ماسفت یک ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی است. یا فلز-عایق-نیمه هادی. ترانزیستور دوقطبی تغییر کوچک جریان را در انتهای ورودی تقویت می کند و یک تغییر جریان بزرگ را در انتهای خروجی خروجی می دهد. بهره ترانزیستور دوقطبی به عنوان نسبت خروجی به جریان ورودی (بتا) تعریف می شود. نوع دیگری از ترانزیستور که ترانزیستور اثر میدانی (FET) نامیده می شود، تغییرات ولتاژ ورودی را به تغییر در جریان خروجی تبدیل می کند. بهره یک FET برابر با رسانایی آن است که به عنوان نسبت تغییر در جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی تعریف می شود. نام FET همچنین از ورودی آن (به نام گیت) گرفته شده است که بر جریان عبوری از ترانزیستور با پخش میدان الکتریکی بر روی یک لایه عایق تأثیر می گذارد. در واقع هیچ جریانی از این عایق عبور نمی کند، بنابراین جریان دروازه FET بسیار کم است. رایج ترین FET از یک لایه نازک دی اکسید سیلیکون به عنوان عایق زیر دروازه استفاده می کند. چنین ترانزیستورهایی را ترانزیستورهای اکسید فلزی نیمه هادی (MOS) یا ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلزی نیمه هادی (MOSFET) می نامند. از آنجایی که ماسفت ها کوچکتر و کارآمدتر هستند، در بسیاری از کاربردها جایگزین ترانزیستورهای دوقطبی شده اند.

MOS چیست؟ چه تاثیری دارد

برای بررسی اطلاعات ماسفت می توانید مستقیماً به دایره المعارف بایدو مراجعه کنید.

ماسفت یک ترانزیستور اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی یا یک نیمه هادی-عایق-فلز است. منبع و تخلیه ماسفت را می توان معکوس کرد و همه آنها نواحی از نوع N هستند که در backgate نوع P تشکیل شده اند. در اکثر موارد این دو ناحیه یکسان هستند، حتی اگر دو سر آن برعکس باشد، تاثیری بر عملکرد دستگاه نخواهد داشت. چنین دستگاه هایی متقارن در نظر گرفته می شوند.

ترانزیستور دوقطبی تغییر کوچک جریان را در انتهای ورودی تقویت می کند و یک تغییر جریان بزرگ را در انتهای خروجی خروجی می دهد. بهره ترانزیستور دوقطبی به عنوان نسبت خروجی به جریان ورودی (بتا) تعریف می شود. نوع دیگری از ترانزیستور که ترانزیستور اثر میدانی (FET) نامیده می شود، تغییرات ولتاژ ورودی را به تغییر در جریان خروجی تبدیل می کند. بهره یک FET برابر با رسانایی آن است که به عنوان نسبت تغییر در جریان خروجی به تغییر ولتاژ ورودی تعریف می شود.

نام FET همچنین از ورودی آن (به نام گیت) گرفته شده است که بر جریان عبوری از ترانزیستور با پخش میدان الکتریکی بر روی یک لایه عایق تأثیر می گذارد. در واقع هیچ جریانی از این عایق عبور نمی کند، بنابراین جریان دروازه FET بسیار کم است. رایج ترین FET از یک لایه نازک دی اکسید سیلیکون به عنوان عایق زیر دروازه استفاده می کند. چنین ترانزیستورهایی را ترانزیستورهای اکسید فلزی نیمه هادی (MOS) یا ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلزی نیمه هادی (MOSFET) می نامند. از آنجایی که ماسفت ها کوچکتر و کارآمدتر هستند، در بسیاری از کاربردها جایگزین ترانزیستورهای دوقطبی شده اند.

ابتدا به یک دستگاه ساده تر - خازن MOS - برای درک بهتر MOSFET نگاه کنید. این دستگاه دارای دو الکترود، یکی از فلز و دیگری از سیلیکون خارجی است که توسط یک لایه نازک دی اکسید سیلیکون از هم جدا شده اند. قطب فلزی GATE است و پایانه نیمه هادی پشتی یا بدنه است. لایه اکسید عایق بین آنها گیت دی الکتریک نامیده می شود. دستگاه نشان داده شده دارای یک درب پشتی است که از سیلیکون نوع P کمی دوپ شده ساخته شده است. ویژگی های الکتریکی این خازن MOS را می توان با اتصال بک گیت به زمین و گیت به ولتاژهای مختلف توضیح داد. پتانسیل GATE خازن MOS 0 ولت است. تفاوت در WORK FUNCTION بین GATE فلزی و BACKGATE نیمه هادی، میدان الکتریکی کوچکی را روی دی الکتریک ایجاد می کند. در دستگاه این میدان الکتریکی باعث می شود که قطب های فلزی کمی مثبت و سیلیکون نوع P منفی شود. این میدان الکتریکی، الکترون‌ها را از لایه‌های پایینی سیلیکون به سطح جذب می‌کند و همزمان سوراخ‌هایی را از سطح دفع می‌کند. این میدان الکتریکی بسیار ضعیف است، بنابراین تغییر در غلظت حامل بسیار ناچیز است و تأثیر آن بر ویژگی های کلی دستگاه نیز بسیار کم است.

