ใบความรู้หน่วยที่ 13 เจเฟต

บทที่ 13 เจเฟต13.1 บทนำ ฟลิ ด์เอฟเฟกต์ทรานซิสเตอร์หรือเฟต (Field effect transistor ; FET) จัดเป็นอุปกรณ์ที่ทามาจากสารกึ่งตัวนาที่นามาใช้ขยายสัญญาณแทนทรานซิสเตอร์ โดยวิธีการใช้สนามไฟฟ้าไปควบคุมการไหลของกระแสแทนการใช้กระแสควบคุมกระแสอย่างทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ โดยทั่วไปแล้วเฟตถูกแบ่งเป็น 2 ชนิด คือ เจเฟต และ มอสเฟต สาหรบั หน่วยน้ีจะกลา่ วถึงเจเฟต13.2 โครงสรำ้ งและสัญลกั ษณ์ของเจเฟต เจเฟตถูกแบง่ ออกเป็น 2 ชนดิ คือ ชนดิ N – Channel และ P – Channel แต่ท้งั 2 ชนดิ จะมี 3 ขาเหมอื นกัน คอื ขาซอร์ส (Source ; S ) ขาเดรน (Drain ; D) และขาเกต (Gate ; G) รปู ที่ 13.1 โครงสร้างและสัญลักษณ์ของเจเฟต ชนดิ N-Channel รูปที่ 13.2 โครงสร้างและสัญลกั ษณข์ องเจเฟต ชนดิ P-Channel

จากรูปท่ี 13.1 และ 13.2 จะเห็นว่าลักษณะโครงสร้างของเจเฟตท้ังชนิด N -Channelและชนิด P -Channel จะมีลักษณะโครงสร้างคล้ายกัน โดยชนิด N - Channel ดังในรูปที่ 13.1 จะมีเน้ือสารหลักเป็นสารกึ่งตัวนาชนิด N แล้วทาการแพร่สารเจือปนบริเวณส่วนกลางให้เป็นสารกึง่ ตัวนาชนิด P และให้ล้อมรอบสารกึ่งตัวนาชนิด N ไว้ แต่จะเว้นช่องว่างไว้ไม่ให้สารก่ึงตัวนาชนิด P ต่อถึงกันท้ังหมด ส่วนสัญลักษณ์ที่ขาเดรน (D) จะมีลักษณะของหัวลกู ศรช้ีเข้าดา้ นใน ส่วนในรปู ท่ี 13.2 นนั้ จะเป็นเจเฟตชนิด P - Channel จะมเี นื้อสารหลักเป็นสารก่ึงตัวนาชนิด P แล้วทาการแพร่สารเจือปนบริเวณส่วนกลางให้เป็นสารก่ึงตัวนาชนิด N และให้ล้อมรอบสารก่ึงตวั นาชนดิ P ไว้เชน่ กัน และจะเว้นช่องว่างไว้ไม่ให้สารก่ึงตัวนาชนดิ N ต่อถงึ กนั ทั้งหมด ในสว่ นของสญั ลกั ษณ์ท่ขี าเดรน (D) จะมีลักษณะของหัวลกู ศรช้อี อกด้านนอก13.3 กำรไบแอสและคณุ ลักษณะทำงไฟฟำ้ ของเจเฟต รปู ท่ี 13.3 การไบแอสเจเฟตชนดิ N-Channel และ P-Channel ในการจัดไบแอสเจเฟตไม่ว่าจะเป็นชนิด N – Channel หรือ P – Channel มีข้อสังเกตว่าจะต้องไบแอสกลับให้กบั ขา G กบั S ซงึ่ ถ้าพิจารณารูปที่ 13.3 ก) เป็นการไบแอสเจเฟตชนดิ N – Channel สมมติว่า VGG เป็นศูนย์ แต่ VDD = 20 V จะมีกระแสเดรน (ID) ไหลจากขา D มาได้ เน่ืองจากว่าถ้าพิจารณาตามโครงสร้างแล้วขาหรือข้ัว D กับ S เป็นสารก่ึงตัวนาชนิด N แท่งเดียวกันจึงเสมือนว่าเป็นตัวต้านทานตัวหน่ึง แต่ถ้าเราต้องการควบคุมปริมาณการไหลของกระแสเดรนให้มากหรือน้อย ก็สามารถกระทาได้โดยการปรับค่าแรงดัน VGG เช่นถ้าปรับเพิม่ ค่าแรงดัน VGG จากศูนย์ให้เพ่ิมข้ึน ขา G จะมีสนามไฟฟ้าเป็นลบเพ่ิมมากข้ึน และสิง่ ท่ีเกิดข้นึ ตามมาก็คืออิเล็กตรอนส่วนหน่ึงท่ีมีอยู่ในสารชนิด P จะถูกผลักให้ห่างออกไป จึงเสมือนว่าเกิดพ้ืนที่ว่างหรือเกิดโฮล (Hole)ขยายวงกว้างออกไป จึงทาให้พ้ืนท่ีของสารชนิด P ขยายใหญ่ข้ึน ย่ิงถ้าเพิ่มค่า VGG ให้มากข้ึนขา G ก็จะยิ่งมีอานาจสนามไฟฟ้าลบมากขึ้น ผลักดันอิเล็กตรอนออกไปมากขน้ึ ช่องว่างทางเดินของกระแสเดรน ท่ีไหลจากขา Dมา S จะแคบลง ปริมาณกระแสเดรนก็จะน้อยลงจนไม่สามารถไหลจาก D มา S ได้ เนื่องจาก VGG ถูกปรบั เพิม่ จนขา G เป็นลบมากถึงข้ันทาให้เสมือนว่ามีสาร P ไปขวางทางเดินของกระแสเกิดการแบ่งสาร N ออกเป็น 2 ด้านดังรูปท่ี 13.4

