ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์ (Field Effect Transistor)

ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์ (Field Effect Transistor)

  ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์ หรือ เฟท เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดพิเศษที่ทำงานแบบยูนิโพลาร์ (Uni-polar) ซึ่งต่างจากทรานซิสเตอร์ธรรมดาที่เป็นอุปกรณ์ไบโพลาร์ (Bi-polar) กระแสที่เกิดขึ้นของทรานซิสเตอร์ธรรมดาได้มาจากการทำงานโดยการแลกเปลี่ยนระหว่างโฮลกับอิเล็กตรอน ส่วนเฟททำงานโดยให้กระแสไหลทางเดียวเท่านั้นเอง เราจึงเรียกว่าเฟทเป็น อุปกรณ์ยูนิโพลาร์

                ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์เป็นที่นิยมแพร่หลายกันในปัจจุบันเนื่องจากว่าเฟทมีคุณสมบัติคล้ายกับหลอดสุญญากาศ คือ ทำงานโดยจะใช้แรงเคลื่อนไฟฟ้าทางอินพุทไปควบคุมกระแสทางด้านเอาท์พุท ผิดกับทรานซิสเตอร์ธรรมดาที่ใช้กระแสควบคุมกระแส ดังนั้นทรานซิสเตอร์จึงมีอินพุทอิมพีแดนซ์อยู่ในระดับกลางเท่านั้น ในขณะที่เฟทมีอินพุทอิมพีแดนซ์สูงมากทำให้มีข้อดีต่อวงจรขยายเสียงเป็นอย่างมาก วงจรขยายเสียงในปัจจุบันถ้าต้องการคุณภาพจึงหันมาเลือกใช้เฟท (FET)

                การทำงานของ ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์หรือเฟท อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงสนามไฟฟ้า (Field) โดยใช้แรงเคลื่อนสนามไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยเป็นตัวควบคุม สิ่งนี้เองที่ทำให้สิ่งประดิษฐ์สารกึ่งตัวนำชนิดนี้ถูกเรียกว่า “ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์”

                ฟิลด์เอฟเฟคทรานซิสเตอร์หรือเฟท สามารถแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ

1.       เจเฟท (J-FET) เป็นทรานซิสเตอร์ที่ประกอบมาจากหัวต่อ P-N การทำงานของเฟทชนิดนี้จะใช้หลักการพองตัวของสนามไฟฟ้าในรูปของดีพลีชั่นตรงช่วงรอยต่อ พี-เอ็น

2.       มอสเฟท (MOS-FET) เป็นเฟทที่มีโครงสร้างแตกต่างไปจากเจเฟท เพราะที่ขาเกตจะมีฉนวนกั้น การทำงานจะใช้การเหนี่ยวนำของสนามไฟฟ้าแทนที่จะใช้การพองตัวของดีพลีชั่นโดยตรง

1. โครงสร้างทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าชนิดรอยต่อเจเฟต

                เจเฟต (Junction Field Effect Transistor) เมื่อพิจารณาคามโครงสร้างดังรูปที่ 1 จะพบว่าเจเฟตมี 2 ชนิด คือ เจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล ดังรูปที่1  ก. และชนิด พีแชนแนล ดังรูปที่ 1  ข. เจเฟตนั้นมีขาต่อใช้งาน 3 ขา คือ ขาเดรน (D) ขาเกต (G) และขาซอร์ส (S) เจเฟตชนิดเอ็นแชนแนลชิ้นสารชนิดเอ็นจะเป็นขาเดรนและขาซอร์ส สำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิดพี ดังรูปที่1  ก. ส่วนเจเฟตชนิดพีแชนแนลนั้น ขาเดรนและขาซอร์สจะเป็นชิ้นสารชนิดพี สำหรับขาเกตจะเป็นชิ้นสารชนิดเอ็น ดังรูปที่1  ข.

รูปที่ 1  แสดงโครงสร้างเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนลและชนิดพีแชนแนล

2. การจัดไบอัสให้เจเฟต

                เมื่อป้อนแรงดันไบอัสที่ขาเดรนและขาซอร์สโดยแหล่งจ่าย V_DD ให้ขั้วบวกกับขาเดรน (D) และขั้วลบกับขาซอร์ส (S) ส่วนขาเกต (G) กับขาซอร์ส (S) จะให้ไบอัสกลับซึ่งเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล ขาเกตเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดพี (P-Type) ดังนั้นแรงดันไบอัสที่ขาเกต V_GG ต้องให้ไฟลบกับขาเกตและไฟบวกกับขาซอร์สดังรูปที่ 2

                                                                                                                       รูปที่ 2 แสดงการไบอัสเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนล

เมื่อให้ไบอัสกลับที่ขาเกตเมื่อเทียบกับขาซอร์ส (V_GS) จะเกิดสนามไฟฟ้าที่รอยต่อพี – เอ็น ทั้งสองด้านขึ้นทำให้ช่องทางเดินของกระแสในสารเอ็น (เนื้อสารส่วนใหญ่) ระหว่างขาเดรนกับขาซอร์สแคบลง กระแสเดรน (I_D)  จะไหลจากขาเดรนไปสู่ขาซอร์สได้จำนวนหนึ่ง

