วันอาทิตย์ที่ 8 กรกฎาคม พ.ศ. 2555

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)


ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)
          
            ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือเฟต (Field  Effect  Transistor : FET) เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดพิเศษมีรอยต่อเดียว (Unipolar Devices)  ทำงานแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อ(BJTS) ตรงที่การควบคุมกระแสให้ไหลผ่านเฟต ควบคุมโดยป้อนแรงดันที่เกตของเฟต แรงดันเกตนี้จะทำหน้าที่ควบคุมปริมาณของสนามไฟฟ้าระหว่างรอยต่อให้เพิ่มขึ้น หรือลดลง เพื่อบังคับประมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อเฟตจึงได้ชื่อว่าทรานซิสเตอร์ สนามไฟฟ้า
เฟตแบ่งออกตามลักษณะโครงสร้างใหญ่ๆ ได้ 2 ชนิดคือ JFET (Junction FET) และ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)  ซึ่งจะได้ศึกษาโดยละเอียดต่อไป  ข้อดีของเฟตที่เห็นได้ชัดเจนคือ ความต้านทานอินพุตมีค่าสูงมาก (เมกะโอห์ม)ทำให้สามารถใช้แรงดันเพียงเล็กน้อยควบคุมการทำงานของเฟตได้
          ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อ , เจเฟต
เจเฟตเมื่อพิจารณาตามโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 2.1 จะพบว่าเฟตมี 2 ชนิดคือ เจเฟต n-แชนเนล (n-channel)  ดังรูป(a) และ p-แชนเนล (p-channel)  ดังรูป(b) เจเฟตนั้นมี 3 ขาคือ ขาเดรน (Drain,D) , ขาเกต (Gate , G) และขาซอร์ส (Source , S) เจเฟตชนิด n-channel ชิ้นสาร n จะต่อขาเดรนและขาซอร์สสำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิด p ดังรูป (a) ส่วนเจเฟตชนิด p-channel นั้นขาเดรนของขาซอร์สจะเป็นชิ้นสารชนิด p แต่ขาเกตจะเป็นชนิด n

รูปที่ 2.1 โครงสร้างของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel


การทำงานของเจเฟต
           จะทำงานได้โดยป้อนแรงดันไบแอสที่เดรนและซอร์สโดยแหล่งจ่าย VDD ให้ขั้วบวกกับเดรนและขั้วลบกับซอร์ส  สำหรับเกตของเจเฟตจะให้ไบแอสกลับ โดยเจเฟตชนิด n-channel จะมีเกตเป็น p ดังนั้นแรงดันไบแอสที่เกต VGG  ต้องให้ขั้วลบกับเกตและขั้วบวกกับซอร์ส ดังรูปที่ 2.2

รูปที่ 2.2 แสดงการไบแอสเจเฟต n-channel


                การทำงานของเจเฟตนั้นเมื่อให้ไบแอสกลับที่เกต (VGS = VGG) ดังรูปที่ 2.3 (a) จะเกิดสนามไฟฟ้าที่รอยต่อพี-เอ็นจำนวนหนึ่งทำให้ช่องทางเดินของกระแสในสาร n(n-channel) ระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลง กระแสเดรน (ID) จะไหลจากเดรนไปสู่ซอร์สได้จำนวนหนึ่ง
ถ้าปรับค่าแรงดัน VGS ให้มีค่าไบแอสกลับมานี้ ผลคือสนามไฟฟ้าที่รอยต่อจะมีปริมาณมากขึ้นทำให้ช่องทางเดินกระแสแคบลง เป็นผลให้กระแสเดรน(ID) มีปริมาณลดลง ดังรูปที่ 2.3(b)
แต่ถ้าปรับค่าแรงดัน V ให้มีค่าไบแอสน้อยลงจะทำให้ช่องทางเดินของกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สมีขนาด กว้างขึ้นทำให้กระแสเดรน (ID )ไหลได้มากขึ้น ดังรูปที่ 2.3(c) 
แสดงว่าสามารถควบคุมปริมาณกระแสเดรน( ID )ที่ไหลผ่านเจเฟตได้โดยการควบคุมแรงดันไบแอสกลับที่เกตของเจเฟต

รูปที่ 2.3 แสดงการใช้แรงดันไบแอสกลับที่เกต (VGS)  ควบคุมการไหลของกระแสเดรน (ID)


                สัญลักษณ์ของเจเฟต (JFET Symbols) สัญลักษณ์ของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 2.4 สังเกตได้ว่าชนิด n-channel นั้นหัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งเข้าแต่ชนิด p-channel หัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งออก


 

