ماسفت یا ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌رسانا-اکسید-فلز (به انگلیسی: metal–oxide–semiconductor field-effect transistor ٫ MOSFET) معروف‌ترین ترانزیستور اثر میدان در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است. این گونه از ترانزیستور اثر میدان نخستین بار در سال ۱۹۲۵ میلادی معرفی شد. در آن هنگام، ساخت و به کارگیری این ترانزیستورها، به سبب نبود علم و ابزار و امکان، با دشواری همراه بود و از همین روی، برای پنج دهه فراموش شدند و از میدانِ پیشرفت‌های الکترونیک بر کنار ماندند. در آغازِ دههٔ ۷۰، بارِ دیگر نگاه‌ها به MOSFETها افتاد و برای ساختنِ مدارهای مجتمع به کار گرفته شدند.

در ترانزیستور اثرِ میدان (FET) چنان‌که از نام اش پیداست، پایهٔ کنترلی، جریانی مصرف نمی‌کند و تنها با اعمال ولتاژ و ایجاد میدان درون نیمه رسانا، جریان عبوری از FET کنترل می‌شود. از همین روی ورودی این مدار هیچ اثر بارگذاری بر روی طبقات تقویت قبلی نمی‌گذارد و امپدانس بسیار بالایی دارد. عمده تفاوت ماسفت با ترانزیستور JFET در این است که گیت ترانزیستورهای ماسفت توسط لایه‌ای از اکسید سیلیسیم (SiO₂) از کانال مجزا شده است. به این دلیل به ماسفتها فِت با گیت مجزا (به انگلیسی: IGFET, Insulated Gate FET) نیز گفته می‌شود.

مدارهای مجتمع بر پایهٔ فناوری ترانزیستورهای اثرِ میدانِ MOS را می‌توان بسیار ریزتر و ساده‌تر از مدارهای مجتمع بر پایهٔ ترانزیستورهای دوقطبی ساخت، بی آن که (حتی در مدارها و تابع‌های پیچیده و مقیاس‌های بزرگ) نیازی به مقاومت، دیود یا دیگر قطعه‌های الکترونیکی داشته باشند. همین ویژگی، تولیدِ انبوهِ آن‌ها را آسان می‌کند، چندان که هم اکنون بیش‌تر از ۸۵ درصدِ مدارهای مجتمع، بر پایهٔ فناوریِ MOS طراحی و ساخته می‌شوند.

ترانزیستورهای MOS، بسته به کانالی که در آن‌ها شکل می‌گیرد، NMOS یا PMOS نامیده می‌شوند. در آغازِ کار، PMOS ترانزیستورِ پرکاربردتر در فناوری MOS بود. اما از آن جا که ساختنِ NMOS آسان‌تر است و مساحتِ کم‌تری هم می‌گیرد، از PMOS پیشی گرفت. بر خلافِ ترانزیستورهای دوقطبی، در ترانزیستورهای MOSFET، جریان، نتیجهٔ شارشِ تنها یک حامل (الکترون یا حفره) در میانِ پیوندها است و از این رو، این ترانزیستورها را تک‌قطبی هم می‌نامند.

ساختار و کارکرد ماسفت افزایشی

فت دارای سه‌پایه با نام‌های درین D، سورس S و گیت G است که پایه گیت، جریان عبوری از درین به سورس را کنترل می‌کند. فت‌ها دارای دو نوع N کانال و P کانال هستند. در فت نوع N کانال زمانی که گیت نسبت به سورس مثبت باشد جریان از درین به سورس عبور می‌کند. FETها معمولاً بسیار حساس بوده و حتی با الکتریسیته ساکن بدن نیز تحریک می‌گردند. به همین دلیل نسبت به نویز بسیار حساس هستند. نوع دیگر ترانزیستورهای اثر میدانی MOSFETها هستند (ترانزیستور اثرمیدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز) یکی از اساسی‌ترین مزیت‌های ماسفت‌ها نویز کمتر آن‌ها در مدار است.

فت‌ها در ساخت فرستنده باند اف ام رادیو نیز کاربرد فراوانی دارند. برای تست کردن فت کانال N با مالتی متر، نخست پایه گیت را پیدا می‌کنیم. یعنی پایه‌ای که نسبت به دوپایه دیگر در یک جهت مقداری رسانایی دارد و در جهت دیگر مقاومت آن بی‌نهایت است. معمولاً مقاومت بین پایه درین و گیت از مقاومت پایه درین و سورس بیشتر است که از این طریق می‌توان پایهٔ درین را از سورس تشخیص داد.

