اگر در مورد عملکرد تجهیزات صنعتی مدرن اطلاعات فنی کافی داشته باشید، می‌دانید که در بسیاری از آن‌ها مانند درایوهای الکتریکی، مدارهای سافت‌استارتر، منابع تغذیه و یکسوکننده‌ها از انواع ترانزیستورها از جمله ماسفت و IGBT استفاده می‌شود.
این قطعات قابلیت سوئیچینگ با فرکانس بالا را دارند که توانایی بسیار سودمندی در مدارهای الکترونیکی صنعتی به شمار می‌رود. در این مقاله از آکادمی ماهر، ترانزیستور ماسفت و انواع کاربرد آن در صنعت برق و تجهیزات مدرن الکتریکی را شرح می‌دهیم.
ترانزیستور چیست و چه انواعی دارد؟
ترانزیستور یک قطعه ساخته‌شده از نیمه‌هادی است که به‌منظور تقویت سیگنال‌های الکترونیکی، سوئیچینگ، کنترل جریان و ولتاژ مدار استفاده می‌شود. ترانزیستورها معمولاً از نیمه‌هادی‌هایی مانند سیلیکون (Si) ژرمانیوم (Ge) و آرسنید گالیم (GaAs) ساخته می‌شود.
اکثر ترانزیستورها از سه لایه نیمه‌هادی «دوپ‌شده» تشکیل شده‌اند. اگر به لایه نیمه‌هادی، الکترون‌های اضافی (ناخالصی نوع N) افزوده شده باشد، نیمه‌هادی نوع N ساخته می‌شود. اگر الکترون‌های نیمه‌هادی، حذف شده باشند (ناخالصی نوع P) و حفره تشکیل شده باشد، نیمه‌هادی نوع P ساخته می‌شود.
به افزودن ناخالصی به نیمه‌هادی اصطلاحاً «دوپ کردن» گفته می‌شود. ترانزیستورها را می‌توان براساس نحوه کارکردشان به دو دسته اصلی ترانزیستورهای دوقطبی (Bipolar) و ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) تقسیم کرد.
در شکل ۱ انواع ترانزیستورها نشان داده شده است. در ادامه، با این ترانزیستورها و نحوه کارکرد آن‌ها آشنا خواهیم شد.
ترانزیستور اثر میدانی (FET)
ترانزیستور اثر میدانی، دسته‌ای از ترانزیستورها است که کنترل جریان توسط یک میدان الکتریکی صورت می‌گیرد. از آنجایی که در این نوع ترانزیستور تنها یک نوع حامل بار، الکترون یا حفره، عامل ایجاد جریان الکتریکی است، به آن ترانزیستور تک‌قطبی می‌گویند.
ترانزیستور اثر میدان نسبت به ترانزیستور دوقطبی دارای برتری‌هایی از جمله عملکرد لحظه‌ای، بازدهی بالا و مقاوم بودن است؛ اما مهمترین مزیت این نوع ترانزیستور امپدانس بی‌نهایت و جریان ورودی صفر است. امپدانس بالا در ورودی، سبب می‌شود، ترانزیستور به اعمال مقادیر کوچک ولتاژ حساس باشد. ترانزیستور اثر میدان سه پایه سورس، درین و گیت دارد.
با اعمال ولتاژ به گیت، کانالی بین دو پایه درین و سورس ایجاد می‌شود که مسیر جریان بین آن دو است. به بیان دیگر، ولتاژ پایه گیت کنترل‌کننده جریان VDS است. ترانزیستور اثر میدانی در دو نوع ماسفت (MOSFET) و جی‌فت (JFET) ساخته می‌شود.
۱. ترانزیستور JFET
ترانزیستور JFET یا ترانزیستور اثر میدان پیوندی (Junction field-effect transistor) یک لایه نازک نیمه‌هادی دوپ‌شده است که در دو سر انتهایی آن پایه‌های سورس و درین قرار دارد. به این نیمه‌هادی دوپ‌شده کانال ترانزیستور می‌گویند.
نیمه‌هادی دوپ‌شده یعنی یک نیمه‌هادی که دارای حامل‌های بار اضافی، الکترون یا حفره باشد. اگر نیمه‌هادی، الکترون اضافی داشته باشد، کانال نوع N و اگر تعداد حفره‌ها در نیمه‌هادی بیشتر باشد، کانال از نوع P ساخته می‌شود.
