ทรานซิสเตอร์สนามผล (FET) เป็นส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญยิ่งในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ FET มีข้อดีหลายประการ เช่น การใช้พลังงานต่ำ อิมพีแดนซ์อินพุตสูง และข้อกำหนดไบแอสที่เรียบง่าย ในบทความนี้ เราจะเจาะลึกประวัติความเป็นมาของ FET ตั้งแต่การประดิษฐ์และสิทธิบัตรในยุคแรกๆ ไปจนถึงการพัฒนาและการประยุกต์ใช้งานในปัจจุบัน นอกจากนี้ เราจะสำรวจประเภทของ FET หลักการทำงาน และคุณสมบัติสำคัญต่างๆ

พื้นฐาน FET

ทรานซิสเตอร์สนามผล (FET) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ประกอบด้วยช่องสัญญาณที่ทำจากวัสดุสารกึ่งตัวนำ โดยมีขั้วไฟฟ้าสองขั้วเชื่อมต่ออยู่ที่ปลายทั้งสองด้าน คือ เดรนและแหล่งกำเนิด การไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วเดรนจะถูกควบคุมโดยขั้วไฟฟ้าตัวที่สามที่เรียกว่าเกต ซึ่งติดตั้งอยู่ใกล้กับช่องสัญญาณ โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วเกต จำนวนตัวพาประจุในช่องสัญญาณจะถูกปรับ นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงการไหลของกระแสไฟฟ้าระหว่างขั้วแหล่งกำเนิดและขั้วเดรนที่สอดคล้องกัน FET แบ่งออกเป็นสองประเภทตามโหมดการทำงาน ได้แก่ FET โหมดเสริมประสิทธิภาพและ FET โหมดลดประสิทธิภาพ ขึ้นอยู่กับว่าแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายที่ขั้วเกตจะเพิ่มหรือลดการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านช่องสัญญาณ

การทำงานของ FET

เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายให้กับอิเล็กโทรดเกต จะเกิดสนามไฟฟ้าขึ้นเหนือชั้นฉนวน ซึ่งทำให้เกิดบริเวณพร่อง (depletion region) ในช่องสัญญาณ บริเวณพร่องนี้จะลดจำนวนตัวพาประจุอิสระในช่องสัญญาณ ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณลดลง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าปรากฏการณ์สนามไฟฟ้า (field effect) ซึ่งเป็นพื้นฐานของการทำงานของ FET ในกรณีของ FET ชนิด n แรงดันไฟฟ้าลบที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรดเกตจะสร้างบริเวณพร่อง (depletion region) ในช่องสัญญาณ ซึ่งจะลดการไหลของอิเล็กตรอนจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน ในทางตรงกันข้าม แรงดันไฟฟ้าบวกที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรดเกตของ FET ชนิด p จะสร้างบริเวณพร่อง (depletion region) ซึ่งจะลดการไหลของโฮลจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรน ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับอิเล็กโทรดเกต จะทำให้สามารถควบคุมค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณ และสามารถปรับการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่าน FET ได้

เพื่ออธิบายหลักการทำงานของ FET เราอาจเปรียบเทียบท่อน้ำกับภาชนะ ในกรณีนี้ แหล่งน้ำสามารถถือเป็นขั้วต้นทางของ FET ในขณะที่ภาชนะที่กักเก็บน้ำสามารถเปรียบได้กับขั้วท่อระบายน้ำของ FET ขั้วประตูสามารถเปรียบได้กับก๊อกควบคุมที่ควบคุมการไหลของน้ำ เช่นเดียวกับที่ก๊อกควบคุมการไหลของน้ำ แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายที่ขั้วประตูจะควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไปยังขั้วท่อระบายน้ำของ FET ดังนั้น FET จึงทำงานโดยการควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านช่องทางโดยการปรับจำนวนตัวพาประจุในช่องโดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่จ่ายที่ขั้วประตู

