Docstoc

เฟต

Document Sample
เฟต Powered By Docstoc
					                                          บทที่ 4
                                ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)

           ทรานซิสเตอร์ สนามไฟฟ้าหรือเฟต (Field Effect Transistor : FET) เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดพิเศษ
มีร อยต่อเดีย ว (Unipolar Devices) ทางานแตกต่างจากทรานซิ สเตอร์ชนิดสองรอยต่อ(BJTS) ตรงที่ การ
ควบคุ มกระแสให้ไหลผ่านเฟต ควบคุ มโดยป้อนแรงดันที่เกตของเฟต แรงดันเกตนี้จะทาหน้า ที่ควบคุ ม
ปริ มาณของสนามไฟฟ้าระหว่างรอยต่ อให้เพิ่มขึ้นหรื อลดลง เพื่อบังคับประมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
รอยต่อเฟตจึงได้ชื่อ ว่า ทรานซิสเตอร์ สนามไฟฟ้า
        เฟตแบ่งออกตามลัก ษณะโครงสร้างใหญ่ๆ ได้ 4 ชนิดคือ JFET (Junction FET) และ MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor FET) ซึ่งจะได้ศึ กษาโดยละเอียดต่อ ไป ข้อ ดีของเฟตที่เห็นได้ชัดเจนคือ ความ
ต้านทานอินพุ ตมีค่า สูงมาก (เมกะโอห์ ม)ทาให้สามารถใช้แรงดันเพียงเล็กน้อ ยควบคุ มการทางานของเฟตได้

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อ , เจเฟต

        เจเฟตเมื่อพิจารณาตามโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 4.1 จะพบว่าเฟตมี 4 ชนิดคือ เจเฟต n-แชนเนล
(n-channel) ดังรูป(a) และ p-แชนเนล (p-channel) ดังรูป(b) เจเฟตนั้นมี 3 ขาคื อ ขาเดรน (Drain,D) , ขาเกต
(Gate , G) และขาซอร์ส (Source , S) เจเฟตชนิด n-channel ชิ้นสาร n จะต่อ ขาเดรนและขาซอร์สส าหรับขา
เกตจะเป็นชิ้นสารชนิด p ดังรูป (a) ส่วนเจเฟตชนิด p-channel นั้นขาเดรนของขาซอร์ สจะเป็นชิ้นสารชนิด p
แต่ขาเกตจะเป็นชนิด n




                   รูปที่ 4.1 โครงสร้างของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel
การทางานของเจเฟต

      จะทางานได้โ ดยป้อนแรงดันไบแอสที่เดรนและซอร์ สโดยแหล่ง จ่าย VDD ให้ขั้วบวกกั บเดรนและขั้ ว
ลบกั บซอร์ ส สาหรับเกตของเจเฟตจะให้ไบแอสกลั บ โดยเจเฟตชนิด n-channel จะมีเกตเป็น p ดังนั้น
แรงดันไบแอสที่เกต VGG ต้องให้ขั้วลบกั บเกตและขั้ วบวกกับซอร์ ส ดังรูปที่ 4.4




                                รูปที่ 4.4 แสดงการไบแอสเจเฟต n-channel



           การทาง านของเจเ ฟตนั้ น เมื่ อ ใ ห้ ไ บแอสกลั บที่ เ กต (VGS = VGG) ดั ง รู ป ที่ 4.3 (a) จะเกิ ด
สนามไฟฟ้าที่รอยต่อพี-เอ็นจานวนหนึ่งทาให้ช่องทางเดินของกระแสในสาร n(n-channel) ระหว่ า งเดรนกั บ
ซ อ ร์ ส แ ค บ ล ง ก ร ะ แ ส เ ด ร น ( ID) จ ะ ไ ห ล จ า ก เ ด ร น ไ ป สู่ ซ อ ร์ ส ไ ด้ จ า น ว น ห นึ่ ง
ถ้าปรั บค่ า แรงดั น VGS ให้ มีค่า ไบแอสกลั บมานี้ ผลคื อ สนามไฟฟ้ า ที่ ร อยต่ อ จะมี ปริ มาณมากขึ้ น ทาให้
ช่ อ ง ทาง เ ดิ น กระ แสแ คบล ง เ ป็ น ผล ใ ห้ ก ระ แ สเ ด รน ( ID) มี ป ริ มาณ ลดล ง ดั ง รู ป ที่ 4.3(b)
แต่ถ้าปรับค่าแรงดัน V ให้มีค่าไบแอสน้ อ ยลงจะทาให้ ช่ อ งทางเดิ น ของกระแสระหว่ า งเดรนกั บซอร์ ส มี
ข น า ด ก ว้ า ง ขึ้ น ท า ใ ห้ ก ร ะ แ ส เ ด ร น (ID )ไ ห ล ไ ด้ ม า ก ขึ้ น ดั ง รู ป ที่ 4.3(c)
แสดงว่าสามารถควบคุมปริมาณกระแสเดรน( ID )ที่ไหลผ่านเจเฟตได้ โ ดยการควบคุ มแรงดั น ไบแอสกลั บที่
เกตของเจเฟต




