ทรานซิสเตอร์ สนามไฟฟ้า ( Field-Effect Transistor ; FET)

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า ( Field-Effect Transistor ; FET)

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า คือ
ทรานซิสเตอร์ที่ใช้สนามไฟฟ้าในการเปลี่ยนแปลงสภาพ ของสารกึ่งตัวนำเพื่อให้เกิดการนำกระแสเมื่อได้รับแรงดัน
ไฟฟ้าที่เหมาะสม โดยทั่วไปมักเรียกชื่อย่อว่า "เฟท" 
เฟทแบ่งออกเป็น 2 กลุ่ม คือ ทรานซีสเตอร์สนามไฟฟ้า แบบรอยต่อ (Juntino Field Effect Transistor) หรือ เจเฟท (JFET) และ ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าแบบโลหะ-ออกไซด์-สารกึ่งนำ (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) หรือ มอสเฟท (MOSFET) 
ในที่นี้จะกล่าวถีง MOSFET เท่านั้น

มอสเฟท (MOSFET)

มอสเฟทจะแบ่งออกเป็น 2 ชนิด คือ ดีพลีชั่น (Depletion) และ เอนฮ้านซ์เมนต์ (Enhancement)
แต่ละประเภทยังแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ แบบแชนแนล n และ แบบแชนแนล p 
มอสเฟทประเภท ดีพลีชั่นหรือดีมอสเฟท (D-MOSFET) ทั้ง 2 แบบจะทำงานได้ 2 โหมด คือ โหมดดีพลีชั่น (Depletion Mode) และ โหมดเอนÎานซ์เมนต์ (Enhancement Mode) กล่าวคือ ถ้าจ่ายแรงดันลบให้กับดีมอสเฟทแชนแนล n จะทำงานในโหมดดีพลีชั่น แต่ถ้าจ่ายแรงดันบวกจะทำงานในโหมดเอนÎานซ์เมนต์ ส่วนดีมอสเฟทแชนแนล p ก็จะทำงานคล้ายกันเมื่อ ได้รับแรงดันที่มีขั้วตรงข้ามกับแบบแชนแนล n 
มอสเฟทประเภทเอนÎานซ์เมนต์หรือ อีมอสเฟท (E-MOSFET)มี โครงสร้างบางอย่างคล้ายกับมอสเฟทแบบดีพลีชั่น
แต่จะทำงานได้เฉพาะโหมดเอนÎานซ์เมนต์เท่านั้น

ดีมอสเฟทแบบแชนแนล n
โตรงสร้างของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n เป็นดังรูป

ดีมอสเฟทแบบแชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผ่นผลีกฐาน p (p-substrate) ที่เป็นสารกึ่งตัวนำทำจากซิลิกอนขั้ว D และขั้ว S         ต่อกับบริเวณที่มีการกระตุ้นหรือโดปให้ เป็นบริเวณสารกึ่งตัวนำ n (n-doped region) ทั้งสองส่วนนี้จะเชื่อมกับแชนแนล n สำหรับขั้ว G จะต่อกับวัสดุผิวนอกที่เป็นโลหะโดยมีซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂) กั้นแชนแนล n กับขั้ว G (ซิลิคอนได
ออกไซด์เป็นฉนวนประเภทไดอิเลคทริค) เมื่อมีสนามไฟฟ้าจ่ายเข้ามาที่ชั้นของ SiO₂ ก็จะสร้างสนามไฟฟ้าต้านและสร้างชั้นฉนวน
ขึ้นภายในตัวเองเพื่อกั้นขั้วเกทกับ แชนแนล แสดงว่า ไม่มีการต่อโดยตรงระหว่างขั้ว G กับแชนแนลของมอสเฟท ขั้นที่เป็นฉนวน SiO₂ จะทำให้ Z_i มีค่าสูงตามความต้องการได้
นอกจากนี้บางครั้งจะต่อแผ่นผลึกจากฐานเข้ากับแหล่งจ่ายจึง มีขั้วเพิ่มขึ้นมาเรียกว่า ขั้วผลึกฐาน SS (Substrat : SS) ทำให้มี
ขั้วเพิ่มเป็น 4 ขั้ว และจากข้างต้น จึงสรุปความหมายของคำว่า MOS ในชื่อมอสเฟท (ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าโลหะออกไซด์สารกึ่งตัวนำ) ได้ดังนี้
                        - โลหะ (Metal, M) หมายถึงบริเวณ สำหรับการต่อขั้ว D, S และ G กับวัสดุผิวนอก
                        -  ออกไซด์ (Oxide, O) หมายถึง ซิลิคอนไดออกไซด์ ( SiO₂ )
                        -  สารกึ่งตัวนำ (Semiconductor, S) หมายถึง โครงสร้างพื้นฐานในบริเวณแพร่กระจายของสารกึ่งตัวนำชนิด p และสารกึ่งตัวนำชนิด n

