اقرأ في هذا المقال
- ما هي دائرة موسفت الرقمية MOSFET
- أساسيات دائرة MOSFET
- كيفية عمل دائرة MOSFET
- تطبيقات واستخدامات دائرة MOSFET
معظم التطبيقات الشائعة لجهاز “MOS” رقمية مثل البوابات المنطقية والمسجلات أو صفائف الذاكرة، كما إنّ وجود سعات طفيلية من البوابة إلى المصدر ومن البوابة إلى المصدر، والركيزة الإضافية تجعل دوائر “MOSFET” أبطأ من الدوائر ثنائية القطب المقابلة.
ما هي دائرة موسفت الرقمية MOSFET
دائرة موسفت الرقمية “MOSFET”: هو جهاز رباعي الأطراف له مصدر “S” وبوابة “G” واستنزاف “D” وجسم “B” أطراف، كما يرتبط جسم “MOSFET” بطرف المصدر ممّا يشكل جهازاً ثلاثي الأطراف مثل ترانزستور تأثير المجال، وتعتبر “MOSFET” عموماً بمثابة ترانزستور وتستخدم في كل من الدوائر التماثلية والرقمية.
تتمتع أجهزة “MOS” بمزايا تبديد الطاقة المنخفض وكثافة التصنيع العالية، ومن ثم فإنّ أجهزة “MOS” شائعة الاستخدام للتطبيقات منخفضة السرعة، وبالتالي يتم استخدام الدوائر “MOSFET” بشكل شائع كعواكس وبوابة “NAND” وبوابة “NOR”.
- “MOSFET” هي اختصار لـ “metal-oxide semiconductor field-effect transistor”.
أساسيات دائرة MOSFET
تقوم وظيفة “MOSFET” على التغيرات الكهربائية “electrical changes” التي تتشكل في عرض القناة جنباً إلى جنب مع تدفق الموجات الحاملة إمّا ثقوباً أو إلكترونات، كما تدخل حاملات الشحن إلى القناة عبر طرف المصدر وتخرج عبر المصرف.
كما يتم التحكم في عرض القناة من خلال الجهد على قطب كهربائي يسمى البوابة ويقع بين المصدر والمنتج، وإنّه معزول عن القناة بالقرب من طبقة رقيقة جداً من “CMOS” وتُعد سعة “MOS” الموجودة في الجهاز هي القسم الحاسم، حيث تكون العملية بأكملها عبر هذا الجهاز.
كيفية عمل دائرة MOSFET
تتميز “MOSFETs” بثلاثة دبابيس وهي المصدر والبوابة والصرف، وإنّهم يتحكمون بشكل فعال في التيار الكهربائي المتدفق بين ملامسات المصدر والصرف مع تطبيق الجهد عبر البوابة، ويمكنك المطالبة بظهور أو اختفاء قناة كهربائية عن طريق تغيير الجهد الكهربائي.
كما يتيح ذلك تشغيل الجهاز الكهربائي أو إيقاف تشغيله، ويسمح استخدام أشباه الموصلات بفصل أنواع الشوائب المختلفة، وهذا يعني أنّه يمكن عزل الشحنات ذات العلامات المختلفة بشكل فعال ويمكن إنشاء حواجز تمنع تدفق الشحنة من منطقة إلى أخرى.
سيؤدي نقل التيار من البوابة إلى محطات المصدر إلى تدفق التيار من الصرف إلى دبابيس المصدر، ومن الناحية المثالية ستكون مقاومة مصدر التصريف عالية جداً، وعندما لا يكون هناك تدفق للتيار ومنخفض عند نقل التيار، ومع ذلك يجب أن تدرك أنّ “MOSFETs” المكتملة بالميكروكونترولر، وقد تتطلب “10 فرقاً” – “15 فرقاً” في احتمال مصدر البوابة لأدنى مستوى لمقاومة مصدر التصريف مع متحكم يعمل على “5 فولت” أو “3.3 فولت”.
تتميز دبابيس مصدر بوابة “MOSFET” بسعة تمنع التبديل السريع بين الحالات، وسيكون التيار العالي ضرورياً للتغيير السريع بين الجهد على السعة الداخلية، كما يجب أن يطالب بالتبديل التلقائي بين التغيير أي المصدر والتفريغ أي الحوض.
سيؤدي التغيير في الجهد المطبق على البوابة إلى تبديل متزامن في المقاومة من الصرف إلى المصدر وسوف تتوافق مستويات الجهد بشكل مباشر مع مستويات المقاومة، حيث تم تصميم وحدات ترشيد الطاقة “MOSFETs” خصيصاً للتطبيقات التي تتضمن توليد مستويات طاقة عالية.
تطبيقات واستخدامات دائرة MOSFET
إنّ “MOSFET” هو جهاز يستخدم لتبديل أو تضخيم الإشارات الكهربائية ويتم التأكد من ذلك من خلال تغيير الموصلية بالنسبة لمستوى الجهد المطبق، والترانزستور “MOSFET” هو الترانزستور الأكثر انتشاراً في الدوائر الرقمية مع إمكانية دمج الملايين في شريحة ذاكرة أو معالج دقيق، ويتم تضمين ترانزستورات “MOSFET” بشكل شائع كمفاتيح دارة يتم التحكم فيها بالجهد ويُعتقد أنّ تطوير تقنيات مثل آلة حاسبة الجيب وساعة اليد الرقمية لم يكن ممكناً بدون “MOSFET”.
