ความรู้

(อิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น)

1. Resistor ( ตัวต้านทาน)
2. Transistor ( ทรานซิสเตอร์ )
3. Capacitor ( ตัวเก็บประจุ )
4. Diode ( ไดโอด )
5. Inductor ( ตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า )
6. Diac ( ไดแอก )
7. SCR ( เอสซีอาร์ )
8. Triac ( ไตรแอก )
9. FET ( เฟต )
10. MOSFET ( มอสเฟต )
11. OP-Amp ( ออปแอมป์ )

 

 

 

MOSFET ( มอสเฟต )

   มอสเฟทจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ดีพลีชั่น (Depletion) และ เอนฮานซ์เมนต์ (Enhancement) 
แต่ละประเภทยังแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ แบบแชนแนล n และ แบบแชนแนล p 

        มอสเฟทประเภท ดีพลีชั่นหรือดีมอสเฟท (D-MOSFET) ทั้ง 2 แบบจะทำงานได้ 2 โหมด คือ โหมดดีพลีชั่น (Depletion Mode) และ โหมดเอนÎานซ์เมนต์ (Enhancement Mode) กล่าวคือ ถ้าจ่ายแรงดันลบให้กับดีมอสเฟทแชนแนล n จะทำงานในโหมดดีพลีชั่น แต่ถ้าจ่ายแรงดันบวกจะทำงานในโหมดเอนÎานซ์เมนต์ ส่วนดีมอสเฟทแชนแนล p ก็จะทำงานคล้ายกันเมื่อ ได้รับแรงดันที่มีขั้วตรงข้ามกับแบบแชนแนล n 

       มอสเฟทประเภทเอนÎานซ์เมนต์หรืออีมอสเฟท (E-MOSFET)มีโครงสร้างบางอย่างคล้ายกับมอสเฟทแบบดีพลีชั่น 
แต่จะทำงานได้เฉพาะโหมดเอนÎานซ์เมนต์เท่านั้น 

ดีมอสเฟทแบบแชนแนล n
                    โตรงสร้างของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n เป็นดังรูป

 
                 ดีมอสเฟทแบบแชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผ่นผลีกฐาน p (p-substrate) ที่เป็นสารกึ่งตัวนำทำจากซิลิกอนขั้ว D และขั้ว S         ต่อกับบริเวณที่มีการกระตุ้นหรือโดปให้เป็นบริเวณสารกึ่งตัวนำ n (n-doped region) ทั้งสองส่วนนี้จะเชื่อมกับแชนแนล n สำหรับขั้ว G จะต่อกับวัสดุผิวนอกที่เป็นโลหะโดยมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2) กั้นแชนแนล n กับขั้ว G (ซิลิคอนได
ออกไซด์เป็นฉนวนประเภทไดอิเลคทริค) เมื่อมีสนามไฟฟ้าจ่ายเข้ามาที่ชั้นของ SiO2 ก็จะสร้างสนามไฟฟ้าต้านและสร้างชั้นฉนวน
ขึ้นภายในตัวเองเพื่อกั้นขั้วเกทกับแชนแนล แสดงว่า ไม่มีการต่อโดยตรงระหว่างขั้ว G กับแชนแนลของมอสเฟท ขั้นที่เป็นฉนวน SiO2 จะทำให้ Zi มีค่าสูงตามความต้องการได้
                        นอกจากนี้บางครั้งจะต่อแผ่นผลึกจากฐานเข้ากับแหล่งจ่ายจึงมีขั้วเพิ่มขึ้นมาเรียกว่า ขั้วผลึกฐาน SS (Substrat : SS) ทำให้มี
ขั้วเพิ่มเป็น 4 ขั้ว และจากข้างต้น จึงสรุปความหมายของคำว่า MOS ในชื่อมอสเฟท (ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโลหะออกไซด์สารกึ่งตัวนำ)
ได้ดังนี้
                        - โลหะ (Metal, M) หมายถึง บริเวณสำหรับการต่อขั้ว D, S และ G กับวัสดุผิวนอก
                        -  ออกไซด์ (Oxide, O) หมายถึง ซิลิคอนไดออกไซด์ ( SiO2 )
                        -  สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor, S) หมายถึง โครงสร้างพื้นฐานในบริเวณแพร่กระจายของสารกึ่งตัวนำชนิด p และสารกึ่ง
                            ตัวนำชนิด n



      การทำงานและคุณสมบัติเบื้องต้น (Basic Operation and Characteristies)
                           กำหนดให้ VGS ในรูป (a)  มีค่าเป็นศูนย์ แล้วจ่าย VD ที่ขั้ว D และ S ขั้ว D สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระ(e) ผ่านแชนแนลn
และทำให้กระแส  ID = IS = IDSS ไหลผ่านแชนแนล  n  ได้ (คล้ายกับการไหลของกระแสไฟฟ้าในแชนแนลของเจเฟทขณะ VGS = 0 V)

