مقدمه:

ماسفت (MOSFET) که مخفف عبارت Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor است، مهم‌ترین و پرکاربردترین قطعه الکترونیکی در دنیای امروز محسوب می‌شود. این ترانزیستور که با اعمال ولتاژ به یک پایه کنترلی (گیت) جریان الکتریکی بین دو پایه دیگر (سورس و درین) را کنترل می‌کند، اساس عملکرد تمام ریزپردازنده‌ها، حافظه‌ها و مدارهای مجتمع پیچیده را تشکیل می‌دهد.در واقع، زندگی روزمره ما از گوشی‌های هوشمند و کامپیوترها گرفته تا تلویزیون‌ها و خودروها، به عملکرد بی‌نقص میلیاردها ماسفت وابسته است.

ویژگی‌های کلیدی ماسفت :

ماسفت به دلیل ویژگی‌های منحصربه‌فرد خود، نسبت به سایر ترانزیستورها مانند BJT برتری یافته است:

• امپدانس ورودی بالا: به دلیل وجود یک لایه عایق اکسید سیلیکون بین گیت و کانال، جریان بسیار کمی از گیت عبور می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود ماسفت توان ورودی بسیار پایینی داشته باشد و در مدارهای آنالوگ عملکرد عالی از خود نشان دهد.
• مصرف توان پایین: در حالت ایده‌آل، زمانی که ماسفت در حالت خاموش (OFF) قرار دارد، هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند که این امر به کاهش قابل توجه مصرف توان در مدارهای دیجیتال به‌ویژه در تکنولوژی CMOSمنجر می‌شود.
• قابلیت مقیاس‌پذیری بالا: ماسفت را می‌توان به ابعاد بسیار کوچک در حد نانومتر ساخت، که این امکان تراکم بالا و قرار دادن میلیاردها ترانزیستور روی یک تراشه کوچک را فراهم می‌کند. این ویژگی، اصلی‌ترین دلیل پیشرفت قانون مور (Moore's Law) است.
• سرعت سوئیچینگ بالا: ماسفت‌ها می‌توانند با سرعت بسیار زیادی از حالت روشن به خاموش و بالعکس تغییر وضعیت دهند که برای کاربردهای سوئیچینگ فرکانس بالا ضروری است.

انواع ماسفت :

ماسفت‌ها عموماً بر اساس نوع کانال و نحوه عملکردشان دسته‌بندی می‌شوند:

• بر اساس نوع کانال:

ماسفت کانال n- (NMOS): در این نوع، حامل‌های بار الکترون‌ها هستند. برای روشن کردن ماسفت یک ولتاژ مثبت به گیت اعمال می‌شود.

ماسفت کانالp- (PMOS) : در این نوع، حامل‌های بار حفره‌ها هستند. برای روشن کردن ماسفت، یک ولتاژ منفی به گیت اعمال می‌شود.

• بر اساس حالت عملکرد:

ماسفت افزایشی (Enhancement Mode) :این نوع، که رایج‌ترین نوع ماسفت است، به‌طور پیش‌فرض در حالت خاموش (OFF) قرار دارد و برای روشن شدن به ولتاژ گیت نیاز دارد.

ماسفت کاهشی (Depletion Mode) :این نوع، به‌طور پیش‌فرض در حالت روشن (ON) قرار دارد و با اعمال ولتاژ گیت می‌توان آن را خاموش کرد.

کاربرد ماسفت‌ها :

ماسفت‌ها به دلیل تطبیق‌پذیری بالا، در طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شوند:

• مدارهای مجتمع (IC) :هسته اصلی ساخت ریزپردازنده‌ها، حافظه‌های کامپیوتری RAM و ROM، کنترل‌کننده‌ها و چیپ‌ست‌ها.
• مدارهای سوئیچینگ: استفاده در منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS)، درایورهای موتور و کنترل‌کننده‌های روشنایی.
• تقویت‌کننده‌ها: در مدارهای صوتی، فرکانس رادیویی (RF) و تقویت‌کننده‌های توان.
• الکترونیک قدرت: در ادوات توان بالا مانند ماسفت‌های SiC و GaN برای کاربردهای ولتاژ بالا و فرکانس‌های سوئیچینگ بالا.
• سنسور های ماسفت : معمولا در اندازه گیری پارامتر های فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی و محیطی استفاده می شوند. به دلیل امکان فراهم کردن تعامل و پردازش عناصری مانند مواد شیمیایی، نور و حرکت در سیستم های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. این سنسورها دارای کاربرد های پردازش تصویر است که برای ادغام در دستگاه‌ های متصل به شارژ و سنسور های پیکسل فعال مناسب است.

ماسفت در مدارهای دیجیتال(کلید ولتاژی) :

در مدارهای دیجیتال، ماسفت‌ها به‌عنوان یک کلید ولتاژی عمل می‌کنند که دو حالت روشن (ON) و خاموش (OFF) دارند. این عملکرد دیجیتال، آن‌ها را به ابزاری ایده‌آل برای ساخت گیت های منطقی مانند NAND ، NOR و NOT تبدیل کرده است.

تکنولوژی CMOS مهم‌ترین کاربرد ماسفت در مدارهای دیجیتال است. در این فناوری، یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS به صورت مکمل در کنار هم قرار می‌گیرند. این مکمل بودن باعث می‌شود که در هر لحظه، تنها یکی از آن‌ها روشن و دیگری خاموش باشد . همین ویژگی منحصربه‌فرد، سبب می‌شود در حالت‌های پایدار (روشن یا خاموش)، جریان بسیار ناچیزی از مدار عبور کند که به مصرف توان فوق‌العاده پایین منجر می‌شود. به همین دلیل، CMOS به فناوری اصلی در ساخت ریزپردازنده‌های مدرن تبدیل شده است.

ماسفت در مدارهای آنالوگ(تقویت‌کننده سیگنال) :

ماسفت‌ها علاوه بر نقش کلید، می‌توانند به‌عنوان یک تقویت‌کننده نیز عمل کنند. در مدارهای آنالوگ، این قطعه در ناحیه‌ای خاص به نام منطقه اشباع (Saturation Region) کار می‌کند و مانند یک مقاومت کنترل‌شونده با ولتاژ عمل می‌نماید.

با تغییر ولتاژ گیت، مقاومت کانال تغییر کرده و این تغییر، جریان عبوری از ماسفت را کنترل می‌کند. با اعمال یک سیگنال آنالوگ کوچک به گیت، می‌توان یک جریان بزرگ‌تر را در خروجی کنترل کرد که منجر به تقویت سیگنال می‌شود. این ویژگی در طراحی تقویت‌کننده‌های صوتی، تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op-Amps) و مدارهای منبع جریان استفاده می‌شود. امپدانس ورودی بسیار بالای ماسفت در این کاربردها یک مزیت بزرگ محسوب می‌شود، زیرا بار کمی به منبع ورودی تحمیل می‌کند.

نتیجه‌گیری :

ماسفت به دلیل دو نقش مهم خود، کلید دیجیتال و تقویت‌کننده آنالوگ و همچنین ویژگی‌هایی مانند مصرف توان پایین، قابلیت مقیاس‌پذیری و امپدانس ورودی بالا، به مهم‌ترین عنصر در دنیای الکترونیک تبدیل شده است. این قطعه کوچک، از ساده‌ترین مدارها گرفته تا پیچیده‌ترین پردازنده‌های جهان، انقلابی در فناوری ایجاد کرده و به طور مداوم در حال پیشرفت است تا نیازهای آینده فناوری را برآورده سازد.