ถ้าปรับค่าแรงดันระหว่างขาเกตกับขาซอร์ส (V_GS) ให้มีค่าไบอัสกลับน้อยลงจะทำให้ช่องทางเดินของกระแสระหว่างขาเดรนกับขาซอร์สมีขนาดกว้างขึ้น ทำให้กระแสเดรนไหลได้สะดวกและมากขึ้น จากสภาวะดังกล่าวทำให้สามารถควบคุมปริมาณกระแสเดรน (I_D) จะไหลผ่านเจเฟตได้ โดยการควบคุมแรงดันไบอัสกลับที่ขาเกตกับขาซอร์สของเจเฟต

3. สัญลักษณ์ของเจเฟต

                สัญลักษณ์ของเจเฟตชนิดเอ็นแชนแนลนั้น หัวลูกศรที่ขาเกตจะชี้เข้า แต่ชนิดพีแชนแนล หัวลูกศรที่ขาเกตจะชี้ออก แสดงในรูปที่ 3

                    รูปที่ 3 แสดงสัญลักษณ์ของเจเฟตชนิด N-Channel และ P-Channel

4. ลักษณะสมบัติของเจเฟต

                ลักษณะสมบัติของเจเฟตให้พิจารณาในรูปที่ 4  เมื่อเจเฟตเป็น N-Channel โดยให้ขา D มีศักย์สูงกว่าขา S และสำหรับเจเฟตชนิด P-Channel ให้ขา D มีศักย์ต่ำกว่าขา S เมื่อขา G-S ให้ไบอัสกลับทำให้เกิดสนามไฟฟ้าขึ้นที่ช่อง (Channel) เป็นผลให้ความนำไฟฟ้าระหว่างขา D กับ S ลดลง กระแสเดรน I_D ก็มีค่าลดลง ถ้าไบอัสกลับที่ขา G-S มากขึ้นจนกระทั่งกระแสเดรนเท่ากับศูนย์พอดีค่าแรงดันไบอัสกลับนี้เรียกว่า “Pinch Off  Voltage” (V_P) หรือ V_GS(Off) และถ้าให้แรงดันที่ขา G-S ของเจเฟตให้มีค่า 0 โวลต์ (V_GS = 0 V) จะมีกระแสไหลผ่านเจเฟตคงที่ค่าหนึ่งเรียกว่ากระแส I_DSS ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 กราฟลักษณะสมบัติการโอนย้ายและลักษณะสมบัติด้านเดรนของเจเฟตชนิด N-Channel

                ในการห่าค่ากระแสเดรน I_D ย่านทำงานหรือย่านแอคทีฟ เมื่อแรงดันระหว่างเดรนกับซอร์ส V_DS คงที่ในแต่ละค่าที่พิจารณาหาได้จาก 

                                                I_DSS   =   กระแสอิ่มตัวระหว่างเดรนกับซอร์ส เมื่อ V_GS = 0

                                                V_GS    =   แรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส

                                                V_P       =   แรงดันพินออฟหรือแรงดันระหว่างเกตกับซอร์ส (V_{GS (Off)}) ที่ทำให้ I_D = 0

                ลักษณะสมบัติอีกอย่างหนึ่งเมื่อ V_GS คงที่ เพิ่มค่าแรงดัน V_DS ขึ้นเรื่อยๆ ก็จะทำให้กระแสเดรนเพิ่มขึ้น ซึ่งลักษณะสมบัตินี้ เจเฟตจะเหมือนกับตัวต้านทานคงที่ตัวหนึ่ง การทำงานในย่านนี้เรียกว่า “ย่านโอห์มมิก” แต่ถ้าเพิ่มค่าแรงดัน V_DS ขึ้นเรื่อยๆ ถึงจุดๆ หนึ่ง กระแสเดรน (I_D) จะไม่เพิ่มอีกหรือมีค่าคงที่ นั่นคือเจเฟตทำงานอยู่ในย่านอิ่มตัวค่าแรงดัน V_DS นี้เรียกว่า V_{DS (Sat)} สามารถหาได้จาก

5. เฟตชนิดออกไซด์ของโลหะ (มอสเฟต)

                มอสเฟตแตกต่างจากเจเฟตที่โครงสร้างภายในเจเฟตนั้น ระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นรอยต่อพี-เอ็นแต่มอสเฟตนั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแสมีโครงสร้างเป็นชั้นของซิลิกอนไดออกไซด์ มอสเฟตมี 2 ชนิดคือ มอสเฟตดีพลีชั่นและมอสเฟตเอ็นฮานซ์เมนต์

6.มอสเฟตชนิดดีพลีชั่น

                โครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟตแสดงดังรูปที่ 5 ถ้าเป็นชนิดเอ็นแชนแนลช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สจะเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดเอ็นและมีวัสดุรองฐานเป็นสารกึ่งตัวนำชนิดตรงข้าม ดังรูปที่ 5 ก. สำหรับดีมอสเฟตชนิดพีแชนแนล จะมีช่องทางเดินกระแสระหว่างเดรนและซอร์สเป็นสารชนิดพีและมีวัสดุรองเป็นสารชนิดเอ็น ดังรูปที่ 5 ข. และมีเกตติดอยู่ระหว่างช่องทางเดินกระแสโดยมีซิลิกอนไดออกไซด์เป็นฉนวนกั้นระหว่างเกตกับช่องทางเดินกระแส