รปู ที่ 13.4 การเพิ่มค่า VGG ทาให้เสมือนเกดิ สาร P ขวางทาง ID ต่อไปถ้าทาการสลบั ขวั้ VGG ให้ขั้วบวกไปอยดู่ ้าน G หรือทาให้ขา G เป็นบวก ถ้าเพิ่มค่าแรงดนั VGG เพอื่ ให้G มีสนามไฟฟ้าเป็นบวกมากขึ้น อานาจไฟฟ้าบวกจะไปดึงอิเล็กตรอนให้เข้ามาอยู่แทนที่สาร P ทาให้พื้นท่ีของ Pลดลงจนหมดไป ช่องทางเดินของกระแส ID จากขา D มาขา S จะกว้างข้ึน กระแส ID ก็จะสามารถไหลได้สะดวกและมคี า่ เพมิ่ มากขึ้นจนกระทั่งถึงจดุ อมิ่ ตวั ในท่ีสดุ พจิ ารณาไดด้ ังรูปที่ 13.5 รูปท่ี 13.5 การทาใหข้ า G เป็นบวกและเพ่มิ ค่าแรงดัน VGG ให้เป็นบวกมากขึ้น

จึงสรุปได้ว่าการควบคุมแรงดันท่ีขาเกต (VGS) จะควบคุมการไหลของกระแสเดรน (ID) และแรงดันท่ีเกตสามารถควบคุมได้ตั้งแต่ชว่ งแรงดนั เปน็ ลบไปจนถึงแรงดันเป็นบวก ในส่วนของเจเฟต ชนิด P – Channel ก็มกี ารทางานเชน่ เดียวกบั ชนดิ N – Channel เพยี งแตข่ ้วั การไบแอสจะกลับกนั เทา่ นน้ั เองตามวงจรในรูปท่ี 13.3 ข) พิจารณารูปท่ี 13.3 ข) เปน็ การไบแอสเจเฟตชนดิ P – Channel สมมติว่า VGG เปน็ ศูนย์ แต่ VDD = 20 Vจะมีกระแสเดรน (ID) ไหลจากขา D มาได้ ท้ังนกี้ เ็ นื่องจากวา่ ถา้ หากเราพิจารณาตามโครงสรา้ งแลว้ ขาหรอื ข้วั D กับS เป็นสารก่ึงตัวนาชนิด P แท่งเดียวกันจึงเสมือนว่าเป็นตัวต้านทานตัวหน่ึง แต่ถ้าเราต้องการควบคุมปริมาณการไหลของกระแสเดรนใหม้ ากหรอื น้อย กส็ ามารถกระทาไดโ้ ดยการปรับค่าแรงดนั VGG เชน่ ถ้าปรับเพิ่มค่าแรงดนั VGGจากศูนย์ให้เพิ่มขึน้ ขา G จะมีสนามไฟฟ้าเป็นบวกเพิ่มมากขึน้ และส่ิงท่เี กิดขึน้ ตามมาก็คือ อิเลก็ ตรอนส่วนหนึง่ ท่ีมีอยู่ในสารชนิด P จะถูกดึงดูดเข้ามา จึงเสมือนว่าเกิดพ้ืนท่ีของอิเล็กตรอนมากข้ึน