MOSFETMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من الأكسيد والمعدن وأشباه الموصلات
مقدمة :
تعتبر أشباه الموصلات النقية (مثل السليكون والجرمانيوم) مواد ليست جيدة التوصيل للكهرباء كما أنها ليست رديئة التوصيل للكهرباء . وتتوزع الإلكترونات فى أشباه الموصلات حول أنويتها فى مدارات ولكن تتميز أشباه الموصلات النقية بوجود 4 إلكترونات فقط فى المدار الأخير مما يجعلها مستقرة . أى أنها لا تنقل الكهرباء إلا بعد أن يتم تحرير إلكترون من الأربعة عن طريق الحرارة أو عن طريق إضافة شوائب . كما أنها تتحول لعوازل عندما نجبرها على إستقبال إلكترونات أخرى فى مدارها الأخير (بإضافة شوائب ايضا).
البلورة السالبة N :بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 5 إلكترونات مثل الفسفور أو الزرنيخ إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة السالبة N وهى موصلة حيث يزيد فيها عدد الإلكترونات (السالبة) الحرة .
البلورة الموجبة P :بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 3 إلكترونات مثل البورون والألومينيوم والجاليوم إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة الموجبة P حيث ينقصها إكتساب إلكترونات للوصول لحالة الإتزان (يعنى وجود فجوات Holes).
الوصلة الثنائية :عند توصيل بللورة من نوع P مع بلورة من نوع N كما بالشكل المرفق تنجذب بعض الألكترونات الحرة من البللورة N إلى الفجوات فى البلورة P وتتكون منطقة وسطية فارغة من حاملات التيار (بعد أن أنجذب كل ألكترون فى هذه المنطقة مع فجوة ولم يعد حرا) وتسمى هذه المنطقة بالمنطقة الميتة (أو المنزوحة) Depletion Area ونتيجة لهذه الظاهرة ووجود نوعين مختلفين من حاملات الشحنة على جانبى المنطقة المنزوحة يتكون جهد على هذه المنطقة يعرف بالجهد الحاجز Barrier Voltage .والوصلة الثنائية هى فى الحقيقة الثنائى المعروف بالدايود .
الإنحياز الأمامى :الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز الأمامى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة P والطرف السالب بالبللورة N وبهذه الطريقة نستطيع أن نقلل من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للمرور عبر المنطقة المنزوحة لتغلق الدارة ويمر التيار فيها.
الإنحياز الخلفى (العكسى) :الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز العكسى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة N والطرف السالب بالبللورة P وبهذه الطريقة نستطيع أن نزيد من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للإنجذاب للطرف الموجب للبطارية والفجوات للإنجذاب للطرف السالب للبطارية مما يزيد من الجهد الحاجز والمنطقة المنزوحة ويوقف مرور التيار فى الدارة.
ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من أشباه الموصلات والأكسيد والمعدن :
كل هذه المقدمة كانت لوضع الأساس الذى سنستند عليه فى عمل الترانزستور المجالى MOSFET
1- طبقة سفلية Substrate وهى إما من النوع N أو من النوع P 2- منطقتين من بلورتين من نفس النوع (بعكس الطبقة السفلية N <==> P ) ويمثلان طرفين من أطراف الترانزستور وهما (المصرف Drain والمنبع Source).3- طبقة من الأوكسيد (ثانى أكسيد السليكون SIO2) وهى مادة غير موصلة للتيار الكهربى (عازلة).4- طبقة من المعدن وتمثل الطرف الثالث للترانزستور وهو البوابة Gate
>> ونجد أيضا أن هذا الترانزستور له نوعان هما ال P-Cahnnel وال N-Channel بحسب أختيار نوع الطبقة السفلية والبلورتين الجانبيتين (المصرف والمنبع).
>> ومن النقاط الأربع السابقة نكون قد فهمنا الجزء MOS (شبه موصل - أكسيد- معدن) من أسم هذا الترانزستور .
فكرة عمل الـMOSFET :
فى هذا النوع من الترانزستورات يتم التحكم بتيار الخرج عن طريق جهد (المجال الكهربى) الدخل .. فكيف ذلك ؟(حيث تم توصيل المصرف بالطرف الموجب لبطارية والمنبع بالطرف السالب لها)1- فى حالة عدم وضع جهد على البوابة Gate فإنه لن يمر أى تيار بين المنبع والمصرف 2- فى حالة وضع جهد موجب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة N - فإن الإلكترونات الحرة الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى الموجب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف.ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف.
