ในบรรดาทรานซิสเตอร์ประเภทต่างๆ ทรานซิสเตอร์ NMOS (N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor) ได้รับความนิยมอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติเฉพาะตัวและการใช้งานที่หลากหลาย ในคู่มือฉบับสมบูรณ์นี้ เราจะเจาะลึกโลกของทรานซิสเตอร์ NMOS โดยสำรวจโครงสร้าง สัญลักษณ์ หลักการทำงาน สมการกระแสไฟฟ้า และลักษณะเฉพาะของทรานซิสเตอร์

NMOS คืออะไร?

NMOS ย่อมาจาก "N-Channel Metal Oxide Semiconductor" หรือสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ชนิด N และทรานซิสเตอร์ที่มีโครงสร้างแบบนี้เรียกว่าทรานซิสเตอร์ NMOS ทรานซิสเตอร์ MOS แบ่งออกเป็นทรานซิสเตอร์ MOS ชนิด P และทรานซิสเตอร์ MOS ชนิด N วงจรรวมที่ประกอบด้วยหลอด MOS เรียกว่าวงจรรวม MOS วงจรที่ประกอบด้วย NMOS เรียกว่าวงจรรวม NMOS วงจรที่ประกอบด้วยหลอด PMOS เรียกว่าวงจรรวม PMOS วงจร MOS เสริมที่ประกอบด้วยหลอด NMOS และ PMOS เรียกว่า  วงจรCMOS

บทนำเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ NMOS

ทรานซิสเตอร์ NMOS ย่อมาจาก N-Type Metal-Oxide-Semiconductor Transistors เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในสาขาเทคโนโลยีสารกึ่งตัวนำ ขับเคลื่อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มากมายนับไม่ถ้วน ตั้งแต่วงจรที่เรียบง่ายที่สุดไปจนถึงไมโครโปรเซสเซอร์ที่ซับซ้อนที่สุด โดยพื้นฐานแล้ว ทรานซิสเตอร์ NMOS ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของวัสดุสารกึ่งตัวนำชนิด n ซึ่งเป็นซับสเตรตซิลิคอนที่เจือด้วยธาตุที่ให้อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมาก เพื่อทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือตัวขยายสัญญาณที่มีประสิทธิภาพในวงจรอิเล็กทรอนิกส์

ทรานซิสเตอร์ NMOS โดยทั่วไปจะแบ่งออกเป็นสองประเภท:

• MOSFET โหมดการพร่อง N-channel
• โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ N-channel MOSFET

สัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์ NMOS

สัญลักษณ์ของมอสเฟตแบบ n-channel แสดงถึงฟังก์ชันและโครงสร้างพื้นฐานของอุปกรณ์ในรูปแบบที่เรียบง่าย ประกอบด้วยขั้วสามขั้ว ได้แก่ เกต (G) ซึ่งควบคุมกระแส เดรน (D) ซึ่งกระแสไหลออก และซอร์ส (S) ซึ่งกระแสไหลเข้า ลูกศรชี้ออกที่ซอร์สแสดงทิศทางการไหลของพาหะชนิด n (อิเล็กตรอน) เส้นประระหว่างเดรนและซอร์สแสดงถึงช่องสัญญาณชนิด n ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายไปยังเกตเพียงพอ ทำให้กระแสไหลผ่านได้ เส้นเกตที่ไม่ได้สัมผัสช่องสัญญาณแสดงถึงชั้นออกไซด์ฉนวนระหว่างเกตและเบส/ช่องสัญญาณในโครงสร้าง NMOS ที่ใช้งานจริง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ นั่นคือการควบคุมช่องสัญญาณระหว่างซอร์สและเดรนผ่านแรงดันเกตเพื่อควบคุมกระแส

เพื่อความเข้าใจที่ดีขึ้น รูปภาพด้านล่างนี้คือพินเอาต์ของ MOSFET IRF540N

สัญลักษณ์ MOSFET โหมดการพร่อง N-channel

สัญลักษณ์ MOSFET โหมดการพร่อง N-channel เรียกว่า สัญลักษณ์โหมดการพร่อง NMOS และแสดงด้วยสัญลักษณ์ดังต่อไปนี้:

สัญลักษณ์โหมดการพร่อง N-channel

ส่วนประกอบของไอคอน:

• จี: เทอร์มินัล
• D: ท่อไอเสีย
• S: ขั้วไฟฟ้า
• เส้นที่มีลูกศรระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วท่อระบายน้ำแสดงถึงช่องทางการนำไฟฟ้า และลูกศรที่ชี้จากแหล่งกำเนิดไปยังขั้วท่อระบายน้ำแสดงถึงทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าทั่วไปเมื่ออุปกรณ์เปิดอยู่
• เส้นประในช่อง (|<) บ่งบอกว่านี่คืออุปกรณ์โหมดการลดลง

ลักษณะเฉพาะของอุปกรณ์โหมดการพร่อง NMOS:

• โดยปกติจะอยู่ที่ VGS = 0V เนื่องจากช่องสัญญาณตัวนำ
• หากต้องการปิดอุปกรณ์ จะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งลบ (VGS < 0) เพื่อลดปริมาณช่องที่มีตัวพาประจุ
• เมื่อค่า VGS เชิงลบเพิ่มขึ้น ภูมิภาคการพร่องจะขยายตัว และค่าการนำไฟฟ้าของช่องจะลดลงจนกระทั่งอุปกรณ์ปิดสนิท (ปิดแคลมป์)
• อุปกรณ์เหล่านี้มักใช้กันน้อยกว่าอุปกรณ์โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ ซึ่งโดยทั่วไปจะปิดระบบเมื่อ VGS = 0V

มอสเฟตโหมดดีพลีชันใช้ในวงจรแอนะล็อกบางประเภท เช่น แหล่งจ่ายกระแส โหลดแอคทีฟ และวงจรลอจิกบางประเภท อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์โหมดเสริมประสิทธิภาพนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันดิจิทัลและสวิตชิ่ง

สัญลักษณ์ MOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพช่อง N

รูปภาพด้านล่างแสดงสัญลักษณ์ MOSFET โหมดเพิ่มประสิทธิภาพช่อง p

นี่คือสัญลักษณ์และความหมาย:

ส่วนประกอบของไอคอน:

• จี: เทอร์มินัล
• D: ท่อไอเสีย
• S: ขั้วไฟฟ้า
• เส้นที่มีลูกศรระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วท่อระบายน้ำแสดงถึงช่องทางการนำไฟฟ้า และลูกศรที่ชี้จากแหล่งกำเนิดไปยังขั้วท่อระบายน้ำแสดงถึงทิศทางการไหลของกระแสไฟฟ้าทั่วไปเมื่ออุปกรณ์เปิดอยู่
• เส้นทึบในช่อง (|) บ่งบอกว่าอุปกรณ์อยู่ในโหมดบูสต์

คุณสมบัติของอุปกรณ์โหมดเสริม NMOS:

• โดยปกติจะปิดที่ VGS = 0V เนื่องจากในตอนแรกไม่มีช่องนำไฟฟ้า
• ในการเปิดอุปกรณ์ จะต้องใช้แรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งบวก (VGS > VTH) เพื่อดึงดูดอิเล็กตรอนและสร้างชั้นอินเวอร์ชัน ซึ่งจะสร้างช่องทางการนำระหว่างแหล่งและเดรน
• แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ (VTH) คือ VGS ขั้นต่ำที่จำเป็นในการสร้างช่องสัญญาณและเปิดอุปกรณ์
• เมื่อ VGS เพิ่มขึ้นเหนือ VTH การนำไฟฟ้าของช่องจะเพิ่มขึ้น ทำให้กระแสไฟไหลจากเดรนไปยังแหล่งกำเนิดได้มากขึ้น
• อุปกรณ์โหมดเพิ่มประสิทธิภาพมักถูกใช้มากกว่าอุปกรณ์โหมดลด โดยเฉพาะในวงจรดิจิทัลและในรูปแบบสวิตช์

อุปกรณ์โหมดเพิ่มประสิทธิภาพ NMOS ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันที่หลากหลาย เช่น:

• เกตตรรกะ (NAND, NOR เป็นต้น)
• สวิตช์ในวงจรอนาล็อกและดิจิตอล
• เครื่องขยายเสียงและตัวเปรียบเทียบ
• อุปกรณ์หน่วยความจำ (SRAM, DRAM)

โหมดการทำงานเพิ่มประสิทธิภาพให้การควบคุมลักษณะการสลับของอุปกรณ์ได้ดีขึ้น และทำให้วงจรมีประสิทธิภาพและกะทัดรัดมากขึ้นกว่าอุปกรณ์โหมดลดพลังงาน

โครงสร้างทรานซิสเตอร์ NMOS

โครงสร้างของทรานซิสเตอร์ NMOS (N-Type Metal-Oxide-Semiconductor) ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักหลายส่วนดังนี้:

• ชั้นฐาน: ชั้นฐานของทรานซิสเตอร์ NMOS เรียกว่าซับสเตรต ซึ่งโดยทั่วไปทำจากซิลิคอนชนิด p ซึ่งเป็นวัสดุผสมที่ประกอบเป็นตัวเครื่องของอุปกรณ์
• ซอร์สและเดรน: เหนือฐานมีบริเวณสองแห่งที่ถูกเจือปนด้วยสารเจือปนชนิด n จำนวนมาก เรียกว่า ซอร์สและเดรน บริเวณเหล่านี้เป็นจุดที่อิเล็กตรอนเข้าและออกจากทรานซิสเตอร์
• เกต: เกตคือขั้วควบคุมของทรานซิสเตอร์ เกตอยู่เหนือฐาน แต่แยกออกจากฐานด้วยชั้นฉนวนบางๆ เกตมักทำจากโพลีซิลิคอนหรือโลหะ
• ชั้นออกไซด์: ระหว่างเกตและฐานมีชั้นบางๆ ของซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO₂) หรือวัสดุฉนวนอื่นๆ ชั้นนี้มีความสำคัญเนื่องจากเป็นฉนวนระหว่างเกตและฐาน ช่วยให้เกตสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรนได้โดยไม่ต้องสัมผัสกันโดยตรง
• ช่องสัญญาณชนิด N: เมื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าบวกให้กับเกต มันจะดึงดูดอิเล็กตรอนจากซับสเตรตเพื่อสร้างช่องสัญญาณชนิด N ระหว่างแหล่งกำเนิดและเดรนใต้บริเวณเกต ช่องสัญญาณนี้เป็นเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านทรานซิสเตอร์
• หน้าสัมผัสและการเชื่อมต่อ: หน้าสัมผัสโลหะถูกสร้างขึ้นที่ขั้วแหล่งกำเนิด เกต และเดรน เพื่อให้สามารถเชื่อมต่อไฟฟ้ากับวงจรส่วนที่เหลือได้

โครงสร้างของทรานซิสเตอร์ NMOS นั้นเรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพอย่างเหลือเชื่อ ประกอบด้วยขั้วหลักสามขั้ว ได้แก่ ซอร์ส เดรน และเกต ซอร์สและเดรนทำจากวัสดุชนิด n ขณะที่เกตถูกแยกออกจากซับสเตรตซิลิคอนด้านล่างด้วยฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์บางๆ การออกแบบนี้ช่วยให้แรงดันเกตสามารถควบคุมการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างซอร์สและเดรน โดยเปิดหรือปิดเส้นทางตามสัญญาณไฟฟ้าที่ป้อน จุดเด่นของเทคโนโลยี NMOS คือความสามารถในการสลับสัญญาณได้อย่างรวดเร็วและใช้พลังงานต่ำ ทำให้เป็นรากฐานของอิเล็กทรอนิกส์ดิจิทัลที่หล่อหลอมภูมิทัศน์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ทรานซิสเตอร์ NMOS ทำงานอย่างไร

ทรานซิสเตอร์ NMOS ประกอบด้วยแหล่งกำเนิด แหล่งจ่าย และตัวควบคุม เมื่อแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวควบคุมสูงกว่าแหล่งกำเนิด ทรานซิสเตอร์จะเปิด ทำให้กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน เมื่อแรงดันไฟฟ้าคร่อมตัวควบคุมต่ำกว่าแหล่งกำเนิด ทรานซิสเตอร์จะปิด ทำให้กระแสไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน

ลักษณะการทำงานของทรานซิสเตอร์ NMOS

ทรานซิสเตอร์ NMOS ทำหน้าที่เป็นวงจรปิดเมื่อได้รับแรงดันไฟฟ้าที่ไม่เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าการเชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายและเดรนทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า ดังนั้น แหล่งจ่ายไฟจึงรับกระแสไฟฟ้าจากเกต เมื่อทรานซิสเตอร์นี้ได้รับแรงดันไฟฟ้าประมาณ 0 โวลต์ การเชื่อมต่อระหว่างแหล่งจ่ายและเดรนจะขาด ทำให้เกิดวงจรเปิด ทำให้กระแสไฟฟ้าไหลจากเกตไปยังเดรน

