การแนะนำแบบองค์รวมเกี่ยวกับ MOSFET

เรียนรู้พื้นฐานของ MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) ซึ่งรวมถึงโครงสร้าง หลักการทำงาน การจัดประเภท และการประยุกต์ใช้งานหลักในวงจรดิจิทัล อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ระบบควบคุมยานยนต์ และระบบเซ็นเซอร์

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) เป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าโดยอาศัยสนามไฟฟ้า มันทำหน้าที่เป็นองค์ประกอบหลักในวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการและอุปกรณ์แยกชิ้นเดี่ยว และถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในระบบวงจรไฟฟ้าแบบอะนาล็อกและดิจิทัลต่างๆ เนื่องจากมีโครงสร้างเรียบง่าย ตอบสนองได้รวดเร็ว และสามารถนำมารวมเข้าด้วยกันได้ง่าย

การพัฒนาของ MOSFET ได้ผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีอย่างมากในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การจัดการพลังงาน การออกแบบชิปคอมพิวเตอร์ และอิเล็กทรอนิกส์ในรถยนต์

1. โครงสร้างโดยละเอียด

โครงสร้างหลักของ MOSFET ประกอบด้วยสี่บริเวณพื้นฐาน ได้แก่

แหล่งกำเนิด (Source): จุดที่อิเล็กตรอนหรือโฮลถูกฉีดเข้าไป ทำหน้าที่เป็นขั้วต่อกระแสไฟฟ้าขาเข้า
ตัวรับ (Drain): ขั้วที่พาหะเคลื่อนที่ออกจากอุปกรณ์ ทำหน้าที่เป็นขั้วต่อกระแสไฟฟ้าขาออก
เกต: ควบคุมว่าจะมีการก่อตัวของช่องทางนำไฟฟ้าหรือไม่ โดยการประยุกต์แรงดันภายนอก ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ โดยปกติจะถูกหุ้มด้วยชั้นออกไซด์บางๆ (SiO₂) ซึ่งมีคุณสมบัติเป็นฉนวนที่ยอดเยี่ยม
ซับสเตรต: วัสดุเซมิคอนดักเตอร์พื้นฐานของอุปกรณ์ โดยปกติเป็นซิลิกอนชนิด P-type หรือ N-type ที่ถูกผสมสารเจือปนอย่างเบา

ประเภทของซับสเตรตและความสัมพันธ์ของช่องทาง:

NMOS: ซับสเตรตแบบ P-type + แหล่ง/แหล่งจ่ายแบบ N-type; อิเล็กตรอนเป็นตัวพาประจุที่นำไฟฟ้า
PMOS: ซับสเตรตแบบ N-type + แหล่ง/แหล่งจ่ายแบบ P-type; โฮลเป็นตัวพาประจุที่นำไฟฟ้า
ความแตกต่างระหว่างโหมดเอ็นแฮนซ์เมนต์และโหมดดีเพลชั่น:
โหมดเอ็นแฮนซ์เมนต์: ปกติปิดอยู่; จำเป็นต้องใช้แรงดันเกตเพื่อให้เกิดการนำไฟฟ้า
โหมดดีเพลชั่น: ปกติเปิดอยู่; จะกลายเป็นไม่นำไฟฟ้าเมื่อประยุกต์แรงดันเกต

2. หลักการทำงาน (ควบคุมด้วยสนาม)

การทำงานของ MOSFET ขึ้นอยู่กับผลของสนามเป็นหลัก ซึ่งควบคุมการกระจายตัวของตัวพาประจุในสารกึ่งตัวนำ

ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบเพิ่มประสิทธิภาพ (Enhancement-Mode NMOSFET): เมื่อประจุไฟฟ้าบวกถูกนำไปใช้ที่เกต (Gate) ชั้นซับสเตรต (Substrate) แบบ P ด้านล่างของเกตจะดูดเอาอิเล็กตรอนเข้ามาเนื่องจากสนามไฟฟ้า ทำให้เกิดชั้นกลับด้านแบบ N และสร้างช่องทางนำไฟฟ้าขึ้นระหว่างแหล่งจ่าย (Source) และแหล่งรับ (Drain)
ทรานซิสเตอร์ MOSFET แบบเพิ่มประสิทธิภาพ (Enhancement-Mode PMOSFET): เมื่อประจุไฟฟ้าลบถูกนำไปใช้ที่เกต โฮล (Holes) จะถูกดึงดูดไปยังพื้นผิวของชั้นซับสเตรตแบบ N จนเกิดช่องทางแบบ P ซึ่งสามารถนำไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่าย (Source) และแหล่งรับ (Drain) ได้

การควบคุมสถานะเปิดและปิด:

พฤติกรรมการทำงานสวิตช์ของ MOSFET ถูกกำหนดโดยแรงดันเกต-แหล่งจ่าย (VGS):

เมื่อแรงดัน VGS ≥ Vth (แรงดันเกณฑ์) ช่องทางจะถูกสร้างขึ้น และอุปกรณ์จะทำงานในสถานะเปิด

