موسفت

تكوين الموسفت: البوابة (G), الجسم (B), المصدر (S) المصب (D) . يفصل البوابة عن الجسم طبقة عازل (أبيض)

ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات (بالإنجليزية: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor اختصاراً MOSFET)‏ وتُقرَأ موسفت، هوتعبير عن ترانزستور حقلي ذوقناة نقل تعتمد في بنائها على المواد شبه موصلة. يتكون من مصدر، ومصب، وبوابة، والجسم ويفصل بين الجسم والبوابة طبقة عازلة. يتحكم الجهد الكهربائي المطبق على البوابة في التيار الكهربي المار من المصدر إلى المصب - مثلما في الصمام الثلاثي حيث يتحكم جهد الشبكة في التيار المار من الكاثود إلى المصعد. وظيفة الموسفت هوفتح وأغلاق دائرة كهربائية . ويوجد من الموسفت ثلاثة أنواع:

Nmos
Pmos
Cmos

والأنواع الثلاث مقسمة حسب أنواع الاكثرية في المقاحل: نوع n ، ونوع p ، والـ Cmos هوتعبير عن خليط من المقحلين الباقيين.

وحدتان من الموسفت . تعمل الواحدة منهما كمفتاح لبتر التيار حى جهد قدره 120 فولط. كما يستطيع تحمل تيار 30 أمبير عندما يفتح التيار . مقارنة بين حجمه وحجم عود كبريت.

حدثة موسفت MOSFET هي اختصار للاسم بالكامل : metal–oxide–semiconductor field-effect transistor

كما تتداول له عدة أسماء نوع بي : موصّل-بي، قناة-بي، و"موس-بي" ، كذلك بالنسبة للنوع إن: موصل-إن، قناة-إن، و"موس-إن ". ,إذا استخدم كلا المقحلين في دائرة رقمية مثلا فيستخدم لهما تعبير "موس متكامل " (Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS .

تاريخه

محاكاة لتكون قناة توصيل التيار عند "حد جهد البوابة" threshold voltage في موسفت . يبلغ حد جهد البوابة هنا 0.45 فولط. الرسم البياني يبين تغير تيار المصب بتغير جهد البوابة.

كانت كيفية تشغيل الموسفت أقدم كثيرا من معهدتنا مقحل ثنائي الأقطاب . وكانت أوتسجيلات لحق الاختراع له مسجلة باسم "يوليوس إدجار " في عام 1926 و"أوسكار ليلينفيلد " في عام 1934 . . إلا حتى أول إنتاج للموسفت بدأت في عام 1960 ، عندما توصل الفيزيائون إلى مادة السليكون/أكسيد السليكون ، استطاعوا بواسطها إنتاج وصلة سطحية بين شبه موصل وعازل .

واستغنى الناس عن مادة الجرمانيوم التي كانت تكوّن شبه الموصل الأساسي لتصنيع مقحل . إلا حتى تصنيع المقاحل يحتاج حجرات نظيقة جدا وتحتاج اتباع نظام دقيق في المعاملة الحرارية أثناء الأنتاج .

ومنذ السبعينيات من القرن الماضي كان تشويب البولي سليكون لاستخدامه في تصنيع البوابة، واستغني عن اللألمونيوم المبخر على السطح . .

ومنذ بداية القرن 21 انصب الفهماء على ابتكار نوع حديث يسمى "بوابة معدن عالية كي " High-k+Metal-Gate-Technik وتم أول إنتاج لها في عام 2007 .

طريقة عمله

n-Kanal-MOSFET كمقاومة يتحكم فيها جهد كهربائي لتنوير وإطفاء مصباح .(sperrt =غير موصل , leitet = موصّل , sehr groß R_DS = المقاومة كبيرة جدا.

للموسفت ثلاثة أطراف : G البوابة (وهي المتحكمة) , وD المصب، وS المنبع . (وأحيانا في بعض الأنظمةقد يكون طرف رابع موصول بالجسم B . ولكن في معظم الأحوالقد يكون الجسم موصولا داخليا بالمنبع )

يعمل الموسفت (كما هوالحال للشبه الموصل الحقلي ) كمقاومة يتحكم فيها بواسطة جهد البوابة، أي حتى الجهد البوابة-المنبع U_GS يمكن حتى يغير "المقاومة" بين المنبع والمصب R_DS ، وبالتالي يمكنه تغيير التيار I_DS (أوباختصار I_D) المار في المقاومة R_DS تغيررا كبيرا.

في الشكل تبين S المنبع وD المصب وG البوابة . البوابة لها حد أدنى للجهد ${\displaystyle U_{\mathrm {th <0\,\mathrm {V$ (عادة بين 1 فولط - ثلاثة فولط ) لكي تعمل، يسمى "جهد العمل " . فعندماقد يكون الجهد المطبق على البوابة أقل من "جهد العمل" فلا تسمح البوابة بمرور تيار في الموسفت، ويبقى المصباح مطفأ (الشكل العلوي) .

