หน่วยเรียนที่ 8�เรื่อง ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า �(Field Effect Transistor)�
�หัวข้อเรื่อง �
�สาระสำคัญ�
ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (Field Effect Transistor) นิยมเรียกชื่อย่อๆว่า “เฟต” (FET) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำประเภทแอคทีฟ ใช้สนามไฟฟ้าควบการไหลของกระแส มีขาให้งาน 3 ขา คือ ขาเกต (G) ขาเดรน (D) และขาซอร์ส (S) ขาเกตเป็นขาที่ป้อนแรงดันเข้าทำให้เกิดสนามไฟฟ้าเพื่อใช้ควบคุมปริมาณการไหลของพาหะส่วนใหญ่ระหว่าง ขาเดรนกับขาซอร์ส ซึ่งเป็นสารกึ่งตัวนำชิ้นเดียวกัน พาหะส่วนใหญ่อาจเป็นกระแสโฮลหรือกระแสอิเล็กตรอน อย่างใดอย่างหนึ่ง เฟตมีหลายชนิด เช่น เจเฟต, มอสเฟต, ดีมอสเฟต ซึ่งโครงสร้างการทำงานและการจัดไบอัสจะแตกต่างกันออกไป
�จุดประสงค์ของหน่วยเรียน�
1. เพื่อศึกษาโครงสร้าง, สัญลักษณ์, การจัดไบอัส, ลักษณะสมบัติ ของ
เฟตชนิดต่างๆ
2. เขียนสัญลักษณ์ของเฟตชนิดต่างๆ ได้
3. บอกการจัดไบอัสให้เจเฟตได้ถูกต้อง
4. อธิบายการจัดไบอัสให้เจเฟตได้
5. อธิบายลักษณะสมบัติของเจเฟตได้
โครงสร้างทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อเจเฟต
เจเฟต (Junction Field Effect Transistor) เมื่อพิจารณาตามโครงสร้างดังรูปที่ 1 จะพบว่าเจเฟตมี 2 ชนิด คือ เจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล ดังรูปที่ 1 ก. และชนิดพีแชนแนล ดังรูปที่ 1 ข. เจเฟตนั้นมีขาต่อใช้งาน 3 ขา คือ ขาเดรน (D) ขาเกต (G) และขาซอร์ส (S) เจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล ชิ้นสารชนิดเอ็นจะเป็นขาเดรนและขาซอร์ส สำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิดพี ดังรูปที่ 1 ก. ส่วนเจเฟตชนิดพีแชนแนลนั้น ขาเดรนและขาซอร์สจะเป็นชิ้นสารชนิดพี สำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิดเอ็น ดังรูปที่ 1 ข.
โครงสร้างทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อเจเฟต
Source
Source
ก. ชนิดเอ็นแชลเนล ข. ชนิดพีแชลเนล
รูปที่ 1 แสดงโครงสร้างเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล และชนิดพีแชนแนล
การจัดไบอัสให้เจเฟต
เมื่อป้อนแรงดันไบอัสที่ขาเดรนและขาซอร์สโดยแหล่งจ่าย VDD ให้ขั้วบวกกับขาเดรน (D) และขั้วลบกับขาซอร์ส (S) ส่วนขาเกต (G) กับขาซอร์ส (S) จะให้ไบอัสกลับ (Reverse Biias) ซึ่งเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล ขาเกตเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type) ดังนั้นแรงดันไบอัสที่ขาเกต VGG ต้องให้ไฟลบกับขาเกตและไฟบวกกับขาซอร์ส ดังรูปที่ 2
การจัดไบอัสให้เจเฟต
รูปที่ 8.2 แสดงการไบอัสเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล
สัญลักษณ์ของเจเฟต
สัญลักษณ์ของเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนลนั้น หัวลูกศรที่ขาเกตจะชี้เข้า แต่ชนิดพีแชนแนล หัวลูกศรที่ขาเกตจะชี้ออก แสดงในรูปที่ 3
n-channel p-channel
รูปที่ 3 แสดงสัญลักษณ์ของเจเฟตชนิด N-Channel และ P-Channel
ลักษณะสมบัติของเจเฟต
ลักษณะสมบัติของเจเฟตให้พิจารณาในรูปที่ 4 เมื่อเจเฟตเป็น
N-Channel โดยให้ขา D มีศักย์สูงกว่าขา S และสำหรับเจเฟตชนิด
P-Channel ให้ขา D มีศักย์ต่ำกว่าขา S เมื่อขา G-S ให้ไบอัสกลับ ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นที่ช่อง (Channel) เป็นผลให้ความนำไฟฟ้าระหว่างขา D กับ S ลดลง กระแสเดรน ID ก็มีค่าลดลง ถ้าไบอัสกลับที่ขา G-S มากขึ้นจนกระทั่งกระแสเดรนเท่ากับศูนย์พอดีค่าแรงดันไบอัสกลับนี้เรียกว่า “Pinch Off Voltage” (VP) หรือ VGS(Off) และถ้าให้แรงดันที่ขา G-S ของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (VGS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่ากระแส IDSS ดังรูปที่ 4 และ 5
ลักษณะสมบัติของเจเฟต
รูปที่ 4 กราฟลักษณะสมบัติการโอนย้ายและลักษณะสมบัติด้านเดรน
ของเจเฟตชนิด N-Channel
ลักษณะสมบัติของเจเฟต
รูปที่ 5 กราฟลักษณะสมบัติการโอนย้ายและลักษณะสมบัติด้านเดรนของ
