تعریف ماسفت
MESFET مخفف عبارت Metal-Semiconductor Field Effect Transistor است و پرکاربردترین شکل آن GaAsFET است که با استفاده از ماده نیمه هادی III-IV آرسنید گالیم ساخته شده است. انواع مختلفی از ترانزیستورها در بازار وجود دارد که بسیاری از آن ها هدف منحصر به فردی را دنبال می کنند. برخی نیز ویژگی های خاصی را برای کاربردهای مداری خاص ارائه می دهند. MESFET یک فرم با کارایی بالا از ترانزیستور اثر میدانی است.
در این مقاله، ترانزیستور MESFET، یک ترانزیستور اثر میدانی را مورد بحث قرار می دهیم. این قطعه نیمه هادی می تواند جریان را از طریق کانال کنترل کند و آن را برای اجرای RF ایده آل می کند. سایر ویژگی ها نیز تضمین می کنند که عملکرد بالایی دارد.
متخصصان باید قبل از ادغام ماسفت و شرایط کاری آن در مدارها، آن را درک کنند. این مقاله به شما کمک می کند تا نگاه دقیقی به این قطعه داشته باشید. پس با خانه هوشمند آیسا همراه باشید.
اجزای ترانزیستور ماسفت
ماسفت شامل گیت (gate)، درین (drain)، سورس (source) و بدنه می باشد. در اکثر مواقع بدنه به سورس متصل می شود بنابراین اکثرا ماسفت را با سه پایه یاد شده می شناسند و بدنه را به عنوان یک عضو مستقل در نظر نمی گیرند.
از کاربردهای اصلی ماسفت می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- منابع تغذیه سوئیچینگ ها
- اینورترها
- کنترل کننده های موتور های نوع DC
- دستگاه های ups
ساختار GaAs FET / MESFET
ساختار ماسفت بسیار شبیه به یک اتصال FET یا JFET است. همان طور که از نام MESFET مشخص است، یک تماس فلزی مستقیماً روی سیلیکون دارد و این یک اتصال دیود مانع شاتکی را تشکیل می دهد. به این ترتیب دیود شاتکی به عنوان یک دیود بایاس معکوس در همان چیزی که یک JFET استفاده می کند استفاده می شود. تفاوت اصلی در این است که دیود شاتکی یک دیود بسیار کوچکتر را تشکیل می دهد.
ماده ای که استفاده می شود می تواند سیلیکون یا سایر اشکال نیمه هادی باشد. با این حال ماده ای که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد GaAs آرسنید گالیم است. آرسنید گالیم معمولاً به دلیل تحرک الکترون بسیار برتری که فراهم می کند انتخاب می شود که امکان دستیابی به عملیات فرکانس بالا را فراهم می کند.
زیر لایه قطعه نیمه هادی برای ظرفیت انگلی کم نیمه عایق است و سپس لایه فعال به صورت اپیتاکسی رسوب می کند. کانال حاصل معمولا کمتر از 0.2 میکرون ضخامت دارد.
مشخصات ناخالصی معمولاً در جهت عمود بر ورودی غیریکنواخت است. این باعث می شود دستگاه خطی خوب و نویز کم داشته باشد. اکثر دستگاه ها برای عملکرد با سرعت بالا مورد نیاز هستند، و بنابراین از یک کانال n استفاده می شود زیرا الکترون ها تحرک بسیار بیشتری نسبت به سوراخ هایی دارند که در یک کانال p وجود دارند. کنتاکت های ورودی می توانند از مواد مختلفی از جمله آلومینیوم، ساختار لایه ای تیتانیوم-پلاتین-طلا، خود پلاتین یا تنگستن ساخته شوند.
اینها ارتفاع مانع بالایی را فراهم می کنند و این به نوبه خود جریان نشتی را کاهش می دهد. این امر به ویژه برای دستگاه های حالت بهبود که به اتصال بایاس رو به جلو نیاز دارند، مهم است.
نسبت طول ورودی به عمق بسیار مهم است زیرا تعدادی از پارامترهای عملکرد را تعیین می کند. معمولاً در حدود چهار نگه داشته می شود، زیرا بین پاسخ های پارازیتی ، میان سرعت و تأثیرات کانال کوتاه ، رابطه وجود دارد.
مناطق منبع و تخلیه با کاشت یونی تشکیل می شوند. کنتاکت های تخلیه برای GaAs MESFET ها معمولاً AuGe هستند – یک آلیاژ طلا-ژرمانیوم.
