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