จึงทาให้พ้ืนท่ีของสารชนิด Nขยายใหญ่ข้ึน ย่ิงถา้ เพ่ิมค่า VGG ให้มากขึน้ ขา G ก็จะย่ิงมีอานาจสนามไฟฟ้าบวกมากข้ึน และดึงดูดอิเล็กตรอนให้เข้ามารวมตัวกันมากขึ้น ชอ่ งว่างทางเดินของกระแสเดรน ท่ีไหลจากขา D มา S จะแคบลง ปริมาณกระแสเดรน ก็จะน้อยลงจนไม่สามารถไหลจาก D มา S ได้ เนื่องจาก VGG ถูกปรบั เพ่มิ จนขา G เปน็ บวกมากถึงข้นั ทาให้เสมือนว่ามสี าร N ไปขวางทางเดินของกระแสเกิดการแบง่ สาร P ออกเป็น 2 ด้าน ดังรปู ที่ 13.6 รปู ที่ 13.6 การเพ่มิ ค่า VGG ทาให้เสมอื นเกดิ สาร N ขวางทาง ID ตอ่ ไปถ้าทาการสลับขั้ว VGG ให้ข้ัวลบไปอยู่ด้าน G หรือทาให้ขา G เป็นบวก ถ้าเพิ่มค่าแรงดัน VGG เพ่ือให้G มสี นามไฟฟา้ เปน็ ลบเพิ่มมากขึ้น อานาจไฟฟ้าลบจะไปผลักอิเล็กตรอนให้ห่างจากขา G ทาให้พ้ืนท่ีของ N ลดลงจนหมดไป ช่องทางเดินของกระแส ID จากขา D มาขา S จะกว้างขึ้นกระแส ID ก็จะสามารถไหลได้สะดวกและมคี ่าเพม่ิ มากขึน้ จนกระท่ังถงึ จดุ อิ่มตวั ในท่ีสุด พจิ ารณาได้ดังรปู ที่ 13.7

รูปที่ 13.7 การทาให้ขา G เป็นลบและเพ่ิมคา่ แรงดัน VGG ใหเ้ ปน็ ลบมากขน้ึ จากคณุ ลักษณะของเจเฟตดังกลา่ วขา้ งตน้ เราสามารถนามาสรุปเป็นกราฟคุณลกั ษณะของเจเฟตได้ดังรูปท่ี 13.8 รูปที่ 13.8 กราฟคณุ ลักษณะของเจเฟตและเส้นสมการโหลด จากกราฟคุณลักษณะของเจเฟตในรูปที่ 13.8 จะเห็นได้ว่าถ้า VDD คงที่ท่ี 20 V แล้วปรับค่า VGG ระหว่างชว่ งแรงดันเป็นลบถึงแรงดันเป็นบวก โดยถ้าแรงดัน VGG ท่ี ทาให้ขา G มีค่าเป็นลบมาก แรงดันตกคร่อม VDS จะมีคา่ มาก แตก่ ระแส ID จะน้อยลงจนถึงขนั้ ไม่มีกระแส ID แต่ถ้าเพิ่ม VGG ที่ทาให้ขา G เป็นบวกมากข้นึ VDS จะลดลงแต่ ID จะเพม่ิ ข้นึ

