FET (Field-effect transistor)

FET (Field-effect transistor)

       ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือเฟต ทํางานดวยหลักของการควบคุมดวยแรงดันไฟ (Voltage-Control) โดยการอาศัยคา แรงดันไฟระหวางขาเกต (Gate) ทําใหเกิดการเปลี่ยนแปลงกระแสทางออกจังชันฟลดเอฟเฟคททรานซิสเตอรหรือเจ เฟท ควบคุมกระแสที่ไหลผานชองเดินกระแส (Channel) ดวยคาการรีเวิรสจังชัน

 ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือเฟต เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดพิเศษมีรอยต่อเดียว (Unipolar Devices) ทางานแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อ(BJTS) ตรงที่การควบคุมกระแสให้ไหลผ่านเฟต ควบคุมโดยป้อนแรงดันที่เกตของเฟต แรงดันเกตนี้จะทาหน้าที่ควบคุมปริมาณของสนามไฟฟ้าระหว่างรอยต่อให้เพิ่มขึ้นหรือลดลง เพื่อบังคับประมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อเฟตจึงได้ชื่อว่าทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า เฟตแบ่งออกตามลักษณะโครงสร้างใหญ่ๆ ได้ 4 ชนิดคือ JFET (Junction FET) และ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) ซึ่งจะได้ศึกษาโดยละเอียดต่อไป ข้อดีของเฟตที่เห็นได้ชัดเจนคือ ความต้านทานอินพุตมีค่าสูงมาก (เมกะโอห์ม)ทาให้สามารถใช้แรงดันเพียงเล็กน้อยควบคุมการทางานของเฟตได้

   เฟตจะประกอบด้วยชั้นสารซิลิกอน N ซึ่งได้รับการแพร่ลงบนรอยต่อของชิ้นสารพีและเอ็นเฟตมีขาต่อใช้งาน 3 ขา คือ ขาเกท(gate), เดรน (drain) และซอร์ส (source) ระหว่างขาเดรนกับซอร์สจะได้รับไบแอสตรง ดังนั้นกระแสจะไหลจากขาเดรนไปยัง ขาซอร์สความสามารถในการนำกระแสของเฟตจะขึ้นอยู่กับแรงดันที่ขาเกทถ้าหากแรงดันที่เกทเป็นลบมากกระแสก็จะไหลน้อยและ ถ้าหากแรงดันที่ขาเกทเป็นลบถึงค่าหนึ่ง ก็จะทำให้ไม่มีกระแสเดรนไหลเลย แรงดันเกทที่ค่านั้นจะเรียกว่า แรงดันพิตช์ออฟ (pitchoff voltage) โดยปกติมีค่าประมาณ -5 โวลต์

ขอดีของ FET

1. มีอินพุตอิมพิแดนซที่สูงมากโดยที่ FET อยูในระดับ MΩ ถึง > 1000 MΩ ในขณะที่ BJT อยูใน ระดับkΩ

2. ไมมีแรงดันออฟเซ็ต (Offset Voltage) เมื่อทําหนาที่เปนสวิทช

3. คุณสมบัติหลักๆไมถูกผลกระทบจากการรังสีภายนอกมากนักในขณะที่คา beta ของ BJT ไดรับอิทธิพลจากรังสีตางๆคอนขางมาก

4. มีสัญญาณรบกวนต่ํามากเมื่อเทียบกับ BJT เนื่องจาก carrier ไมไดไหลผาน Junction เหมือน BJT จึงเหมาะกับการนําไปใชในการขยายสัญญาณขนาดเล็กๆ

5. เสถียรภาพทางอุณหภูมิที่ดีกวา BJT
6. มีโครงสรางที่เล็กกวา BJT ทําใหการผลิตเปนไอซีสามารถบรรจุ FET ไดจํานวนมากในพื้นที่เล็กๆ

ขอเสียของ FET

1. มีคา gain-bandwidth หรือการตอบสนองความถี่ต่ํากวา BJT ซึ่งทําใหการใชงานกับสัญญาณใน ดานความถี่สูงไมดีแตปจจุบันไดมีการผลิตเปน FET ที่สามารถใชงานความถี่สูงๆได

2. เสียหายไดงานจากไฟฟาสถิต

Junction Field-effect transistor (JFET)

             JFET แบงออกเปน 2 ชนิดคือ NChannel และ P-Channel มีขาเพื่อการใชงาน 3 ขา คือ ขาเดรน (Drain) หรือขา D ขาซอรส (Source) หรือขา S และขาเกต (Gate) หรือขา G ซึ่งเปนการควบคุมการไหลของกระแสสรางมาจากสารชนิดพีมี 2 region ของเกตโอบ ลอมแชนแนลซึ่งเปนสารเอ็นเอาไวในขณะที่เจเฟทพีแชนแนลมีโครงสรางคลายกัน เพียงแตในสวนของเนื้อสารมี ความแตกตางกันเทานั้นเอง โดยเนื้อสารในสวนที่เปนทางไหลของกระแสตรงที่เรียกวาแชนแนลนั้นเปนสารชนิดพี สวนเกตเปนสารชนิดเอ็น

