บทที่ 6 เฟต

บทที่ 6

เฟต

 6.1 ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET)

          ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าหรือเฟต (Field Effect Transistor : FET) เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดพิเศษมีรอยต่อเดียว (Unipolar Devices) ทำงานแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ชนิดสองรอยต่อ(BJTS) ตรงที่การควบคุมกระแสให้ไหลผ่านเฟต ควบคุมโดยป้อนแรงดันที่เกตของเฟต แรงดันเกตนี้จะทำหน้าที่ควบคุมปริมาณของสนามไฟฟ้าระหว่างรอยต่อให้เพิ่มขึ้นหรือลดลง เพื่อบังคับประมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านรอยต่อเฟตจึงได้ชื่อว่าทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า เฟตแบ่งออกตามลักษณะโครงสร้างใหญ่ๆ ได้ 4 ชนิดคือ JFET (Junction FET) และ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) ซึ่งจะได้ศึกษาโดยละเอียดต่อไป ข้อดีของเฟตที่เห็นได้ชัดเจนคือ ความต้านทานอินพุตมีค่าสูงมาก (เมกะโอห์ม)ทาให้สามารถใช้แรงดันเพียงเล็กน้อยควบคุมการทางานของเฟตได้



6.2 ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อ , เจเฟต

          เจเฟตเมื่อพิจารณาตามโครงสร้างดังแสดงในรูปที่ 6.1 จะพบว่าเฟตมี 4 ชนิดคือ เจเฟต n-แชนเนล (n-channel) ดังรูป(a) และ p-แชนเนล (p-channel) ดังรูป(b) เจเฟตนั้นมี 3 ขาคือ ขาเดรน (Drain,D) , ขาเกต (Gate , G) และขาซอร์ส (Source , S) เจเฟตชนิด n-channel ชิ้นสาร n จะต่อขาเดรนและขาซอร์สสาหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิด p ดังรูป (a) ส่วนเจเฟตชนิด p-channel นั้นขาเดรนของขาซอร์สจะเป็นชิ้นสารชนิด p แต่ขาเกตจะเป็นชนิด n

รูปที่ 6.1 โครงสร้างของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel

6.3 การทำงานของเจเฟต

          จะทำงานได้โดยป้อนแรงดันไบแอสที่เดรนและซอร์สโดยแหล่งจ่าย VDD ให้ขั้วบวกกับเดรนและขั้วลบกับซอร์ส สาหรับเกตของเจเฟตจะให้ไบแอสกลับ โดยเจเฟตชนิด n-channel จะมีเกตเป็น p ดังนั้นแรงดันไบแอสที่เกต VGG ต้องให้ขั้วลบกับเกตและขั้วบวกกับซอร์ส ดังรูปที่ 6.2

รูปที่ 6.2 แสดงการไบแอสเจเฟต n-channel

          การทำงานของเจเฟตนั้นเมื่อให้ไบแอสกลับที่เกต (VGS = VGG) ดังรูปที่ 6.3 (a) จะเกิดสนามไฟฟ้าที่รอยต่อพี-เอ็นจำนวนหนึ่งทำให้ช่องทางเดินของกระแสในสาร n(n-channel) ระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลง กระแสเดรน (ID) จะไหลจากเดรนไปสู่ซอร์สได้จานวนหนึ่ง ถ้าปรับค่าแรงดัน VGS ให้มีค่าไบแอสกลับมานี้ ผลคือสนามไฟฟ้าที่รอยต่อจะมีปริมาณมากขึ้นทำให้ช่องทางเดินกระแสแคบลง เป็นผลให้กระแสเดรน(ID) มีปริมาณลดลง ดังรูปที่ 6.3(b) แต่ถ้าปรับค่าแรงดัน V ให้มีค่าไบแอสน้อยลงจะทำให้ช่องทางเดินของกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สมีขนาดกว้างขึ้นทาให้กระแสเดรน (ID )ไหลได้มากขึ้น ดังรูปที่ 6.3(c) แสดงว่าสามารถควบคุมปริมาณกระแสเดรน( ID )ที่ไหลผ่านเจเฟตได้โดยการควบคุมแรงดันไบแอสกลับที่เกตของเจเฟต

รูปที่ 6.3 แสดงการใช้แรงดันไบแอสกลับที่เกต (VGS) ควบคุมการไหลของกระแสเดรน (ID)

          สัญลักษณ์ของเจเฟต (JFET Symbols) สัญลักษณ์ของเจเฟตชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 6.4 สังเกตได้ว่าชนิด n-channel นั้นหัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งเข้าแต่ชนิด p-channel หัวลูกศรที่ขาเกตจะพุ่งออก

