ماسفت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
ماسفت شامل پایه های گیت(G)،درین(D)،سورس(S) و بدنه(B)

ماسفت یا ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا-اکسید-فلز (به انگلیسی: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor ٫ MOSFET ) معروف‌ترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. این گونه از ترانزیستور اثر میدان نخستین بار در سال ۱۹۲۵ میلادی معرفی شد. در آن هنگام، ساخت و به کارگیری این ترانزیستورها، به سبب نبود علم و ابزار و امکان، با دشواری همراه بود و از همین روی، برای پنج دهه فراموش شدند و از میدانِ پیشرفت‌های الکترونیک بر کنار ماندند. در آغازِ دههٔ ۱۹۷۰م، بارِ دیگر نگاه‌ها به MOSFETها افتاد و برای ساختنِ مدارهای مجتمع به کار گرفته شدند.

در ترانزیستور اثرِ میدان ( FET ) چنان که از نام اش پیداست، پایهٔ کنترلی، جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. از همین روی ورودی این مدار هیچ اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد. عمده تفاوت ماسفت با ترانزیستور JFET در این است که گیت ترانزیستورهای ماسفت توسط لایه‌ای از اکسید سیلیسیم (SiO2) از کانال مجزا شده است. به این دلیل به ماسفتها فِت با گیت مجزا (به انگلیسی: IGFET ، Insulated Gate FET) نیز گفته میشود.[۱]

مدارهای مجتمع بر پایهٔ فناوری ترانزیستورهای اثرِ میدانِ MOS را می‌توان بسیار ریزتر و ساده‌تر از مدارهای مجتمع بر پایهٔ ترانزیستورهای دوقطبی ساخت، بی آن که (حتی در مدارها و تابع‌های پیچیده و مقیاس‌های بزرگ ) نیازی به مقاومت، دیود یا دیگر قطعه‌های الکترونیکی داشته باشند.[۲] همین ویژگی، تولیدِ انبوهِ آن‌ها را آسان می‌کند، چندان که هم اکنون بیش‌تر از ۸۵ درصدِ مدارهای مجتمع، بر پایهٔ فناوریِ MOS طراحی و ساخته می‌شوند.

ترانزیستورهای MOS، بسته به کانالی که در آن‌ها شکل می‌گیرد، NMOS یا PMOS نامیده می‌شوند. در آغازِ کار، PMOS ترانزیستورِ پرکاربردتر در فناوری MOS بود. اما از آن جا که ساختنِ NMOS آسان‌تر است و مساحتِ کم‌تری هم می‌گیرد، از PMOS پیشی گرفت. بر خلافِ ترانزیستورهای دوقطبی، در ترانزیستورهای MOSFET، جریان، نتیجهٔ شارشِ تنها یک حامل ( الکترون یا حفره) در میانِ پیوندها است و از این رو، این ترانزیستورها را تک‌قطبی هم می‌نامند.

ساختار و کارکرد ماسفت افزایشی[ویرایش]

فت دارای سه پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌کند. فت‌ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FET‌ها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند. نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFET‌ها هستند (ترانزیستور اثرمیدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آن‌ها در مدار است.

فت‌ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می‌کنیم. یعنی پایه‌ای که نسبت به دو پایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایهٔ درین را از سورس تشخیص داد.

ماسفت کاهشی[ویرایش]

ساختار این گونهٔ ترانزیستورِ MOS، همانند ساختار ترانزیستورهای افزایشی است، تنها با این تفاوت که هنگامِ ساخت آن، کانال را، به وسیلهٔ یک نوار از جنس سیلیسیم، میانِ سورس و درین تعبیه می‌کنند. از این رو، اگر اختلاف پتانسیل میان آن دو اعمال شود، جریانی از سورس به درین خواهیم داشت؛ هرچند که ولتاژ اعمال شده به گیت صفر باشد.