รูปที่ 1.1 โครงสร้างของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel

รูปที่ 1.2 โครงสร้างสัญญาลักษณ์ของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel

การทำงานของเจเฟต

                จะทำงานได้โดยป้อนแรงดันไบแอสที่เดรนและซอร์สโดยแหล่งจ่าย VDD ให้ขั้วบวกกับเดรนและขั้วลบกับซอร์ส สำหรับเกตของเจเฟตจะให้ไบแอสกลับ โดยเจเฟตชนิด n-channel จะมีเกตเป็น p ดังนั้นแรงดันไบแอสที่เกตVGG ต้องให้ขั้วลบกับเกตและขั้วบวกกับซอร์ส ดังรูปที่ 1.3

 

รูปที่ 1.3 แสดงการไบแอสเจเฟต n-channel

                การทำงานของเจเฟตนั้นเมื่อให้ไบแอสกลับที่เกต (VGS = VGG) ดังรูปที่ 1.4 จะเกิดสนามไฟฟ้าที่รอยต่อพี-เอ็นจำนวนหนึ่งทำให้ช่องทางเดินของกระแสในสาร n(n-channel) ระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลง กระแสเดรน (ID)จะไหลจากเดรนไปสู่ซอร์สได้จำนวนหนึ่งถ้าปรับค่าแรงดัน VGS ให้มีค่าไบแอสกลับมานี้ ผลคือสนามไฟฟ้าที่รอยต่อจะมีปริมาณมากขึ้นทำให้ช่องทางเดินกระแสแคบลง เป็นผลให้กระแสเดรน(ID) มีปริมาณลดลง ดังรูปที่ 1.4 แต่ถ้าปรับค่าแรงดัน V ให้มีค่าไบแอสน้อยลงจะทำให้ช่องทางเดินของกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สมีขนาด กว้างขึ้นทำให้กระแสเดรน (ID )ไหลได้มากขึ้น แสดงว่าสามารถควบคุมปริมาณกระแสเดรน( ID )ที่ไหลผ่านเจเฟตได้โดยการควบคุมแรงดันไบแอสกลับที่เกตของเจเฟต

 

รูปที่ 1.4 แสดงการใช้แรงดันไบแอสกลับที่เกต (VGS) ควบคุมการไหลของกระแสเดรน (ID)

                    สัญลักษณ์ของเจเฟต (JFET Symbols) สัญลักษณ์ของเจเฟตชนิดn-channel และชนิด      p-channel แสดงในรูปที่ 1.5 สังเกตได้ว่าชนิด n-channelนั้นหัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งเข้าแต่ชนิด p-channel หัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งออก

 

รูปที่ 1.5 แสดงสัญลักษณ์ของเจเฟต

ลักษณะสมบัติและพารามิเตอร์ของเจเฟต

             เพื่อศึกษาลักษณะสมบัติของเจเฟต ให้พิจารณารูปที่ 1.6 เพื่อไบแอสเจเฟตโดยต่อขั้วบวกของ VDD เข้าที่เดรน และต่อแรงดันที่เกตของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (VGS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่ากระแส IDSS (Drain to Source Current with Gate Shorted) ดังรูปที่ 1.6 ในย่านระหว่างจุด B และ C ของกราฟในรูป นี้ ถ้าปรับค่าแรงดัน VDDเพื่อให้ VDS เปลี่ยนแปลงไป กระแส ID ที่ไหลผ่านเดรนของเจเฟตจะคงที่ เราจึงเรียกการทำงานในย่าน BC นี้ว่าย่านกระแสคงที่ (Constant Current Region)

 

รูปที่ 1.6 แสดงลักษณะสมลัติของเดรนของเจเฟตเมื่อ VGS = 0 V

การไบแอสเจเฟต

              การไบแอสตนเอง (Self-Bias) หมายถึงการไบแอสเกตของเจเฟตด้วยตัวต้านทาน RG ต่อลงจุดดิน นั้นคือ VG = 0 V ซึ่งปกติเจเฟตจะต้องได้รับไบแอสกลับที่เกต ในกรณีการไบแอสตนเองนี้ กระแส IGSS จะเป็นเพียงกระแสไหลซึ่งมีค่าน้อยมากการไบแอสตนเองของเจเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 1.7 และ เมื่อ VG = 0 V จะทำให้แรงดันตกคร่อม RG = 0 V เช่นกัน

 

รูปที่ 1.7 แสดงวงจร Self Bias ของเจเฟตชนิด n และ p-channel

เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)

               มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่โครงสร้างภายในเจเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส(channel) มีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี-เอ็น แต่มอสเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้น (Layer) ของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) มอสเฟตมี 4 ชนิดคือ มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion,D) และมอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์ (Enhancement,E)

มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion MOSFET , D-MOSFET)

                  ถ้าเป็นชนิด n-channel ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ส จะเป็นสารกึ่งตัวนาชนิด n และมีวัสดุฐานรอง (Substrate) เป็นสารกึ่งตัวนาชนิดตรงข้าม สำหรับ D-MOSFET ชนิด p-channel จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิด p และมีวัสดุฐานรองเป็นสารชนิด n และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแส โดยมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส

 

รูปที่ 1.8 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของ D-MOSFET

รูปที่ 1.9 แสดงการทำงานของดีมอสเฟตชนิด n-channel

เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode)

                  เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode) คือการไบแอสเกตของดีมอสเฟตด้วยแรงดันบวก จะเห็นว่าที่เกตของดีมอสเฟตจะได้รับประจุบวกจากแหล่งจ่าย VGG ทาให้ในแชนเนลของดีมอสเฟตเป็นประจุลบ ทาให้ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สไม่มีประจุชนิดตรงข้ามกับแชนเนลคอยบีบแชนเนลให้แคบลง ทาให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้จานวนมาก และถ้าให้ VGG = 0 V จะทาให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อยลงเพราะประจุลบในแชนเนลมีค่าลดลงเป็นศูนย์สัญลักษณ์ของดีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel

 

                มอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์นี้ทางานได้ในลักษณะ ของเอนฮานซ์เมนต์ฌหมดเพียงลักษณะเดียวเท่านั้น ไม่สามารถทางานในดีพลีทชันโหมดได้ โครงสร้างของอีมอสเฟตแตกต่างจากดีมอสเฟสตรงที่ช่องทางเดินกระแสของอีมอสเฟตจะถูกสร้างขึ้นโดยการไบแอสที่เกต ในสภาวะที่เกตไม่มีไบแอสจะไม่มีช่องทางเดินกระแสเชื่อมต่อระหว่างเดรนกับซอร์ส เป็นอีมอสเฟตชนิด n-channel จะเห็นว่าส่วนเดรนและซอร์สเป็นสารกึ่งตัวนาชนิดเอ็น (n-type) แต่ไม่มีแชนเนลต่อถึงกัน มีสารชนิดพีเป็นวัสดุฐานรองและระหว่างเกตกับวัสดุฐานรองมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้นกลาง

 

รูปที่ 1.10 แสดงโครงสร้างและการทำงานของ E-MOSFET

การทำงานของ E-MOSFET

                     การทำงานของอีมอสเฟตทำงานในเอนฮานซ์เมนต์โหมด ดังนั้นจึงต้องไบแอสด้วยแรงดันบวกจะเห็นว่าเมื่อเกตได้รับแรงดันบวกที่เพลทของเกตจะเกิดประจุบวก และวัสดุฐานรองของอีมอสเฟตจะเกิดประจุลบขั้นตามคุณลักษณะสมบัติของตัวเก็บ ประจุ ดังที่ได้กล่าวมาแล้วทำให้ประจุลบเหนี่ยวนำขึ้นเป็นช่องทางเดินกระแส (Induce Channel) เชื่อมต่อระหว่างเดรนกับซอร์ส ทำให้กระแสเดรน (ID) สามารถไหลข้ามช่องทางเดินกระแสไปสู่ซอร์สได้ และจะไหลได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไบแอสที่เกตของอีมอสเฟต เพราะชนาดของแชนเนลขึ้นอยู่กับขนาดของ VGG สัญลักษณ์ของอีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel

 

รูปที่ 1.11แสดงสัญลักษณ์ของ E-MOSFET

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

 

รูปที่ 1.12 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของอีมอสเฟต

รูปที่ 1.13 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของวีมอสเฟต

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

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

References

[1] เจน สงสมพันธุ์, "วงจรอิเล็กทรอนิกส์", สถาบันอิเล็กทรอนิกส์กรุงเทพรังสิต หน้า 281-295

[2] "การคำนวณวงจรทรานซิสเตอร์", หจก.สำนักพิมพ์ฟิสิกส์เซนเตอร์ หน้า 222-247

[3] http://sisketelectronics.blogspot.com/2012/07/v-behaviorurldefaultvmlo_9814.html

[4] https://sites.google.com/site/transmitterfet/home/thransistexr

[5] http://electronicspocketbook.blogspot.com/2014/01/jfet.html

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

ชื่อ - นามสกุล : นายนฤดล กาตาสาย 

รหัสนักศึกษา : 59543207013-3

มหาวิทยลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา เชียงใหม่