รูปที่ 2.4 แสดงสัญลักษณ์ของเจเฟต


ลักษณะสมบัติและพารามิเตอร์ของเจเฟต
           เพื่อศึกษาลักษณะสมบัติของเจเฟต ให้พิจารณารูปที่ 2.5(a) เพื่อไบแอสเจเฟตโดยต่อขั้วบวกของ VDD เข้าที่เดรน  และต่อแรงดันที่เกตของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (VGS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่ากระแส IDSS  (Drain to Source Current with Gate Shorted) ดังรูปที่ 2.5 (b) ในย่านระหว่างจุด B และ C ของกราฟในรูป(b) นี้ ถ้าปรับค่าแรงดัน VDDเพื่อให้  VDS เปลี่ยนแปลงไป กระแส ID ที่ไหลผ่านเดรนของเจเฟตจะคงที่ เราจึงเรียกการทำงานในย่าน BC นี้ว่าย่านกระแสคงที่ (Constant Current Region)

รูปที่ 2.5 แสดงลักษณะสมลัติของเดรนของเจเฟตเมื่อ  VGS = 0 V


 


 


 


การไบแอสเจเฟต
           การไบแอสตนเอง (Self-Bias) หมายถึงการไบแอสเกตของเจเฟตด้วยตัวต้านทาน RG ต่อลงจุดดิน นั้นคือ VG = 0 V  ซึ่งปกติเจเฟตจะต้องได้รับไบแอสกลับที่เกต  ในกรณีการไบแอสตนเองนี้  กระแส IGSS จะเป็นเพียงกระแสไหลซึ่งมีค่าน้อยมาก
การไบแอสตนเองของเจเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel  แสดงในรูปที่ 2.6 และ เมื่อ VG = 0 V จะทำให้แรงดันตกคร่อม RG = 0 V เช่นกัน

รูปที่ 2.6 แสดงวงจร Self  Bias  ของเจเฟตชนิด n และ p-channel


เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)
            มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่โครงสร้างภายในเจเฟตนั้น ระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส(channel) มีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี-เอ็น แต่มอสเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้น (Layer) ของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) มอสเฟตมี 2 ชนิดคือ มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion,D) และมอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์ (Enhancement,E)
มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion MOSFET , D-MOSFET) รูปที่ 2.7 คือโครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟต ถ้าเป็นชนิด n-channel ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ส จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิด n และมีวัสดุฐานรอง (Substrate) เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดตรงข้าม (p) ดังรูปที่ 2.7 (a) สำหรับ D-MOSFET ชนิด p-channel จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิด p และมีวัสดุฐานรองเป็นสารชนิด n ดังรูปที่ 2.7(b) และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแส โดยมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส


รูปที่ 2.7 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของ D-MOSFET


                เนื่องจากดีมอสเฟตทำงานได้ในสองลักษณะคือ ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode) ด้วยการควบคุมกระแสเดรนด้วยแรงดันเกตที่เป็นลบ (Negative Gate Voltage) และ เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode) โดยการใช้แรงดันเกตที่เป็นบวก (Positive Gate Voltage) ควบคุมการไหลของกระแสเดรน


ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode)
            ทำงานด้วยหลักการของคุณสมบัติตัวเก็บประจุเนื่องจากเกตของดีมอสเฟตเป็นโลหะ และมีฉนวน (ซิลิคอนไดออกไซด์) กั้นกลางระหว่างเพลทของเกตกับแชนเนลของดีมอสเฟต ดังรูปที่ 2.8(a) เพื่อให้แรงดันเกตเป็นลบ (-VGG)  จะเกิดประจุลบที่เกตและประจุบวกที่แชนเนลภายในตัว  ดีมอสเฟตประจุบวกนี้จะทำให้ทางเดินของกระแสในแชนเนลระหว่างเดรนกับซอร์สแคบ ลงทำให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อย แต่ถ้าให้ VGG = 0 V กระแสเดรนจะไหลได้สูงสุด ดังนั้นจึงสามารถควบคุมกระแสเดรน (ID) ได้ด้วยค่าแรงดันที่เกตระหว่างค่าของ VGG  เท่ากับ VGS(off)  จนถึงศูนย์โวลต์