تاریخچه[ویرایش]

اصل اساسی این نوع ترانزیستور برای اولین بار توسط جولیوس ادگار Lilienfeld در سال ۱۹۲۵به ثبت رسید. بیست و پنج سال بعد، هنگامی که اقدام به ثبت اختراع ترانزیستور اتصال کرد، آنها دریافتند Lilienfeld در حال حاضر برگزاری یک ثبت اختراع که در راه است که می تواند شامل تمام انواع ترانزیستورهاشود. آزمایشگاههای بل قادر به کار کردن توافق با Lilienfeld، که هنوز زنده بود که در آن زمان (که معلوم نیست اگر آنها به او پرداخت پول و یا نه) بود.که در آن زمان بود نسخه آزمایشگاههای بل نام داده شد ترانزیستور اتصال دو قطبی، و یا به سادگی ترانزیستور، و طراحی Lilienfeld نام ترانزیستور اثر میدانی بر گرفت.

در سال ۱۹۵۹، Dawon Kahng و مارتین M.Atalla در آزمایشگاههای بل، فلز اکسید نیمه هادی ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) به عنوان شاخه ای به طراحی FET اختراع اختراع شد.

عملکرد و ساختار های مختلف از اتصال دو قطبی ترانزیستور، MOSFET با قرار دادن یک لایه عایق در سطح نیمه هادی و سپس با قرار دادن یک الکترود گیت فلزی که در آن ساخته شده بود. این سیلیکون کریستالی نیمه هادی و لایه ای از دی اکسید سیلیکون اکسیده حرارتی برای عایق استفاده می شود. MOSFET سیلیکون تله الکترونی موضعی در رابط بین لایه سیلیکون و اکسید آن، بومی تولید نیست، و در نتیجه ذاتا عاری از تجملات و تزئینات و پراکندگی از حامل های که مانع عملکرد ترانزیستورهای اثر میدانی زودتر بود. پس از توسعه اتاق تمیز به منظور کاهش آلودگی به سطوح پیش از این فکر لازم است، و و فرآیند دو وجهی اجازه می دهد تا مدارات را در مراحل بسیار کمی ساخته شده باشد، این سیستم سی SiO2 نوع دارای جاذبه های فنی به عنوان هزینه پایین تولید (بر اساس هر مدار) و سهولت یکپارچه سازی است. علاوه بر این، با استفاده از روش اتصال دو MOSFET های مکمل (P-کانال و N-کانال) را به یکی از سوئیچ بالا / پایین، شناخته شده به عنوان CMOS، این بدان معنی است که مدارهای دیجیتالی پاشیدن قدرت بسیار کمی به جز زمانی که در واقع روشن است. عمدتا به دلیل این سه عامل، MOSFET تبدیل شده است با توجه به نوع ترانزیستور به طور گسترده ای مورد استفاده در مدارات مجتمع است.

مدارهای CMOS[ویرایش]

MOSFET در مکمل های دیجیتال، نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS) منطق مورد استفاده قرار می گیرد،که به عنوان بلوک های ساختمانی با استفاده از p-و ماسفت کانال N-است. بیش از حد یک نگرانی عمده ای را در مدارهای مجتمع است، از ترانزیستورهای بیشتری را در تراشه های کوچکتر بسته بندی شده است. CMOS منطق مصرف برق را کاهش می دهد، زیرا هیچ جریان (ایده آل)، و در نتیجه هیچ قدرت مصرف می شود، به جز زمانی که ورودی به گیت های منطقی در حال تغییر است. CMOS انجام این کاهش در حال حاضر با تکمیل هر nMOSFET با یک pMOSFET و اتصال هر دو گیتس و هر دو درن با هم است. یک ولتاژ بالا بر روی دروازه باعث خواهد شد nMOSFET برای انجام و pMOSFET به انجام و ولتاژ پایین بر ​​روی دروازه باعث معکوس. در طول زمان سوئیچینگ ولتاژ از یک کشور به کشور دیگر می رود، هر دو ماسفت به طور خلاصه انجام خواهد شد. این ترتیب تا حد زیادی مصرف برق و تولید گرما را کاهش می دهد. برنامه های کاربردی CMOS دیجیتال و آنالوگ در زیر توضیح داده شده است.

