หน่วยที่ 4 เรื่องเฟต

เฟต : FETField Effect Transistor



ฟิ ลด์ เอฟเฟ็ ค ทรานซิสเตอร์ : Field Effect Transistor คือ อุปกรณ์สารกงึ่ ตวั นําชนิดข้วั เดยี ว (Unipolar) มลี กั ษณะโครงสร้างและหลกั การทาํ งาน แตกต่าง จากทรานซิสเตอร์ เพราะทรานซิสเตอร์ เป็ นอุปกรณ์ สารกง่ึ ตวั นําชนิดสองข้วั (Bipolar) การทาํ งานของทรานซิสเตอร์ ต้องอาศัยกระแส ควบคุมการทาํ งาน ท้งั กระแสอเิ ลก็ ตรอนและกระแส โฮล ส่วน การทํางานของเฟต ต้องใช้แรงดนั ในการ ควบคุม

คุณสมบตั เิ ด่นของเฟต ทดี่ กี ว่าทรานซิสเตอร์1. เฟตสามารถต่อขยายสัญญาณแบบหลายภาคได้ดี2. เฟตสามารถทาํ งานท่อี ุณหภูมสิ ูงได้ดกี ว่า ทรานซิสเตอร์3. เฟตสามารถสร้างให้มขี นาดเลก็ ลงได้มากกว่า ทรานซิสเตอร์4. เฟตไม่มผี ลต่อแรงดนั ต้านภายใน เม่ือนําไปใช้ เป็ นสวทิ ซ์5. ขบวนการผลติ เฟต เหมือนกบั การผลติ ไอซี

6. อุณหภูมมิ ผี ลต่อการทาํ งานของเฟตน้อยกว่า ทรานซิสเตอร์มาก7. เฟตมสี ัญญาณรบกวนตา่ํ กว่าทรานซิสเตอร์ จงึ เหมาะกบั การใช้งานในภาคขยายสัญญาณ อตั ราตาํ่8. อมิ พแี ดนซ์ทางอนิ พทุ ของเฟตสูงมาก9. เฟตสามารถสร้างให้มคี วามไวในการใช้งาน ได้ดกี ว่าทรานซิสเตอร์

ประเภทและชนิดของเฟตเฟต สามารถแบ่งออกได้ 2 ประเภท คือ1. เจเฟต : จงั ชั่น ฟิ ลด์ เอฟเฟ็ ค ทรานซิสเตอร์ (J-FET) : (Junction Field Effect Transister)2. มอสเฟต : มทิ อล ออกไซด์ เซมคิ อนดคั เตอร์ ฟิ ลด์ เอฟเฟ็ ค ทรานซิสเตอร์ (MOSFET) : (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister)

เจเฟต สามารถแบ่งออกได้ 2 ชนิด คือ1. J-FET ชนิด N-Channel2. J-FET ชนิด P-Channel

มอสเฟต สามารถแบ่งออกได้ 3 แบบ 1. ดพี ลชี ั่นมอสเฟต (Depletion MOSFET) 1.1 D-MOSFET ชนิด N-Channel 1.2 D-MOSFET ชนิด P-Channel 2. เอนฮาร์นเมนต์มอสเฟต (Enhancement MOSFET) 2.1 En-MOSFET ชนิด N-Channel 2.2 En-MOSFET ชนิด P-Channel 3. เวอร์ตคิ อลมอสเฟต (Vertical MOSFET) 3.1 VMOS ชนิด N-Channel 3.2 VMOS ชนิด P-Channel

เจเฟต ชนิดเอน็ แชนแนล (J-FET ชนิด N-Channel) D DG PN P G S S โครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้าง ประกอบด้วยสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ เป็ นสารกง่ึ ตวั นําตอนใหญ่ต่อขาใช้งาน 2 ขา คือขาเดรน (Drain : D) กบั ขาซอส (Source : S) และมสี ารกงึ่ ตวั นําชนิดพี ตอนเลก็ สองตอนประกบด้านข้างใช้การต่อเช่ือมกนั แบบแพร่กระจาย ต่อขาใช้งาน 1 ขา คือขาเกต(Gate : G)

การทาํ งานของเจเฟตชนิดเอน็ แชนแนล + VDD - D ID IG G PN P VGG - +S การจ่ายไบอสั ต้องไบอสั ตรงกบั ขา S และต้องจ่ายไบอสั กลบัให้กบั ขา D กบั ขา G เทยี บกบั ขา S