وعندما يعلوجهد البوابة ليصبح أعلى من "جهد العمل " ، عندئذ تسمح البوابة بمرور الإلكترونات من المنبع إلى المصب (بالتالي يسير التيار المصطلح عليه تقنيا من الموجب إلى السالب] ويضيء المصباح .

من الملاحظ حتى جهد تشغيل المصباح U_DS دائما موجبا .

في الموسفت نوع إذا تكون الإلكترونات الغالبية العظمى لحاملات الشحنة (تشويب نوع إن) . وتسير الإلكترونات في عكس اتجاه التيار المصطلح عليه تقنيا (من الموجب إلى السالب) أي تسير الإلكترونات من السالب إلى الموجب، وهوأتجاه "السهم " في الموسفت.

انواع الموسفت

مثلما في شبه الموصل ثنائي الأقطاب يوجد من الموسف نوعين :"نوع بي" أو"بي-قناة" و"نوع إذا " أو"إن-قناة" . وعندما يستخدم الاثنان في دائرة كهربائية فينطق عنهما أنه "موسفت متكامل " complementary MOS .

وعلاوة على ذلك فيوجد من النوعين صنفان آخرين، يختلفان في البنية الداخلية وفي الخواص الكهربائية :

منخفض التشويب depletion – موصل للتيار في حالته الطبيعية،
عالي التشويب enhancement – حاجز للتيار في حالته الطبيعية .

يغلب استخدام الموسفت عالي التشويب عمليا.

طريقة استخدام الموسفت

يمكن استعمال الموسفت بثلاثة طرق تعتمد على مقادير الجهود الكهربائية المتصلة بأطرافه. هذا النمط ابتكره "شيشمان" و"هودجز" ويسمى باسميهما "نموذج شيشمان-هودجز".

سنطرح هنا الثلاثة طرق لاستخدم موسفت-إن، مركز التشويب :

بتر التيار - العمل تحت حد جهد البوابة

عندما تكون V_GS < V_th:

حيث

{\displaystyle V_{GS

هوجهد انحياز البوابة بالنسبة إلى المصدر، و

{\displaystyle V_{th

هي جهد الحافة (أقل جهد للبوابة يسمح بتشغيل الموسفت )Threshold Voltage.

بسبب حتى جهد الحافة أعلى من جهد البوابةقد يكون الموسفت ليس موصلا للتيار، ولا يوجد تيار من المصب إلى المنبع .

تغير تيار المصب بتغير جهد المصب عند قيم مختلفة لفرق الجهد

{\displaystyle V_{GS -V_{th

. العلاقة تكون خطية (أومية) عندماقد يكون جهد المصب لازال صغيرا ; وبزيادته يصل التيار إلى منطقة التشبع أو"المنطقة النشطة". المنحنى الأحمر يحدد المنطقة الإنتنطقية بينهما.

مبتر في موسفت يعمل في المنطقة الخطية (أوالأومية Ohmic region )

مبتر في موسفت يعمل في منطقة التشبع (أوالمنطقة النشطة) ، ويرى أتساع قناة بالقرب من جهد الالتقاط pinch-off

طريقة الصمام الثلاثي أومنطقة التناسب الخطي

عندما تكون V_GS > V_th

و( V_DS < ( V_GS – V_th

يبدأ التيار يسير من المصب إلى المنبع (طبقا لتعريف التيار في التقنية الكهربائية) . ويعمل الموسفت كما لوكان مقاومة بين المصب والمنبع ويضبطها جهد البوابة .

الرسم البياني المجاور يبين تزايد التيار بزيادة جهد المصب، وذلك لعدد من قيم فرق الجهد ( ; ( V_GS – V_th بين 1 فولط، و2 فولط وثلاثة فولط .... إلىسبعة فولط.

نجد حتى التيار يتاسب تناسبا خطيا مع جهد المصب أولا، ثم يصل إلى تشبع حيث يثبت التيار عند مستوى معين ولا يزيد رغم تزايد الجهد.

المعادلة التي تصف سلوك التيار من المصب إلى المنبع هي:

{\displaystyle I_{D =\mu _{n C_{ox {\frac {W {L \left((V_{GS -V_{th )V_{DS -{\frac {V_{DS ^{2 {2 \right)

حيث :

{\displaystyle \mu _{n

الحركية الفعالة لحاملات الشحنة ,

{\displaystyle W

اتساع البوابة,

{\displaystyle L

طول البوابة،

{\displaystyle C_{ox

سعة الأكسيد في البوابة .

منطقة التشبع

منطقة التشبع أوالطريقة النشطة (Saturation mode)

عندما تكون V_GS > V_th

و( V_DS ≥ ( V_GS – V_th

في هذه الحالة ينفتح الموسفت وتنشأ قناة تسمح للتيار بالمرور بين المصب والمصدر . ونظرا لأن جهد المصب أغلى من جهد المصدر فإن الاكترونات تنتشر ولا ينحصر التوصيل في قناة ضيقة بل ينتشر في قناة متسعة واصلة حتى جسم الموسفت .