3- ى حالة وضع جهد سالب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة P- فإن الفجوات الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى السالب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف.ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف.
لاحظ أنه لوجود مادة الأوكسيد (العازلة) بين البوابة وبقية الترانزستور فإن التيار لا يمر بينهما . وفقط يتم التحكم بالتيار المار بين المنبع والمصرف عن طريق الجهد (المجال الكهربى) الموجود على البوابة.
الـMOSFET المتمم (CMOS) :
مصطلح الCMOS هو أختصار للجملة Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor وهو عبارة عن دارة تجمع بين ترانزستورين من نوعى N-Channel ,P-Channelويكون عمله كالآتى :1- عندما يكون مستوى الدخل منخفضا على البوابة (LOW) يعمل الترانزستور P-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة P) على تمرير التيار من مصدره لمصرفه . ولا يعمل الترانزستور الآخر.2- عندما يكون مستوى الدخل مرتفعاعلى البوابة (High) يعمل الترانزستور N-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة N) من مصرفه لمصدره . ولا يعمل الترانزستور الآخر.
أى أنه فى دارة الCMOS يعمل الN-MOS و الPMOS بصورة عكسية (أحدهما يمرر والآخر لا).ويستفاد من هذه الحالة عند التعامل مع تيارت عالية (قدرات عالية) فيخفف ذلك من تسخين كلا من الترانزستورين حيث يعمل كلا منهما نصف الوقت بينما يريح الأخر مع الحفاظ على حالات الخرج وذلك بإدخال نبضة ساعة على البوابة .
تعتبر الترانزستورات من نوع MOSFET خليفة الترانزستورات BJT حيث تدخل فى معظم الدارات الحديثة وخصوصا فى بناء الدارات المتكاملة والدارات الرقمية خاصة لما تتميز به من سرعة فى الأداء خصوصا عند إستخدامها كمفاتيح
ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من الأكسيد والمعدن وأشباه الموصلات
مقدمة :
تعتبر أشباه الموصلات النقية (مثل السليكون والجرمانيوم) مواد ليست جيدة التوصيل للكهرباء كما أنها ليست رديئة التوصيل للكهرباء . وتتوزع الإلكترونات فى أشباه الموصلات حول أنويتها فى مدارات ولكن تتميز أشباه الموصلات النقية بوجود 4 إلكترونات فقط فى المدار الأخير مما يجعلها مستقرة . أى أنها لا تنقل الكهرباء إلا بعد أن يتم تحرير إلكترون من الأربعة عن طريق الحرارة أو عن طريق إضافة شوائب . كما أنها تتحول لعوازل عندما نجبرها على إستقبال إلكترونات أخرى فى مدارها الأخير (بإضافة شوائب ايضا).
البلورة السالبة N :بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 5 إلكترونات مثل الفسفور أو الزرنيخ إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة السالبة N وهى موصلة حيث يزيد فيها عدد الإلكترونات (السالبة) الحرة .
البلورة الموجبة P :بإضافة شوائب من مادة يحتوى المدار الأخير للإلكترونات حول ذراتها على 3 إلكترونات مثل البورون والألومينيوم والجاليوم إلى المادة شبه الموصلة تتكون البلورة الموجبة P حيث ينقصها إكتساب إلكترونات للوصول لحالة الإتزان (يعنى وجود فجوات Holes).
الوصلة الثنائية :عند توصيل بللورة من نوع P مع بلورة من نوع N كما بالشكل المرفق تنجذب بعض الألكترونات الحرة من البللورة N إلى الفجوات فى البلورة P وتتكون منطقة وسطية فارغة من حاملات التيار (بعد أن أنجذب كل ألكترون فى هذه المنطقة مع فجوة ولم يعد حرا) وتسمى هذه المنطقة بالمنطقة الميتة (أو المنزوحة) Depletion Area ونتيجة لهذه الظاهرة ووجود نوعين مختلفين من حاملات الشحنة على جانبى المنطقة المنزوحة يتكون جهد على هذه المنطقة يعرف بالجهد الحاجز Barrier Voltage .والوصلة الثنائية هى فى الحقيقة الثنائى المعروف بالدايود .
الإنحياز الأمامى :الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز الأمامى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة P والطرف السالب بالبللورة N وبهذه الطريقة نستطيع أن نقلل من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للمرور عبر المنطقة المنزوحة لتغلق الدارة ويمر التيار فيها.