การทำงานและคุณสมบัติเบื้องต้น (Basic Operation and Characteristies)

กำหนดให้ V_GS ในรูป (a)  มีค่าเป็นศูนย์ แล้วจ่าย V_D ที่ขั้ว D และ S ขั้ว D สามารถดึงดูดอิเล็กตรอนอิสระ(e) ผ่านแชนแนลn
และทำให้กระแส  I_D = I_S = I_DSS ไหลผ่านแชนแนล  n  ได้ (คล้ายกับการไหลของกระแสไฟฟ้าในแชนแนลของเจเฟทขณะ V_GS = 0 V)

ถ้าจ่าย VGS ที่มีค่าเป็นลบให้กับขั้วเก ท (รูป b) เช่น -1 V ความต่างศักย์ที่ขั้วเกทจะ ผลักดันให้อิเลคตรอนอิสระเคลื่อนไปยัง
แผ่นผลึกฐาน p และดึงดูดโÎลจากแผ่น ผลึกฐาน p ทำให้อิเลคตรอนและโÎลรวมตัวกัน ใหม่ (Recombination Process) จึงเกิดการลดจำนวน
อิเลคตรอน อิสระในแชนแนล n ที่มี ไว้สำหรับการนำกระแส เมื่อมีค่า V_GS เป็นลบ มากเท่าใดก็จะเกิดการรวมตัวกันใหม่มากขึ้นเท่านั้นและ
อิเลคตรอน อิสระที่แชนแนล n ก็จะ มีจำนวนลดลง จึงกล่าวได้ว่าถ้า V_GS เป็นลบมากขึ้น I_D จะมีค่าน้อยลง เขียนเป็นเคอร์ฟคุณลักษณะ ได้
ดังรูปต่อไปนี้ การทำงานขณะ VGS เป็น ลบนี้ เราเรียกว่า การทำงานในโหมดดีพลีชั่น

ถ้าจ่าย V_GS ที่มีค่าเป็นบวก ให้กับขั้วเกทความต่างศักย์ที่ขั้วเกทจะดึงดูดอิเลคตรอนจากผลึกฐาน p มายังบริเวณชั้น SiO₂ ทำให้
พาหะนำกระแสและสภาพนำกระแสของแชนแนลเพิ่มขี้น ดังนั้นกระแส I_D จึงเพิ่มขึ้นจนมีค่ามากกว่า I_DSS การทำงานขณะ V_GS
เป็นบวกนี้เราเรียกว่า การทำงานในโหมดเอนÎานซ์เมนต์

ดีมอสเฟทแบบแชนแนล p
โครงสร้างของดีมอสเฟทแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงข้ามกับรูปของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n คือประกอบด้วยแผ่นผลึก
ฐาน n และแช นแนล  p ดังรูป

จากการ เปรียบเทียบคุณลักษณะของดีมอสเฟทแบบแชนแนล กับดีมอสเฟทแบบแชนแนล p (ตามรูป b และ c) เราพบว่า
ทิศทางของกระแสขั้วแรงดันต่าง ๆ กลับกันทำให้คุณลักษณะกลับกันด้วย I_D จะเริ่มเพิ่มขึ้นจากจุด Cutoff ที่ V_GS = V_p และขณะที่ V_GS มี
ค่าเป็นบวกลดลง I_D จะ เพิ่มขี้นจนถึง I_GSS และเพิ่มอย่างต่อเนื่องจนเลยค่า I_GSS เมื่อ V_GS มีค่าเป็นลบเพิ่มขี้นยังคงใช้สมการ ของชอคเล่ย์
ได้แต่ ควรระวังเครื่องหมาย V_GS และ V_p ในสมการให้ถูกต้อง (คือจะต้องมีเครื่องหมายเป็นบวก)