 
                        ถ้าจ่าย VGS ที่มีค่าเป็นลบให้กับขั้วเกท (รูป b) เช่น -1 V ความต่างศักย์ที่ขั้วเกทจะผลักดันให้อิเลคตรอนอิสระเคลื่อนไปยัง
แผ่นผลึกฐาน p และดึงดูดโÎลจากแผ่นผลึกฐาน p ทำให้อิเลคตรอนและโÎลรวมตัวกันใหม่ (Recombination Process) จึงเกิดการลดจำนวน
อิเลคตรอนอิสระในแชนแนล n ที่มีไว้สำหรับการนำกระแส  เมื่อมีค่า VGS เป็นลบมากเท่าใดก็จะเกิดการรวมตัวกันใหม่มากขึ้นเท่านั้นและ
อิเลคตรอนอิสระที่แชนแนล n ก็จะมีจำนวนลดลง จึงกล่าวได้ว่าถ้า VGS  เป็นลบมากขึ้น ID จะมีค่าน้อยลง เขียนเป็นเคอร์ฟคุณลักษณะได้
ดังรูปต่อไปนี้ การทำงานขณะ VGS เป็นลบนี้ เราเรียกว่า การทำงานในโหมดดีพลีชั่น

 

                         ถ้าจ่าย VGS ที่มีค่าเป็นบวกให้กับขั้วเกทความต่างศักย์ที่ขั้วเกทจะดึงดูดอิเลคตรอนจากผลึกฐาน p มายังบริเวณชั้น SiO2 ทำให้
พาหะนำกระแสและสภาพนำกระแสของแชนแนลเพิ่มขี้น ดังนั้นกระแส ID จึงเพิ่มขึ้นจนมีค่ามากกว่า IDSS การทำงานขณะ VGS
เป็นบวกนี้เราเรียกว่า การทำงานในโหมดเอนÎานซ์เมนต์


                      ดีมอสเฟทแบบแชนแนล p
                โครงสร้างของดีมอสเฟทแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงข้ามกับรูปของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n คือประกอบด้วยแผ่นผลึก
ฐาน n และแชนแนล  p ดังรูป

 
จากการเปรียบเทียบคุณลักษณะของดีมอสเฟทแบบแชนแนล กับดีมอสเฟทแบบแชนแนล p (ตามรูป b และ c) เราพบว่า
ทิศทางของกระแสขั้วแรงดันต่าง ๆ กลับกันทำให้คุณลักษณะกลับกันด้วย ID จะเริ่มเพิ่มขึ้นจากจุด Cutoff ที่ VGS = Vp และขณะที่ VGS มี
ค่าเป็นบวกลดลง ID จะเพิ่มขี้นจนถึง IGSS และเพิ่มอย่างต่อเนื่องจนเลยค่า IGSS เมื่อ VGS มีค่าเป็นลบเพิ่มขี้นยังคงใช้สมการของชอคเล่ย์
ได้แต่ ควรระวังเครื่องหมาย VGS และ Vp ในสมการให้ถูกต้อง (คือจะต้องมีเครื่องหมายเป็นบวก)


 สัญลักษณ์ (Symbols) 
                            สัญลักษณ์ของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n และ p เป็นดังรูป

 
                             ถ้าสังเกตุให้ดีจะเห็นว่า  สัญลักษณ์สื่อความหมายถึงโครงสร้างแท้จริงของอุปกรณ์  ช่องว่างระหว่างขั้ว G กับขั้ว D
(ที่ต่อกับขั้ว S) แสดงว่าไม่มีการต่อกันโดยตรงระหว่างขั้วทั้งสามเนื่องจากมีฉนวนกันที่ขั้ว G ส่วนขั้วผลึกฐาน SS ในมอสเฟท
บางครั้งมี บางครั้งไม่มี จึงเขียนสัญลักษณ์ได้ทั้ง 2 แบบ คือ  กรณีที่มีขั้ว SS และในกรณีไม่มีขั้ว SS ในการวิเคราะห์ลำดับต่อไปมัก
จะไม่มีขั้ว  SS  ดังนั้น  สัญลักษณ์ที่อยู่ข้างล่างจะเป็นสัญลักษณ์ที่ใช้ทั่ว ๆ ไป

     อีมอสเฟทแบบแชนแนล n
                    โครงสร้างเบื้องต้นของอีมอสเฟทแบบเชนแนล n เป็นดังรูป

                    อีมอสเฟทแบบเชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผ่นผลึกฐาน p ที่เป็นสารกึ่งตัวนำทำจากซิลิคอน ขั้ว D และขั้ว S ต่อกับ
บริเวณที่มีการกระตุ้น n โดยผ่านวัสดุผิวนอกที่เป็นโลหะ นอกจากนี้บางครั้งจะต่อแผ่นผลึกฐาน p เข้ากับแหล่งจ่ายจึง มีขั้ว SS
เพิ่มขึ้นมาคล้ายกับดีมอสเฟท
                      ถ้าสังเกตรูป ให้ดีจะเห็นได้ว่าไม่มีเส้นทางเชื่อมหรือไม่มีแชนแนล (no-channel) ระหว่างบริเวณที่มีการกระตุ้น n
ทั้ง 2 แห่ง นี่คือความแตกต่างเบื้องต้นระหว่างโครงสร้างของอีมอสเฟทและดีมอสเฟท

              การทำงานและคุณลักษณะเบื้องต้น 
                        กำหนดให้ VGS = 0V และจ่าย VDS ที่มีค่าเป็นบวกให้กับขั้ว S กับขั้ว D โดยขั้ว SS ต่อรวมกับขั้ว S ดังรูป
จะเกิดจากไบอัสกลับที่รอยต่อ p-n (บริเวณที่มีการกระตุ้น n กับผลึกฐาน p) [เนื่องจากไม่มีเส้นทางเชื่อม หรือ แชนแนลระหว่างขั้ว D
และขั้ว S ทำให้เกิดการต้านการไหลของอิเล็กตรอน] กระแส ID=0 แตกต่างจาก ดีมอสเฟทและเจเฟทซึ่งมี ID=IDSS

                        ถ้าจ่าย VDS และVGS ที่มีค่าเป็นบวกดังรูป ทำให้ขั้ว D และขั้ว G มีความต่างศักย์เป็นบวกการที่ขั้ว G มีความต่างศักย์เป็น
บวกนี้จะผลักดันให้โÎลในผลึกฐาน p เข้าไปสู่บริเวณภายในผลึกฐาน p และดึงดูดอิเล็กตรอนในผลึกฐานp (เป็น พาหะข้างน้อยรวมตัว
อยู่ในบริเวณใกล้กับผิวของ SiO2) ซึ่งมีคุณลัษณะเป็นฉนวนและป้องกันอิเล็กตรอนไม่ให้ดึงดูด ไปยังขั้วเกท
                        ขณะที่ VGS เพิ่มขึ้น การรวมตัวของอิเล็กตรอนใกล้กับชั้นของ SiO2 ก็เพิ่มมากขึ้นตามลำดับขณะเดียวกันบริเวณที่มีการ
กระตุ้น n เกิดการเหนี่ยวนำจากแรงดัง VGS ทำให้มีอิเล็กตรอนหรือ ID (มีทิศทางตรงข้ามกับอิเล็กตรอน)ไหลระหว่าง ขั้ว D กับขั้ว S
ระดับ VGS ทำให้ ID ไหลเราเรียกว่า แรงดันเธรสโÎลด์ (Threshold Voltage;VT) ในสเปคกำหนดให้ VT เป็น VGS(Th) 

                        ถ้าเพิ่ม VGS ให้สูงขึ้น ID ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ถ้า VGS มีค่าคงที่ และ เพิ่มค่า VDS จะทำให้ ID ถึงจุดอิ่มตัว (เช่น เดียวกับดีมอสเฟท) เนื่องจากขั้วบวกของ VDS ดึงดูดอิเลคตรอน จึงจะทำให้ปลายของช่องทางเหนี่ยวนำบริเวณใกล้ขั้ว D แคบลง
ใกล้ระดับพินช์ออฟ [Pinch-Off (Begining)] ดังรูป (a) เมื่อนำ KVL มาร่วมพิจารณา จะได้แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว D กับขั้ว G (VDG)
ดังนี้

VDG = VDS - VGS-------------------- สมการที่ 1

                          ถ้ากำหนดให้ VGS  = 8 V และ VDS = 2 V ก็จะได้ VDG = -6 V แต่ถ้าเพิ่ม VGS เป็น 5 V  ค่า VDG จะเป็น -3 V (ตาม
สมการที่ 1 ) การลดลงของ VDG ทำให้แรงดึงดูด ( จากขั้วบวกของ VDS ) ที่มีต่ออิเลคตรอนอิสระในบริเวณช่องทางเหนี่ยวนำลดลง
ด้วย ทำให้ช่องทางเหนี่ยวนำแคบลง   ถ้าความกว้างของช่องทางดังกล่าวลดลงเรี่อย ๆ จนกระทั่งถึงจุดพินช์ออฟ ID ก็จะถึงจุดอิ่มตัว
ดังที่ได้อธิบายในดีมอสเฟท
                          คุณลักษณะของขั้วเครนของมอสเฟทใน รูป (a) เป็นดังรูป (b) ขณะ VT = 2 V ที่  VGS = 8 V       ทำให้เกิด
VDS อิ่มตัว (VDSsat) = 6 V ทำให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่าง VDSsat กับ VGS ดังนี้