ลักษณะเฉพาะของทรานซิสเตอร์ NMOS ของ IV แสดงไว้ด้านล่าง แรงดันไฟฟ้าระหว่างแหล่งจ่ายและเดรน (V DS ) และระหว่างเกตและแหล่งจ่าย (V GS ) ดังนั้น เส้นโค้งระหว่าง I DS และ V DS จึงได้มาจากการต่อสายดินที่ขั้วแหล่งจ่ายไฟ ตั้งค่า V GS เริ่มต้น จากนั้นเพิ่มค่า V GS จาก "0" เป็น "V DD" เพื่อตั้งค่า V DS ให้เป็นค่าแรงดัน DC สูงสุด ดังนั้น I DS จึงมีขนาดเล็กมากและจะแสดงแนวโน้มเชิงเส้นสำหรับ V GS ที่ต่ำมาก เมื่อค่า V GS เพิ่มขึ้น I DS จะปรับปรุงและพัฒนาความสัมพันธ์ระหว่าง V GS และ V DS ดังต่อไปนี้

กรณี V GS = 0

มีจุดต่อ PN ตรงข้ามกันสองจุดระหว่างเดรน d และซอร์ส s ของหลอด MOS โหมดเสริมประสิทธิภาพ เมื่อแรงดันเกต-ซอร์ส V GS = 0 แม้ว่าจะมีการเพิ่มแรงดันเดรน-ซอร์ส V DS เข้าไป และไม่ว่าขั้วของ V DS จะเป็นอย่างไร ก็ยังคงมีจุดต่อ PN ไบอัสย้อนกลับเสมอ และไม่มีช่องนำไฟฟ้าระหว่างเดรน-ซอร์ส ดังนั้น กระแสเดรน iD≈0 ในขณะนี้

กรณี V GS >0

หาก V GS > 0 จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นในชั้นฉนวน SiO2 ระหว่างเกตและฐาน ทิศทางของสนามไฟฟ้าจะตั้งฉากกับสนามไฟฟ้าที่มุ่งจากเกตไปยังฐานบนพื้นผิวสารกึ่งตัวนำ สนามไฟฟ้านี้จะผลักโฮลและดึงดูดอิเล็กตรอน

การขับโฮลออก: โฮลในสารตั้งต้นชนิด P ใกล้เกตจะถูกขับออก เหลือไอออนของตัวรับที่เคลื่อนที่ไม่ได้ (ไอออนลบ) ไว้ ก่อตัวเป็นชั้น depletion การขับอิเล็กตรอนออก: อิเล็กตรอน (ตัวพาประจุส่วนน้อย) ในสารตั้งต้นชนิด P จะถูกดึงดูดไปยังพื้นผิวของสารตั้งต้น

การก่อตัวของช่องทางนำไฟฟ้า

เมื่อค่า V GS มีค่าน้อยและแรงดึงดูดของอิเล็กตรอนไม่มาก จะไม่มีช่องทางการนำไฟฟ้าระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด เมื่อค่า V GS เพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะถูกดึงดูดไปยังชั้นผิวของเบส P มากขึ้น เมื่อค่า V GS ถึงค่าที่กำหนด อิเล็กตรอนเหล่านี้จะสร้างชั้น N-type บางๆ บนพื้นผิวของเบส P ใกล้กับเกต และเชื่อมต่อกับบริเวณ N+ สองแห่ง ผ่านสิ่งนี้ ช่องนำไฟฟ้าชนิด N จะถูกสร้างขึ้นระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด ประเภทการนำไฟฟ้าของมันจะตรงข้ามกับเบส P ดังนั้นจึงเรียกว่าชั้นผกผัน ยิ่งค่า V GS มีค่ามากเท่าใด สนามไฟฟ้าที่กระทำบนพื้นผิวของสารกึ่งตัวนำก็จะยิ่งมีกำลังมากขึ้นเท่านั้น อิเล็กตรอนก็จะดึงดูดไปยังพื้นผิวของเบส P มากขึ้น ช่องนำไฟฟ้าก็จะหนาขึ้น และความต้านทานของช่องก็จะน้อยลง

แรงดันไฟฟ้าจากเกตถึงแหล่งเมื่อช่องเริ่มก่อตัวเรียกว่าแรงดันไฟฟ้าเปิด แสดงด้วย V T