انواع ماسفت
دو نوع ماسفت امروزه در بازار وجود دارد، N-channel و P-channel. با این حال، کانال N به دلیل حامل های باری که الکترون ها عمل می کنند، محبوبیت بیشتری دارد. همچنین تحرک الکترون 20 برابر بیشتر تحرک حفره GaAs را فراهم می کند.
یک MESFET شامل یک لایه نیمه هادی فوق نازک و کمی n دوپ شده است که به عنوان کانال شناخته می شود. کانال بر روی یک بستر نیمه عایق حکاکی می شود که دارای نیمه هادی های بسیار دوپ شده در هر دو انتها است که به عنوان منبع یا تخلیه شناخته م یشوند. در همین حال، فلز قسمت بالای کانال را می پوشاند که محل اتصال شاتکی را تشکیل می دهد که بین دو پایانه ساخته شده است. این منطقه همچنین نشان دهنده پایانه دروازه است.
هنگامی که گیت به شرایط بایاس منفی تنظیم می شود، جریان کانال را کنترل می کند. برای دستیابی به آن، یک منطقه تخلیه خالی از حامل بار نزدیک به دروازه پوشیده شده با فلز ایجاد می کند. در واقع، این فرآیند که مدولاسیون عرض کانال حامل نامیده می شود، جریان کانال را محدود می کند.
منطقه تخلیه در ترمینال گیت گسترش می یابد. در نماد، همان طور که در بالا نشان داده شده است، فلش کانال P به سمت بیرون و فلش کانال N به سمت داخل است.
طرز کار ماسفت
همان طور که در شکل مشخص است پایه gate وظیفه کنترل را به عهده دارد، پایه source ورودی و پایه drain خروجی می باشد.
این نکته حائز اهمیت است که بدانیم زیر gate با لایه ای از جنس اکسید سیلسیوم پوشانده شده است، این موضوع باعث می شود که gate با بقیه ی قسمت های ترانزیستور ارتباط نداشته باشد.
حال به سراغ عملکرد ماسفت می رویم اگر ولتاژی به پایه gate (پایه کنترل کننده) اعمال شود، باعث به وجود آمدن میدان الکتریکی می شود . وظیفه کنترل جریان به وجود آماده بین source و drain برعهده gate می باشد. این در حالی است که هیچ جریان الکتریکی مابین gate و خود ماسفت وجود نخواهند داشت.
عملیات ماسفت
به طور کلی، MESFET در دو حالت بهبود و تخلیه کار می کند:
حالت بهبود ماسفت
در این حالت، منطقه تخلیه فضای کافی برای مسدود کردن حامل های شارژ از ورودی به منبع دارد. علاوه بر این، MESFET به طور پیش فرض روی حالت خاموش تنظیم می شود. همچنین ولتاژ مثبت بین پایانه های ورودی و منبع دریافت می کند و منطقه تخلیه را کوچک میکند. در نتیجه کانال یک جریان تولید می کند.
با این حال، هنگامی که محل اتصال دیود شاتکی به دلیل ولتاژ مثبت دروازه به منبع روی بایاس رو به جلو قرار می گیرد، جریان زیادی جریان می یابد.
حالت تخلیه ماسفت
MESFET در حالت تخلیه زمانی کار می کند که ناحیه تخلیه به زیرلایه نوع p گسترش پیدا نکند. به طور کلی، این حالت بدون ولتاژ منبع دروازه منفی فعال می شود. پس از اعمال یک ولتاژ منفی، حالت تخلیه MESFET غیرفعال می شود و عرض منطقه تخلیه افزایش می یابد. بنابراین، از جریان حامل های باردار از منبع به تخلیه جلوگیری می کند.
ویژگی های اصلی MESFET
- مقاومت ورودی بالا: MESFET ها مقاومت ورودی بالاتری نسبت به ترانزیستورهای دوقطبی به دلیل اتصال دیود ارائه می دهند.
- جلوگیری از تله اکسید: برخلاف ماسفت سیلیکونی معروف، MESFET می تواند از تله های اکسیدی جلوگیری کند.
- سطح کنترل هندسی بالا: علاوه بر این، MESFET کنترل طول کانال را در مقایسه با JFET بهبود می بخشد. یک کنترل هندسی بالا عملکرد محصول را افزایش می دهد و امکان هندسه های کوچک را برای فرکانس های رادیویی RF فراهم می کند.
- ظرفیت کم: به طور کلی، ساختار گیت دیود شاتکی سطوح خازنی پایینی را فراهم می کند که برای کاربردهای RF و مایکروویو ایده آل است.
- ضریب دمایی منفی: MESFET به دلیل ضریب دمایی منفی می تواند از بروز مسائل حرارتی را جلوگیری کند.