ประวัติของทรานซิสเตอร์ FET

จูเลียส เอ็ดการ์ ลิเลียนเฟลด์ เป็นคนแรกที่ยื่นจดสิทธิบัตรทรานซิสเตอร์แบบสนามไฟฟ้าในปี พ.ศ. 2469 อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ของเขาต้องเผชิญกับความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญซึ่งเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานจริง การออกแบบอุปกรณ์ของลิเลียนเฟลด์ใช้ฟิล์มโลหะบางๆ เป็นเกต ซึ่งถูกเคลือบไว้บนแผ่นรองรับสารกึ่งตัวนำ น่าเสียดายที่คุณภาพของหน้าสัมผัสระหว่างโลหะกับสารกึ่งตัวนำนั้นไม่ดี ส่งผลให้มีความต้านทานสูงและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ต่ำ นอกจากนี้ ชั้นฉนวนที่ใช้ในอุปกรณ์ของลิเลียนเฟลด์ยังไม่เสถียร ทำให้ไม่เหมาะสำหรับการใช้งานแรงดันสูง ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องปรับปรุงการออกแบบอุปกรณ์เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้และทำให้ใช้งานได้จริง ในปี พ.ศ. 2477 ออสการ์ ไฮล์ ก็ได้ยื่นจดสิทธิบัตรสำหรับอุปกรณ์ที่คล้ายคลึงกันนี้เช่นกัน อุปกรณ์ของออสการ์ ไฮล์ไม่ได้ถูกปฏิเสธโดยตรง แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จในการนำไปใช้งานจริงเท่ากับอุปกรณ์ของลิเลียนเฟลด์ อุปกรณ์ของลิเลียนเฟลด์ใช้ชั้นโลหะออกไซด์บางๆ เพื่อสร้างเกตของทรานซิสเตอร์ ในขณะที่อุปกรณ์ของไฮล์ใช้รอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำ รอยต่อโลหะ-สารกึ่งตัวนำนั้นผลิตและควบคุมได้ยากกว่าชั้นโลหะออกไซด์ ซึ่งเป็นข้อจำกัดในการใช้งานจริงของอุปกรณ์ของไฮล์

นอกจากนี้ อุปกรณ์ของไฮล์ยังไม่เป็นที่รู้จักหรือได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในขณะนั้น และหลังจากที่ช็อคลีย์และทีมงานของเขาที่เบลล์แล็บส์ได้พัฒนาทรานซิสเตอร์แบบจังก์ชันขึ้น ศักยภาพของทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟ็กต์จึงได้รับการตระหนักอย่างเต็มที่ อย่างไรก็ตาม ไฮล์ได้มีส่วนร่วมในการพัฒนา FET อย่างมาก และผลงานของเขาได้ปูทางไปสู่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีในภายหลัง อย่างไรก็ตาม ทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟ็กต์ตัวแรกที่ใช้งานได้จริง เรียกว่าทรานซิสเตอร์แบบเกตจังก์ชันฟิลด์เอฟเฟ็กต์ ได้รับการพัฒนาโดยวิลเลียม ช็อคลีย์และทีมงานของเขาที่เบลล์แล็บส์ในปี พ.ศ. 2490 ช็อคลีย์และเพื่อนร่วมงาน จอห์น บาร์ดีน และวอลเตอร์ แบรตเทน ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2499 จากการประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์แบบจังก์ชัน ซึ่งรวมถึงทรานซิสเตอร์แบบเกตจังก์ชันฟิลด์เอฟเฟ็กต์เป็นส่วนประกอบสำคัญ นับแต่นั้นมา เทคโนโลยีทรานซิสเตอร์แบบฟิลด์เอฟเฟ็กต์ได้ผ่านการพัฒนาอย่างมาก ทำให้ทรานซิสเตอร์ชนิดนี้เป็นหนึ่งในส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่สำคัญที่สุดในศตวรรษที่ 20 และ 21

ข้อมูลที่จำเป็นเกี่ยวกับ FET

ทรานซิสเตอร์แบบสนามผล (FET) สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท ได้แก่ อุปกรณ์พาหะหลัก ซึ่งกระแสส่วนใหญ่จะถูกพาโดยพาหะหลัก และอุปกรณ์พาหะรอง ซึ่งกระแสส่วนใหญ่ไหลผ่านพาหะรอง ใน FET อิเล็กตรอนจะไหลจากแหล่งกำเนิดไปยังเดรนผ่านช่องสัญญาณแอคทีฟในอุปกรณ์ และหน้าสัมผัสแบบโอห์มิกจะเชื่อมต่อตัวนำทั้งสองขั้วเข้ากับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ขั้วแหล่งกำเนิดและเกตจะมีศักย์ไฟฟ้าอยู่ระหว่างกัน และค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณจะขึ้นอยู่กับศักย์ไฟฟ้านี้