       รูปที่ 4.3 แสดงการใช้แรงดันไบแอสกลั บที่เกต (VGS) ควบคุ มการไหลของกระแสเดรน (ID)
          สัญลั กษณ์ของเจเฟต (JFET Symbols) สัญลั กษณ์ ของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel
แสดงในรูปที่ 4.4 สังเกตได้ว่าชนิด n-channel นั้นหัวลูกศรที่ ขาเกตจะพุ่งเข้าแต่ชนิด p-channel หัวลูกศรที่ ขา
เกตจะพุ่งออก




                                   รูปที่ 4.4 แสดงสัญ ลัก ษณ์ ของเจเฟต



ลักษณะสมบัติและพารามิเตอร์ของเจเฟต

       เพื่อศึ กษาลัก ษณะสมบัติของเจเฟต ให้พิจารณารูปที่ 4.5(a) เพื่อไบแอสเจเฟตโดยต่ อขั้ วบวกของ VDD
เข้าที่เดรน และต่อแรงดันที่เกตของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (VGS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ ค่า
หนึ่งเรียกว่ากระแส IDSS (Drain to Source Current with Gate Shorted) ดังรูปที่ 4.5 (b) ในย่านระหว่างจุด
B และ C ของกราฟในรูป(b) นี้ ถ้า ปรั บค่าแรงดัน VDDเพื่อให้ VDS เปลี่ยนแปลงไป กระแส ID ที่ไหลผ่าน
เดรนของเจเฟตจะคงที่ เราจึงเรีย กการทางานในย่าน BC นี้ว่าย่านกระแสคงที่ (Constant Current Region)




                     รูปที่ 4.5 แสดงลั กษณะสมลั ติของเดรนของเจเฟตเมื่อ VGS = 0 V
การไบแอสเจเฟต

         การไบแอสตนเอง (Self-Bias) หมายถึงการไบแอสเกตของเจเฟตด้วยตั วต้ านทาน RG ต่อ ลงจุ ดดิน
นั้นคือ VG = 0 V ซึ่งปกติเจเฟตจะต้องได้รั บไบแอสกลั บที่เกต ในกรณีการไบแอสตนเองนี้ กระแส IGSS
จะเป็นเพียงกระแสไหลซึ่งมี ค่าน้อ ยมาก
        การไบแอสตนเองของเจเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 4.6 และ เมื่อ VG
= 0 V จะทาให้แรงดันตกคร่ อ ม RG = 0 V เช่นกัน




                    รูปที่ 4.6 แสดงวงจร Self Bias ของเจเฟตชนิด n และ p-channel

เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)

        มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่ โครงสร้างภายในเจเฟตนั้น              ระหว่ างเกตกั บช่องทางเดินกระแส
(channel) มีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี -เอ็น แต่มอสเฟตนั้นระหว่ างเกตกั บช่องทางเดินกระแสมีโ ครงสร้างเป็น
ชั้น (Layer) ของซิลิ คอนไดออกไซด์ (SiO4) มอสเฟตมี 4 ชนิดคือ มอสเฟตชนิดดีพลี ทชัน (Depletion,D)
และมอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์ (Enhancement,E)