دیجیتال[ویرایش]

رشد فن آوری های دیجیتال مانند ریزپردازنده فراهم کرده است انگیزه برای پیشبرد تکنولوژی MOSFET سریع تر از هر نوع دیگری از سیلیکون مبتنی بر ترانزیستور است. یک مزیت بزرگ از ماسفت برای تعویض دیجیتال این است که لایه ی اکسید بین دروازه و کانال مانع جریان از جریان از طریق دروازه DC، بیشتر به کاهش مصرف برق و دادن امپدانس ورودی بسیار بزرگ است. اکسید عایق بین دروازه و کانال به طور موثر جدا در یک منطق مرحله از مراحل اولیه و بعد از آن، که اجازه می دهد تا یک خروجی MOSFET تنها به درایو تعداد قابل توجهی از ورودی MOSFET MOSFET. دو قطبی ترانزیستور مبتنی بر منطق (مانند TTL) چنین ظرفیت بالا fanout ندارد. این انزوا نیز باعث می شود آن را آسان تر برای طراحان به برخی از اثرات حد بارگذاری بین مراحل منطق به طور مستقل را نادیده گرفت. این حد با فرکانس عامل تعریف می شود: به عنوان افزایش فرکانس، امپدانس ورودی ماسفت ها کاهش می یابد.

آنالوگ[ویرایش]

مزایای MOSFET در مدارهای دیجیتال را به برتری در تمام مدارهای آنالوگ تبدیل شدنی نیست. دو نوع مدار بر اساس ویژگی های مختلف ترانزیستور رفتار می کنند است. مدارات دیجیتال سوئیچ، صرف بیشتر وقت خود را خارج از منطقه تعویض، در حالی که مدارهای آنالوگ بر رفتار MOSFET دقیقا در منطقه سوئیچینگ از عملیات برگزار می شود بستگی دارد. اتصال ترانزیستور دو قطبی (BJT) به طور سنتی ترانزیستور طراح آنالوگ از انتخاب، به دلیل آن transconductance بالا و پایین امپدانس خروجی (تخلیه ولتاژ استقلال) در منطقه تعویض.

با این وجود، ماسفت ها به طور گسترده ای در بسیاری از انواع مدارات آنالوگ به دلیل مزایای خاصی استفاده می شود. عملکرد و ویژگیهای بسیاری از مدارهای آنالوگ را می توان با تغییر اندازه (طول و عرض) از ماسفت استفاده می شود طراحی شده است. در مقایسه، در اکثر ترانزیستورهای دوقطبی اندازه دستگاه قابل توجهی بر عملکرد. ویژگی های ایده آل ماسفت در مورد gate فعلی (صفر) و تخلیه منبع ولتاژ افست (صفر) نیز آنها را عناصر نزدیک به ایده آل سوئیچ، و همچنین ایجاد تغییر خازن مدارهای آنالوگ عملی. در ناحیه خطی خود، ماسفت ها را می توان به عنوان مقاومتهای دقیق، که می تواند مقاومت در برابر کنترل بسیار بیشتر از BJT ها استفاده می شود. در مدارهای قدرت بالا، ماسفت گاهی اوقات استفاده از فراری حرارتی رنج می برند نه به عنوان BJT ها داشته باشد. همچنین آنها را می توان به خازن و مدارهای چرخنده است که اجازه می دهد عملیات، آمپر ساخته شده از آنها به عنوان سلف ظاهر می شود شکل گرفته است، در نتیجه اجازه می دهد تمام آنالوگ دستگاه های طبیعی، به جز برای دیودها (که می تواند به صورت کوچکتر از یک MOSFET به هر حال)، به به طور کامل از ماسفت ساخته شده است. این اجازه می دهد تا برای کامل مدارات آنالوگ را بر روی یک تراشه سیلیکونی در یک فضای بسیار کوچکتر ساخته شده است.

