มอสเฟต ( MOSFET)
มอสเฟตจะแบงออกเปน 2 ชนิด ก็คือ ดีพลีชั่น (Depletion) และ เอนฮานซเมนต (Enhancement) แตละ
ประเภท ยังแบงออกเปน 2 แบบ คือ แบบแชนแนล n และ แบบแชนแนล p
มอสเฟตประเภท ดีพลีชั่นหรือดีมอสเฟต (D-MOSFET) ทั้ง 2 แบบจะทํางานได 2 โหมด คือ โหมดดี
พลีชั่น ( Depletion Mode) และ โหมดเอนฮานซเมนต ( Enhancement Mode) กลาวคือ ถาจายแรงดันลบ
ใหกับดีมอสเฟต แชนแนล n จะทํางานในโหมดดีพลีชั่น แตถาจายแรงดันบวกจะทํางานในโหมดเอน
ฮานซเมนต สวนดีมอสเฟตแชนแนล p ก็จะทํางานคลายกันเมื่อ ไดรับแรงดันที่มีขั้วตรงขามกับแบบ
แชนแนล n
มอสเฟตประเภทเอนฮานซเมนตหรืออีมอสเฟต (E-MOSFET) มีโครงสรางบางอยางคลายกับมอสเฟต
แบบดีพลีชั่น แตจะทํางานไดเฉพาะโหมดเอนฮานซเมนตเทานั้นครับ
ดีมอสเฟตแบงออกเปน 2 ประเภท คือ
1. ดีมอสเฟตแบบแชนแนล n
2. ดีมอสเฟตแบบแชนแนล p
สัญลักษณของ ดีมอสเฟต
ดีมอสเฟตแบบแชนแนล n
โครงสรางของดีมอสเฟตแบบแชนแนล n เปนดังรูป
ดีมอสเฟตแบบแชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผนผลีกฐาน p (p-substrate) ที่เปนสารกึ่งตัวนําทําจาก
ซิลิกอนขั้ว D และขั้ว S ตอกับบริเวณที่มีการกระตุนหรือโดปใหเปนบริเวณสารกึ่งตัวนํา n (n-doped
region) ทั้งสองสวนนี้จะเชื่อม กับแชนแนล n สําหรับขั้ว G จะตอกับวัสดุผิวนอกที่เปนโลหะโดยมี
ซิลิคอนไดออกไซด ( SiO 2 ) กั้นแชนแนล n กับขั้ว G ( ซิลิคอนได ออกไซดเปนฉนวนประเภทได
อิเลคทริค) เมื่อมีสนามไฟฟาจายเขามาที่ชั้นของ SiO 2 ก็จะสรางสนามไฟฟา ตานและสรางชั้นฉนวน
ขึ้นภายในตัวเองเพื่อกั้นขั้วเกทกับแชนแนล แสดงวา ไมมีการตอโดยตรงระหวางขั้ว G กับ แชนแนล
ของมอสเฟต ขั้นที่เปนฉนวน SiO 2 จะทําให Z i มีคาสูงตามความตองการได
นอกจากนี้บางครั้งจะตอแผนผลึกจากฐานเขากับแหลงจายจึงมีขั้วเพิ่มขึ้นมาเรียกวา ขั้วผลึกฐาน SS
(Substrat : SS) ทําใหมี ขั้วเพิ่มเปน 4 ขั้ว และจากขางตน จึงสรุปความหมายของคําวา MOS ในชื่อมอ
สเฟต ( ทรานซิสเตอรสนามไฟฟา โลหะออกไซดสารกึ่งตัวนํา) ไดดังนี้
- โลหะ ( Metal, M) หมายถึง บริเวณสําหรับการตอขั้ว D, S และ G กับวัสดุผิวนอก
- ออกไซด ( Oxide, O) หมายถึง ซิลิคอนไดออกไซด ( SiO 2 )
- สารกึ่งตัวนํา ( Semiconductor, S) หมายถึง โครงสรางพื้นฐานในบริเวณแพรกระจาย
ของสารกึ่งตัวนําชนิด p และสารกึ่ง ตัวนําชนิด n
การทํางานและคุณสมบัติเบื้องตนของดีมอสเฟต ( Basic Operation and Characteristies)
กําหนดให V GS ในรูป ( a) มีคาเปนศูนย แลวจาย V D ที่ขั้ว D และ S ขั้ว D สามารถดึงดูด
อิเล็กตรอนอิสระ( e) ผานแชนแนล n และทําใหกระแส I D = I S = I DSS ไหลผานแชนแนล n ได (
คลายกับการไหลของกระแสไฟฟา ในแชนแนลของเจเฟทขณะ V GS = 0 V)