สัญลักษณ์ (Symbols)
สัญลักษณ์ของดีมอสเฟทแบบแชนแนล n และ p เป็นดังรูป

ถ้าสังเกตุให้ดีจะเห็นว่า สัญลักษณ์สื่อความหมายถึงโครงสร้างแท้จริงของอุปกรณ์ ช่องว่างระหว่างขั้ว G กับขั้ว D
(ที่ต่อกับขั้ว S) แสดงว่าไม่มีการ ต่อกันโดยตรงระหว่างขั้วทั้งสามเนื่องจากมีฉนวนกันที่ขั้ว G ส่วนขั้วผลึกฐาน SS ในมอสเฟท
บางครั้งมี บางครั้งไม่มี จึงเขียนสัญลักษณ์ได้ทั้ง 2 แบบ คือ กรณีที่มีขั้ว SS และในกรณีไม่มีขั้ว SS ในการวิเคราะห์ ลำดับต่อไปมัก
จะไม่มีขั้ว  SS  ดังนั้น สัญลักษณ์ที่อยู่ข้างล่างจะเป็นสัญลักษณ์ที่ใช้ทั่ว ๆ ไป

อีมอสเฟท (EMOSFET)

แม้ว่าโครงสร้างและขอบเขตการทำงานของดีมอ สเฟทกับอีมอสเฟทจะมีลักษณะคล้ายกันอยู่บ้าง แต่เคอร์ฟคุณลักษณะของอีมอสเฟทจะแตก ต่างออกไปโดยสิ้นเชิง *กล่าวคือไม่สามารถนำสมการของชอคเลย์มาเขียนเคอร์ฟถ่ายโอน ของอีมอสเฟทได้* และกระแส I_D ยังไม่เกิด ขึ้นจนกระทั่ง V_GS มีค่าสูงถึงค่าเฉพาะคำหนึ่ง

อีมอสเฟทแบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ
                            1. อี มอสเฟทแบบแชนแนล n
                            2. อี มอสเฟทแบบแชนแนล p
สัญลักษณ์ ของ อี มอสเฟท

อีมอสเฟทแบบแชนแนล n
โครงสร้างเบื้องต้นของอีมอสเฟท แบบเชนแนล n เป็นดังรูป

อีมอสเฟทแบบเชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผ่น ผลึกฐาน p ที่ เป็นสารกึ่งตัวนำทำจากซิลิคอน ขั้ว D และขั้ว S ต่อกับ
บริเวณที่มีการกระตุ้น n โดยผ่านวัสดุ ผิวนอกที่เป็นโลหะ นอกจากนี้บางครั้งจะต่อแผ่นผลึกฐาน p เข้ากับแหล่งจ่ายจึง มีขั้ว SS
เพิ่มขึ้นมาคล้ายกับดีมอสเฟท
ถ้าสังเกตรูป ให้ดีจะเห็นได้ว่าไม่มีเส้นทางเชื่อม หรือไม่มีแชนแนล (no-channel) ระหว่างบริเวณที่ มีการกระตุ้น n
ทั้ง 2 แห่ง นี่คือความแตกต่าง เบื้องต้นระหว่างโครงสร้างของอีมอสเฟทและดีมอสเฟท

การทำงานและคุณลักษณะเบื้องต้น
กำหนดให้ V_GS = 0V และ จ่าย V_DS ที่ มีค่าเป็นบวกให้กับขั้ว S กับขั้ว D โดยขั้ว SS ต่อรวมกับขั้ว S ดังรูป
จะเกิดจากไบอัสกลับที่ รอยต่อ p-n (บริเวณที่มีการกระตุ้น n กับผลึกฐาน p) [เนื่องจากไม่มีเส้นทาง เชื่อม หรือ แชนแนลระหว่างขั้ว D
และขั้ว S ทำให้เกิดการต้านการไหลของอิเล็กตรอน] กระแส ID=0 แตกต่างจาก ดีมอสเฟทและเจเฟทซึ่งมี I_D=I_DSS