VDSsat = VGS - VT ----------------------- สมการที่ 2

                            สมการที่ 2 ทำให้ทราบว่า เมื่อ VT คงที่และ VGS ยิ่งสูงขึ้นเท่าใด VDSsat ก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
                            ในรูป (b) ขณะที่ VT เป็น 2 V ณ ตำแหน่งนี้ ID = 0 mA ดังนั้นจึงทำให้ทราบว่า ถ้า VGS มีค่าต่ำกว่า VT  ค่า ID ของ
อีมอสเฟทจะเป็นศูนย์หรือไม่มีกระแสไหลนั่นเอง
                             ถ้าค่า VGS เพิ่มขึ้นจาก VT เป็น 8 V จะทำให้ระดับการอิ่มตัวของ ID เพิ่มขึ้นจาก 0 mA เป็น 10 mA แต่เนื่องจากช่วง
ของเคอร์ฟ VGS มีระยะห่างไม่เท่ากัน ดังนั้น ID ที่เพิ่มขึ้น จึงมีความสัมพันธ์กับ VGS ในลักษณะไม่เป็นเชิงเส้นดังสมการต่อไปนี้

ID = k ( VGS - VT )2 ------------------------ สมการที่ 3

                    เมื่อ k เป็นค่าคงที่ของโครงสร้างอีมอสเฟท ซึ่งหาค่าได้จาก


k = ID(on) / ( VGS(on) - VT )2 --------------------สมการที่ 4

                               เมื่อ ID(on) และ  VGS(on) เป็นกระแสและแรงดันที่ทำให้เกิดจุดเฉพาะบนเคอร์ฟคุณลักษณะของมอสเฟท
                                สมมติแทนค่า ID(on) = 10 mA ขณะ VGS = 8 V ลงในสมการที่ 4 จะได้ k = 0.278 * 10-3 A/V2
                               แทนค่า k ในสมการที่ 3 เพื่อหาค่า ID สำหรับคุณลักษณะในรูป (b) โดยสมมติ VGS = 4 V จะได้ ID = 1.11 mA
                                สำหรับการวิเคราะห์ไฟฟ้ากระแสตรงของอีมอสเฟท จะใช้คุณลักษณะถ่ายโอนดังรูปต่อไปนี้ในการแก้ปัญหา


                               เคอร์ฟถ่ายโอนในรูป แตกต่างจากเคอร์ฟถ่ายโอนที่กล่าวในตอนต้น ๆ เพราะว่าอีมอสเฟทแบบแชนแนล n จะมี ID
เพิ่มขึ้นไม่ได้จนกว่า VGS = VT    สมมติว่าเราจะเขียนเคอร์ฟถ่ายโอนที่มี  k = 0.5*10-3 A/V2 และ VT = 4 V เมื่อนำสมการที่ 3 มาร่วม
พิจารณา จะได้
ID = 0.5*10-3( VGS - 4 V )2


            อีมอสเฟทแบบแชนแนล p

                            โครงสร้างของอีมอสเฟทแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงข้ามกับแบบแชนแนล p


                            กล่าวคือ ขั้ว D และขั้ว S ต่อกับผลึกฐาน n และบริเวณที่มีการกระตุ้น p(p-doped regions) แต่ขั้วของแรงดันและทิศทาง
กระแสตรงข้ามกับแบบแชนแนล n นอกจากนี้คุณลักษณะของเคอร์ฟถ่ายโอน ก็จะแสดงค่าที่ด้านตรงข้าม



 
                สัญลักษณ์ (Symbol) 
                                  สัญสักษณ์ของอีมอสเฟทแบบแชนแนล p และแชนแนล n เป็นดังรูป

 

                                   จะเห็นได้ว่าสัญลักษณ์แสดงโครงสร้างแท้จริงของอุปกรณ์เส้นประเชื่อมระหว่างขั้ว D กับ ขั้ว S แสดงว่าไม่มี
แชนแนลระหว่างขั้วทั้งสอง (ขณะไม่ได้รับการไบอัส) ซึ่งเป็นความแตกต่างประการเดียวระหว่างสัญลักษณ์ของดีมอสเฟทกับอีมอสเฟท

Copyright © 2009 All rights reserved. Contact: pp-service@hotmail.com


Free Web Hosting