ถาจาย VGS ที่มีคาเปนลบใหกับขั้วเกท (รูป b) เชน -1 V ความตางศักยที่ขั้วเกทจะผลักดันให
อิเลคตรอนอิสระเคลื่อน ไปยัง แผนผลึกฐาน p และดึงดูดโ ? ลจากแผนผลึกฐาน p ทําใหอิเลคตรอน
และโ ? ลรวมตัวกันใหม (Recombination Process) จึงเกิดการลดจํานวน อิเลคตรอนอิสระในแชนแนล
n ที่มีไวสําหรับการนํากระแส เมื่อมีคา V GS เปนลบมาก เทาใดก็จะเกิดการรวมตัวกันใหมมากขึ้น
เทานั้นและ อิเลคตรอนอิสระที่แชนแนล n ก็จะมีจํานวนลดลง จึงกลาวไดวาถา V GS เปนลบมากขึ้น I
D จะมีคานอยลง เขียนเปนเคอรฟคุณลักษณะได ดังรูปตอไปนี้ การทํางานขณะ VGS เปนลบนี้ เรา
เรียกวา การทํางานในโหมดดีพลีชั่น
ถาจาย V GS ที่มีคาเปนบวกใหกับขั้วเกทความตางศักยที่ขั้วเกทจะดึงดูดอิเลคตรอนจากผลึกฐาน p
มายังบริเวณ ชั้น SiO 2 ทําใหพาหะนํากระแสและสภาพนํากระแสของแชนแนลเพิ่มขี้น ดังนั้นกระแส I
D จึงเพิ่มขึ้นจนมีคามากกวา I DSS การทํางานขณะ V GS เปนบวกนี้เราเรียกวา การทํางานในโหมดเอน
ฮานซเมนต
ดีมอสเฟตแบบแชนแนล p
โครงสรางของดีมอสเฟตแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงขามกับรูปของดีมอสเฟตแบบแชนแนล n คือ
ประกอบดวย แผนผลึก ฐาน n และแชนแนล p ดังรูป
จากการเปรียบเทียบคุณลักษณะของดีมอสเฟตแบบแชนแนล n กับดีมอสเฟตแบบแชนแนล p ( ตามรูป
b และ c) เราพบวา
ทิศทางของกระแสขั้วแรงดันตาง ๆ กลับกันทําใหคุณลักษณะกลับกันดวย I D จะเริ่มเพิ่มขึ้นจากจุด
Cutoff ที่ V GS = V p และขณะที่ V GS มี คาเปนบวกลดลง I D จะเพิ่มขี้นจนถึง I GSS และเพิ่มอยาง
ตอเนื่องจนเลยคา I GSS เมื่อ V GS มีคาเปนลบเพิ่มขี้นยังคงใชสมการของชอคเลย ไดแต ควรระวัง
เครื่องหมาย V GS และ V p ในสมการใหถูกตอง ( คือจะตองมีเครื่องหมายเปนบวก)
สัญลักษณของดีมอสเฟต ( Symbols)
สัญลักษณของดีมอสเฟตแบบแชนแนล n และ p เปนดังรูป
ถาสังเกตุใหดีจะเห็นวา สัญลักษณสื่อความหมายถึงโครงสรางแทจริงของอุปกรณ ชองวาง
ระหวางขั้ว G กับขั้ว D
( ที่ตอกับขั้ว S) แสดงวาไมมีการตอกันโดยตรงระหวางขั้วทั้งสามเนื่องจากมีฉนวนกันที่ขั้ว G สวนขั้ว
ผลึกฐาน SS ใน มอสเฟต บางครั้งมี บางครั้งไมมี จึงเขียนสัญลักษณไดทั้ง 2 แบบ คือ กรณีที่มีขั้ว SS
และในกรณีไมมีขั้ว SS ในการ วิเคราะหลําดับตอไปมัก จะไมมีขั้ว SS ดังนั้น สัญลักษณที่อยูขางลาง
จะเปนสัญลักษณที่ใชทั่ว ๆ ไป
แมวาโครงสรางและขอบเขตการทํางานของ ดีมอสเฟตกับอีมอสเฟตจะมีลักษณะคลายกันอยูบางนะ
ครับ แตเคอรฟ คุณลักษณะของอีมอสเฟตจะแตกตางออกไปโดยสิ้นเชิง กลาวคือไมสามารถนําสมการ
ของชอคเลยมาเขียนเคอรฟถายโอนของอีมอสเฟตได และกระแส I D ยังไมเกิดขึ้นจนกระทั่ง V GS มี