รูปที่ 2.8 แสดงการทำงานของดีมอสเฟตชนิด n-channel
เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode)
คือการไบแอสเกตของดีมอสเฟตด้วยแรงดันบวกดังแสดงในรูปที่ 2.8(b) จะเห็นว่าที่เกตของดีมอสเฟตจะได้รับประจุบวกจากแหล่งจ่าย VGG ทำให้ในแชนเนลของดีมอสเฟตเป็นประจุลบ ทำให้ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สไม่มีประจุชนิดตรงข้ามกับแชนเนล คอยบีบแชนเนลให้แคบลง ทำให้กระแสเดรน (ID)  ไหลได้จำนวนมาก และถ้าให้ VGG = 0 V  จะทำให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อยลงเพราะประจุลบในแชนเนลมีค่าลดลงเป็นศูนย์
สัญลักษณ์ของดีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 2.9

รูปที่ 2.9 แสดงสัญลักษณ์ของดีมอสเฟต   
เอนฮานซ์เมนต์มอสเฟต (Enhancement  MOSFET , E-MOSFET)
           มอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์นี้ทำงานได้ในลักษณะของเอนฮานซ์เมนต์ฌหมดเพียง ลักษณะเดียวเท่านั้น ไม่สามารถทำงานในดีพลีทชันโหมดได้ โครงสร้างของอีมอสเฟตแตกต่างจากดีมอสเฟสตรงที่ช่องทางเดินกระแสของอีมอสเฟต จะถูกสร้างขึ้นโดยการไบแอสที่เกต ในสภาวะที่เกตไม่มีไบแอสจะไม่มีช่องทางเดินกระแสเชื่อมต่อระหว่างเดรนกับ ซอร์ส ดังแสดงในรูปที่ 2.10(a) เป็นอีมอสเฟตชนิด n-channel จะเห็นว่าส่วนเดรนและซอร์สเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น (n-type) แต่ไม่มีแชนเนลต่อถึงกัน มีสารชนิดพีเป็นวัสดุฐานรองและระหว่างเกตกับวัสดุฐานรองมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) เป็นฉนวนกั้นกลาง

รูปที่ 2.10 แสดงโครงสร้างและการทำงานของ E-MOSFET


                การทำงานของอีมอสเฟตทำงานในเอนฮานซ์เมนต์โหมด ดังนั้นจึงต้องไบแอสด้วยแรงดันบวกดังรูปที่ 2.10(b) จะเห็นว่าเมื่อเกตได้รับแรงดันบวกที่เพลทของเกตจะเกิดประจุบวก และวัสดุฐานรองของอีมอสเฟตจะเกิดประจุลบขั้นตามคุณลักษณะสมบัติของตัวเก็บ ประจุ ดังที่ได้กล่าวมาแล้วทำให้ประจุลบเหนี่ยวนำขึ้นเป็นช่องทางเดินกระแส (Induce Channel) เชื่อมต่อระหว่างเดรนกับซอร์ส ทำให้กระแสเดรน (ID)  สามารถไหลข้ามช่องทางเดินกระแสไปสู่ซอร์สได้  และจะไหลได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไบแอสที่เกตของอีมอสเฟต เพราะชนาดของแชนเนลขึ้นอยู่กับขนาดของ VGG
สัญลักษณ์ของอีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 2.11

รูปที่ 2.11 แสดงสัญลักษณ์ของ E-MOSFET


                วีมอสเฟต (V-MOSFET) เป็นเอนฮานซ์เมนต์มอสเฟต (E-MOSFET) ชนิดหนึ่งที่ออกแบบให้สามารถทนค่ากระแสเดรนสูงๆ ได้ ใช้ในงานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น ในวงจรชอปเปอร์ (Chopper) และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) เป็นต้น โครงสร้างของวีมอสเฟตแตกต่างจากอีมอสเฟต ตรงที่เกตของวีมอสเฟต ทำให้เป็นรูปตัววี (V) แทนที่จะเป็นเพลทตรงเหมือนกับอีมอสเฟต ความแตกต่างนี้แสดงในรูปที่ 2.12 และรูปที่ 2.13

รูปที่ 2.12 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของอีมอสเฟต

รูปที่ 2.13 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของวีมอสเฟต


                สาเหตุที่วีมอสเฟตมีโครงสร้างที่สามารถทนกระแสได้มากกว่าอีมอสเฟต เพราะว่าเมื่อช่องทางเดินกระแสเป็นรูปตัววี  จะมีทางที่กว้างกว่าและยาวกว่าช่องทางเดินกระแสของอีมอสเฟต ซึ่งสั้นและแคลกว่า เป็นผลให้วีมอสเฟตมีอัตราการทนกระแสสูงกว่า มี Power Dissipation มากกว่า และตอบสนองความถี่สูงได้ดีกว่าอีมอสเฟต จึงนิยมนำไปทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์การสวิตซ์ (Switching Device) ในงานด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (Power Electronics