از آنجایی که الکترون، تحرک بیشتری نسبت به حفره دارد، مقاومت کانال ترانزیستور JFET کانال N کمتر از کانال P است. بنابراین، ترانزیستور نوع N کاربرد بیشتری نسبت به نوع P دارد. JFET یک پایه سوم گیت نیز دارد که از نیمه‌هادی مخالف نوع کانال ساخته شده است.
کانال ترانزیستور در واقع رفتار مقاومتی دارد که ولتاژ VDS باعث جاری شدن جریان در کانال ترانزیستور می‌شود. این جریان توسط ولتاژ اعمالی به گیت کنترل می‌شود. شکل ۲ ساختار ساده و نماد الکتریکی دو نوع JFET را نشان می‌دهد.
۲. ترانزیستور ماسفت (MOSFET)
گیت ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلزی، ایزوله است. ماسفت‌ها علاوه‌بر ۳ پایه گیت، درین و سورس پایه چهارمی به نام بدنه هم دارند که در بیشتر آرایش‌های مداری به پایه سورس متصل می‌شود. پایه گیت ماسفت به یک اکسید فلزی متصل است که با یک لایه نازک عایق (معمولا اکسید سیلیکون)، از کانال اصلی (نوع N یا P) جدا می‌شود.
این کار باعث مقاومت خیلی بالا (در حد مگا‌اهم) و جریان صفر در گیت می‌شود. مزیت این ساختار حساسیت بالای ماسفت به ولتاژ اعمالی است؛ اما از طرفی، نیاز به محافظت بالا در برابر بار استاتیکی (الکتریسیته ساکن) دارد. در حال حاضر، ترانزیستور ماسفت رایج‌ترین نوع ترانزیستور در مدارهای آنالوگ و دیجیتال است.
اگر نیمه‌هادی دو پایه درین و سورس نوع N و کانال بین آن‌ها نوع P باشد، ترانزیستور نوع N یا NMOS و اگر کانال از نوع N و دو پایه نوع P باشد، ماسفت نوع P یا PMOS خواهد بود. با کنترل ولتاژ اعمالی به گیت ترانزیستور، می‌توان میزان رسانایی کانال ماسفت را کنترل کرد.
از این قابلیت برای تقویت یا سوئیچینگ سیگنال‌های الکترونیکی استفاده می‌کنند. علاوه‌بر این دسته‌بندی ماسفت‌ها با توجه به نوع کانال بین دو پایه سورس و درین به دو دسته ماسفت افزایشی و ماسفت کاهشی نیز تقسیم می‌شوند. شکل ۳ چند نمونه تجاری ماسفت را نشان می‌دهد.
انواع ماسفت
در بخش قبل با انواع ترانزیستورهای رایج و ساختارشان آشنا شدیم و گفتیم انواع ماسفت از نظر نوع کانال به دو دسته ماسفت افزایشی و کاهش تقسیم می‌شوند. در این بخش می‌خواهیم با این دو نوع ماسفت بیشتر آشنا شویم.
ترانزیستور ماسفت نوع افزایشی (Enhancement-mode MOSFET)
ترانزیستور ماسفت نوع «افزایشی» رایج‌ترین نوع ماسفت است. در ماسفت افزایشی نوع N هنگامی که ولتاژ گیت نسبت به سورس مثبت‌تر است، کانال ترانزیستور زیر ناحیه گیت تشکیل شده و جریان از سمت درین ترانزیستور به سمت پایه سورس برقرار می‌شود.
در ماسفت نوع P جهت جریان معکوس شده و ولتاژ گیت ماسفت نسبت به سورس منفی‌تر است. به عبارت دیگر، برای روشن کردن ماسفت افزایشی، باید ولتاژ VGS را با توجه به نوع N یا P بودن ترانزیستور کنترل کرد. در این نوع ترانزیستور ناحیه کانال ناخالصی ندارد و در حالت قطع، این ناحیه کاملا نارساناست. شکل ۴ انواع ماسفت افزایشی نوع N و P را نشان می‌دهد.
ترانزیستور ماسفت افزایشی در سه ناحیه قطع، اشباع و خطی (ترایود) کار می‌کند. شرایط قرار گرفتن ترانزیستور در هر کدام از این ناحیه‌ها به صورت جدول ۱ است.
جدول ۱- ناحیه کاری ماسفت نوع N
شکل ۹ رفتار ماسفت افزایشی نوع N را به ازای ولتاژ VGS نشان می‌دهد. زمانی‌که ولتاژ VGS منفی یا صفر باشد، ترانزیستور خاموش (ناحیه قطع) است؛ اما اگر ولتاژ VGS از ولتاژ ترشولد (آستانه) بیشتر شود مقاومت کانال کاهش می‌یابد و جریان ID افزایش می‌یابد حال برحسب مقدار VDS ترانزیستور در یکی از ناحیه‌های ترایود یا اشباع قرار می‌گیرد.