FET มีสามขั้ว:

• ขั้วแรกคือแหล่งจ่าย (S) ซึ่งกระแสไฟฟ้าจะเข้าสู่อุปกรณ์ แสดงด้วย IS
• ขั้วที่สองคือเดรน (D) ซึ่งกระแสไหลออกจากอุปกรณ์ แสดงด้วยรหัส I/O แรงดันไฟฟ้าระหว่างเดรนและแหล่งกำเนิดคือ VDS
• ขั้วที่สามคือเกต (G) ซึ่งทำหน้าที่ปรับค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณ สามารถควบคุม ID ได้โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่เกต

ชื่อของเทอร์มินัลเหล่านี้อิงตามฟังก์ชันการทำงาน ซึ่งคล้ายกับเกตในชีวิตจริงที่ควบคุมเวลาเปิดและปิด เกตสามารถอนุญาตให้อิเล็กตรอนผ่านหรือปิดกั้นอิเล็กตรอนได้

ประเภทของ FET

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามมีอยู่ 2 ประเภท:

• ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามทางแยก (JFET)
• ทรานซิสเตอร์สนามผลเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์ (MOSFET)

ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามทางแยก (JFET)

JFET เป็นหนึ่งในรูปแบบพื้นฐานที่สุดของทรานซิสเตอร์แบบสนามผล เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์สามขั้วที่สามารถทำหน้าที่เป็นตัวต้านทานหรือสวิตช์ที่ควบคุมด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งแตกต่างจาก BJT (ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อสองขั้ว) JFET ถูกควบคุมด้วยแรงดันไฟฟ้าและไม่จำเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าไบแอส JFET แบบเต็มคือ Junction-gate Field Effect Transistor JFET ควบคุมการไหลของกระแสระหว่างขั้วต้นทางและขั้วเดรนโดยการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับขั้วเกต เมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกจ่ายให้กับขั้วเกต มันจะสร้างสนามไฟฟ้าที่ควบคุมความกว้างของบริเวณเดพลีชันในช่องระหว่างขั้วต้นทางและขั้วเดรน

• เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกตถึงแหล่งจ่ายเป็นศูนย์ ขอบเขตการพร่องจะแคบ และช่องสัญญาณจะมีความต้านทานต่ำต่อการไหลของกระแสระหว่างแหล่งจ่ายและขั้วเดรน ภาวะนี้เรียกว่า “ภาวะบีบออก” และ JFET อยู่ในภาวะอิ่มตัว
• เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกตถึงซอร์สลดลงใน JFET (ทรานซิสเตอร์สนามผลแบบจุดต่อ) ขอบเขตการพร่องรอบช่องสัญญาณระหว่างซอร์สและเดรนจะมีความกว้างเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความกว้างของช่องสัญญาณจริงลดลง ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณลดลง ส่งผลให้กระแสเดรนลดลง และ JFET จะมีความต้านทานมากขึ้น
• เมื่อแรงดันไฟฟ้าเกตถึงซอร์สเพิ่มขึ้นในทรานซิสเตอร์ JFET (ทรานซิสเตอร์สนามผลแบบจุดต่อ) ขอบเขตการพร่องรอบช่องสัญญาณระหว่างซอร์สและเดรนจะมีความกว้างลดลง ส่งผลให้ความกว้างของช่องสัญญาณมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ค่าการนำไฟฟ้าของช่องสัญญาณเพิ่มขึ้น ส่งผลให้กระแสเดรนเพิ่มขึ้น และ JFET จะมีความต้านทานลดลง

ทรานซิสเตอร์สนามผลแบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET)

MOSFET เป็นทรานซิสเตอร์สนามผล (FET) อีกประเภทหนึ่งที่สามารถสลับหรือขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ได้ MOSFET ทำจากเกตฉนวนที่ควบคุมสภาพนำไฟฟ้าของอุปกรณ์ตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ลักษณะนี้ทำให้ MOSFET มีประโยชน์ในการสลับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์หรือขยายสัญญาณโดยการปรับสภาพนำไฟฟ้าตามระดับแรงดันไฟฟ้าที่เปลี่ยนแปลง

