ใบความรู้หน่วยที่ 14 มอสเฟต

บทท่ี 14 มอสเฟต14.1 บทนำ มอสเฟต (METAL OXIDE SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT TRANSISTOR ; MOSFET) หรือเฟตชนิดออกไซด์ขอบโลหะ จัดเป็นอุปกรณ์จำพวกกำลังคือ มีอัตรำทนต่อกำลังสูงแตกต่ำงจำกเจเฟตตรงท่ีข้ัวเกตจะมีฉนวนกน้ั ไมใ่ หส้ มั ผสั กบั สำรกึ่งตัวนำหลักโดยตรง แต่กำรทำงำนยงั คงใชห้ ลักกำรเหมอื นกับเจเฟต14.2 โครงสรำ้ งและสญั ลกั ษณ์ของมอสเฟต มอสเฟต ถูกแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ D – MOSFET และ E – MOSFET ซ่ึงในแต่ละชนิดยังถูกแบ่งออกเปน็ ชนิด N – Channel และ P – Channel 1) มอสเฟตแบบดีพลีชัน่ (Depletion type mosfet) ; D–MOSFET) โครงสร้ำงของดีมอสเฟต ประกอบด้วยขำหรือขั้วท่ีต่อใช้งำน 3 ขำ เช่นดียวกับเจเฟต คือขำเดรน ขำซอรส์ และขำเกต นอกจำกนี้ ดีมอสเฟตยังถูกแบง่ ออกไดเ้ ป็น 2 ชนิด คอื ชนิด N-Channel และ P-Channel ก) โครงสรำ้ งและสัญลกั ษณ์ ของ D-MOSFET แบบ N-Channel

ข) โครงสรำ้ งและสญั ลักษณข์ อง D-MOSFET แบบ P-Channel รปู ท่ี 14.1 โครงสรำ้ งและสญั ลกั ษณข์ อง D-MOSFET จำกรูปที่ 14.1 กเป็นโครงสร้ำงของ MOSFET แบบ N – จะมีสำรกึ่งตัวนำหลัก คือสำรชนดิ P ส่วนในรูปท่ี 14.1 ข) จะเป็นลักษณะโครงสร้ำงของ D–MOSFET แบบ P – Channel ซ่ึงจะมีสำรก่ึงตวั นำหลกั คอื สำรชนดิN (N − type substrate) Channel N หรือ P จะกว้ำงมำกหรือน้อยข้ึนอยู่กับกำรไบแอสที่เกตบริเวณ Channelจะมีฉนวนซิลิกอน ไดออกไซด์ (SiO2 ) ก้ันไว้ ไม่ให้สัมผัสกับขำเกตโดยตรงและที่ขำเกตจะมีแผ่นโลหะที่จะทำให้เกดิ สนำมไฟฟ้ำ เพอื่ ไปควบคมุ ช่องทำงควำมแคบหรือกวำ้ งของ Channel D – MOSFET แบบ N – Channel จะทำกำรเติมสำรเจือปนบน (Dope) สำรก่ึงตัวนำหลักชนิด P ให้กลำยเป็นสำรกึ่งตัวนำ N (N+) เพอื่ ให้เกดิ เปน็ ข้วั เดรน (D) กับ ขั้วซอร์ส (S) และถ้ำเป็นในส่วนของ D – MOSFETแบบ P – Channel ก็จะมีลักษณะตรงกันข้ำมคือ จะทำกำรเติมสำรเจือปนบนสำรก่ึงตัวนำหลักชนิด N ให้กลำยเป็นสำรกง่ึ ตัวนำ P (P+) เพ่อื ใหเ้ กิดเป็นข้วั เดรน (D) กับข้ัวซอร์ส (S) เช่นกนั