زمانی که از ماسفت به عنوان سوئیچ استفاده می‌شود، ماسفت بین حالت قطع و خطی تغییر می‌کند. به طوری‌که حالت قطع یعنی سوئیچ خاموش و حالت خطی سوئیچ روشن است. اگر ترانزیستور ماسفت به‌عنوان تقویت‌کننده استفاده شود، بین دو ناحیه قطع و اشباع تغییر می‌کند.
ترانزیستور ماسفت نوع کاهشی (Depletion-mode MOSFET)
ترانزیستور ماسفت نوع کاهشی (تخلیه‌ای) نسبت به ماسفت افزایشی کاربرد کمتری دارد. در این ترانزیستور در حالت خاموش، کانال وجود دارد و با توجه به نوع ترانزیستور دارای ناخالصی نوع N یا P است.
در یک ترانزیستور ماسفت نوع N کاهشی، زمانی که ولتاژ گیت نسبت به سورس ترانزیستور منفی‌تر باشد، ناحیه کانال نسبت به وضعیت عدم اعمال ولتاژ کوچک‌تر می‌شود و با منفی‌تر شدن ولتاژ گیت ماسفت، ترانزیستور به سمت خاموش شدن حرکت می‌کند.
برای ترانزیستور نوع P ولتاژ مثبت‌تر گیت، نسبت به سورس ترانزیستور را خاموش می‌کند. شکل ۶ انواع ماسفت کاهش نوع N و P را نشان می‌دهد. این نوع ترانزیستور نیز در سه ناحیه قطع، خطی و اشباع کار می‌کند، تنها با این تفاوت که شروطی که در جدول ۱ برای ماسفت افزایشی گفتیم در ماسفت کاهشی برعکس است.
تفاوت ماسفت با ترانزیستورهای دیگر چیست؟
ماسفت در مقایسه با ترانزیستورهای دوقطبی امپدانس ورودی بسیار بزرگی (در حد مگا‌اهم) و جریان ورودی تقریبا صفر دارد.
برای همین تقریباً تمام سیگنال ورودی به خروجی مدار منتقل می‌شود و برای کنترل جریان بار، تقریباً جریانی از منبع نمی‌کشد که باعث کاهش توان مصرفی، بهبود پاسخ فرکانسی و افزایش بازدهی ماسفت‌ها نسبت به سایر ترانزیستورها می‌شود.
بنابراین می‌توان از کاربرد ماسفت در سوئیچینگ بار، مبدل های DC/DC، منابع تغذیه و کنترل موتور ولتاژ پایین نام برد.
نحوه تشخیص پایه‌های ترانزیستور ماسفت
معمولا در دیتاشیت ماسفت‌ها نوع ترانزیستور و پایه‌های آن مشخص شده است. اما برای اطمینان از تشخیص صحیح پایه‌های ترانزیستور ماسفت می‌توان از مولتی‌متر نیز استفاده کرد. برای این کار به روش زیر عمل می‌کنیم.
- ابتدا مولتی‌متر را روی حالت تست دیود تنظیم می‌کنیم.
- به صورت تصادفی دو پایه از ماسفت را با پراب‌های مولتی‌متر تست می‌کنیم.
- در این صورت دو حالت وجود دارد: یا مولتی‌متر عددی را نشان می‌دهد و یا عبارت OL را نمایش می‌دهد. پایه‌ای از ماسفت که به دو پایه دیگر راه نمی‌دهد (OL) گیت و دو پایه دیگر درین و سورس هستند.
- برای تشخیص نوع کانال ماسفت، ابتدا باید ترانزیستور را روشن کنید. برای این کار باید به گیت- سورس یک ولتاژ ناچیز اعمال کنیم. از آنجایی که هنوز نمی‌دانیم پایه سورس کدام است، پراب قرمز را به گیت و پراب مشکی را به هر دو پایه دیگر ماسفت وصل می‌کنیم.
- حال دو پراب مثبت و منفی مولتی‌متر را به دو پایه درین و سورس متصل می‌کنیم و سپس پراب منفی و مثبت را جا‌به‌جا می‌کنیم. اگر در هر دو حالت اصطلاحا ماسفت راه داد و مولتی‌متر عدد مشخصی را نمایش داد، ماسفت از نوع N و در غیر این صورت ماسفت از نوع P است.