รูปที่ 6.4 แสดงสัญลักษณ์ของเจเฟต

6.4 ลักษณะสมบัติและพารามิเตอร์ของเจเฟต

          เพื่อศึกษาลักษณะสมบัติของเจเฟต ให้พิจารณารูปที่ 6.5(a) เพื่อไบแอสเจเฟตโดยต่อขั้วบวกของ VDD เข้าที่เดรน และต่อแรงดันที่เกตของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (VGS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่ากระแส IDSS (Drain to Source Current with Gate Shorted) ดังรูปที่ 6.5 (b) ในย่านระหว่างจุด B และ C ของกราฟในรูป(b) นี้ ถ้าปรับค่าแรงดัน VDDเพื่อให้ VDS เปลี่ยนแปลงไป กระแส ID ที่ไหลผ่านเดรนของเจเฟตจะคงที่ เราจึงเรียกการทำงานในย่าน BC นี้ว่าย่านกระแสคงที่ (Constant Current Region)

 

รูปที่ 6.5 แสดงลักษณะสมลัติของเดรนของเจเฟตเมื่อ VGS = 0 V

6.5 การไบแอสเจเฟต

          การไบแอสตนเอง (Self-Bias) หมายถึงการไบแอสเกตของเจเฟตด้วยตัวต้านทาน RG ต่อลงจุดดิน นั้นคือ VG = 0 V ซึ่งปกติเจเฟตจะต้องได้รับไบแอสกลับที่เกต ในกรณีการไบแอสตนเองนี้ กระแส IGSS จะเป็นเพียงกระแสไหลซึ่งมีค่าน้อยมาก การไบแอสตนเองของเจเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 6.6 และ เมื่อ VG = 0 V จะทาให้แรงดันตกคร่อม RG = 0 V เช่นกัน

รูปที่ 6.6 แสดงวงจร Self Bias ของเจเฟตชนิด n และ p-channel

6.6 เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)

          มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่โครงสร้างภายในเจเฟตนั้น ระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส(channel) มีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี-เอ็น แต่มอสเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้น (Layer) ของซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) มอสเฟตมี 4 ชนิดคือ มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion,D) และมอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์ (Enhancement,E)
มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน (Depletion MOSFET , D-MOSFET) รูปที่ 6.7 คือโครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟต ถ้าเป็นชนิด n-channel ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ส จะเป็นสารกึ่งตัวนาชนิด n และมีวัสดุฐานรอง (Substrate) เป็นสารกึ่งตัวนาชนิดตรงข้าม (p) ดังรูปที่ 6.7 (a) สำหรับ D-MOSFET ชนิด p-channel จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิด p และมีวัสดุฐานรองเป็นสารชนิด n ดังรูปที่ 6.7(b) และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแส โดยมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส

รูปที่ 6.7 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของ D-MOSFET

          เนื่องจากดีมอสเฟตทำงานได้ในสองลักษณะคือ ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode) ด้วยการควบคุมกระแสเดรนด้วยแรงดันเกตที่เป็นลบ (Negative Gate Voltage) และ เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode) โดยการใช้แรงดันเกตที่เป็นบวก (Positive Gate Voltage) ควบคุมการไหลของกระแสเดรน
ดีพลีทชันโหมด (Depletion Mode)
ทำงานด้วยหลักการของคุณสมบัติตัวเก็บประจุเนื่องจากเกตของดีมอสเฟตเป็นโลหะและมีฉนวน (ซิลิคอนไดออกไซด์) กั้นกลางระหว่างเพลทของเกตกับแชนเนลของดีมอสเฟต ดังรูปที่ 6.8(a) เพื่อให้แรงดันเกตเป็นลบ (-VGG) จะเกิดประจุลบที่เกตและประจุบวกที่แชนเนลภายในตัว ดีมอสเฟตประจุบวกนี้จะทาให้ทางเดินของกระแสในแชนเนลระหว่างเดรนกับซอร์สแคบลงทาให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อย แต่ถ้าให้ VGG = 0 V กระแสเดรนจะไหลได้สูงสุด ดังนั้นจึงสามารถควบคุมกระแสเดรน (ID) ได้ด้วยค่าแรงดันที่เกตระหว่างค่าของ VGG เท่ากับ VGS(off) จนถึงศูนย์โวลต์

รูปที่ 6.8 แสดงการทางานของดีมอสเฟตชนิด n-channel

6.7 เอนฮานซ์เมนต์โหมด (Enhancement Mode)

