اصل کار موسفت

۱. مقدمه

MOSFET (ترانزیستور میدانی فلز-اکسید-نیمه‌رسانا) نوعی ترانزیستور میدانی است که به طور گسترده در مدارهای الکترونیکی مدرن استفاده می‌شود. این دستگاه جریان را با ایجاد یا بستن یک کانال هدایت‌کننده تحت تأثیر یک میدان الکتریکی کنترل می‌کند. MOSFET‌ها به خاطر کارایی کنترل بالا، مصرف انرژی پایین و سرعت شیفت‌دهی سریع، در سیستم‌های رقمی و موج‌ناک غیرقابل جدایی هستند.

۲. ساختار

یک MOSFET معمولاً از قسمت‌های زیر تشکیل شده است:

دروازه: یک الکترود فلزی یا پلی‌سیلیکون که توسط لایه‌ای دی الکتریک (معمولاً اکسید سیلیکون، SiO₂) از نیمه‌رسانا عایق شده است.

منبع و در: دو منطقه N-مدفوع‌شده سنگین داخل یک زیربازه نیمه‌رسانا از نوع P.

بدن (ذره پایه): معمولاً یک نیم رسانا از نوع P است. در بیشتر طراحی‌های مدار، بدن به منبع متصل می‌شود تا پتانسیل ثابتی حفظ شود و اثر بدن را کاهش دهد.

3. اصل عملکرد

MOSFET با کنترل اینکه آیا یک کانال رسانا بین منبع و درن شکل می‌گیرد یا خیر، بر اساس ولتاژ گیت، عمل می‌کند.

3.1 حالت خاموش

هنگامی که ولتاژ گیت 0 ولت یا کمتر از ولتاژ آستانه (Vth) است:

هیچ کانال هادی روی سطح زیربنای نوع P ایجاد نمی‌شود.

مقاومت بالا بین منبع و مصرف وجود دارد، که باعث جریان تقریباً صفر می‌شود.

موسفت در حالت «خاموش» قرار دارد و مثل یک شلیک باز عمل می‌کند.

3.2 حالت روشن

هنگامی که ولتاژ گیت (VGS) از ولتاژ آستانه بیشتر است (VGS > Vth):

یک میدان الکتریکی عمودی تحت لایه دی الکتریک گیت شکل می‌گیرد.

این میدان الکترون‌هایی را از زیربنا نوع P به سطح نیمه هادی جذب کرده و حفره‌ها را دفع می‌کند، که باعث ایجاد لایه معکوسشده نوع N می‌شود.

این کانال هادی منبع و درین را به هم متصل می‌کند و اجازه می‌دهد تا جریان از درین به منبع (بر اساس جهت جریان معمولی) جریان یابد.

4. ویژگی‌های کلیدی

موسفت‌ها ویژگی‌های برقی زیر را نشان می‌دهند:

دستگاه کنترل شده با ولتاژ: جریان توسط ولتاژ گیت تنظیم می‌شود و به دلیل وجود اکسید گیت عایق، تقریباً هیچ جریان گیتی جریان ندارد، که منجر به مصرف قدرت استاتیکی بسیار کم می‌شود.

سرعت سوئیچینگ بالا: مناسب برای مدارهاي فرکانس بالا، شامل مدارهای RF و سوئیچینگ دیجیتال.

مصرف قدرت کم: قدرت فقط در طی تغییرات سوئیچینگ مصرف می‌شود، که باعث می‌شود MOSFET‌ها برای سیستم‌های携بر و انرژی-کارآمد مناسب باشند.

۵. کاربردها

MOSFET‌ها معمولاً در حوزه‌های زیر استفاده می‌شوند:

مدارهای دیجیتال: به عنوان سوئیچ‌ها در دروازه‌های منطقی، فلیپ‌فلپ‌ها و ترانزیستورهای موجود در CPU عمل می‌کنند.

مدارهای آنالوگ: به عنوان تقویت‌کننده‌های ولتاژ، دنبال‌کننده‌های منبع، و تنظیم‌کننده‌های جریان عمل می‌کنند.

مدیریت انرژی: در کنورترهاي DC-DC، سوئیچ‌های قدرت، و مدارهای کنترل موتور استفاده می‌شوند.

6. خلاصه

وظیفه اصلی یک MOSFET کنترل جریان با استفاده از یک میدان الکتریکی است. با اعمال ولتاژ به دروازه، یک کانال هدایت‌پذیر موقت روی سطح نیمه‌رسانا ایجاد می‌شود که این موضوع باعث فعال یا غیرفعال شدن هدایت جریان می‌شود. این مکانیسم به MOSFET پاسخ‌سپیده، مصرف انرژی کم و کاربرد گسترده در دستگاه‌های الکترونیکی و قدرت مدرن می‌دهد.