عند بداية منطقة التشبع حيث تكون جهد المصب مساويا تقريبا من فرق الجهد V_GS – V_th توجد منطقة تسمى "منطقة التقاط" pinch-off تشير إلى عدم تكوّن قناة قرب المصب . ومع حتى القناة لا تضم الموسف بطوله فيكون المجال الكهربائي عاليا بيك المصب والقناة ويستمر التوصيل .

ويكون تيار المصب معتمدا قليلا على جهد المصب ويتحكم فيه جهد البوابة-المنبع، وتصف المعادلة التالية اعتماد تيار المصب على جهد المصب بالتقريب:

{\displaystyle I_{D ={\frac {\mu _{n C_{ox {2 {\frac {W {L (V_{GS -V_{th )^{2 \left(1+\lambda (V_{DS -V_{DSsat )\right).

bias; أعلى إلى اليسار:تحت حد البوابة ،اليمين:طريقة المقاومة , أسفل إلى اليسار: بداية الطريقة النشطة (pinch-off)عندما تكون VDS = VGs - Vth وأسفل يمين : الطريقة النشطة VDS> VGs - Vth

هنا ظهر معامل حديث λ, وهومعامل تغير طول القناة ويمثل اعتماد التيار على جهد المصب بسبب "التاثير الابتدائي" ، أو"تعديل طول القناة" channel length modulation.

فإذا كانت λ مساوية للصفر يكتسب الموسفت مقاومة عالية ويصعب تقدير تيار المصب، خصوصا في الدوائر التناظرية .

الأشكال التالية توضح ظروف عمل الموسفت في أربعة أنمطة للتشغيل :

في الأشكال الملونة : نجد مقاومة تصل بين المنبع والجسم حتى لاقد يكون الجسم تحت جهد .

تقسيم أجزاء المنبع والمصب للنوعين PMOS وNMOS

CMOS :المدخل Eingang ، المخرج Ausgang .

الشكل يوضح دائرة تتكون من "موسفت نوع إن" و"موسفت نوع بي" . السهم داخل الموسفت يشير إلى اتجاه حركة الإلكترونات (وهواتجاه التيار طبقا للاصطلاح التقني) .

المنبع هوالعضوالذي تتحرك منه الشحنات في حالة التوصيل في اتجاه المصب .

في الموسفت نوع "قناة-إن " NMOS تكون الإلكترونات أغلبية حاملات الشحنات . والإلكترونات تسير في عكس اتجاه التيار كما هومصطلح عليه تقنيا . هنا نجد حتى جهد المنبع ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {S$ (−; لأنه أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {SS$ ) أقل من جهد المصب ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {D$ (+; فهوأقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {DD$ ).

وفي حالة الموسف نوع "قناة-بي " PMOS تكوّن الفجوات أغلبية حاملات الشحنة، وهم يسيرون في اتجاه التيار كما هومعترف به من تقنية الكهرباء .

ويتم توصيل المصدر للموسفت نوع "قناة- بي" بالجهد ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {S$ (+, وهوأقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {DD$ ) ويكون أكبر من جهد المصب ${\displaystyle \varphi _{\mathrm {D$ (−; لأنه أقرب إلى ${\displaystyle U_{\mathrm {SS$ ).

المراجع

^ US 0 نسخة محفوظةخمسة نوفمبر 2019 على مسقط واي باك مشين.
^ Sami Franssila (2010) (in German), Introduction to Microfabrication, John Wiley and Sons, pp. 229, ISBN 978-0-470-74983-8
↑ Yaduvir Singh, Swarajya Agnihotri (2009) (in German), Semiconductor Devices, I. K. International Pvt Ltd, pp. 128–130, ISBN 9789380026121
^ P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer (2001). (الطبعة Fourth Edition). New York: Wiley. صفحات 66–67. ISBN . مؤرشف من الأصل في 19 فبراير 2009. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link) صيانة CS1: نص إضافي (link)
^ P. R. van der Meer, A. van Staveren, A. H. M. van Roermund (2004). . Dordrecht: Springer. صفحة 78. ISBN . مؤرشف من الأصل في 20 أغسطس 2014. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ C Galup-Montoro & Schneider MC (2007). . London/Singapore: World Scientific. صفحة 83. ISBN . مؤرشف من الأصل في 12 يناير 2010.
^ Norbert R Malik (1995). . Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall. صفحات 315–316. ISBN . مؤرشف من الأصل في 27 أبريل 2009.
^ PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer. . ISBN . مؤرشف من الأصل في 28 أبريل 2009. صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفون (link)
^ A. S. Sedra and K.C. Smith (2004). (الطبعة Fifth Edition). New York: Oxford. صفحة 552. ISBN . مؤرشف من الأصل في 04 فبراير 2009. صيانة CS1: نص إضافي (link)