ข้อได้เปรียบสำคัญของ MOSFET คือแทบไม่ต้องใช้กระแสอินพุตเพื่อควบคุมกระแสโหลดเมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ (BJT หรือทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์จังก์ชัน) MOSFET มีสองประเภท ได้แก่ โหมดเสริมประสิทธิภาพ (enhanced mode) และโหมดลดประสิทธิภาพ (depletion mode) ในกรณีของ MOSFET โหมดเสริมประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้าที่เกตจะเพิ่มค่าการนำไฟฟ้า ในทรานซิสเตอร์โหมดลดประสิทธิภาพ แรงดันไฟฟ้าที่เกตจะทำให้ค่าการนำไฟฟ้าลดลง

การประยุกต์ใช้งานของ FET

การประยุกต์ใช้ที่สำคัญของ MOSFET มีดังนี้:

• FET (ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม) ใช้ในการสร้างวงจรมิกเซอร์เพื่อจำกัดความผิดเพี้ยนของอินเตอร์โมดูเลชั่นที่ต่ำ
• FET ถูกนำมาใช้ในเครื่องขยายสัญญาณความถี่ต่ำเนื่องจากตัวเก็บประจุแบบมีข้อต่อมีขนาดค่อนข้างเล็ก
• FET เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นจึงมีการนำมาใช้ในเครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการในรูปแบบของตัวต้านทานแรงดันไฟฟ้าแปรผัน
• เนื่องจาก FET มีค่าอิมพีแดนซ์อินพุตสูง จึงมักใช้เป็นตัวขยายสัญญาณอินพุตในอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น ออสซิลโลสโคป โวลต์มิเตอร์ และเครื่องมือวัดอื่นๆ
• FET ยังใช้ในการสร้างเครื่องขยายสัญญาณความถี่วิทยุสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้า FM อีกด้วย
• FET ใช้สำหรับการทำงานของมิกเซอร์ของเครื่องรับทีวีและ FM
• เนื่องจากมีขนาดเล็ก FET จึงถูกใช้ใน LSI (การบูรณาการขนาดใหญ่) และโมดูลหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ด้วย

คำถามที่พบบ่อย – FAQ

1. ทรานซิสเตอร์คืออะไร?
   ทรานซิสเตอร์เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าหรือการไหลของกระแสไฟฟ้า และยังทำหน้าที่เป็นเกตหรือสวิตช์สำหรับสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์อีกด้วย
2. ใครเป็นผู้เสนอแนวคิดทรานซิสเตอร์แบบสนามผล?
   จูเลียส เอ็ดการ์ ลิเลียนเฟลด์ เสนอแนวคิดของทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม
3. ทรานซิสเตอร์มีประโยชน์สำคัญอะไรบ้าง?
   การใช้งานพื้นฐานของทรานซิสเตอร์ได้แก่การใช้งานการสลับหรือทั้งการสลับและการขยายสัญญาณ
4. ทรานซิสเตอร์มีกี่ประเภทหลักๆ ?
   ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์เกตฉนวน และทรานซิสเตอร์สนามผลเป็นประเภทหลักของทรานซิสเตอร์
5. ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามมี 2 ประเภทอะไรบ้าง?
   ทรานซิสเตอร์สนามผลแบบทางแยกและทรานซิสเตอร์สนามผลแบบเซมิคอนดักเตอร์ออกไซด์โลหะเป็นทรานซิสเตอร์สนามผลสองประเภท
6. MOSFET คืออะไร?
   MOSFET หรือทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนามซิลิคอนออกไซด์โลหะเป็นอุปกรณ์สี่ขั้วที่ควบคุมกระแสซึ่งใช้เพื่อการสลับและการขยายสัญญาณ
7. MOSFET สามารถนำได้ทั้งสองทิศทางหรือไม่?
   ใช่ MOSFET เป็นแบบสองทิศทาง
8. ความแตกต่างระหว่าง MOSFET กับ BJT คืออะไร?
   MOSFET เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า ในขณะที่ BJT เป็นอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้า
9. ทรานซิสเตอร์ประเภทใดเรียกว่าทรานซิสเตอร์ยูนิโพลาร์?
   ทรานซิสเตอร์ FET เรียกอีกอย่างว่าทรานซิสเตอร์แบบยูนิโพลาร์ เนื่องจากทำงานแบบพาหะเดี่ยว
10. ภูมิภาคการทำงานของ MOSFET มีอะไรบ้าง?
    มี 3 ภูมิภาคปฏิบัติการและมีชื่อเรียกว่า ภูมิภาคตัด ภูมิภาคโอห์มิก และภูมิภาคอิ่มตัว