          คือการไบแอสเกตของดีมอสเฟตด้วยแรงดันบวกดังแสดงในรูปที่ 6.8(b) จะเห็นว่าที่เกตของดีมอสเฟตจะได้รับประจุบวกจากแหล่งจ่าย VGG ทำให้ในแชนเนลของดีมอสเฟตเป็นประจุลบ ทำให้ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนกับซอร์สไม่มีประจุชนิดตรงข้ามกับแชนเนลคอยบีบแชนเนลให้แคบลง ทำให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้จำนวนมาก และถ้าให้ VGG = 0 V จะทำให้กระแสเดรน (ID) ไหลได้น้อยลงเพราะประจุลบในแชนเนลมีค่าลดลงเป็นศูนย์สัญลักษณ์ของดีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 6.9

รูปที่ 6.9 แสดงสัญลักษณ์ของดีมอสเฟต

6.8 เอนฮานซ์เมนต์มอสเฟต (Enhancement MOSFET , E-MOSFET)

           มอสเฟตชนิดเอนฮานซ์เมนต์นี้ทำงานได้ในลักษณะ ของเอนฮานซ์เมนต์ฌหมดเพียงลักษณะเดียวเท่านั้น ไม่สามารถทำงานในดีพลีทชันโหมดได้ โครงสร้างของอีมอสเฟตแตกต่างจากดีมอสเฟสตรงที่ช่องทางเดินกระแสของอีมอสเฟตจะถูกสร้างขึ้นโดยการไบแอสที่เกต ในสภาวะที่เกตไม่มีไบแอสจะไม่มีช่องทางเดินกระแสเชื่อมต่อระหว่างเดรนกับซอร์ส ดังแสดงในรูปที่ 6.10(a) เป็นอีมอสเฟตชนิด n-channel จะเห็นว่าส่วนเดรนและซอร์สเป็นสารกึ่งตัวนาชนิดเอ็น (n-type) แต่ไม่มีแชนเนลต่อถึงกัน มีสารชนิดพีเป็นวัสดุฐานรองและระหว่างเกตกับวัสดุฐานรองมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO4) เป็นฉนวนกั้นกลาง

รูปที่ 6.10 แสดงโครงสร้างและการทำงานของ E-MOSFET

          การทำงานของอีมอสเฟตทำงานในเอนฮานซ์เมนต์โหมด ดังนั้นจึงต้องไบแอสด้วยแรงดันบวกดังรูปที่ 6.10(b) จะเห็นว่าเมื่อเกตได้รับแรงดันบวกที่เพลทของเกตจะเกิดประจุบวก และวัสดุฐานรองของอีมอสเฟตจะเกิดประจุลบขั้นตามคุณลักษณะสมบัติของตัวเก็บประจุ ดังที่ได้กล่าวมาแล้วทำให้ประจุลบเหนี่ยวนาขึ้นเป็นช่องทางเดินกระแส (Induce Channel) เชื่อมต่อระหว่างเดรนกับซอร์ส ทำให้กระแสเดรน (ID) สามารถไหลข้ามช่องทางเดินกระแสไปสู่ซอร์สได้ และจะไหลได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับขนาดของแรงดันไบแอสที่เกตของอีมอสเฟต เพราะชนาดของแชนเนลขึ้นอยู่กับขนาดของ VGG สัญลักษณ์ ของอีมอสเฟตทั้งชนิด n-channel และชนิด p-channel แสดงในรูปที่ 6.11

รูปที่ 6.11 แสดงสัญลักษณ์ของ E-MOSFET

           มอสเฟต (V-MOSFET) เป็นเอนฮานซ์เมนต์มอสเฟต (E-MOSFET) ชนิดหนึ่งที่ออกแบบให้สามารถทนค่ากระแสเดรนสูงๆ ได้ ใช้ในงานด้านอิเล็กทรอนิกส์กาลัง เช่น ในวงจรชอปเปอร์ (Chopper) และอินเวอร์เตอร์ (Inverter) เป็นต้น โครงสร้างของวีมอสเฟตแตกต่างจากอีมอสเฟต ตรงที่เกตของวีมอสเฟต ทำให้เป็นรูปตัววี (V) แทนที่จะเป็นเพลทตรงเหมือนกับอีมอสเฟต ความแตกต่างนี้แสดงในรูปที่ 6.14 และรูปที่ 6.13

รูปที่ 6.14 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของอีมอสเฟต

รูปที่ 6.13 แสดงการเปรียบเทียบโครงสร้างของวีมอสเฟต

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