คาสูงถึงคาเฉพาะคําหนึ่ง
อีมอสเฟตแบงออกเปน 2 ประเภทคือ
1. อีมอสเฟตแบบแชนแนล n
2. อีมอสเฟตแบบแชนแนล p
สัญลักษณของ อีมอสเฟต
อีมอสเฟทแบบแชนแนล n
โครงสรางของอีมอสเฟตแบบเชนแนล n เปนดังรูป
อีมอสเฟตแบบเชนแนล n ประกอบขึ้นจากแผนผลึกฐาน p ที่เปนสารกึ่งตัวนําทําจากซิลิคอน ขั้ว
D และขั้ว S ตอกับ บริเวณที่มีการกระตุน n โดยผานวัสดุผิวนอกที่เปนโลหะ นอกจากนี้บางครั้งจะตอ
แผนผลึกฐาน p เขากับแหลงจาย จึง มีขั้ว SS เพิ่มขึ้นมาคลายกับดีมอสเฟต
ถาสังเกตรูป ใหดีจะเห็นไดวาไมมีเสนทางเชื่อมหรือไมมีแชนแนล ( no-channel) ระหวางบริเวณ
ที่มีการกระตุน n
ทั้ง 2 แหง นี่คือความแตกตางเบื้องตนระหวางโครงสรางของอีมอสเฟตและดีมอสเฟต
การทํางานและลักษณเบื้องตนของอีมอสเฟต
กําหนดให V GS = 0V และจาย V DS ที่มีคาเปนบวกใหกับขั้ว S กับขั้ว D โดยขั้ว SS ตอรวมกับขั้ว S
ดังรูปจะเกิดจาก ไบอัสกลับที่รอยตอ p-n ( บริเวณที่มีการกระตุน n กับผลึกฐาน p) [ เนื่องจากไมมี
เสนทางเชื่อม หรือ แชนแนลระหวางขั้ว D และขั้ว S ทําใหเกิดการตานการไหลของอิเล็กตรอน] กระแส
ID=0 แตกตางจาก ดีมอสเฟตและเจเฟทซึ่งมี I D =I DSS
ถาจาย V DS และ V GS ที่มีคาเปนบวกดังรูป ทําใหขั้ว D และขั้ว G มีความตางศักยเปนบวกการที่
ขั้ว G มีความ ตางศักยเปน บวกนี้จะผลักดันใหโ ? ลในผลึกฐาน p เขาไปสูบริเวณภายในผลึกฐาน p
และดึงดูดอิเล็กตรอนในผลึก ฐาน p ( เปน พาหะขางนอยรวมตัว อยูในบริเวณใกลกับผิวของ SiO 2 )
ซึ่งมีคุณลัษณะเปนฉนวนและปองกันอิเล็กตรอนไมให ดึงดูด ไปยังขั้วเกท
ขณะที่ V GS เพิ่มขึ้น การรวมตัวของอิเล็กตรอนใกลกับชั้นของ SiO 2 ก็เพิ่มมากขึ้นตามลําดับ
ขณะเดียวกันบริเวณ ที่มีการ กระตุน n เกิดการเหนี่ยวนําจากแรงดัง V GS ทําใหมีอิเล็กตรอนหรือ ID (
มีทิศทางตรงขามกับอิเล็กตรอน) ไหลระหวาง ขั้ว D กับขั้ว S ระดับ V GS ทําให ID ไหลเราเรียกวา
แรงดันเธรสโ ? ลด ( Threshold Voltage;V T ) ในสเปคกําหนดให V T เปน V GS(Th)
ถาเพิ่ม V GS ใหสูงขึ้น I D ก็จะเพิ่มขึ้นดวย แตถา V GS มีคาคงที่ และ เพิ่มคา V DS จะทําให I D
ถึงจุดอิ่มตัว (เชน เดียวกับดีมอสเฟต) เนื่องจากขั้วบวกของ V DS ดึงดูดอิเลคตรอน จึงจะทําใหปลาย
ของชองทางเหนี่ยวนําบริเวณใกลขั้ว D แคบลง ใกลระดับพินชออฟ [ Pinch-Off (Begining)] ดังรูป ( a)
เมื่อนํา KVL มารวมพิจารณา จะไดแรงดันไฟฟาระหวาง ขั้ว D กับขั้ว G (V DG ) ดังนี้
V DG = V DS - V GS ——————– สมการที่ 1
ถากําหนดให V GS = 8 V และ V DS = 2 V ก็จะได V DG = -6 V แตถาเพิ่ม V GS เปน 5 V คา V
DG จะเปน - 3 V ( ตาม (สมการที่ 1 ) การลดลงของ V DG ทําใหแรงดึงดูด ( จากขั้วบวกของ V DS ) ที่