                เนื่องจากดีมอสเฟตทำงานได้ใน 2 ลักษณะคือ ดีพลีชั่นโหมดด้วยการควบคุมกระแสเดรนด้วยแรงดันเกตที่เป็นลบและเอ็นฮานซ์เมนต์โหมด โดยการใช้แรงดันเกตที่เป็นบวกควบคุมการไหลของกระแสเดรน

                                                                                    

                                                                        ก.                                                                        ข.

รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างพื้นฐานของดีมอสเฟต

7. เอนฮานซ์เมนต์โหมด

                คือการไบอัสเกตของดีมอสเฟตด้วยแรงดันบวก ดังรูปที่ 6 ก. จะเห็นว่าเกตของดีมอสเฟตจะได้รับประจุบวกจากแหล่งจ่าย V_GG ทำให้ในแชนแนลของดีมอสเฟตเป็นประจุลบ ทำให้ช่องทางเดินกระแสระหว่างแดรนกับซอร์สไม่มีประจุชนิดตรงกันข้ามกับแชนแนลคอยบีบแชนแนลให้แคบลงทำให้กระแสเดรนไหลได้น้อยลง เพราะประจุลบในแขนแนลมีค่าลดลงเป็นศูนย์ สัญลักษณ์ของดีมอสเฟตทั้งชนิดเอ็นแชนแนลและชนิดพีแชนแนลดังรูปที่ 6

                                                           ก.                                                             ข.

รูปที่ 6 แสดงสัญลักษณ์ของดีมอสเฟต N-Channel และ P-Channel

8. คุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟต

                กราฟคุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟตชนิดเอ็นแชนแนลและพีแชนแนล แสดงดังรูปที่ 7 ก.,ข. ตามลำดับที่จุด V_GS = 0 V ของกราฟจะได้ค่าของ I_D = I_DSS และเมื่อ I_D = 0 V จะได้ค่า V_{GS (Off)} จะเป็นกรณีเอ็นแชนแนล, V_{GS (Off)} = -V_GS และกรณีพีแชนแนล , V_{GS (Off)} = + V_GS ดังรูปที่ 7

                                                                                                                  ก.                                                                ข.

รูปที่ 7 แสดงกราฟคุณลักษณะการถ่ายโอนของดีมอสเฟตทั้งสองชนิด

9. การวัดและทดสอบเจเฟตด้วยโอห์มมิเตอร์

             การตรวจสอบเจเฟตว่าดีหรือเสียด้วยใช้โอห์มมิเตอร์     กรณีที่รู้ตำแหน่งขาแล้วให้ตั้งตำแหน่งการวัดไปที่สเกล R x 10    เนื่องจากที่เกตและซอร์สและเกตกับเดรนเป็นรอยต่อพี-เอ็นเหมือนไดโอด     ดังนั้นถ้าวัดค่าความต้านทานที่เกตกับซอร์ส   หรือเกตกับเดรนครั้งหนึ่งแล้วกลับขั้วมิเตอร์    วัดที่ตำแหน่งเดิมอีกครั้งจะได้ค่าความต้านทานต่ำหนึ่งค่า   กับค่าความต้านทานสูงหนึ่งค่า    ถ้าวัดระหว่างซอร์สกับเดรนแล้วกลับขั้ววัดใหม่    อีกครั้งจะได้ค่าความต้านทานเท่ากันทั้งสองครั้ง    ถ้าวัดได้ตามนี้แสดงว่าเจเฟตยังใช้งานได้

             ในกรณีที่ไม่รู้ขาของเฟตและต้องการวัดหาขาของเฟตโดยไม่เปิดคู่มือโดยวิธี     การวัดขาเป็นคู่ๆ ( โดยใส่สเกล R x 10 เหมือน )     พร้อมทั้งกลับขั้วของมิเตอร์     ถ้าคู่ใดกลับขั้วแล้ววัดได้ค่าความต้านทานเท่ากัน 2 ครั้ง   ขาคู่นั้นคือ   ขาซอร์สกับเดรนโดยขาร่วมเป็นขาเกต     ถ้าขาร่วมเป็นศักย์ไฟบวกจากมิเตอร์    แสดงว่าเป็นแบบเอ็นแชนเนล     ถ้าขาร่วมเป็นศักย์ไฟลบจากมิเตอร์แสดงว่าเป็นแบบพีแชนเนล    แต่ไม่สามารถที่จะแยกได้ว่าขาใดเป็นขาซอร์สและขาเดรน     นอกจากจะเปิดดูจากหนังสือคู่มือหรือทดลองให้ไบอัส     สำหรับขาซอร์สและเดรนนี้เจเฟตบางดตัวอาจใช้สลับกันได้    แต่บางเบอร์ก็มีโครงสร้างที่ไม่สามารถทำเช่นนี้ได้