ถ้าจ่าย V_DS และV_GS ที่มีค่าเป็นบวกดังรูป ทำให้ขั้ว D และ ขั้ว G มี ความต่างศักย์เป็นบวกการที่ขั้ว G มีความต่างศักย์ เป็น
บวกนี้จะผลักดันให้โÎลในผลึก ฐาน p เข้า ไปสู่บริเวณภายในผลึกฐาน p และดึงดูด อิเล็กตรอนในผลึกฐานp (เป็น พาหะข้างน้อยรวมตัว
อยู่ในบริเวณใกล้กับผิวของ SiO₂) ซึ่ง มีคุณลัษณะเป็นฉนวนและป้องกันอิเล็กตรอนไม่ให้ ดึงดูด ไป ยังขั้วเกท
ขณะที่ V_GS เพิ่ม ขึ้น การ รวมตัวของอิเล็กตรอนใกล้กับชั้นของ SiO₂ ก็เพิ่มมากขึ้นตามลำดับขณะเดียวกันบริเวณที่มีการ
กระตุ้น n เกิดการเหนี่ยวนำ จากแรงดัง V_GS ทำให้มีอิเล็กตรอนหรือ ID (มีทิศทางตรงข้ามกับอิเล็กตรอน)ไหลระหว่าง ขั้ว D กับขั้ว S
ระดับ V_GS ทำ ให้ ID ไหล เราเรียกว่า แรงดันเธรสโÎลด์ (Threshold Voltage;V_T) ในสเปคกำหนดให้ V_T เป็น V_GS(Th)

ถ้าเพิ่ม V_GS ให้สูงขึ้น I_D ก็ จะเพิ่มขึ้นด้วย แต่ถ้า V_GS มีค่าคงที่ และ เพิ่มค่า V_DS จะทำให้ I_D ถึงจุดอิ่มตัว (เช่น เดียวกับดีมอสเฟท) เนื่องจากขั้วบวกของ V_DS ดึงดูดอิเลคตรอน จึงจะทำให้ปลายของช่องทางเหนี่ยวนำบริเวณใกล้ขั้ว D แคบลง
ใกล้ระดับพินช์ออฟ [Pinch-Off (Begining)] ดังรูป (a) เมื่อนำ KVL มาร่วมพิจารณา จะได้แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้ว D กับขั้ว G (V_DG)
ดังนี้

V_DG = V_DS - V_GS-------------------- สมการที่ 1

ถ้ากำหนดให้ V_GS  = 8 V และ V_DS = 2 V ก็จะได้ V_DG = -6 V แต่ถ้าเพิ่ม V_GS เป็น 5 V  ค่า V_DG จะเป็น -3 V (ตาม
สมการที่ 1 ) การลดลงของ V_DG ทำให้แรงดึงดูด ( จากขั้วบวกของ V_DS ) ที่มีต่ออิเลคตรอนอิสระ ในบริเวณช่องทางเหนี่ยวนำลดลง
ด้วย ทำให้ช่องทางเหนี่ยวนำแคบลง ถ้าความกว้างของช่องทาง ดังกล่าวลดลงเรี่อย ๆ จน กระทั่งถึงจุดพินช์ออฟ ID ก็จะถึงจุดอิ่มตัว
ดังที่ได้อธิบายในดีมอสเฟท
คุณลักษณะของขั้วเครนของมอสเฟทใน รูป (a) เป็น ดังรูป (b) ขณะ V_T = 2 V ที่  V_GS = 8 V       ทำให้เกิด
V_DS อิ่มตัว (V_DSsat) = 6 V ทำ ให้ได้ความสัมพันธ์ระหว่าง V_DSsat กับ V_GS ดังนี้