- تحرک الکترون بالا: تقویت کننده هایی با فناوری نیمه هادی MESFET که تحرک الکترون بالایی را فراهم می کند، در فرکانس های بین 50 گیگا هرتز تا 100 گیگا هرتز کار می کنند.
کاربرد ماسفت
GaAs MESFET نوعی ترانزیستور اثر میدانی فلزی نیمه هادی است که معمولاً در فرکانس های بسیار بالا تا 40 گیگاهرتز در هر دو توان بالا (زیر 40 وات، بالاتر از شیرهای TWT) و کاربردهای کم مصرف استفاده می شود، مانند:
- تلفن های همراه
- مدارهای مایکروویو
- ارتباطات ماهواره ای
- تقویت کننده های RF
- رادار
- دستگاه های با فرکانس بالا
- اپتوالکترونیک تجاری
تست ماسفت
MOSFET ها یکی از قطعات الکترونیکی کاربردی هستند که به نسبت روش تشخیص سلامت و تشخیص پایه طولانی تری دارند.
مولتی متر را بر روی تست دیود قرار می دهیم. باید توجه داشته باشیم که این ترانزیستور را روی یک سطح کاملا عایق و بدون بار قرار دهیم؛ مثل چوب و سپس قبل از شروع به تست به وسیله یک جسم فلزی بدون بار الکتریکی (مثل سر فلزی پیچ گوشتی یا پراب مولتی متر) تمام پایه ها را اتصال کوتاه کنیم تا شارژ خازن های داخلی ماسفت همگی تخلیه شوند.
در نظر داشته باشید که با دانستن نوع ترانزیستور، بسیار راحت تر می توانیم سلامت آن را تشخیص دهیم.
تست سلامت ترانزیستور MOSFET N-Channel
برای ترانزیستور منفی پراب سیاه را روی گیت و پراب قرمز را روی سورس می گذاریم، مولتی متر نباید بوق بزند چون در این حالت مدار باز است. سپس پراب قرمز را به سورس و پراب سیاه را به درین متصل می کنیم، در این حالت باید مولتی متر عدد نمایش دهد. با عکس کردن پراب ها در دو حالت بالا مولتی متر نباید بوق بزند.
تست سلامت ترانزیستور MOSFET P-Channel
برای ترانزیستور ماسفت مثبت پراب قرمز رنگ را روی گیت پراب سیاه رنگ را روی سورس قرار می دهیم و مولتی متر نباید بوق بزند. سپس پراب سیاه را به سورس و پراب قرمز را به درین متصل می کنیم، در این حالت مولتی متر باید عدد نمایش دهد. با عکس کردن پراب ها در دو حالت بالا مولتی متر نباید بوق بزند.
مزایا و معایب ماسفت
ماسفت برخی از مزایای متمایز را همراه با یک معایب اصلی ارائه می دهد:
مزایا
- عملکرد با فرکانس بالا
- بدون لایه اکسید برای جلوگیری از تله اکسید طراحی شده است
- سطح کنترل هندسی بالا
- مقاومت ورودی بالا
معایب
- ولتاژ دیود Gشاتکی روی 0.7 ولت تنظیم می شود. در نتیجه ولتاژ آستانه باید کمتر از این مقدار باشد. در نتیجه، این ویژگی تولید مدارهایی را که نیاز به MESFET های حالت بهبود دارند را دشوار می کند.
MESFET در مقابل MOSFET
تفاوت اصلی بین MESFET و MOSFET شامل قابلیت های عملیاتی آن ها است. در این حالت، یک ماسفت تا زمانی که گیت آن ولتاژی بالاتر از آستانه دریافت کند، در حالت خاموش قرار می گیرد. در همین حال، MESFET به طور پیش فرض روشن می ماند تا زمانی که یک ولتاژ معکوس دریافت کند.
خلاصه
به طور کلی، ماسفت دارای یک دروازه، منبع، و پایانه تخلیه، شبیه به یک JFET است. به علاوه، ترمینال دروازه به عنوان اتصال شاتکی عمل می کند که از یک پوشش فلزی تشکیل شده است. این ناحیه پهنای ناحیه تخلیه را هنگام فعال یا غیر فعال شدن دستگاه کنترل میکند. چنین پیکربندی همچنین ترانزیستور را از JFET ها که به یک اتصال p-n متکی هستند متفاوت می کند.
علاوه بر این، می توانید ماسفت را روی مدارهایی که به فرکانس‌های بالاتر نیاز دارند، ادغام کنید.
مطالب پیشنهادی