เมื่อ V GS < V T หลอด MOS แบบ N-channel จะไม่สามารถสร้างช่องนำไฟฟ้าได้ และหลอดจะอยู่ในสถานะปิด ช่องนำไฟฟ้าจะเกิดขึ้นได้เฉพาะเมื่อ V GS ≥ V T เท่านั้น หลอด MOS ประเภทนี้สามารถสร้างช่องนำไฟฟ้าได้เมื่อ V GS ≥ V T เรียกว่าหลอด MOS เสริมประสิทธิภาพ หลังจากสร้างช่องแล้ว จะมีแรงดันไปข้างหน้า V DS จ่ายระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิด และสร้างกระแสเดรน

สมการกระแสของทรานซิสเตอร์ Nmos

สมการกระแสสำหรับทรานซิสเตอร์ NMOS ที่ทำงานในบริเวณแอคทีฟหรือบริเวณอิ่มตัว สะท้อนถึงการนำไฟฟ้าของอุปกรณ์เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกต-ซอร์ส (V GS ) เกินแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ (V th ) ทำให้เกิดช่องทางนำไฟฟ้าระหว่างเดรนและซอร์ส สมการคือ:

ที่ไหน:

• ID คือกระแสเดรน-ซอร์ส
• μn คือการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน
• C ox คือความจุเกตออกไซด์ต่อหน่วยพื้นที่
• W คือความกว้างของทรานซิสเตอร์
• L คือความยาวของทรานซิสเตอร์
• V GS คือแรงดันไฟฟ้าเกต-แหล่งและ
• V คือค่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์

สมการนี้สมมติว่าทรานซิสเตอร์อยู่ในช่วงอิ่มตัว ซึ่งแรงดันเดรน-ซอร์ส (V DS ) มีค่ามากพอที่จะยึดช่องสัญญาณที่ขั้วเดรน ทำให้เกิดกระแสคงที่ที่ไม่ขึ้นอยู่กับ V DS แต่สัมพันธ์โดยตรงกับ V GS ในบริเวณเชิงเส้นหรือไตรโอด ซึ่ง V DS มีค่าน้อยกว่าและช่องสัญญาณไม่ถูกยึด สมการกระแสจะซับซ้อนกว่าและขึ้นอยู่กับทั้ง V GS และ V DS

วงจรเซมิคอนดักเตอร์ NMOS

ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพของเกต NOT ที่สร้างจากทรานซิสเตอร์ NMOS และ PMOS โดยการต่อทรานซิสเตอร์ pMOS เข้ากับแหล่งกำเนิดและทรานซิสเตอร์ nMOS เข้ากับกราวด์ เราสามารถรวมทรานซิสเตอร์ pMOS และ nMOS เข้าด้วยกันเพื่อสร้างเกต NOT ได้ วงจรนี้จึงเป็นตัวอย่างแรกของทรานซิสเตอร์ CMOS เกตตรรกะชนิดหนึ่งที่สร้างอินพุตแบบกลับด้านเป็นเอาต์พุตเรียกว่าเกต NOT เกต NOT แบบกลับด้านเป็นอีกชื่อหนึ่งของเกตนี้ หากอินพุตเป็น "0" เอาต์พุตจะเป็น "1"

ทรานซิสเตอร์ pMOS ตัวบนและทรานซิสเตอร์ nMOS ตัวล่างจะรับสัญญาณอินพุตเมื่อสัญญาณอินพุตเป็น 0 ค่าอินพุต '0' จะถูกแปลงเป็น '1' หลังจากไปถึงทรานซิสเตอร์ pMOS ดังนั้น ลิงก์ต้นทางจึงขาด ดังนั้น หากการเชื่อมต่อเดรน (GND) ถูกปิด ก็จะสร้างค่าลอจิก '1' เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าทรานซิสเตอร์ nMOS จะไม่กลับค่าอินพุต ดังนั้นจึงรับค่า 0 ไว้ตามเดิมและสร้างเดรนแบบเปิด ส่งผลให้เกตสร้างค่าลอจิก 1

หากค่าอินพุตเป็น "1" เช่นกัน ทรานซิสเตอร์สองตัวในวงจรข้างต้นจะรับค่า "1" ค่า "1" จะกลายเป็น "0" หลังจากทรานซิสเตอร์ pMOS รับค่าแล้ว ดังนั้นเส้นทางไปยังแหล่งจ่ายจึงว่างเปล่า ทรานซิสเตอร์ nMOS จะไม่กลับด้านหลังจากได้รับค่า "1" ดังนั้นค่าอินพุตจะยังคงอยู่ที่ 1 เมื่อทรานซิสเตอร์ nMOS รับค่าแล้ว การเชื่อมต่อกับ GND จะถูกปิด ดังนั้นจึงสร้างเอาต์พุตตรรกะ "0"