- برای تشخیص دو پایه درین و سورس، باید ترانزیستور را خاموش کنیم. برای این کار یکی از پراب‌ها را همزمان به سه پایه وصل می‌کنیم تا سه پایه اتصال کوتاه شوند.
- حال دو پراب را به دو پایه نامشخص وصل می‌کنیم. اگر ترانزیستور ماسفت از نوع N باشد، پایه‌ای که به پایه دیگر راه می‌دهد، سورس است. در صورتی که ترانزیستور نوع P باشد، درین پایه‌ای است که به سورس راه می‌دهد.
شکل ۷ نحوه راه دادن و راه ندادن پایه‌های ماسفت را نشان می‌دهد.
تست سلامت ترانزیستور ماسفت
برای اطمینان از صحیح کار کردن ماسفت می‌توان با استفاده از مولتی‌متر ترانزیستور ماسفت را تست کرد. برای اینکار طبق مراحل زیر به روشی که درین و سورس را تعیین می‌کنیم، عمل می‌کنیم.
- ماسفت باید در حالت خاموش باشد. برای اطمینان از خاموش بودن ماسفت هر سه پایه ترانزیستور ماسفت را اتصال کوتاه می‌کنیم.
- پراب‌های مولتی‌متر را به پایه‌های درین و سورس ترانزیستور ماسفت متصل می‌کنیم، پس از آن پراب‌ها را جابجا می‌کنیم.
- در صورت سالم بودن ماسفت، مولتی‌متر باید در یک حالت مقدار اهم (راه دادن ماسفت) را نشان دهد و در حالت دیگر OL (راه ندادن ماسفت) را نشان دهد.
- در صورتی که مولتی‌متر هر دو وضعیت را مقدار یا OL نشان دهد به معنای معیوب بودن ترانزیستور ماسفت است.
فرمان سوئیچینگ ماسفت چطور صادر می‌شود؟
با توجه به اینکه ماسفت دارای امپدانس ورودی نزدیک به بی‌نهایت و جریان ورودی گیت نزدیک به صفر است، ولتاژ VGS فرمان سوئیچینگ را می‌دهد.
در ترانزیستور نوع N، اگر ولتاژ اعمالی به VGS از مقدار ولتاژ ترشولد (Threshold) ماسفت کمتر باشد، سوئیچ در وضعیت قطع قرار دارد و هنگامی که ولتاژ VGS از مقدار ولتاژ ترشولد بیشتر شد، سوئیچ وصل شده و جریان از سمت درین به سورس برقرار می‌شود. برای ماسفت نوع P جهت جریان و علامت ولتاژ اعمالی به گیت، معکوس است.
در چه مدارهای الکتریکی از ماسفت استفاده می‌شود؟
با وجود مزایای فراوان ماسفت‌ها، امروزه از آن‌ها تقریبا در تمامی مدارهای الکترونیکی از جمله مدارهای دیجیتال، مدارهای آنالوگ و مدار مجتمع وجود دارد.
همچنین از آنجایی که ماسفت‌های قدرت سرعت سوئیچینگ بالایی، تلفات کم سوئیچ‌زنی و فرکانس عملیاتی بالا دارند، به طور وسیع در مدارهای قدرت از جمله اینورترها، گیت درایو و منابع تغذیه استفاده می‌شود.
۱. مدار اینورتر (Inverter)
اینورتر DC-AC، ولتاژ DC را به ولتاژ AC تبدیل می‌کند. ساده‌ترین نوع اینورتر، اینورتر تمام‌پل است که ولتاژ DC را به کمک پل اچ (H-bridge) به ولتاژ AC دوفاز با فرکانس و سطح ولتاژ مشخص تبدیل کند. از این مدار برای راه‌اندازی انواع موتورهای دوفاز و بارهای AC استفاده می‌شود.
H-bridge شامل ۴ سوئیچ (Q1 ،Q2 ،Q3 ،Q4) است که به صورت حرف H انگلیسی در مدار قرار گرفته‌اند. از آنجایی که ماسفت قدرت، سرعت بالا و تلفات کم در سوپیچ‌زنی دارد، به عنوان سوئیچ در مدار قرار می‌گیرند.