เมื่อแรงดัน VGS ＜ Vth ช่องทางจะหายไป และอุปกรณ์จะอยู่ในสถานะปิด

3. วิธีการจัดประเภทหลัก

MOSFETs สามารถแบ่งออกได้หลายประเภทตามเกณฑ์ที่แตกต่างกัน:

มาตรฐานการจัดประเภท	ประเภท	ลักษณะเฉพาะ
ตามกลไกการนำไฟฟ้า	NMOS	มีความคล่องตัวสูง ความเร็วในการนำไฟฟ้าเร็ว
ตามกลไกการนำไฟฟ้า	PMOS	การบริโภคพลังงานไฟฟ้าขณะอยู่เฉยๆ ต่ำ มีความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนได้ดี
ตามโหมดการทำงาน	ชนิดเพิ่มประสิทธิภาพ (Enhancement type)	ไม่มีแรงดันที่เกต ก็จะไม่มีการนำไฟฟ้าเกิดขึ้น
ตามโหมดการทำงาน	ชนิดลดประสิทธิภาพ (Depletion type)	สถานะการนำไฟฟ้าเริ่มต้น
ตามการใช้งาน	ประเภทลอจิก	ใช้สำหรับควบคุมสวิตช์และการสลับสัญญาณ
ตามการใช้งาน	ประเภทของพลังงาน	ใช้สำหรับควบคุมกำลังไฟฟ้า และขับเคลื่อนมอเตอร์

อุปกรณ์ NMOS ถูกนำไปใช้มากกว่าในงานความถี่สูงและประสิทธิภาพสูง เนื่องจากมีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงกว่าและความต้านทานขณะทำงานต่ำกว่า

4. พื้นที่การใช้งานโดยทั่วไป

MOSFET เหมาะสำหรับหลากหลายสถานการณ์ ตั้งแต่งานควบคุมกำลังไฟฟ้าต่ำไปจนถึงการขับแรงดันสูง:

วงจรดิจิทัลและแบบแผนลอจิก: ประตูลอจิก CMOS ซึ่งประกอบด้วย NMOS และ PMOS เชิงเติมเต็ม เป็นพื้นฐานของไมโครโปรเซสเซอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ และชิปหน่วยความจำ SoC รุ่นใหม่ (System-on-Chip) จะรวมทรานซิสเตอร์ MOSFET หลายพันล้านตัว
แหล่งจ่ายไฟและการควบคุมกำลัง: ในฐานะอุปกรณ์สวิตช์ที่มีประสิทธิภาพ ส่วนใหญ่จะถูกใช้ในตัวแปลง DC-DC แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (SMPS) อินเวอร์เตอร์ และไดรเวอร์ LED โดยสนับสนุนการออกแบบที่เป็น Soft Switching, มี EMI ต่ำ และประสิทธิภาพสูง
วงจรอะนาล็อก: ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET ถูกใช้เป็นตัวขยายสัญญาณแรงดันไฟฟ้า แหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้าคงที่ และสวิตช์อะนาล็อก ซึ่งทำงานได้อย่างยอดเยี่ยมในเครื่องขยายเสียงและวงจรควบคุมกำลังไฟฟ้า
ระบบควบคุมยานยนต์และอุตสาหกรรม: ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET ถูกใช้อย่างแพร่หลายในหน่วยควบคุมอิเล็กทรอนิกส์ (ECU) ของรถยนต์ ตัวควบคุมมอเตอร์ และเครื่องชาร์จบนรถ (OBCs) นอกจากนี้ยังถูกนำไปใช้ในโมดูลขับเคลื่อน PLC และการแทนที่รีเลย์ในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม
เซ็นเซอร์และระบบตรวจจับ: ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET ถูกนำมาใช้สร้างวงจรสำหรับอ่านสัญญาณในเซ็นเซอร์ภาพ CMOS เซ็นเซอร์อินฟราเรด และเซ็นเซอร์ MEMS อีกทั้งยังทำหน้าที่เป็นตัวขยายสัญญาณระดับแรกสำหรับการตรวจจับสัญญาณที่ไวต่อการตอบสนองสูง

5. สรุป

ด้วยสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างที่เรียบง่าย และสามารถควบคุมได้ดี ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET จึงกลายเป็นองค์ประกอบที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

ตั้งแต่เครื่องใช้ไฟฟ้าภายในบ้านและอุปกรณ์สื่อสารไปจนถึงระบบอัตโนมัติในอุตสาหกรรมและยานพาหนะพลังงานไฟฟ้าใหม่ ทรานซิสเตอร์แบบ MOSFET มีการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย

การเข้าใจโครงสร้าง หลักการ และคุณสมบัติการใช้งานของอุปกรณ์ต่าง ๆ จะช่วยให้สามารถเลือกอุปกรณ์ ออกแบบระบบ และปรับปรุงผลิตภัณฑ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

ก่อนหน้า

ไม่มี

แอปพลิเคชันทั้งหมด ถัดไป

ฟังก์ชันและการใช้งานของไดโอด