1- الدوائر المتكاملة MOS
الدوائر المتكاملة “MOS”: هو أكثر أنواع الترانزستور شيوعاً وهو ضروري للتشغيل الكهربائي لرقائق الدوائر المتكاملة “IC”، وإنّها لا تتطلب نفس سلسلة الخطوات مثل الترانزستورات ثنائية القطب لعزل تقاطع “PN” على رقاقة، ومع ذلك فهي تسمح بفصل سهل نسبياً.
2- دوائر CMOS
دوائر “CMOS”: هي شكل من أشكال التكنولوجيا المستخدمة لتطوير الدوائر المتكاملة، وتُستخدم هذه التقنية في تصنيع شرائح الدوائر المتكاملة “IC”، مثل المعالجات الدقيقة ووحدات التحكم الدقيقة وشرائح الذاكرة ودوائر المنطق الرقمية الأخرى، وهو أيضاً مكون أساسي في تطوير الدوائر التماثلية بما في ذلك مستشعرات الصور ومحولات البيانات ودوائر التردد اللاسلكي وأجهزة الإرسال المتكاملة للاتصالات الرقمية.
تشمل الخصائص الرئيسية لأجهزة “CMOS” مناعة عالية للضوضاء واستهلاك أقل للطاقة الساكنة، كما تنتج هذه الأجهزة قدراً ضئيلاً من الحرارة الزائدة، وعند مقارنتها بالأشكال البديلة للمنطق مثل منطق “NMOS” أو منطق الترانزستور وتسمح هذه الخصائص بدمج وظائف منطق الرقاقة عالية الكثافة.
- “NMOS” هي اختصار لـ ” N-type metal oxide semiconductor”.
- “CMOS” هي اختصار لـ “Complementary metal–oxide–semiconductor”.
- “IC” هي اختصار لـ “integrated Circuits”.
3- المفاتيح التماثلية
تفوق فوائد “MOSFETs” لتكامل الدوائر الرقمية بكثير تلك الخاصة بالتكامل التماثلي، ويختلف سلوك الترانزستور في كل حالة، ويمكن تشغيل أو إيقاف تشغيل الدوائر الرقمية بالكامل لمعظم الوقت ومستوى السرعة والشحن هما العاملان الأساسيان اللذان لهما تأثير على عملية التبديل، ويجب ضمان الوظيفة في المنطقة الانتقالية للدائرة التماثلية في حالة أنّ التغييرات الطفيفة “V” يمكن أن تغير تيار النواتج.
لا تزال الدوائر “MOSFET” مدمجة عبر مجموعة متنوعة من الدوائر التناظرية بسبب المزايا المرتبطة بها وتشمل هذه المزايا الموثوقية تيار البوابة الصفري ومقاومة ناتج عالية وقابلة للتعديل، وهناك أيضاً إمكانية لتغيير خصائص وأداء الدوائر التماثلية من خلال التعديلات على حجم “MOSFET”، وتُعد “MOSFETs” خياراً مفضلاً للمفاتيح بسبب تيار البوابة أي صفر وجهد إزاحة مصدر التصريف أي صفر.
4- إلكترونيات القوى
يتم استخدام الدوائر الترانزستورية الفائقة السرعة عبر مجموعة واسعة من إلكترونيات الطاقة وتم دمجها لحماية البطارية العكسية وتبديل الطاقة بين المصادر البديلة وتقليل الأحمال غير المطلوبة، وتشمل الميزات الرئيسية لدوائر “MOSFET” المدمجة الحجم الصغير والتيار العالي والحماية المتكاملة من التفريغ الكهروستاتيكي، ويعتبر تطوير تقنية “MOS “أيضاً أحد العوامل الرئيسية المساهمة في تكامل عرض النطاق الترددي للشبكة في شبكات الاتصالات.
5- ذاكرة MOS
سمح تطوير “MOSFET” بالاستخدام المريح لترانزستورات “MOS” لتخزين خلايا الذاكرة، وتُعد تقنية “MOS” أحد المكونات الرئيسية لذاكرة عشوائية ذات وصول ديناميكي “DRAM”، وإنه يوفر مستويات أعلى من الأداء ويستهلك أقل قدر من الطاقة وبأسعار معقولة نسبياً عند مقارنته بالذاكرة الأساسية المغناطيسية.
- “DRAM” هي اختصار لـ “Dynamic random-access memory”.
6- مستشعرات MOSFET
تُستخدم مستشعرات “MOSFET” بشكل شائع في قياس المعلمات الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية والبيئية، ويتم دمجها في الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة وذلك أساساً لأنّها تسمح بالتفاعل ومعالجة عناصر مثل المواد الكيميائية والضوء والحركة، وتحتوي تقنية “MOS” أيضاً على تطبيقات لاستشعار الصور وهي مناسبة للتكامل في الأجهزة المقترنة بالشحن وأجهزة استشعار البكسل النشطة.
7- فيزياء الكم
إن ترانزستور تأثير المجال الكمي “QFET” وترانزستور تأثير حقل البئر الكمي “QWFET” كلاهما نوعان من “MOSFET” يستخدمان النفق الكمومي لزيادة سرعة تشغيل الترانزستور، ويتم تحقيق ذلك من خلال القضاء على منطقة التوصيل الإلكتروني التي تؤدي إلى تباطؤ كبير في الناقلات، ويعتمد تشغيل هذه الأجهزة الكمومية على عملية المعالجة الحرارية السريعة “RTP” باستخدام طبقات دقيقة للغاية من مواد البناء.
- “RTP” هي اختصار لـ “Real-time Transport Protocol”.
- “QFET” هي اختصار لـ “Quantum Field Effect Transistor”.
- “QWFET” هي اختصار لـ “quantum well field effect transistor”.