      มอสเฟตชนิดดีพลี ทชัน (Depletion MOSFET , D-MOSFET) รูปที่ 4.7 คือ โครงสร้างพื้นฐานของ
ดีมอสเฟต ถ้าเป็นชนิด n-channel ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ ส จะเป็นสารกึ่งตั วนาชนิด n
และมี วัส ดุฐานรอง (Substrate) เป็นสารกึ่ง ตัวนาชนิดตรงข้า ม (p) ดังรูปที่ 4.7 (a) สาหรับ D-MOSFET ชนิด
p-channel จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ สเป็นสารชนิด p และมี วัส ดุฐานรองเป็นสารชนิด n
ดังรูปที่ 4.7(b) และมีเ กตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแส โดยมี ซิลิ คอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้น
ระหว่างเกตกั บช่องทางเดินกระแส
                         รูปที่ 4.7 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของ D-MOSFET



          เนื่องจากดี มอสเฟตทางานได้ในสองลักษณะคือ ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode) ด้วยการ
ควบคุ มกระแสเดรนด้วยแรงดันเกตที่เป็น ลบ (Negative Gate Voltage) และ เอนฮานซ์เมนต์ โหมด
(Enhancement Mode) โดยการใช้แรงดันเกตที่เป็น บวก (Positive Gate Voltage) ควบคุ มการไหลของกระแส
เดรน

ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode)

          ทางานด้ วยหลั กการของคุณ สมบั ติตัวเก็ บประจุเนื่องจากเกตของดี มอสเฟตเป็นโลหะและมีฉนวน
(ซิลิคอนไดออกไซด์) กั้นกลางระหว่างเพลทของเกตกับแชนเนลของดี มอสเฟต ดังรู ปที่ 4.8(a) เพื่อให้
แรงดันเกตเป็นลบ (-VGG) จะเกิดประจุล บที่เกตและประจุ บวกที่แชนเนลภายในตัว ดี มอสเฟตประจุบวกนี้
จะทาให้ทางเดินของกระแสในแชนเนลระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลงทาให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้ อย
แต่ถ้าให้ VGG = 0 V กระแสเดรนจะไหลได้ สูงสุด ดังนั้นจึงสามารถควบคุ มกระแสเดรน (ID) ได้ ด้วยค่า
แรงดันที่เกตระหว่างค่า ของ VGG เท่ากับ VGS(off) จนถึงศูนย์โ วลต์




                       รูปที่ 4.8 แสดงการทางานของดี มอสเฟตชนิด n-channel
เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode)

       คือ การไบแอสเกตของดี มอสเฟตด้วยแรงดัน บวกดังแสดงในรูปที่ 4.8(b) จะเห็นว่าที่เกตของดี มอสเฟ
ตจะได้รั บประจุบวกจากแหล่งจ่า ย VGG ทาให้ในแชนเนลของดี มอสเฟตเป็นประจุล บ ทาให้ช่องทางเดิน
กระแสระหว่างเดรนกับซอร์ สไม่ มีประจุชนิดตรงข้า มกับแชนเนลคอยบีบแชนเนลให้แคบลง ทาให้กระแส
เดรน (ID) ไหลได้จานวนมาก และถ้าให้ VGG = 0 V จะทาให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อยลงเพราะ
ประจุ ลบในแชนเนลมีค่า ลดลงเป็นศูนย์ สัญ ลัก ษณ์ ของดี มอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel
แสดงในรูปที่ 4.9




                                รูปที่ 4.9 แสดงสัญ ลัก ษณ์ ของดี มอสเฟต

เอนฮานซ์เมนต์มอสเฟต (Enhancement MOSFET , E-MOSFET)

        มอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์นี้ ทางานได้ในลั กษณะ ของเอนฮานซ์เ มนต์ฌหมดเพียงลั กษณะเดีย ว
เท่านั้น ไม่สามารถทางานในดีพลีทชันโหมดได้ โครงสร้ างของอี มอสเฟตแตกต่างจากดี มอสเฟสตรงที่
ช่องทางเดินกระแสของอี มอสเฟตจะถู กสร้างขึ้นโดยการไบแอสที่เกต ในสภาวะที่เกตไม่ มีไ บแอสจะไม่ มี
ช่องทางเดินกระแสเชื่อ มต่ อระหว่างเดรนกั บซอร์ ส ดังแสดงในรูปที่ 4.10(a) เป็นอีมอสเฟตชนิด n-channel
จะเห็นว่าส่วนเดรนและซอร์ สเป็นสารกึ่งตั วนาชนิดเอ็น (n-type) แต่ไม่ มีแชนเนลต่ อถึงกัน มี สารชนิดพีเป็น
วัสดุ ฐานรองและระหว่ างเกตกั บวั สดุฐ านรองมีซิ ลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้นกลาง




                       รูปที่ 4.10 แสดงโครงสร้างและการทางานของ E-MOSFET
           การทางานของอี มอสเฟตทางานในเอนฮานซ์เมนต์โหมด ดังนั้นจึงต้องไบแอสด้วยแรงดัน บวกดัง
รูปที่ 4.10(b) จะเห็นว่าเมื่อเกตได้รับแรงดันบวกที่เพลทของเกตจะเกิ ดประจุบวก และวัส ดุฐานรองของอี
มอสเฟตจะเกิ ดประจุล บขั้น ตามคุ ณลัก ษณะสมบัติของตัวเก็ บประจุ      ดังที่ ได้ กล่า วมาแล้ วทาให้ประจุล บ
เหนี่ยวนาขึ้นเป็นช่องทางเดินกระแส (Induce Channel) เชื่อมต่อระหว่ างเดรนกั บซอร์ส ทาให้ก ระแสเดรน
(ID) สามารถไหลข้า มช่องทางเดินกระแสไปสู่ ซอร์ สได้ และจะไหลได้ มากหรื อน้อยขึ้นอยู่ กับขนาดของ
แรงดันไบแอสที่เกตของอี มอสเฟต เพราะชนาดของแชนเนลขึ้นอยู่กั บขนาดของ VGG สัญลัก ษณ์ ของอี
มอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 4.11




                               รูปที่ 4.11 แสดงสัญ ลัก ษณ์ ของ E-MOSFET

          วี มอสเฟต (V-MOSFET) เป็นเอนฮานซ์เมนต์ มอสเฟต (E-MOSFET) ชนิดหนึ่งที่ออกแบบให้
สามารถทนค่า กระแสเดรนสูงๆ ได้ ใช้ในงานด้านอิเล็กทรอนิก ส์กาลัง เช่น ในวงจรชอปเปอร์ (Chopper)
และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) เป็นต้น โครงสร้ างของวี มอสเฟตแตกต่างจากอี มอสเฟต ตรงที่เกตของวี มอส
เฟต ทาให้เป็นรูปตั ววี (V) แทนที่ จะเป็นเพลทตรงเหมือนกับอีมอสเฟต ความแตกต่างนี้แสดงในรูปที่ 4.14
และรูปที่ 4.13




                        รูปที่ 4.14 แสดงการเปรี ยบเที ยบโครงสร้างของอี มอสเฟต
                          รูปที่ 4.13 แสดงการเปรี ยบเที ยบโครงสร้างของวี มอสเฟต

           สาเหตุที่วีมอสเฟตมีโครงสร้างที่ ส ามารถทนกระแสได้ มากกว่ า อี มอสเฟต เพราะว่ า เมื่ อ ช่ อ งทาง
เดินกระแสเป็นรูปตัววี จะมีทางที่กว้างกว่าและยาวกว่าช่องทางเดินกระแสของอี มอสเฟต ซึ่ ง สั้ น และแคลก
ว่า เป็นผลให้วีมอสเฟตมีอัตราการทนกระแสสู ง กว่ า มี Power Dissipation มากกว่ า และตอบสนองความถี่
สู ง ได้ ดีก ว่ า อี มอสเ ฟต จึ ง นิ ย มน าไปทาหน้ า ที่ เ ป็ น อุ ปกรณ์ ก ารสวิ ตซ์ (Switching Device) ในงานด้ า น
อิเล็กทรอนิกส์กาลัง (Power Electronics)

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Tags:
Stats:
views:12
posted:2/5/2013
language:
pages:8