ماسفت کاهشی

ساختار این گونهٔ ترانزیستورِ MOS، همانند ساختار ترانزیستورهای افزایشی است، تنها با این تفاوت که هنگامِ ساخت آن، کانال را، به وسیلهٔ یک نوار از جنس سیلیسیم، میانِ سورس و درین تعبیه می‌کنند. از این رو، اگر اختلاف پتانسیل میان آن دو اعمال شود، جریانی از سورس به درین خواهیم داشت؛ هرچند که ولتاژ اعمال شده به گیت صفر باشد.

تاریخچه

اصل اساسی این نوع ترانزیستور برای اولین بار توسط جولیوس ادگار Lilienfeld در سال ۱۹۲۵به ثبت رسید. بیست و پنج سال بعد، هنگامی که اقدام به ثبت اختراع ترانزیستور اتصال کرد، آنها دریافتند Lilienfeld در حال حاضر برگزاری یک ثبت اختراع که در راه است که می‌تواند شامل تمام انواع ترانزیستورهاشود. آزمایشگاه‌های بل قادر به کار کردن توافق با Lilienfeld، کسی که هنوز زنده بود بودند (که معلوم نیست آنها به او پول پرداخت کردند و یا نه). که در آن زمان به نسخه آزمایشگاه‌های بل ترانزیستور اتصال دو قطبی، و یااتصال به سادگی ترانزیستور (simply junction transistor) نام داده شد، و طراحی Lilienfeld نام ترانزیستور اثر میدانی بر گرفت.

در سال ۱۹۵۹، Dawon Kahng و مارتین M.Atalla در آزمایشگاه‌های بل، فلز اکسید نیمه هادی ترانزیستور اثر میدانی (MOSFET) به عنوان شاخه‌ای به طراحی FET اختراع شد.

عملکرد و ساختارهای مختلف از اتصال دو قطبی ترانزیستور، MOSFET با قرار دادن یک لایه عایق در سطح نیمه هادی و سپس با قرار دادن یک الکترود گیت فلزی که در آن ساخته شده بود. این سیلیکون کریستالی نیمه هادی است و از لایه‌ای از دی اکسید سیلیکون اکسیده حرارتی برای عایق استفاده می‌شود. MOSFET سیلیکون تله الکترونی موضعی در رابط بین لایه سیلیکون و اکسید آن، بومی تولید نیست، و در نتیجه ذاتاً عاری از تجملات و تزئینات و پراکندگی از حامل‌های که مانع عملکرد ترانزیستورهای اثر میدانی زودتر بود. پس از توسعه اتاق تمیز به منظور کاهش آلودگی به سطوح پیش از این فکر لازم است، و و فرایند دو وجهی اجازه می‌دهد تا مدارات را در مراحل بسیار کمی ساخته شده باشد، این نوع سیستم SiO2 دارای جاذبه‌های فنی به عنوان هزینه پایین تولید (بر اساس هر مدار) و سهولت یکپارچه سازی است. علاوه بر این، با استفاده از روش اتصال دو MOSFETهای مکمل (P-کانال و N-کانال) را به یکی از سوئیچ بالا / پایین، شناخته شده به عنوان CMOS، این بدان معنی است که مدارهای دیجیتالی پاشیدن قدرت بسیار کمی به جز زمانی که در واقع روشن است. عمدتاً به دلیل این سه عامل، MOSFET تبدیل شده است با توجه به نوع ترانزیستور به طور گسترده‌ای مورد استفاده در مدارات مجتمع است.

فهرست مطالب:

مقدمه

ساختار ترانزیستور ماسفت

نحوه عملکرد

ایجاد کانالی برای عبور جریان

ترانزیستور NMOS

اعمال ولتاژی کوچک به درین و سورس

رابطه جریان و ولتاژ

افزایش ولتاژ VDS

اشباع ترانزیستور

رابطه جریان و ولتاژ ترانزیستور

جریان در ناحیه تریود

جریان در ناحیه اشباع

تکنولوژی زیر میکرونی

ترانزیستور PMOS

ترانزیستور CMOS

شمای ترانزیستورها

عملکرد در ناحیه زیر آستانه

مشخصه ID-VDS

مقاومت کانال

اثر محدود بودن مقاومت خروجی

اثر تغییر طول کانال در مقدار جریان

مقاومت خروجی

مدل ترانزیستور با در نظر گرفتن مقاومت خروجی

اثر بدنه

اثر حرارت

شکست و محافظت از ورودی

مدارات ماسفت در حالت DC

و…