เจเฟตชนิด P-Channel
ลักษณะสมบัติของเจเฟต
เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)
มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่โครงสร้างภายในเจเฟตนั้น ระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี-เอ็น แต่มอสเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์ มอสเฟตมี
2 ชนิด คือ มอสเฟตดีพลีทชันและมอสเฟตชนิดเอนแฮนซ์เมนต์
มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน
โครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟตแสดงดังรูปที่ 6 ถ้าเป็นชนิดเอ็นแชนแนล ช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์ส จะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็น และมีวัสดุฐานรอง เป็นสารกึ่งตัวนำชนิดตรงข้าม ดังรูปที่ 6 ก. สำหรับดีมอสเฟต ชนิดพีแชนแนล จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิดพี และมีวัสดุรองเป็นสารชนิดเอ็น ดังรูปที่ 6 ข. และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแสโดยมีซิลิกอนไดออกไซด์ เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส
เนื่องจากดีมอสเฟตทำงานได้ในสองลักษณะคือ ดีพลีชั่นโหมด ด้วยการควบคุมกระแสเดรนด้วยแรงดันเกตที่เป็นลบและเอนแฮนซ์เมนต์โหมด โดยการใช้แรงดันเกตที่เป็นบวกควบคุมการไหลของกระแสเดรน
มอสเฟตชนิดดีพลีทชัน
รูปที่ 6 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟต
เอนฮานซ์เมนต์โหลด (Enhancement Mode)
คือ การไบอัสเกตของดีมอสเฟตด้วยแรงดันบวก ดังรูปที่ 7 ข. จะเห็นว่าเกตของดีมอสเฟต จะได้รับประจุบวกจากแหล่งจ่าย VGG ทำให้ในแชนแนลของดีมอสเฟตเป็นประจุลบ ทำให้ช่องทางเดินกระแสระหว่างแดรนกับซอร์สไม่มีประจุชนิดตรงกันข้ามกับแชนแนลคอยบีบแชนแนลให้แคบลงทำให้กระแสเดรนไหลได้น้อยลง เพราะประจุลบในแชนแนลมีค่าลดลงเป็นศูนย์
สัญลักษณ์ของดีมอสเฟตทั้งชนิดเอ็นแชนแนล และชนิดพีแชนแนล ดังรูปที่ 7
เอนฮานซ์เมนต์โหลด (Enhancement Mode)
ก. ข.
รูปที่ 7 แสดงสัญลักษณ์ของดีมอสเฟต N-Channel และ P-Channel
คุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟต
กราฟคุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟตชนิดเอ็นแชนแนลและ พีแชนแนล แสดงดังรูปที่ 7 ก. ,ข. ตามลำดับที่จุด VGS = 0 V ของกราฟจะได้ค่าของ ID = IDSS และเมื่อ ID = 0 V จะได้ค่า VGS (Off) จะเป็นว่ากรณี เอ็นแชนแนล, VGS (Off) = -VGS และกรณีพีแชนแนล , VGS (Off) = + VGS
ดังรูปที่ 8
คุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟต
ก. ข.
รูปที่ 8 แสดงกราฟคุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟตทั้งสองชนิด
การวัดและทดสอบเจเฟตด้วยโอห์มมิเตอร์
การตรวจสอบเจเฟตว่าดีหรือเสียด้วยใช้โอห์มมิเตอร์ กรณีที่รู้ตำแหน่งขาแล้วให้ตั้งตำแหน่งการวัดไปที่สเกล R x 10 เนื่องจากที่เกตและ ซอร์สและเกตกับเดรนเป็นรอยต่อพี-เอ็น เหมือนไดโอดดังนั้นถ้าวัดค่าความต้านทานที่เกตกับซอร์ส หรือเกตกับเดรนครั้งหนึ่งแล้วกลับขั้วมิเตอร์ วัดที่ตำแหน่งเดิมอีกครั้งจะได้ ค่าความต้านทานต่ำ หนึ่งค่ากับค่าความต้านทานสูงหนึ่งค่า ถ้าวัดระหว่างซอร์สกับเดรนแล้วกลับขั้ววัดใหม่ อีกครั้งจะได้ค่าความต้านทานเท่ากันทั้งสองครั้ง ถ้าวัดได้ตามนี้แสดงว่าเจเฟตยังใช้งานได้
การวัดและทดสอบเจเฟตด้วยโอห์มมิเตอร์
ในกรณีที่ไม่รู้ขาของเฟต และต้องการวัดหาขาของเจเฟตโดยไม่เปิดหนังสือคู่มือโดยวิธี การวัดขาเป็นคู่ๆ ( โดยใส่สเกล R x 10 เหมือนเดิม ) พร้อมทั้งกลับขั้วของมิเตอร์ ถ้าคู่ใดกลับขั้วแล้ววัดได้ค่าความต้านทานเท่ากัน 2 ครั้ง ขาคู่นั้นคือ ขาซอร์สกับเดรนโดยขาร่วมเป็นขาเกต ถ้าขาร่วมเป็นศักย์ไฟบวกจากมิเตอร์ แสดงว่าเป็นแบบเอ็นแชนเนล ถ้าขาร่วมเป็นศักย์ไฟลบจากมิเตอร์แสดงว่าเป็นแบบพีแชนเนล แต่ไม่สามารถที่จะแยกได้ว่าขาใดเป็นขาซอร์สและขาเดรน นอกจากจะเปิดดูจากหนังสือคู่มือหรือทดลองให้ไบอัส สำหรับขาซอร์สและเดรนนี้เจเฟตบางดตัวอาจใช้สลับกันได้ แต่บางเบอร์ก็มีโครงสร้างที่ไม่สามารถทำเช่นนี้ได้
จบแล้วครับ