เม่ือไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะมีกระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S สูงมากค่าหน่ึงและคงที่ตลอดเวลา (เจเฟตทาํ งาน) เม่ือจ่ายแรงดนั VGG ซ่ึงเป็ นแรงดนั ลบให้กบั ขา G เทยี บกบั ขา S เป็ นการจ่ายไบอสั กลบั ให้รอยต่อขา G กบั ขา S ทําให้เกดิ ดพี ลชี ่ันรีจิน หรือช่วงว่างของรอยต่อ ขดั ขวางการไหลของกระแส ID เพื่อให้กระแสไหลได้น้อยลง ยงิ่ จ่ายไบอสั ให้กบั ขา G มากขนึ้ จะทาํ ให้เกดิ ดพี ลชี ่ันรีจินกว้างขนึ้ ส่งผลให้กระแส ID ไหลได้ยงิ่ น้อยลง ค่าความต้านทานระหว่างขา D กบั ขา S มคี ่ามากขนึ้

เจเฟต ชนิดพแี ชนแนล (J-FET ชนิด P-Channel) DDG NP N G S S โครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้าง ประกอบด้วย สารกงึ่ ตวั นําชนิดพี เป็ นสารกงึ่ ตวั นําตอนใหญต่อขาใช้งาน 2 ขา คือขาเดรน (Drain : D) กบั ขาซอส (Source : S) และมสี ารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ ตอนเลก็ สองตอนประกบด้านข้างใช้การต่อเชื่อมกนั แบบแพร่กระจาย ต่อขาใช้งาน 1 ขา คือขาเกต (Gate : G)

การทาํ งานของเจเฟตชนิดพแี ชนแนล D ID IG NP N - VDD +VGG + G - S การจ่ายไบอสั ต้องไบอสั ตรงกบั ขา S และต้องจ่ายไบอสั กลบัให้กบั ขา D กบั ขา G เทียบกบั ขา S

เม่ือไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะมีกระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S สูงมากค่าหน่ึงและคงท่ีตลอดเวลา (เจเฟตทํางาน) เมื่อจ่ายแรงดนั VGG ซึ่งเป็ นแรงดนั บวกให้กบั ขา G เทียบกบั ขา S เป็ นการจ่ายไบอสั กลบั ให้รอยต่อขา G กบั ขา S ทําให้เกดิ ดพี ลชี ่ันรีจนิ หรือช่วงว่างของรอยต่อ ขดั ขวางการไหลของกระแส ID เพ่ือให้กระแสไหลได้น้อยลง ยง่ิ จ่ายไบอสั ให้กบั ขา G มากขนึ้ จะทาํ ให้เกดิ ดพี ลชี ั่นรีจนิกว้างขนึ้ ส่งผลให้กระแส ID ไหลได้ยงิ่ น้อยลง ค่าความต้านทานระหว่างขา D กบั ขา S มคี ่ามากขนึ้

ดพี ลชี ั่นมอสเฟตชนิดเอน็ แชนแนล D SGD SN ------ N SiO2 P Gโครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้างทีข่ า D กบั ขา S เป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ ถูกสร้างบนฐานรอง Substrate (SS) ซ่ึงเป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดพี โดย ส่วนของขา D กบั ขา S ถูกต่อถงึ กนั ด้วยฐานรองทเี่ ป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดเดยี วกบั สารกง่ึ ตวั นําทขี่ า D กบั ขา S ส่วนขา G ซ่ึงเป็ นแผ่นโลหะถูกแยกออก โดยมฉี นวนซิลิกอนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide) หรือ SiO2 ข้นั กลาง เป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ เช่นเดยี วกบั ฐานรอง SS การทาํ งานของดพี ลชี ่ันมอสเฟตชนิดเอน็ แชนแนล การไบอสั จะต้องจ่ายไบอสั ตรงทข่ี า S และจ่ายไบอสั กลบัท่ขี า D และขา G เทยี บกบั ขา S

VDD -+ IDS VGG G D+N -- ++ N SiO2 P

เมื่อไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะมีกระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S สูงมากค่าหน่ึงและคงที่ตลอดเวลา (มอสเฟตทาํ งาน) เมื่อจ่ายแรงดนั VGG ซึ่งเป็ นแรงดนั ลบให้กบั ขา G เทยี บกบัขา S เป็ นการจ่ายไบอสั กลบั ให้รอยต่อขา G กบั ขา S ศักย์ลบที่ขา G จะผลกั อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระระหว่างรอยต่อ D และ S ให้เคลื่อนทอี่ อกไปและดงึ โฮลเข้าไปแทนท่ี ทาํ ให้สารกง่ึ ตวั นําระหว่างรอยต่อD และ S เปลย่ี นสภาพจากสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ เป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดพี ต้านการไหลของกระแส ID เพ่ือให้กระแสไหลได้น้อยลง

ยงิ่ จ่ายไบอสั ให้กบั ขา G มากขนึ้ จะทาํ ให้ ศักย์ลบทีข่ า Gจะผลกั อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระระหว่างรอยต่อ D และ S ให้เคล่ือนท่ีออกไปมากขนึ้ ดงึ โฮลเข้าไปแทนทมี่ ากขนึ้ สภาพระหว่างรอยต่อD และ S เปลยี่ นสภาพเป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดพมี ากขนึ้ ต้านการไหลของกระแส ID ส่งผลให้กระแส ID ไหลได้ยงิ่ น้อยลง