2) เอนฮำนซ์เมนต์ หรือ อีมอสเฟต (Enhancement type mosfet; E-MOSFET) จะแตกต่ำงกับดีมอสเฟต ตรงที่ไม่มี Channel แต่สำมำรถทำใหเ้ กดิ Channel ไดโ้ ดยวธิ กี ำรไบแอส ซึ่งจะกลำ่ วถงึ ต่อไป ก) โครงสรำ้ งและสัญลักษณ์ ของ E-MOSFET แบบ N-Channel ข) โครงสรำ้ งและสญั ลักษณ์ ของ E-MOSFET แบบ P-Channel รปู ท่ี 14.2 โครงสรำ้ งและสญั ลักษณข์ อง E-MOSFET

จำกรปู ท่ี 14.2 ก) เป็นโครงสร้ำงและสัญลักษณ์ของ E – MOSFET แบบ N – Channel จะเห็นได้ว่ำโครงสร้ำงบริเวณขั้วหรือขำเกต จะมีซิลิกอนไดออกไซด์ทำหน้ำที่เป็นฉนวนกั้นส่วนท่ีเป็นโลหะไม่ให้สัมผัสกับเน้ือสำรหลัก (P − type substrate) ซึ่งจะเห็นว่ำบริเวณเนื้อสำรหลักจะยังไม่มี Channel แต่จะเห็นมีขั้วเดรนกับข้ัวซอร์สอยทู่ ี่ส่วนหัวท้ำย ส่วนสัญลักษณ์จะมลี ักษณะเปน็ เสน้ ประและส่วนเสน้ ประท่อี ยู่กึ่งกลำงจะมีหัวลูกศรช้ีเข้ำหำตดิ อยู่ สำหรับในรูปท่ี14.2 ข) น้นั จะเป็นลักษณะโครงสรำ้ งและสัญลกั ษณ์ของ E – MOSFET แบบ P – Channelซึง่ ก็จะเหน็ ได้ว่ำโครงสร้ำงบริเวณขั้วหรอื ขำเกตจะมีซลิ ิกอนไดออกไซด์เปน็ ฉนวนกั้นส่วนท่ีเป็นโลหะไมใ่ หส้ ัมผัสกับเน้อื สำรหลัก (N − type substrate) เชน่ เดียวกันและจะเห็นวำ่ บริเวณเนือ้ สำรหลกั จะยงั ไมม่ ี Channel แตจ่ ะเห็นมีข้ัวเดรนกับขั้วซอร์สอยู่ที่ส่วนหัวท้ำย เช่นเดียวกับ E –MOSFET แบบ N – Channel ในส่วนสัญลักษณ์ก็จะมีลักษณะเป็นเส้นประและสว่ นเสน้ ประทอี่ ยู่ก่ึงกลำงจะมีหัวลกู ศรช้ีออกดำ้ นนอกติดอยู่14.3 กำรไบแอสและคุณลักษณะทำงไฟฟำ้ ของมอสเฟต 14.3.1 กำรไบแอส D-MOSFET ก) ไบแอส D-MOSFET แบบ N-Channel ข) กำรไบแอส D-MOSFET แบบ P-Channel รปู ท่ี 14.3 กำรไบแอส D-MOSFET

พจิ ำรณำกำรไบแอส D – MOSFET ในรูปท่ี 14.3 ก) ในกรณีทที่ ำกำรจ่ำยคำ่ แรงดนั VDD ทคี่ ำ่ ๆ หนง่ึ แล้วให้ VGS = 0 ขณะน้ีจะมีกระแสเดรน (ID) ไหลผ่ำนจำก D ไป S ได้ เน่ืองจำกข้ัว D และขั้ว S ต่ำงเป็นสำรชนิด Nทง้ั หมดจึงเสมอื นเป็นตวั ตำ้ นทำนตวั หนึ่งกระแสจึงไหลจำก D ไป S ได้ ถ้ำปรับเพิ่ม VGS ให้มีค่ำเป็นบวกมำกกว่ำศูนย์ N Channel จะขยำยกว้ำงมำกขึ้น