V_DSsat = V_GS - V_T ----------------------- สมการที่ 2

สมการที่ 2 ทำให้ทราบว่า เมื่อ V_T คงที่และ V_GS ยิ่งสูง ขึ้นเท่าใด V_DSsat ก็ยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น
ในรูป (b) ขณะที่ V_T เป็น 2 V ณ ตำแหน่งนี้ I_D = 0 mA ดังนั้นจึงทำให้ทราบว่า ถ้า V_GS มีค่าต่ำกว่า V_T ค่า I_D ของ
อีมอสเฟทจะเป็นศูนย์หรือไม่มี กระแสไหลนั่นเอง
ถ้าค่า V_GS เพิ่มขึ้น จาก V_T เป็น 8 V จะทำให้ระดับการอิ่มตัว ของ I_D เพิ่มขึ้นจาก 0 mA เป็น 10 mA แต่เนื่องจากช่วง
ของเคอร์ฟ V_GS มีระยะห่างไม่เท่ากัน ดังนั้น I_D ที่เพิ่มขึ้น จึงมีความสัมพันธ์กับ V_GS ในลักษณะไม่ เป็นเชิงเส้นดังสมการต่อไปนี้

I_D = k ( V_GS - V_T )² ------------------------ สมการ ที่ 3

เมื่อ k เป็นค่าคงที่ของ โครงสร้างอีมอสเฟท ซึ่งหาค่าได้จาก

k = I_D(on) / ( V_GS(on) - V_T )² --------------------สมการที่ 4

เมื่อ ID(on) และ  VGS(on) เป็นกระแสและแรงดันที่ทำให้เกิดจุดเฉพาะบนเคอร์ฟคุณลักษณะของมอสเฟท
สมมติแทนค่า ID(on) = 10 mA ขณะ VGS = 8 V ลง ในสมการที่ 4 จะ ได้ k = 0.278 * 10^-3 A/V²
แทนค่า k ในสมการที่ 3 เพื่อหาค่า I_D สำหรับคุณลักษณะใน รูป (b) โดย สมมติ V_GS = 4 V จะได้ I_D = 1.11 mA
สำหรับการวิเคราะห์ไฟฟ้ากระแสตรงของอีมอสเฟท จะใช้คุณลักษณะถ่ายโอนดังรูปต่อไปนี้ ในการแก้ปัญหา

เคอร์ฟถ่ายโอนในรูป แตกต่างจากเคอร์ฟถ่ายโอนที่กล่าวในตอนต้น ๆ เพราะว่าอีมอสเฟทแบบแชนแนล n จะมี ID
เพิ่มขึ้นไม่ได้จนกว่า V_GS = V_T สมมติว่าเราจะเขียนเคอร์ฟถ่าย โอนที่มี  k = 0.5*10^-3 A/V² และ V_T = 4 V เมื่อนำสมการที่ 3 มาร่วม
พิจารณา จะได้

I_D = 0.5*10^-3( V_GS - 4 V )²

อีมอสเฟทแบบแชนแนล p

โครงสร้างของอีมอสเฟทแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงข้าม กับแบบแชนแนล p

กล่าวคือ ขั้ว D และขั้ว S ต่อ กับผลึกฐาน n และ บริเวณที่มีการกระตุ้น p(p-doped regions) แต่ขั้วของแรงดันและทิศทาง
กระแสตรงข้ามกับแบบแชนแนล n นอกจากนี้ คุณลักษณะของเคอร์ฟถ่ายโอน ก็จะแสดงค่าที่ด้านตรงข้าม

สัญลักษณ์ (Symbol)
สัญสักษณ์ของอีมอสเฟทแบบแชนแนล p และแชนแนล n เป็นดังรูป

จะเห็นได้ว่า สัญลักษณ์แสดงโครงสร้างแท้จริงของอุปกรณ์เส้นประเชื่อมระหว่างขั้ว D กับ ขั้ว S แสดงว่าไม่มี
แชนแนลระหว่าง ขั้วทั้งสอง (ขณะ ไม่ได้รับการไบอัส) ซึ่งเป็นความแตกต่าง ประการเดียวระหว่างสัญลักษณ์ของดีมอสเฟทกับอีมอสเฟท