ดพี ลชี ่ันมอสเฟตชนิดพแี ชนแนล SGDP + + + P SiO2 D N G Sโครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้างทีข่ า D กบั ขา S เป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดพี ถูกสร้าบนฐานรอง Substrate (SS) ซึ่งเป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ โดยส่วนของขา D กบั ขา S ต่อถงึ กนั ด้วยฐานรองทเ่ี ป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดเดยี วกบั สารกงึ่ ตวั นําทขี่ า D กบั ขา S ส่วนขา G ซ่ึงเป็ นแผ่นโลหะถูกแยกออก โดยมฉี นวนซิลกิ อนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide) หรือ SiO2 ข้ันกลาง เป็ นสารกงึ่ ตวันําชนิดพเี ช่นเดยี วกบั ฐานรอง SSการทํางานของดพี ลชี ่ันมอสเฟตชนิดพแี ชนแนล การไบอสั จะต้องจ่ายไบอสั ตรงทข่ี า S และจ่ายไบอสั กลบั ทีขา D และขา G เทียบกบั ขา S

VDDS VGG G DID+P + + -- P SiO2 N

เม่ือไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะกระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S สูงมากค่าหนึ่งและคงที่ตลอดเวลา (มอสเฟตทาํ งาน) เมื่อจ่ายแรงดนั VGG ซ่ึงเป็ นแรงดนั บวกให้กบั ขา G เทยีกบั ขา S เป็ นการจ่ายไบอสั กลบั ให้รอยต่อขา G กบั ขา S ศักย์บวกทขี่ า G จะผลกั โฮลระหว่างรอยต่อ D และ S ให้เคลื่อนทอี่ อกไปและดงึ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระเข้าไปแทนท่ี ทาํ ให้สารกง่ึตวั นําระหว่างรอยต่อ D และ S เปลย่ี นสภาพจากสารกง่ึ ตวั นําชนิดพเี ป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ ต้านการไหลของกระแส ID เพื่อให้กระแสไหลได้น้อยลง

ยง่ิ จ่ายไบอสั ให้กบั ขา G มากขนึ้ จะทาํ ให้ศักย์บวกทขี่ า Gจะผลกั โฮลระหว่างรอยต่อ D และ S ให้เคลื่อนทอ่ี อกไปมากขนึ้ดงึ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ เข้าไปแทนทมี่ ากขนึ้ สภาพระหว่างรอยต่อ Dและ S เปลย่ี นสภาพเป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ มากขนึ้ ต้านการไหลของ กระแส ID ส่งผลให้กระแส ID ไหลได้ยง่ิ น้อยลง

เอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตชนิดเอน็ แชนแนล SGD DNPN SiO2 G Sโครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้างทข่ี า D กบั ขา S เป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ ถูสร้างบนฐานรอง Substrate (SS) ซึ่งเป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดพี โดยส่วนของขา D กบั ขา S ถูกแยกออกจากกนั ด้วยฐาน SS ส่วนขา G ซึ่งเป็ นแผ่นโลหะถูกแยกออก โดยมฉี นวนซิลกิ อนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide) หรือ SiO2 ข้นั กลาง เป็ นสารกงึ่ตวั นําชนิดเอน็ เช่นเดยี วกบั ฐานรอง SSการทํางานของเอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตชนิดเอน็ แชนแนล การไบอสั จะต้องจ่ายไบอสั ตรงที่ขา G กบั ขา S และจ่ายไบอสั กลบั ทข่ี า D

VDD -+ IDS VGG G D -+ ++++ SiO2 N + + -- N P

เม่ือไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะไม่กระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S เพราะขา D กบั ขา Sถูกข้นั ด้วยฐานรอง SS ทเี่ ป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดตรงข้ามกนั เกดิความต้านทานสูง (เอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตไม่ทาํ งาน) เม่ือจ่ายแรงดนั VGG ซึ่งเป็ นแรงดนั บวกให้กบั ขา G เทยีกบั ขา S เป็ นการจ่ายไบอสั ตรงให้กบั ขา G กบั ขา S ศักย์บวกที่ขา G จะผลกั โฮลระหว่างรอยต่อ D และ S ให้เคลื่อนทอี่ อกไปและดงึ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระเข้าไปแทนที่ ทาํ ให้สารกงึ่ตวั นําระหว่างรอยต่อ D และ S เปลยี่ นสภาพจากสารกงึ่ ตวั นําชนิดพเี ป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ ส่งผลให้รอยต่อทข่ี า D กบั ขา Sต่อถงึ กนั เกดิ กระแส ID ไหลในวงจร