ทั้งน้ีก็เนื่องจำกสนำมไฟฟ้ำบวกที่แผ่นโลหะมีจำนวนมำกข้ึน จึงส่งผลให้เกิดแรงดึงดูดกับอิเล็กตรอนท่ีกระจัดกระจำยอยู่ใน P −type substrate ให้เคล่ือนท่ีมำรวมตัวกันที่ Channel ดังน้ัน Channel จึงกว้ำงขึ้นทำให้กระแสไฟฟ้ำ ID ไหลได้สะดวกและมีปรมิ ำณเพิม่ มำกข้ึน ถ้ำปรับ VGS ให้เป็นลบเพิ่มมำกข้ึน N Channel จะแคบลงจนถึงขั้นไม่มี Channel เลย เนื่องจำกสนำมไฟฟ้ำลบท่ีแผ่นโลหะ มีอำนำจในกำรผลักดันกับอิเล็กตรอนตรงบริเวณ Channel ทำให้ Channel เกิดเป็นพื้นท่ีว่ำงหรือทิ้งโฮล (Hole) ไว้ Channel จึงแปรสภำพ เข้ำสู่ลักษณะของสำรชนิด P และไปขวำงทำงเดินของกระแส ID พจิ ำรณำกำรไบแอส D – MOSFET ในรูปท่ี 14.3 ข) ในกรณีทที่ ำกำรจ่ำยค่ำแรงดนั VDD ท่คี ่ำ ๆ หนง่ึ แลว้ให้ VGS = 0 ขณะน้ีจะมีกระแสเดรน (ID) ไหลผ่ำนจำก S ไป D ได้ เน่อื งจำกข้วั D, Channel และขั้ว S ตำ่ งเปน็ สำรชนดิ P ท้ังหมดจงึ เสมอื นเปน็ ตวั ตำ้ นทำนตัวหนึ่งกระแสจึงไหลจำก S ไป D ได้ ถ้ำปรับเพ่ิม VGS ให้มีค่ำเป็นลบมำกกว่ำศูนย์ P จะขยำยกวำ้ งมำกข้ึน ทัง้ นี้ก็เน่ืองมำจำก สนำมไฟฟ้ำลบท่ีแผ่นโลหะ (Metal) มีจำนวนมำกขึ้น จึงส่งผลให้เกิดแรงผลักดันกับอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจำยอยู่ใน N − typesubstrate ให้เคล่ือนทห่ี ำ่ งออกจำก Channel ดังน้ัน Channel P จึงกว้ำงขน้ึ ทำใหก้ ระแสไฟฟ้ำ ID ไหลได้สะดวกและมปี รมิ ำณเพิ่มมำกขึน้ ถ้ำปรับ VGS ให้เป็นบวกเพิ่มมำกขึ้น Channel P จะแคบลงจนถึงข้ันไม่มี Channel เลย เน่ืองจำกสนำมไฟฟ้ำบวกทีแ่ ผ่นโลหะ มีอำนำจในกำรดึงดูดกบั อิเล็กตรอนตรงบริเวณทำให้ Channel เกิดมีอิเล็กตรอนเป็นจำนวนมำก จงึ แปรสภำพเขำ้ สู่ลักษณะของสำรชนดิ N และไปขวำงทำงเดินของกระแส ID สรุปได้ว่ำ ดีมอสเฟต สำมำรถนำกระแสได้โดยกำรควบคุมกำรไบแอสที่ขำเกต และแรงดันที่ขำเกตท่ีทำให้เกิดกำรไหลของกระแส ID สำมำรถเป็นได้ท้ังแรงดันบวกและลบในส่วนของดีมอสเฟตแบบ P – Channel ก็จะมีลักษณะกำรทำงำนเช่นเดยี วกนั กบั แบบ N – Channel ตำ่ งกนั เพียงข้วั ของแหลง่ จำ่ ย VGS จะมีลักษณะตรงขำ้ มกนั

