ماسفت

ماسفت شامل پایه‌های گیت(G)، درین(D)، سورس(S) و بدنه(B)
ماسفت یا ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا-اکسید-فلز 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 به‌کارگیری 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 میدان پیشرفت‌های الکترونیک بر کنار ماندند. در آغاز دهه ۷۰، بار دیگر نگاه‌ها به MOSFETها افتاد و برای ساختن مدارهای مجتمع به کار گرفته شدند.
در ترانزیستور اثر میدان ( FET ) چنان‌که از نام اش پیداست، پایه 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 (SiO 2 ) از کانال مجزا شده‌است. به این دلیل به ماسفتها فت با گیت مجزا نیز گفته می‌شود.
مدارهای مجتمع بر پایه فناوری ترانزیستورهای اثر میدان MOS را می‌توان بسیار ریزتر و ساده‌تر از مدارهای مجتمع بر پایه ترانزیستورهای دوقطبی ساخت، بی‌آن که (حتی در مدارها و تابع‌های پیچیده و مقیاس‌های بزرگ) نیازی به مقاومت، دیود یا دیگر قطعه‌های الکترونیکی داشته باشند. همین ویژگی، تولید انبوه آن‌ها را آسان می‌کند، چندان که هم اکنون بیش‌تر از ۸۵ درصد مدارهای مجتمع، بر پایه فناوری MOS طراحی و ساخته می‌شوند.
ترانزیستورهای MOS، بسته به کانالی که در آن‌ها شکل می‌گیرد، NMOS یا PMOS نامیده می‌شوند. در آغاز کار، PMOS ترانزیستور پرکاربردتر در فناوری MOS بود. اما از آن جا که ساختن NMOS آسان‌تر است و مساحت کم‌تری هم می‌گیرد، از PMOS پیشی گرفت. بر خلاف ترانزیستورهای دوقطبی، در ترانزیستورهای MOSFET، جریان، نتیجه شارش تنها یک حامل (الکترون یا حفره) در میان پیوندها است و از این رو، این ترانزیستورها را تک‌قطبی هم می‌نامند.
ساختار و کارکرد ماسفت افزایشی
فت دارای سه‌پایه 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 معمولا 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 دوپایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی‌نهایت است. معمولا مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایه درین را از سورس تشخیص داد.
ماسفت کاهشی
ساختار این گونه ترانزیستور MOS، همانند ساختار ترانزیستورهای افزایشی است، تنها با این تفاوت که هنگام ساخت آن، کانال را، به وسیله یک نوار از جنس سیلیسیم، میان 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
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 می‌تواند شامل تمام انواع ترانزیستورهاشود. آزمایشگاه‌های بل قادر به کار کردن توافق با Lilienfeld، کسی که هنوز زنده بود بودند (که معلوم نیست آن‌ها به او پول پرداخت کردند یا نه). که در آن زمان به نسخه آزمایشگاه‌های بل ترانزیستور اتصال دو قطبی، و یااتصال به سادگی ترانزیستور (simply junction transistor) نام داده شد، 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 شاخه‌ای به طراحی FET اختراع شد.
عملکرد و ساختارهای 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 است و از لایه‌ای از دی‌اکسید سیلیکون اکسیده حرارتی برای عایق استفاده می‌شود. 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 حامل‌های 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 فرایند دو وجهی اجازه می‌دهد تا مدارات را در مراحل بسیار کمی ساخته شده باشد، این نوع سیستم SiO2 دارای جاذبه‌های فنی به عنوان هزینه پایین تولید (بر اساس هر مدار) و سهولت یکپارچه‌سازی است. علاوه بر این، با استفاده از روش اتصال دو MOSFETهای 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 شده‌است با توجه به نوع ترانزیستور به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده در مدارات مجتمع است.
مدارهای CMOS
MOSFET در مکمل‌های دیجیتال، نیمه هادی اکسید فلزی (CMOS) منطق مورد استفاده قرار می‌گیرد، که به عنوان بلوک‌های ساختمانی با استفاده از p-و ماسفت کانال N-است. بیش از حد یک نگرانی عمده‌ای را در مدارهای مجتمع است، از ترانزیستورهای بیشتری را در تراشه‌های کوچکتر بسته‌بندی شده‌است. CMOS منطق مصرف برق را کاهش می‌دهد، زیرا هیچ جریان (ایده‌آل)، و در نتیجه هیچ قدرت مصرف می‌شود، به جز زمانی که ورودی به گیت‌های منطقی در حال تغییر است. CMOS انجام این کاهش در حال حاضر با تکمیل هر nMOSFET با یک pMOSFET و اتصال هر دو گیت و هر دو درین 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 می‌رود، هر دو ماسفت به‌طور خلاصه انجام خواهد شد. این ترتیب تا حد زیادی مصرف برق و تولید گرما را کاهش می‌دهد. برنامه‌های کاربردی CMOS دیجیتال و آنالوگ در زیر توضیح داده شده‌است.