ถ้าจ่ายไบอสั ตรงทีข่ า G กบั ขา S มาก กระแสจะไหลได้มาก ถ้าจ่ายไบอสั ตรงทข่ี า G กบั ขา S น้อย ศักย์บวกท่ขี า Gจะผลกั โฮลระหว่างรอยต่อ D และ S น้อย ดงึ อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระเข้าไปแทนทนี่ ้อย ทําให้สารกงึ่ ตวั นําระหว่างรอยต่อ D และ Sเปลยี่ นสภาพจากสารกง่ึ ตวั นําชนิดพเี ป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ น้อยเกดิ กระแสไหลได้น้อย

เอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตชนิดพแี ชนแนล D SGDPNP SiO2 G Sโครงสร้าง สัญลกั ษณ์

โครงสร้างทข่ี า D กบั ขา S เป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ พถูกสร้างบนฐานรอง Substrate (SS) ซ่ึงเป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็โดยส่วนของขา D กบั ขา S ถูกแยกออกจากกนั ด้วยฐาน SS ส่วนขา G ซึ่งเป็ นแผ่นโลหะถูกแยกออก โดยมฉี นวนซิลิกอนไดออกไซด์ (Silicon Dioxide) หรือ SiO2 ข้นั กลาง เป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดพเี ช่นเดยี วกบั ฐานรอง SSการทํางานของเอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตชนิดพแี ชนแนล การไบอสั จะต้องจ่ายไบอสั ตรงท่ขี า G กบั ขา S และจ่ายไบอสั กลบั ทข่ี า D

VDD-+ IDS VGG G D ----- SiO2P - -+ + P N

เม่ือไบอสั เฉพาะขา D กบั ขา S ด้วยแรงดนั VDD จะไม่มีกระแส ID ไหลผ่านระหว่างขา D กบั S เพราะขา D กบั ขา Sถูกข้นั ด้วยฐานรอง SS ทเ่ี ป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดตรงข้ามกนั เกดิความต้านทานสูง (เอนฮาร์นเมนต์มอสเฟตไม่ทาํ งาน) เม่ือจ่ายแรงดนั VGG ซึ่งเป็ นแรงดนั ลบให้กบั ขา G เทยี บกบัขา S เป็ นการจ่ายไบอสั ตรงให้กบั ขา G กบั ขา S ศักย์ลบทขี่ า G จะผลกั อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ ระหว่างรอยต่อ Dและ S ให้เคลื่อนทอี่ อกไปและดงึ โฮลเข้าไปแทนที่ ทาํ ให้สารกงึ่ ตวันําระหว่างรอยต่อ D และ S เปลยี่ นสภาพจากสารกง่ึ ตวั นําชนิดเอน็ เป็ นสารกง่ึ ตวั นําชนิดพี ส่งผลให้รอยต่อทขี่ า D กบั ขา S ต่อถงึ กนั เกดิ กระแส ID ไหลในวงจร

ถ้าจ่ายไบอสั ตรงที่ขา G กบั ขา S มาก กระแสจะไหลได้มาก ถ้าจ่ายไบอสั ตรงท่ีขา G กบั ขา S น้อย ศักย์ลบท่ขี า Gจะผลกั อเิ ลก็ ตรอนอสิ ระ ระหว่างรอยต่อ D และ S น้อย ดงึโฮลเข้าไปแทนทีน่ ้อย ทาํ ให้สารกงึ่ ตวั นําระหว่างรอยต่อ D และS เปลย่ี นสภาพจากสารกงึ่ ตวั นําชนิดเอน็ เป็ นสารกงึ่ ตวั นําชนิดพนี ้อย เกดิ กระแสไหลได้น้อย

การวดั และตรวจสอบมอสเฟต P N G

1. ต้งั มเิ ตอร์ที่ R x 10k ใช้สายบวกแตะท่ีขาเกต (G) และลบท่ีขาซอส (S) ค่าทอี่ ่านได้จะมคี ่าเท่ากบั อนิ ฟิ นิตี้ () (เขม็ ไม่ขนึ้ )2. ปรับมเิ ตอร์ไปที่ R x 1 นําสายบวกแตะท่ีขาเดรน (D) และสายลบแตะทข่ี าซอส (S)เขม็ มเิ ตอร์จะบ่ายเบนไปทางขวาเกือบเตม็ สเกลเมื่ออ่านค่าความต้านทานจะได้ค่าความต้านทานน้อยมาก

AK P

3. เม่ือทาํ ตามข้อท่ี 2 แล้ว ให้ทาํ การช็อท ระหว่างขาเกต (G) กบั ขาซอส (S) เขม็ ของมเิ ตอร์จะตกลงมาทอี่ นิ ฟิ นิตี้ ()4. จากการวดั ท้งั 3 ข้อ แสดงว่ามอสเฟต อยู่ในสภาพใช้งานได้