14.3.2 กำรไบแอส E-MOSFET ก) กำรไบแอส E-MOSFET แบบ N-Channel ข) กำรไบแอส E-MOSFET แบบ P-Channel รูปที่ 14.4 กำรไบแอส E-MOSFET กำรพจิ ำรณำกำรไบแอส E-MOSFET ในรูปที่ 14.4 ก) ถำ้ จำ่ ยแรงดันไฟฟ้ำ VDD ที่คำ่ ๆ หน่ึง แล้วให้ VGS =0 ขณะน้ี จะไม่มกี ระแส ID ไหลผ่ำนจำกขำ D ไปยงั S เนื่องจำกบริเวณ Channel ยังเปน็ สำรชนิด P อยู่ จงึ เสมอื นรอยตอ่ ได้รับไบแอสกลับ ถ้ำทำกำรปรับเพม่ิ ค่ำ VGS ให้มคี ่ำเป็นบวกมำกขึ้น จะเห็นว่ำสนำมไฟฟ้ำบวกทีแ่ ผ่นโลหะจะมีอำนำจดงึ ดูดอิเล็กตรอนที่กระจัดกระจำยอยู่ในสำรกึ่งตัวนำหลัก P ให้มำรวมตัวกันอยู่บริเวณติดกับฉนวนซิลิกอนไดออกไซด์(SiO2) กลำยเป็นสะพำนเช่ือมทำงเดินให้กับกระแส ID ไหลผ่ำนจำกขำ D ไปยัง S ได้ น่ันคือบริเวณติดกับฉนวนจะเกิด Channel N ขึ้น จำกกำรไบแอสที่เกตนั่นเอง แต่ถ้ำปรับ VGS ให้เป็นบวกมำกๆ ก็จะทำให้ Channel มีพ้ืนท่ีมำกขึ้น ID ก็จะมำกตำมไปด้วย แต่ถ้ำปรับ VGS ให้เป็นลบจะไม่เกิด Channel เลย เพรำะอิเล็กตรอน บริเวณที่ติดกบั ฉนวนจะยิ่งถูกผลักให้ห่ำงออกไป ดังน้นั จึงกล่ำวได้ว่ำ E-MOSFET แบบ N-Channel จะเกิดกำรไหลของ ID ได้ก็ต่อเมื่อทำกำรไบแอสเกตด้วยไฟบวก และในทำนองเดียวกันถ้ำพิจำรณำรูปท่ี 14.4 ข) E-MOSFET แบบ P-Channel จะมีหลักกำรเช่นเดียวกับ E-MOSFET แบบ N-Channel เพียงแต่ต้องไบแอสเกตด้วยแรงดันไฟลบ จึงจะทำให้เกิดกระแส ID ไหลผ่ำนวงจรได้ เพรำะอำนำจไฟฟ้ำลบจำกขั้วลบของแหล่งจ่ำย จะไปผลักดนั อิเล็กตรอนท่ี

อยู่ใกล้ข้ัวเกตให้ห่ำงออกไป ทำให้มีพ้ืนท่ีว่ำงมำกข้ึน ซึ่งเสมือนเป็นพ้ืนท่ีของ P จึงเกิดเป็น Channel P ขึ้นมำเชอื่ มต่อทำงเดนิ กระแส ID ให้สำมำรถไหลผ่ำนในวงจรได้ รปู ท่ี 14.5 กรำฟกำรนำกระแสของ D-MOSFET แบบ N-Channel และแบบ P-Channel จำกรูปที่ 14.5 ก) เมื่อเรำนำกำรไบแอส D-MOSFET แบบ N- มำทำกำรเขียนกรำฟจะเห็นได้ว่ำ จุดเร่ิมนำกระแสของ D-MOSFET แบบ N- Channel จะเริ่มต้นที่ค่ำแรงดัน VGS เป็นลบ แต่เมื่อทำกำรลดค่ำแรงดันเป็นลบของ VGS ให้น้อยลงและเพิ่มค่ำแรงดัน VGS ให้เป็นบวกมำกขึ้น กำรไหลกระแสเดรน (ID) ก็จะมีค่ำมำกขึ้นไปเรอื่ ยๆ จนถงึ จุดพิกดั ทมี่ ันทนได้ ดงั นั้น จึงกล่ำวไดว้ ำ่ D-MOSFET แบบ N-Channel สำมำรถนำกระแสไดต้ ้ังแตค่ ่ำแรงดนั VGS เป็นลบ ไปจนถึงคำ่ แรงดนั VGS เป็นบวก ส่วนในรูปที่ 14.5 ข) นั้น เม่ือนำกำรไบแอส D-MOSFET แบบ P-Channel มำทำกำรเขียนกรำฟก็จะเห็นว่ำ จุดเริ่มนำกระแสของ D-MOSFET แบบ P-Channel จะเริ่มต้นที่ค่ำแรงดัน VGS เป็นบวก แต่เม่ือทำกำรลดค่ำแรงดันเป็นบวกของ VGS ให้น้อยลงและเพิ่มค่ำแรงดัน VGS ให้เป็นลบมำกขึ้น กำรไหลกระแสเดรน (ID) ก็จะมีค่ำมำกข้ึนไปเร่ือยๆ จนถึงจุดพิกัดท่ีมันทนได้ท่ีค่ำหน่ึงเช่นเดียวกัน ดังน้ัน จึงกล่ำวได้ว่ำ D-MOSFET แบบ P-Channel สำมำรถนำกระแสได้ตงั้ แต่ค่ำแรงดัน VGS เปน็ บวก ไปจนถึงคำ่ แรงดนั VGS เปน็ ลบ หมำยเหตุ VP : Pinch off voltage ท่ที ำให้ ID = 0

รูปท่ี 14.6 กรำฟกำรนำกระแสของ E-MOSFET แบบ N-Channel และแบบ P-Channel จำกรูปที่ 14.6 ก) เม่ือนำกำรไบแอส E – MOSFET แบบ N – มำทำกำรเขียนกรำฟจะเห็นได้ว่ำจุดเริ่มนำกระแสของ E–MOSFET แบบ N– จะเร่ิมต้นท่ีค่ำแรงดัน VGS เป็นบวกเพียงอย่ำงเดียว และเมื่อทำกำรเพิ่มค่ำของแรงดัน VGS ให้เป็นบวกมำกข้ึน กำรไหลกระแสเดรน (ID) ก็จะมีค่ำมำกข้ึนไปเร่ือย ๆ จนถึงจุดพิกัดที่มันทนได้ดังนั้นเรำจึงอำจกล่ำวได้ว่ำ E – MOSFET แบบ N – Channel สำมำรถนำกระแสได้ที่ค่ำแรงดัน VGS เป็นบวกเทำ่ น้นั ต่อไปเมื่อทำกำรพิจำรณำรูปที่ 14.6 ข) เม่ือนำกำรไบแอส E – MOSFET แบบ P – Channel มำทำกำรเขียนกรำฟจะเห็นได้ว่ำจุดเร่ิมนำกระแสของ E–MOSFET แบบ P– จะเร่ิมต้นที่ค่ำแรงดัน VGS เป็นลบเพียงอย่ำงเดียว และเม่ือทำกำรเพิม่ ค่ำของแรงดัน VGS ให้เปน็ ลบมำกขนึ้ กำรไหลกระแสเดรน (ID) กจ็ ะมคี ่ำมำกข้นึ ไปเรื่อย ๆจนถึงจุดพิกัดท่ีมันทนได้ ดงั นั้นเรำจึงอำจกล่ำวได้วำ่ E – MOSFET แบบ P – Channel สำมำรถนำกระแสไดท้ ่ีค่ำแรงดนั VGS เป็นลบเทำ่ น้นั หมำยเหตุ VT : Threshold voltage คือค่ำแรงดันที่ทำให้ E – MOSFET เร่ิมนำกระแส โดยทั่วไปมีค่ำท่ีประมำณ + 3.6 V สำหรับ E – MOSFET แบบ N – Channel และ -3.6 V สำหรับ E – MOSFET แบบ P –Channel14.4 กำรตรวจสอบมอสเฟต กำรตรวจสอบหำขำตำ่ ง ๆ ของมอสเฟต (ทัง้ กรณที รำบตำแหนง่ ขำและไมท่ รำบตำแหน่ง) 1) ตงั้ มิเตอรท์ ่ีย่ำน R X 10 2) วัดควำมต้ำนทำนระว่ำง D กับ S โดยสลับขั้วของมิเตอร์ 2 คร้ัง จะได้ค่ำควำมต้ำนทำนเท่ำกันท้ัง 2คร้งั ดังรปู ท่ี 14.7