الإنحياز الخلفى (العكسى) :الشكل المرفق التالى يبين الإنحياز العكسى للثنائى حيث يوصل الطرف الموجب للبطارية بالبلورة N والطرف السالب بالبللورة P وبهذه الطريقة نستطيع أن نزيد من الجهد الحاجز وندفع الإلكترونات للإنجذاب للطرف الموجب للبطارية والفجوات للإنجذاب للطرف السالب للبطارية مما يزيد من الجهد الحاجز والمنطقة المنزوحة ويوقف مرور التيار فى الدارة.
ترانزستور التأثير المجالى والمصنوع من أشباه الموصلات والأكسيد والمعدن :
كل هذه المقدمة كانت لوضع الأساس الذى سنستند عليه فى عمل الترانزستور المجالى MOSFET
1- طبقة سفلية Substrate وهى إما من النوع N أو من النوع P 2- منطقتين من بلورتين من نفس النوع (بعكس الطبقة السفلية N <==> P ) ويمثلان طرفين من أطراف الترانزستور وهما (المصرف Drain والمنبع Source).3- طبقة من الأوكسيد (ثانى أكسيد السليكون SIO2) وهى مادة غير موصلة للتيار الكهربى (عازلة).4- طبقة من المعدن وتمثل الطرف الثالث للترانزستور وهو البوابة Gate
>> ونجد أيضا أن هذا الترانزستور له نوعان هما ال P-Cahnnel وال N-Channel بحسب أختيار نوع الطبقة السفلية والبلورتين الجانبيتين (المصرف والمنبع).
>> ومن النقاط الأربع السابقة نكون قد فهمنا الجزء MOS (شبه موصل - أكسيد- معدن) من أسم هذا الترانزستور .
فكرة عمل الـMOSFET :
فى هذا النوع من الترانزستورات يتم التحكم بتيار الخرج عن طريق جهد (المجال الكهربى) الدخل .. فكيف ذلك ؟(حيث تم توصيل المصرف بالطرف الموجب لبطارية والمنبع بالطرف السالب لها)1- فى حالة عدم وضع جهد على البوابة Gate فإنه لن يمر أى تيار بين المنبع والمصرف 2- فى حالة وضع جهد موجب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة N - فإن الإلكترونات الحرة الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى الموجب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف.ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف.
3- ى حالة وضع جهد سالب على البوابة - لاحظ أن الترانزستور من نوع القناة P- فإن الفجوات الموجودة فى بلورتى المنبع والمصرف ستنجذب للمجال الكهربى السالب المتكون عند البوابة مكونة قناة لمرور التيار بين المنبع والمصرف.ويتغير حجم هذه القناة تبعا لقوة المجال الكهربى عند البوابة وبالتالى تتغير قيمة التيار المار بين المنبع والمصرف.
لاحظ أنه لوجود مادة الأوكسيد (العازلة) بين البوابة وبقية الترانزستور فإن التيار لا يمر بينهما . وفقط يتم التحكم بالتيار المار بين المنبع والمصرف عن طريق الجهد (المجال الكهربى) الموجود على البوابة.
الـMOSFET المتمم (CMOS) :
مصطلح الCMOS هو أختصار للجملة Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor وهو عبارة عن دارة تجمع بين ترانزستورين من نوعى N-Channel ,P-Channelويكون عمله كالآتى :1- عندما يكون مستوى الدخل منخفضا على البوابة (LOW) يعمل الترانزستور P-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة P) على تمرير التيار من مصدره لمصرفه . ولا يعمل الترانزستور الآخر.2- عندما يكون مستوى الدخل مرتفعاعلى البوابة (High) يعمل الترانزستور N-MOS FET (أى الترانزستور ذو القناة N) من مصرفه لمصدره . ولا يعمل الترانزستور الآخر.
أى أنه فى دارة الCMOS يعمل الN-MOS و الPMOS بصورة عكسية (أحدهما يمرر والآخر لا).ويستفاد من هذه الحالة عند التعامل مع تيارت عالية (قدرات عالية) فيخفف ذلك من تسخين كلا من الترانزستورين حيث يعمل كلا منهما نصف الوقت بينما يريح الأخر مع الحفاظ على حالات الخرج وذلك بإدخال نبضة ساعة على البوابة .
تعتبر الترانزستورات من نوع MOSFET خليفة الترانزستورات BJT حيث تدخل فى معظم الدارات الحديثة وخصوصا فى بناء الدارات المتكاملة والدارات الرقمية خاصة لما تتميز به من سرعة فى الأداء خصوصا عند إستخدامها كمفاتيح
