ماسفت در نقش سویچ

تو دانشگاه خیلی چیز زیادی از ماسفت ها دستگیرم نشد. دلایلش رو مطمئن نیستم. اما سعی کردم با توجه به چیزهایی که به ذهنم میرسه، تو این پست با دیدی متفاوت‌تر به معرفی ماسفت ها بپردازم. شاید کمی از نگاه علمی و دقیق فاصله بگیریم. اما به نظرم این فاصله کمکمون می‌کنه راحت‌تر صحبت کنیم و بهتر اونها رو به ذهن بسپاریم. امیدوارم به اون شهودی که در نظرم هست در انتهای نوشته برسید تا بتونید ازش در طراحی‌هاتون با ماسفت کمک بگیرید.

عمده‌ترین کاربردی که از ماسفت ها سراغ داریم، استفاده ازشون به عنوان سویچ هست. این رو مدیون دو ویژگی خاصشون هستیم:

1) در حالت ON مقاومتشون بسیار پایینه، در حد اتصال کوتاه ( V = 0 ) پس طبق فرمول توان ( P = I * V ) میشه گفت توان اتلافی ماسفت در این حالت صفره.

2) برعکس حالت قبل در حالت OFF مقاومتشون بسیار بالاست. در حد اتصال باز ( I = 0 ) در نتیجه باز هم توان اتلافی صفره.

البته که کاربرد ماسفت به سویچ خلاصه نمیشه و می‌تونیم ازشون به عنوان تقویت کننده هم استفاده کنیم، اما فعلا این کاربرد رو کنار می‌گذاریم.

ماسفت یک عنصر 3 پایه است. گِیت (Gate)، سورس (Source) و دِرِین (Drain) نام هایی هستند که به اونها میدن. در واقع این‌ها نام قسمت‌هایی از ماسفت هستند که پایه‌ها بهشون وصل شدند. این قسمت‌ها، بسته به نوع ماسفت، نیمه هادی نوع N -غنی شده (dope) با الکترون یا حامل بار منفی– یا نوع P -غنی شده با حفره یا حامل بار مثبت– هستند.

اگر Drain و Source نوع N باشند، به ماسفت N-Channel می‌گویند. در این حالت Gate حتماً از نوع P خواهد بود. بالعکس اگر Drain و Source نوع P باشند و به تبع Gate از نوع N باشد، ماسفت ما P-Channel خواهد بود. کلمه‌ی Channel اشاره به کانال ارتباطی دارد که بین Drain و Source برقرار می‌شود.

اما تقسیم بندی ماسفت‌ها تنها به N-Channel و P-Channel محدود نمی‌شود. تقسیم بندی دیگری که برای آن‌ها داریم انواع Depletion و Enhancement است.

کلمه Depletion به معنای تخلیه می‌باشد و به این دلیل این نام گذاشته شده که ماسفت به طور عادی Drain و Sourceاش به هم وصل اند و کاری که ما باید انجام بدیم این هست که با اعمال ولتاژ مناسب بین Gate و Source، حامل‌های کانال رو دفع و تخلیه کنیم تا در نتیجه این ارتباط قطع شود. درست مثل یک سویچ Normally Closed که به طور عادی اتصال کوتاه هست و با زدن سویچ این ارتباط قطع می‌شود.

دقیقاً عکس این حالت برای نوع Enhancement صادق است. Enhancement به معنای تقویته و در این ماسفت ها در حالت عادی ارتباط Drain و Source قطعه. ما با اعمال ولتاژ مناسب بین Gate و Source یا Vgs، حامل‌های کانال را جذب و تقویت می‌کنیم در نتیجه کانال ارتباطی بین Source و Drain ساخته می‌شود. دقیقا مثل یک سویچ Normally Open که در حالت عادی مدار باز است و با زدن سویچ ارتباط بسته می‌شود.