ก) กรณีวดั ควำมตำ้ นทำนระหว่ำง D กับ S ของ D-MOSFET และ E-MOSFET แบบ N-Channel ข) กรณีวัดควำมต้ำนทำนระหว่ำง D กับ S ของ D-MOSFET และ E-MOSFET แบบ P-Channel รูปที่ 14.7 กำรวัดขำ D กบั S ของเจเฟต N-Channel และ P-Channel 3) วัดหำขำ G โดยถำ้ ทำกำรวดั ควำมต้ำนทำนท่ี G กับ S และ G กับ D อย่ำงละ 2 ครง้ั โดยสลบั ข้วั ของมิเตอร์ จะไดค้ ่ำควำมต้ำนทำนสูงทุกครง้ั ละเทำ่ ๆ กัน ดังรปู ที่ 14.8 ก) กรณี N-Channel ขัว้ +อยู่ท่ีขำ G และข้วั – อยู่ท่ีขำ D กบั ขำ S จะได้คำ่ ควำมตำ้ นทำนสูง

ข) กรณี N – ขั้ว - อยู่ทีข่ ำ G และขว้ั + อยู่ที่ขำ D กบั ขำ S จะไดค้ ่ำควำมต้ำนทำนสงู ค) กรณี P– ขวั้ - อยทู่ ข่ี ำ G และข้วั + อยู่ที่ขำ D กับขำ S จะไดค้ ่ำควำมต้ำนทำนสงู ง) กรณี P– ขั้ว + อยู่ทข่ี ำ G และ ขว้ั - อยูท่ ข่ี ำ D กบั ขำ S จะไดค้ ่ำควำมตำ้ นทำน สูง รปู ที่ 14.8 กำรวัดหำขำ G ของ D-MOSFET และ E-MOSFET แบบ N-Channel และ P-Channel จำกกำรวัดหำตำแหน่งขั้วหรือขำต่ำง ๆ ของมอสเฟตทั้งชนิด D–MOSFET และ E–MOSFET ท่ีกล่ำวมำข้ำงต้น พอสรุปได้ว่ำ ข้ัวหรือขำคู่ใดก็ตำมที่ทำกำรวัดค่ำควำมต้ำนทำนและสำมำรถอ่ำนค่ำควำมต้ำนทำนได้ค่ำหนึ่ง เมื่อทำกำรสลับปลำยสำยวัดแล้วยังคงอ่ำนค่ำควำมต้ำนทำนได้เท่ำกันแสดงว่ำขั้วหรือขำคู่นั้นคือขำ D กับ Sส่วนข้วั หรือขำที่ทำกำรวัดเทยี บกบั ขำ D กบั S แลว้ อ่ำนไดค้ ่ำของควำมต้ำนทำนสูงตลอดนั้น คือขำ G นัน่ เอง หมำยเหตุ ขำ D กับ S อำจจำเป็นต้องทำกำรเปิดคู่มือเฟต เพ่ือดูว่ำมอสเฟตเบอร์ใดมีขำต่ำง ๆ อยู่ ณท่ี ตำแหน่งใดบ้ำง และเป็นชนิด D–MOSFET หรือ E–MOSFET เนื่องจำกว่ำขำ D กับ S จะวัดควำมต้ำนทำนได้เท่ำกัน 2 คร้ัง ดังนั้นมอสเฟตบำงเบอร์จะใช้ ขำ D กับ S สลับแทนกันได้ แต่สำหรับมอสเฟตบำงเบอร์จะไม่สำมำรถใช้แทนกันไดต้ ำมลกั ษณะโครงสรำ้ งของมอสเฟตเบอรน์ ้ันๆ