دیجیتال
رشد فن آوری‌های دیجیتال انگیزه پیشبرد تکنولوژی MOSFET را بیش از هر نوع دیگری از ترانزیستور پایه سیلیکون فراهم کرده‌است. یک مزیت بزرگ ماسفت برای سوئیچینگ دیجیتال این است که لایه اکسید بین گیت و کانال مانع از شارش جریان DC از طریق گیت می‌شود و همچنین اتلاف توان را می‌کاهد و امپدانس ورودی بسیار بالا را ایجاد می‌کند. اکسید عایق بین گیت و کانال، ماسفتی را که در یک مرحله منطقی است به‌طور موثر از مراحل قبل و بعد خود جدا می‌کند، این قابلیت اجازه می‌دهد تا خروجی یک ماسفت بتواند ورودی تعداد قابل توجهی از ماسفت‌ها باشد. واضح است که این ویژگی چقدر کار طراحان را آسان می‌سازد تا از بعضی محدودیت‌ها صرف نظر نمایند. این حد با فرکانس عامل تعریف می‌شود: هر چه فرکانس افزایش یابد، امپدانس ورودی ماسفت‌ها کاهش می‌یابد.
آنالوگ
مزایای MOSFET در مدارهای دیجیتال را نباید به عنوان برتری در تمام مدارهای آنالوگ تفسیر نمود. دو نوع مدار بر اساس ویژگی‌های مختلف ترانزیستور رفتار می‌کنند 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 می‌شود بستگی دارد. اتصال ترانزیستور دو قطبی (BJT) به‌طور سنتی ترانزیستور طراح آنالوگ از انتخاب، به دلیل آن transconductance بالا و پایین امپدانس خروجی (تخلیه ولتاژ استقلال) در منطقه تعویض.
با این وجود، ماسفت‌ها به‌طور گسترده‌ای در بسیاری از انواع مدارات آنالوگ به دلیل مزایای خاصی استفاده می‌شود. عملکرد و ویژگی‌های بسیاری از مدارهای آنالوگ را می‌توان با تغییر اندازه (طول و عرض) از ماسفت استفاده می‌شود طراحی شده‌است. در مقایسه، در اکثر ترانزیستورهای دوقطبی اندازه دستگاه قابل توجهی بر عملکرد. ویژگی‌های ایده‌آل ماسفت در مورد gate فعلی (صفر) و تخلیه منبع ولتاژ افست (صفر) نیز آن‌ها را عناصر نزدیک به ایده‌آل سوئیچ، و همچنین ایجاد تغییر خازن مدارهای آنالوگ عملی. در ناحیه خطی خود، ماسفت‌ها را می‌توان به عنوان مقاومتهای دقیق، که می‌تواند مقاومت در برابر کنترل بسیار بیشتر از BJTها استفاده می‌شود. در مدارهای قدرت بالا، ماسفت گاهی اوقات استفاده از فراری حرارتی رنج می‌برند نه به عنوان BJTها داشته باشد. همچنین آن‌ها را می‌توان به خازن و مدارهای چرخنده است که اجازه می‌دهد عملیات، آمپر ساخته شده از آن‌ها به عنوان سلف ظاهر می‌شود شکل گرفته‌است، در نتیجه اجازه می‌دهد تمام آنالوگ دستگاه‌های طبیعی، به جز برای دیودها (که می‌تواند به صورت کوچکتر از یک MOSFET به هر حال)، به به‌طور کامل از ماسفت ساخته شده‌است. این اجازه می‌دهد تا برای کامل مدارات آنالوگ را بر روی یک تراشه سیلیکونی در یک فضای بسیار کوچکتر ساخته شده‌است.
بعضی از ICها 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 BJTها در مقابل ماسفت در فرایند طراحی آنالوگ، توانایی BJTها 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. دستگاه‌ها ترانزیستور مختلط به نام بی‌FETها بیین (دوقطبی-FETها بیین) اگر تنها یکی از آن‌ها حاوی BJT-FET و می‌کنند Bicmos (دوقطبی-CMOS) اگر آن‌ها حاوی مکمل BJT-FETها بیین. دستگاه‌های چنین مزایای استفاده از هر دو گیتس عایق و بالاتر چگالی جریان است
پیشرفت ماسفتها
در طول دهه‌های گذشته، MOSFET به‌طور مستمر در اندازه کوچک و طول کانال MOSFET معمولی یک بار میکرومتر، اما مدارهای مجتمع مدرن ترکیب MOSFETهای 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. اینتل شروع به تولید یک فرایند شامل ۳۲ نانومتر اندازه از ویژگی‌های (با کانال که حتی کوتاه‌تر) در اواخر سال ۲۰۰۹ کرد. صنعت نیمه هادی را حفظ می‌کند «نقشه راه»، که مجموعه سرعت برای توسعه MOSFET. از لحاظ تاریخی، مشکلات با کاهش اندازه MOSFET شده‌اند با دستگاه نیمه هادی فرایند ساخت، نیاز به استفاده از ولتاژهای بسیار پایین، و با فقیرتر عملکرد الکتریکی طراحی مدار ایجاب می‌و نوآوری (MOSFETهای کوچک نمایشگاه جریان نشتی بالاتر و پایین خروجی مقاومت، در زیر مورد بحث).
سیماس