وأنظمة التحكم القابلة للبرمجة (PLCs)، وفي استبدال الريلايات في أتمتة المصانع.
• أجهزة الاستشعار ونظام الكشف: تُستخدم MOSFETs لبناء دوائر قراءة الإشارات في مستشعرات الصور CMOS، والمستشعرات تحت الحمراء، ومستشعرات MEMS. وتخدم كمكبرات إشارة أمامية لكشف الإشارات عالية الحساسية.

5. خاتمة

بفضل أدائها الكهربائي الممتاز، وبنيتها البسيطة، وقابلية التحكم العالية، أصبحت MOSFETs مكونات لا غنى عنها في صناعة الإلكترونيات.

من الإلكترونيات الاستهلاكية والمعدات الاتصالات إلى الأتمتة الصناعية والمركبات الكهربائية الجديدة للطاقة، توجد تطبيقاتها في كل مكان.

من خلال فهم تركيبتها ومبادئها وخصائص تطبيقاتها، يمكن إكمال اختيار الجهاز والتصميم النظامي وتحسين المنتجات بشكل أكثر فعالية.