بعضی از IC ها ترکیب مدارات MOSFET در یک مخلوط سیگنال مدار مجتمع آنالوگ و دیجیتال، ساخت فضای مورد نیاز هیئت مدیره و حتی کوچکتر است. این یک نیاز برای منزوی ساختن مدارهای آنالوگ مدارهای دیجیتال در سطح تراشه، منجر به استفاده از حلقه انزوا و سیلیکون بر روی عایق (SOI). مزیت اصلی BJT ها در مقابل ماسفت در فرایند طراحی آنالوگ، توانایی BJT ها که مسئولیت رسیدگی به یک جریان بزرگتر در یک فضای کوچکتر است. فرآیندهای ساخت وجود دارد که ترکیب BJT و MOSFET را به یک دستگاه واحد. دستگاه ها ترانزیستور مختلط به نام بی FET ها بیین (دوقطبی-FET ها بیین) اگر تنها یکی از آنها حاوی BJT-FET و میکنند Bicmos (دوقطبی-CMOS) اگر آنها حاوی مکمل BJT-FET ها بیین. دستگاه های چنین مزایای استفاده از هر دو گیتس عایق و بالاتر چگالی جریان است

پیشرفت ماسفتها[ویرایش]

در طول دهه های گذشته، MOSFET به طور مستمر در اندازه کوچک و طول کانال MOSFET معمولی یک بار میکرومتر، اما مدارهای مجتمع مدرن ترکیب MOSFET های با طول کانال از دهها نانومتر است. کار در تئوری پوسته پوسته شدن رابرت Dennard محوری در شناخت است که این کاهش مداوم ممکن بود بود. اینتل شروع به تولید یک فرایند شامل 32 نانومتر اندازه از ویژگی های (با کانال که حتی کوتاه تر) در اواخر سال 2009 است.صنعت نیمه هادی را حفظ می کند "نقشه راه"، که مجموعه سرعت برای توسعه MOSFET. از لحاظ تاریخی، مشکلات با کاهش اندازه MOSFET شده اند با دستگاه نیمه هادی فرآیند ساخت، نیاز به استفاده از ولتاژهای بسیار پایین، و با فقیرتر عملکرد الکتریکی طراحی مدار ایجاب می و نوآوری (MOSFET های کوچک نمایشگاه جریان نشتی بالاتر و پایین خروجی مقاومت، در زیر مورد بحث).

جستارهای وابسته[ویرایش]

پانویس[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  • Floyd. لکترونیک مدار-طراحی-کاربرد. ترجمهٔ محمود دیانی. نشر نص، ۱۳۸۶. شابک ‎۹۷۸-۹۶۴-۴۱۰-۱۱۰-۶. 
  • ناصر حافظی مطلق. الکترونیک کاربردی، جلد نحست: آزمایشگاه الکترونیک1 سال = 1391. نگاران سبز. شابک ‎۰-۵-۹۰۵۳۶-۶۰۰-۹۷۸. 
  • Sedra و Smith. مدارهای میکرو‌الکترونیک. ترجمهٔ خلیل باغانی،حمید‌رضا رضایی نیا. انتشارات خراسان، ۱۳۸۸. شابک ‎۹۶۴-۶۳۴۲-۲۳-x. 
  • میرعشقی، علی. مبانی الکترونیک. ج. اول. نشر شیخ بهایی، ۱۳۸۷. شابک ‎۹۶۴۹۷۸-۹۶۴-۹۰۵۳۹-۳-۶. 
  • الکترونیکِ دیجیتال، مهدی صدیقی، علی ولی‌زاده، فرهاد مهدی‌پور- تهران، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، ۱۳۸۳.
  • طراحی VLSI دیجتال، مرتضی صاحب الزمانی، فرشاد صفایی، محمود فتحی- اصفهان، شیخ بهایی، ۱۳۸۵
جستجو در ویکی‌انبار در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ ماسفت موجود است.