اگر پالس مثبت باشد، سوئیچ ۱ و ۴ روشن و سوئیچ ۲ و ۳ خاموش می‌شود و جریان مدار سینوسی در سیکل مثبت خواهد شد. زمانی که پالس ورودی منفی می‌شود، سوئیچ ۲ و ۳ روشن و سوئیچ ۱ و ۴ خاموش می‌شود و جریان مدار سینوسی در سیکل منفی قرار می‌گیرد.
برای بارهای سه‌فاز از ۶ ماسفت در مدار استفاده می‌شود. شکل ۸ مدار یک اینورتر ساده و رفتار آن را نشان می‌دهد. دیودهای موازی ترانزیستورها، رفتار دیودی ماسفت‌ها را نشان می‌دهد.
۲. مدار گیت درایو (Gate Drive)
ترانزیستورهای قدرت ماسفت و IGBT (نوعی ترانزیستور قدرت که ترکیبی از BJT و ماسفت است)، در هنگام روشن شدن یک خازن در گیت دارند که برای روشن شدن ترانزیستور باید این خازن شارژ شود؛ به این نوع ماسفت «گیت‌درایو» گفته می‌شود.
ماسفت نوع «گیت‌درایو» مانند IR2104 وظیفه تامین ولتاژ خازن گیت ماسفت‌ها و IGBT را بر عهده دارد. به مدار گیت درایو Push-pull می‌گویند. یکی از روش‌هایی که می‌توان مدار Push-pull را طراحی کرد مطابق شکل ۹ است. در این مدار خروجی گیت‌درایو مستقیم به مقاومت گیت وصل می‌شود.
در چنین مداری ترانزیستور IGBT به صورت متقارن قطع و وصل می‌شود. تنها باید به زمان قطع و وصل شدن دو ترانزیستور دقت شود. اگر به صورت همزمان دو ترانزیستور قطع و وصل شوند، اتصال کوتاه در مدار رخ می‌دهد.
مدار تغذیه سوئیچینگ
مدارهای تغذیه سوئیچینگ از مدارهای بسیار پرکاربرد در وسایل خانگی و صنعتی است. در همه این مدارها از ترانسی به نام SMPS استفاده می‌شود. پالس مربعی با دیوتی‌سایکل متغیر برای این ترانس ارسال می‌شود. این پالس را می‌توان با استفاده از ماسفت می‌توان ایجاد کرد.
با ارسال فرمان به گیت ماسفت در خروجی آن موج مربعی با همان شکل و دامنه بیشتر ایجاد می‌شود و برای ترانس سوئیچینگ فرستاده می‌شود. در شکل ۱۰ محل FET در مدار تغذیه سوئیچینگ را می‌بینید.
جمع‌بندی
با توجه به گسترش روزافزون تکنولوژی نیمه‌هادی و قطعات الکترونیکی در صنعت، در این مقاله معرفی ترانزیستورها و کاربرد آن‌ها در مدارهای صنعتی را شرح دادیم. با توجه با کارآیی بالای ترانزیستور ماسفت و IGBT در مدارهای صنعتی تمرکز این مقاله بیشتر بر این نوع ترانزیستور بوده است.
مدارهای تغذیه و اینورتر از جمله مدارهایی هستند که در آن‌ها از ترانزیستور ماسفت استفاده می‌شود. این مدارها در درایوهای الکتریکی بسیار پرکاربرد هستند. در صورتی که با درایوهای الکتریکی آشنا نیستید، برای یادگیری عملی و کاربردی نحوه استفاده از درایو در صنعت می‌توانید در آموزش اتوماسیون صنعتی ماهر ثبت نام کنید.
سوالات متداول
ترانزیستورهای ماسفت در صنایع الکترونیکی، اینورترها، درایورهای گیت، سوئیچینگ و مدارهای مخابراتی به کار می‌روند.
ترانزیستورهای ماسفت در اینورترها نقش سوئیچ را ایفا می‌کنند و با اعمال پالس به گیت آن‌ها توسط این مدار، جریان DC به AC تبدیل می‌شود.
گیت درایو وظیفه کنترل ولتاژ و جریان ورودی به گیت ترانزیستور ماسفت را دارد.
بله، ترانزیستورهای ماسفت به دلیل سرعت بالا و قابلیت سوئیچینگ مناسب برای کاربردهای با فرکانس بالا هستند.
منابع
https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/knowledge/e-learning/discrete.html#Chapter3
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-MOSFET_selection_for_low_voltage_UPS-ApplicationNotes-v01_01-EN.pdf?fileId=5546d46265f064ff0166830184b53a40
https://www.inverter.com/how-does-an-inverter-work
سلام بسیار عالی
ممنون از همراهی شما🙏