وقتی GATE خازن MOS نسبت به BACKGATE به سمت جلو بایاس شود چه اتفاقی می افتد. میدان الکتریکی در سراسر GATE DIELECTRIC تشدید می‌شود و الکترون‌های بیشتری از زیرلایه بیرون کشیده می‌شوند. در همان زمان، سوراخ ها از سطح دفع می شوند. با افزایش ولتاژ GATE، تعداد الکترون ها بیشتر از حفره های سطح خواهد بود. به دلیل الکترون های اضافی، سطح سیلیکون شبیه سیلیکون نوع N است. معکوس شدن قطبیت دوپینگ وارونگی و لایه سیلیکونی معکوس کانال نامیده می شود. با ادامه افزایش ولتاژ GATE، الکترون های بیشتری روی سطح جمع می شوند و کانال به یک وارونگی قوی تبدیل می شود. ولتاژی که کانال در آن تشکیل می شود، ولتاژ آستانه Vt نامیده می شود. وقتی اختلاف ولتاژ بین GATE و BACKGATE کمتر از ولتاژ آستانه باشد، کانالی تشکیل نمی شود. هنگامی که اختلاف ولتاژ از ولتاژ آستانه فراتر رفت، کانال ظاهر می شود.

خازن های MOS: (A) بدون سوگیری (VBG=0V)، (B) معکوس (VBG=3V)، (C) انباشته شده (VBG=-3V).

وسط حالتی است که GATE خازن MOS نسبت به بک گیت یک ولتاژ منفی باشد. میدان الکتریکی معکوس است و حفره هایی را به سطح جذب می کند و الکترون ها را دفع می کند. به نظر می رسد سطح سیلیکون به شدت دوپ شده است و دستگاه در حالت انباشتگی در نظر گرفته می شود.

از ویژگی های خازن های MOS می توان برای تشکیل ترانزیستورهای MOS استفاده کرد. دروازه، دی الکتریک و درب پشتی به همان شکلی که هستند باقی می مانند. در دو طرف دروازه دو ناحیه دیگر به طور انتخابی دوپ شده است. یکی از آنها منبع و دیگری تخلیه نامیده می شود. فرض کنید هم منبع و هم درب پشتی زمین هستند و تخلیه به یک ولتاژ مثبت وصل شده است. تا زمانی که ولتاژ بین GATE و BACKGATE هنوز کمتر از ولتاژ آستانه باشد، کانالی تشکیل نخواهد شد. محل اتصال PN بین درین و درب پشتی بایاس معکوس است، بنابراین فقط مقدار کمی جریان از درین به درب پشتی جریان می یابد. اگر ولتاژ GATE از ولتاژ آستانه بیشتر شود، یک کانال زیر دی الکتریک GATE ظاهر می شود. این کانال مانند یک لایه نازک از سیلیکون نوع N است که تخلیه و منبع را کوتاه می کند. جریانی متشکل از الکترون ها از منبع از طریق کانال به درن جریان می یابد. به طور کلی، جریان تخلیه تنها زمانی وجود خواهد داشت که ولتاژ دروازه به منبع V از ولتاژ آستانه Vt بیشتر شود.

در یک ماسفت متقارن، برچسب گذاری منبع و تخلیه تا حدودی دلخواه است. طبق تعریف، حامل ها از منبع خارج می شوند و به زهکشی می روند. بنابراین، هویت منبع و تخلیه توسط بایاس دستگاه تعیین می شود. گاهی اوقات ولتاژ بایاس در ترانزیستور ثابت نمی شود و این دو لید نقش ها را با یکدیگر تغییر می دهند. در این حالت طراح مدار باید مشخص کند که یکی درین و دیگری منبع باشد.

منبع و زهکش ماسفت نامتقارن با دوپینگ های مختلف و اشکال هندسی متفاوت هستند. دلایل زیادی برای ساخت ترانزیستورهای نامتقارن وجود دارد، اما نتیجه نهایی همه آنها یکسان است. یک پایانه سرب به عنوان تخلیه و دیگری به عنوان منبع بهینه شده است. اگر تخلیه و منبع تعویض شوند، دستگاه به درستی کار نمی کند.

ترانزیستورها کانالی از نوع N دارند، بنابراین به آن MOSFET کانال N یا NMOS می گویند. یک لوله MOS کانال P (PMOS) نیز وجود دارد که یک P-MOSFET است که از یک BACKGATE نوع N کمی دوپ شده و یک منبع و تخلیه نوع P تشکیل شده است. اگر GATE این ترانزیستور نسبت به BACKGATE بایاس رو به جلو باشد، الکترون ها به سطح جذب می شوند و سوراخ ها از سطح دفع می شوند. سطح سیلیکون انباشته شده است و کانالی تشکیل نمی شود. اگر GATE نسبت به BACKGATE بایاس معکوس باشد، سوراخ هایی به سطح جذب شده و یک کانال تشکیل می شود. بنابراین، ولتاژ آستانه ترانزیستور PMOS منفی است. از آنجایی که ولتاژ آستانه NMOS مثبت و ولتاژ آستانه PMOS منفی است، مهندسان معمولاً علامت جلوی ولتاژ آستانه را حذف می کنند. یک مهندس ممکن است بگوید، "PMOS Vt از 0.6 ولت به 0.7 ولت افزایش می یابد"، در حالی که در واقع PMOS Vt از -0.6 ولت به -0.7 ولت کاهش می یابد.