اما این ولتاژ مناسب Vgs باید به چه شکل باشد؟ -محض احتیاط میگم که منظور از Vgs، ولتاژ Gate منهای ولتاژ Source است-

فعلا بر روی اندازه‌اش بحثی نمی‌کنیم. فرض کنید اندازه‌ی مناسب مقدار مثبت Ve است. اما به غیر از بحث اندازه، بحث علامت Vgs هم مطرح هست. در واقع میشه اینطور مطرح کرد که چه زمان باید Vgs مثبت باشد. به عبارتی پتانسیل Gate بیشتر از Source باشد، و چه زمان باید منفی باشد یعنی پتانسیل Source از Gate بیشتر باشد؟

جواب این سوال بسته به N-Channel یا P-Channel بودن و یا اینکه ماسفت نوع Depletion است یا Enhancement پاسخ متفاوتی دارد. در ادامه هر 4 حالت ممکن رو بررسی می‌کنیم.

N-Channel و Depletion : همانطور که گفتیم نوع Depletion یعنی اینکه ما باید ارتباط رو تخلیه کنیم. پس به طور عادی مثل یک سویچ N.C است. از طرفی Source و Gate و کانال ارتباطی بینشون از نوع N یعنی با حامل‌های بار منفی است. پس اگر ما Vgs منفی اعمال کنیم میتونیم باعث دور شدن و در نتیجه قطع این ارتباط بشیم. پس در این حالت، اگر Vgs صفر یا Ve+ اعمال کنیم، ارتباط برقرار است و اگر Ve- اعمال کنیم، ارتباط قطع خواهد شد.

N-Channel و Enhancement: در این وضعیت کانال ارتباطی رو باید تقویت کنیم تا وصل شود. به عبارتی این نوع ماسفت به طور عادی مثل یک سویچ N.O است. از طرفی در اینجا هم چون حامل‌های بار کانال، منفی هستند، با اعمال Vgs مثبت، امکان جذب اونها و در نتیجه تقویت و ایجاد کانال رو داریم. پس در نتیجه در این حالت، اگر Vgs صفر یا Ve- بود، ارتباط قطع است و اگر Ve+ اعمال کنیم، این ارتباط وصل خواهد شد.

P-Channel و Depletion : ماسفت نوع Depletion است، در نتیجه در اینجا هم باید ارتباط رو قطع کنیم. از اونجا که حامل‌های بار کانال مثبت است با اعمال Vgs مثبت این امکان فراهم خواهد شد. پس اگر Vgs صفر یا Ve- بود، کانال ماسفت برقرار است و اگر Ve+ بود این ارتباط قطع است.

P-Channel و Enhancement: فکر می‌کنم بدون خوندن ادامه این قسمت هم بتونید اون رو حدس بزنید. در اینجا هم چون که ارتباط از نوع Enhancement است، کانال باید تقویت شود تا ارتباط داشته باشیم. از طرفی حامل‌های بار کانال هم مثبت هستند، پس با داشتن Vgs منفی این امکان را خواهیم داشت که اونها رو جذب کنیم. پس اگر Vgs صفر یا Ve+ بود، کانال ماسفت قطع است و اگر Ve- بود این ارتباط وصل است.

خلاصه این چهار پاراگراف می‌شود جدولی که در زیر مشاهده می‌کنید:

نکته تکمیلی:

شماتیک این ماسفت‌ ها را هم لازم است به خاطر بسپارید تا اگر در مداری آن‌ها را دیدید، بتوانید تشخیصشان دهید. اگر به این شماتیک‌ها دقت کنید می‌بینید که ماسفت‌های Enhancement کانالشان به صورت خط چین کشیده شده، یه جورایی داره بهمون نشون میده که به طور عادی کانال قطعه و برعکسش در شماتیک نوع Depletion کانال رو به صورت یک خط صاف می‌بینید که باز سعی داره وصل بودن این ارتباط در حالت عادی، رو بهمون نشون بده.