ในส่วนของเส้นสมการโหลด หาได้จากกรณีท่ี ID = 0 แต่ VDS = VDD = 20 V ดังน้ันจะทาการพล็อตจุดแกนแรงดัน VDS ที่ 20 V คร้ันต่อมาถ้าเกิดการนากระแส ID เต็มที่เสมือนว่า VDS = 0 V แต่แรงดันตกคร่อมโหลด(RL) จะมีคา่ ประมาณเทา่ กบั VDD คอื 20 V VRL R2L0 V ID = = 1 k = 20 mAนาค่า ID = 20 mA ไปพล็อตบงบนแกน ID จากน้ันลากเส้นตรงจาก VDS = 20 V ไปหาแกน ID = 20 mAเส้นตรงทไี่ ดเ้ รียกว่าเสน้ สมการโหลดอย่างไรก็ตามในขณะที่ VGS = 0 ค่ากระแส ID ในขณะนี้ถูกเรียกว่า “กระแสอ่ิมตัวระหว่าง เดรน กับซอร์ส” (IDSS) เป็นค่ากระแสคงที่ค่าหนึ่ง และเมอ่ื ใดก็ตามท่ี ID = 0 ค่าแรงดัน VDS ท่ีทาให้ ID = 0 น้ี เรียกว่า “แรงดันพนิ ช์ออฟ” (Pinch off voltage; VP) ดงั นนั้ เราจงึ สามารถหาค่า ID ท่ี VGS คา่ ต่างๆ ได้จากสมการต่อไปน้ี คือ เมอื่ IDSS = กระแสทีค่ า่ หนึง่ ที่ VGS = 0 VGS = แรงดันระหว่างเกตกับซอรส์ ที่ตาแหนง่ ตา่ งๆ VP = แรงดันพินช์ออฟทีท่ าให้ ID = 0 ต่อไปถ้าเพิ่มค่าแรงดัน VDS จนกระท่ัง ID ไม่เพิ่มข้ึนอีกคือ ID อิ่มตัวหรือคงที่ เจเฟตจะทางานอยู่ในย่านอิ่มตวั คา่ แรงดนั VDS ขณะนี้คือ VDS(Sat) สามารถหาไดจ้ าก13.4 กำรตรวจสอบเจเฟต การตรวจสอบว่าเจเฟตดีหรือเสีย (กรณที ราบขาต่างๆ ของเจเฟต) 1) ต้งั มิเตอร์ที่ยา่ น R  10 2) วดั หาขา G โดยถ้าทาการวดั ความต้านทานที่ G กับ S และ G กับ D อย่างละ 2 ครัง้ โดยสลับขั้วของมิเตอร์ จะได้ค่าความตา้ นทานสงู ค่าหนึ่งและต่าอีกคา่ หน่ึงดงั รูป 13.9 ก) กรณี N-Channel ขัว้ + อยทู่ ี่ขา G และข้วั  อยทู่ ีข่ า D กบั ขา S จะได้ค่าความต้านทานตา่ข) กรณี P-Channel ข้ัว  อย่ทู ่ีขา G และขั้ว + อยู่ทข่ี า D กบั ขา S จะได้คา่ ความต้านทานต่า

ค) กรณี N-Channel ขัว้  อยู่ที่ขา G และขวั้ + อยทู่ ี่ขา D กบั ขา S จะได้ค่าความตา้ นทานสูง ง) กรณี P-Channel ขว้ั + อยทู่ ่ีขา G และขัว้  อยู่ท่ขี า D กับขา S จะได้คา่ ความต้านทานสงู รปู ที่ 13.9 การวัดหาขา G ของเจเฟต N-channel และ P-channel 3) วัดความต้านทานระหว่าง D กบั S โดยสลบั ขัว้ ของมเิ ตอร์ 2 ครั้ง จะไดค้ า่ ความตา้ นทานเท่ากนั ท้ัง 2ครัง้ ดังรปู ที่ 13.10 ก) กรณีวดั ความต้านทานระหวา่ ง D กับ S ของเจเฟต N-Channel

ข) กรณีวัดความตา้ นทานระหวา่ ง D กบั S ของเจเฟต P-Channel รูปที่ 13.10 การวัดขา D กับ S ของเจเฟต N-Channel และ P-channel การตรวจสอบเจเฟต (กรณีไม่ทราบขาต่างๆ) 1. ตั้งมเิ ตอรส์ เกล R  10 2. วัดหาขา D กับ S โดยสลับขั้วของมเิ ตอร์ 2 คร้ัง ขาของเจเฟตคู่ใดวัด 2 คร้ัง แล้วไดค้ วามต้านทานเท่ากันแสดงวา่ เป็นขา D กับ S ขาท่ีเหลือคือขา G ดงั รูปที่ 13.11