มีตออิเลคตรอนอิสระในบริเวณ ชองทางเหนี่ยวนําลดลง ดวย ทําใหชองทางเหนี่ยวนําแคบลง ถา
ความกวางของชองทางดังกลาวลดลงเรี่อย ๆ จน กระทั่งถึงจุดพินชออฟ ID ก็จะถึงจุดอิ่มตัว ดังที่ได
อธิบายในดีมอสเฟต
คุณลักษณะของขั้วเครนของมอสเฟตใน รูป ( a) เปนดังรูป ( b) ขณะ V T = 2 V ที่ V GS = 8
V ทําใหเกิด
V DS อิ่มตัว (V DSsat ) = 6 V ทําใหไดความสัมพันธระหวาง V DSsat กับ V GS ดังนี้
V DSsat = V GS - V T ———————– สมการที่ 2
สมการที่ 2 ทําใหทราบวา เมื่อ V T คงที่และ V GS ยิ่งสูงขึ้นเทาใด V DSsat ก็ยิ่งสูงขึ้นเทานั้น
ในรูป ( b) ขณะที่ V T เปน 2 V ณ ตําแหนงนี้ I D = 0 mA ดังนั้นจึงทําใหทราบวา ถา V GS มีคาต่ํา
กวา V T คา I D ของ อีมอสเฟตจะเปนศูนยหรือไมมีกระแสไหลนั่นเอง
ถาคา V GS เพิ่มขึ้นจาก V T เปน 8 V จะทําใหระดับการอิ่มตัวของ I D เพิ่มขึ้นจาก 0 mA เปน 10
mA แตเนื่องจาก ชวง ของเคอรฟ V GS มีระยะหางไมเทากัน ดังนั้น I D ที่เพิ่มขึ้น จึงมีความสัมพันธกับ
V GS ในลักษณะไมเปนเชิงเสน ดังสมการตอไปนี้
I D = k ( V GS - V T ) 2 ———————— สมการที่ 3
เมื่อ k เปนคาคงที่ของโครงสรางอีมอสเฟต ซึ่งหาคาไดจาก
k = I D(on) / ( V GS(on) - V T ) 2 ——————– สมการที่ 4
เมื่อ ID(on) และ VGS(on) เปนกระแสและแรงดันที่ทําใหเกิดจุดเฉพาะบนเคอรฟคุณลักษณะของ
มอสเฟต
สมมติแทนคา ID(on) = 10 mA ขณะ VGS = 8 V ลงในสมการที่ 4 จะได k = 0.278 * 10 -3 A/V 2
แทนคา k ในสมการที่ 3 เพื่อหาคา I D สําหรับคุณลักษณะในรูป ( b) โดยสมมติ V GS = 4 V จะได I
D = 1.11 mA
สําหรับการวิเคราะหไฟฟากระแสตรงของอีมอสเฟต จะใชคุณลักษณะถายโอนดังรูปตอไปนี้ในการ
แกปญหา
เคอรฟถายโอนในรูป แตกตางจากเคอรฟถายโอนที่กลาวในตอนตน ๆ เพราะวาอีมอสเฟตแบบ
แชนแนล n จะมี ID
เพิ่มขึ้นไมไดจนกวา V GS = V T สมมติวาเราจะเขียนเคอรฟถายโอนที่มี k = 0.5*10 -3 A/V 2 และ
V T = 4 V เมื่อนําสมการที่ 3 มารวม พิจารณา จะได
I D = 0.5*10 -3 ( V GS - 4 V ) 2
อีมอสเฟตแบบแชนแนล p
โครงสรางของอีมอสเฟตแบบแชนแนล p มีลักษณะตรงขามกับแบบแชนแนล n
กลาวคือ ขั้ว D และขั้ว S ตอกับผลึกฐาน n และบริเวณที่มีการกระตุน p(p-doped regions) แตขั้วของ
แรงดันและ ทิศทาง กระแสตรงขามกับแบบแชนแนล n นอกจากนี้คุณลักษณะของเคอรฟถายโอน ก็จะ
แสดงคาที่ดานตรงขาม
สัญลักษณของอีมอสเฟต ( Symbol)
สัญสักษณของอีมอสเฟตแบบแชนแนล p และแชนแนล n เปนดังรูป
จะเห็นไดวาสัญลักษณแสดงโครงสรางแทจริงของอุปกรณเสนประเชื่อมระหวางขั้ว D กับ ขั้ว S
แสดงวาไมมี
แชนแนลระหวางขั้วทั้งสอง ( ขณะไมไดรับการไบอัส)ซึ่งเปนความแตกตางประการเดียวระหวาง
สัญลักษณของ ดีมอสเฟตกับอีมอสเฟต