مبدأ عمل موسفيت

1. مقدمة

معافس (MOSFET) هو مُعَدِّل حقل شائع الاستخدام في الدوائر الإلكترونية الحديثة. يقوم بتحكم تبديل التيار من خلال تكوين أو منع قناة موصلة باستخدام مجال كهربائي. يتميز معافسات بكفاءة تحكم عالية، استهلاك طاقة منخفض وسرعة تبديل سريعة، مما يجعلها ضرورية في كل من الأنظمة الرقمية والتناظرية.

2. البنية

يتكون معافس عادةً من الأجزاء التالية:

البوابة: قطب معدني أو سيليكون متعدد معزول عن نصف الموصل بواسطة طبقة عازلة (عادة ما تكون أكسيد السيليكون، SiO₂).

المصدر والصمام ال drai n: منطقتان مزدوان ن من نوع N مضمنتان داخل غشاء شبه موصل من نوع P.

الجسم (الغشاء): عادةً ما يكون شبه موصل من نوع P. في معظم تصاميم الدوائر، يتم توصيل الجسم بالمصدر لضمان ثبات الفرق الكهربائي وتقليل تداخل تأثير الجسم.

3. مبدأ التشغيل

يعمل MOSFET عن طريق التحكم في تكوين قناة موصلة بين المصدر والصمام ال drai n، اعتمادًا على جهد البوابة.

3.1 الحالة المعطلة

عندما تكون جهد البوابة 0 فولت أو أقل من الجهد العتبة (Vth):

لا يتشكل قناة موصلة على سطح الجزء الرئيسي من النوع P.

يوجد مقاومة عالية بين المصدر والمصعد، مما يؤدي إلى تدفق شبه معدوم للتيار.

MOSFET في حالة "إغلاق"، وتعمل مثل مفتاح مفتوح.

3.2 حالة التشغيل

عندما يتجاوز الجهد عند البوابة (VGS) الجهد العتبة (VGS > Vth):

يتشكل حقل كهربائي عمودي تحت طبقة عازل البوابة.

يجذب هذا الحقل الإلكترونات من الجزء P-نوع إلى سطح شبه الموصل ويدفع الثقوب بعيدًا، مما يؤدي إلى إنشاء طبقة انعكاس من نوع N.

يربط هذا القناة الموصلة بين المصدر والمصعد، مما يسمح بتدفق التيار من المصعد إلى المصدر (وفقًا لاتجاه التيار التقليدي).

الخصائص الرئيسية

تتميز مكونات MOSFET بالخصائص الكهربائية التالية:

جهاز متحكم به بالجهد: يتم تنظيم التيار بواسطة جهد البوابة، وبسبب أكسيد البوابة العازل، يتدفق تقريبًا لا تيار في البوابة، مما يؤدي إلى استهلاك طاقة ساكنة فائق المنخفض.

سرعة تحويل سريعة: مناسبة للدوائر عالية التردد، بما في ذلك الدوائر الراديوية والتحويل الرقمي.

انخفاض استهلاك الطاقة: تستهلك الطاقة فقط أثناء عمليات التحويل، مما يجعل مكونات MOSFET مناسبة لأنظمة محمولة وكفؤة من حيث استهلاك الطاقة.

5. التطبيقات

تُستخدم مكونات MOSFET بشكل شائع في المجالات التالية:

الدوائر الرقمية: تعمل كمفات في الأبواب المنطقية، والفلوبات، والترانزستورات في وحدات المعالجة المركزية.

الدوائر التناظرية: تؤدي دور مكبرات الجهد، ومتابعي المصدر، ومحكمي التيار.

إدارة الطاقة: تُستخدم في محولات DC-DC، ومفاتيح الطاقة، ودوائر تحكم المحركات.

6. ملخص

الوظيفة الأساسية لـ MOSFET هي التحكم في تدفق التيار باستخدام حقل كهربائي. عن طريق تطبيق جهد على البوابة، يتم إنشاء قناة موصلة مؤقتة على سطحiconductor نصف الموصل، مما يمكّن أو يمنع تدفق التيار. هذا الآلية تعطي MOSFET استجابتها الممتازة، واستهلاكها المنخفض للطاقة، وتوسيع استخدامها في الأجهزة الإلكترونية الحديثة وأجهزة الطاقة.