อิเล็กทรอนิกส์เปลี่ยนโลกได้: บทที่ 11 มารู้จักทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า (FET) กันเถอะ EP1

สัญลักษณ์ของ E - Mosfet

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า

ทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้า หรือที่เรานิยมเรียกกันว่า เฟต (FET ย่อมาจาก Field Effect Transistor) เป็นทรานซิสเตอร์ชนิดหนึ่งซึ่งมีหลักการทำงานด้วยการใช้สนามไฟฟ้าควบคุมการไหลของกระแสไฟฟ้า
ซึ่งมีความแตกต่างจากการทำงานของทรานซิสเตอร์ทั่วไปกล่าวคือ เฟตจะใช้แรงดันที่ขาเกตมาควบคุมการไหลของกระแสที่ขาเดรน โดยคุณสมบัติที่ดีของเฟตที่ดีกว่าทรานซิสเตอร์คือ มีเสถียรภาพในการขยายคงที่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ สามารถขยายความถี่ที่มีแบนด์วิดท์กว้าง ขยายความถี่สูงได้ดีกว่าทรานซิสเตอร์ทั่วไป

เฟตแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ

1. JFET (Junction Field Effect Transistor)

2. Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

ก่อนอื่นเรามาเปรียบเทียบ ระหว่าง FET กับ Transistor กันอย่างง่ายๆ
ขาใช้งาน FET & Transistor
1. Gate(G) Base(B)
2. Drain(D) Collector(C)
3. Source(S) Emitter(E)

FET และ Transistor ถูกสร้างขึ้นมาเพื่อใช้ประโยชน์แบบเดียวกันคือใช้ควบคุมปริมาณการไหลของกระแสไฟฟ้าเหมือนกัน แต่ต่างกันตรงที่ FET ใช้แรงดันที่ขา Gate(G) เรียกว่า VGS เป็นตัวควบคุมการไหลของกระแส ID แต่ Transistor ใช้กระแส IB ในการควบคุมการไหลของกระแส IC

พารามิเตอร์พื้นฐานของ FET
1. VDS , V(BR) คือ แรงดันสูงสุดระหว่างขา D - S ที่ FET สามารถทนได้โดยไม่เกิดความเสียหาย
2. VGS , VGS(ON) คือ แรงดันที่เราป้อนให้ที่ขา G - S เพื่อควบคุมการทำงานของ FET
3. VGS(OFF) คือ แรงดันที่เราป้อนให้ที่ขา G - S แล้วทำให้ FET หยุดทำงาน (ไม่มีใน E-Mosfet)
4. ID คือกระแสที่ไหลผ่านขา D - S เทียบได้กับกระแส IC ของ Transistor นั่นเอง
5. IG คือ กระแสที่ไหลผ่านขา G - S โดยจะมีค่าน้อยมากๆระดับ nA (นาโนแอมป์)
6. RDS(ON) คือค่าความต้านทานของรอยต่อ D - S ขณะมอสเฟตทำงาน โดย FET จะมีค่า RDS(ON)max ต่ำมากๆส่วนใหญ่น้อยกว่า 1 Ohm
7. Vth , VGS(th) คือ แรงดันที่เราป้อนให้ที่ขา G - S แล้วทำให้ FET หยุดทำงาน (มีเฉพาะ E-Mosfet) โดยต้องป้อนน้อยกว่า Vth , VGS(th)
8. PD คือ กำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ FET ทนได้
9. Tj คือ ช่วงอุณหภูมิของรอยต่อที่ FET สามารถทำงานได้

หลัการทำงานเบื้องต้นของ JFET
การทำงานของ JFET ชนิด N - Channal

รูปที่ 1 สัญลักษณ์ JFET ชนิด N - Channal

การทำงานของ JFET ชนิด N-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันบวกให้กับขา Drain(D) และไฟลบหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยป้อนแรงดันไบอัสกลับให้ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) กล่าวง่ายๆคือ JFET จะยอมให้กระแส ID ไหลสูงสุดตอนที่ VGS = 0V และหยุดทำงานที่ VGS(OFF) โดยการออกแบบเราไม่ควรป้อนแรงดัน VGS มากกว่า VGS(ON) (โดยทั่วไป มีค่าเท่ากับ 0V)เพราะจะทำให้ JFET เกิดความเสียหายขึ้นได้จากการที่กระแส ID ไหลมากเกินไปนั่นเอง

รูปที่ 2 Drain Characteristics สำหรับ JFET ชนิด N - Channal

รูปที่ 3 วงจรพื้นฐานสำหรับ JFET ชนิด N - Channal

การทำงานของ JFET ชนิด P- Channal

รูปที่ 4 สัญลักษณ์ JFET ชนิด P- Channal

การทำงานของ JFET ชนิด P-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันลบให้กับขา Drain(D) และไฟบวกหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยป้อนแรงดันไบอัสกลับให้ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) กล่าวง่ายๆคือ JFET จะยอมให้กระแส ID ไหลสูงสุดตอนที่ VGS = 0V และหยุดทำงานที่ VGS(OFF) โดยการออกแบบเราไม่ควรป้อนแรงดัน VGS น้อยกว่า VGS(ON) (โดยทั่วไป มีค่าเท่ากับ 0V)เพราะจะทำให้ JFET เกิดความเสียหายขึ้นได้จากการที่กระแส ID ไหลมากเกินไปนั่นเอง

รูปที่ 5 Drain Characteristics สำหรับ JFET ชนิด P- Channal

รูปที่ 6 วงจรพื้นฐานสำหรับ JFET ชนิด P- Channal

หลัการทำงานเบื้องต้นของ Mosfet

Mosfet จะแตกต่างจาก JFET ที่โครงสร้างภายในซึ่งผมจะไม่ได้กล่าวถึงในส่วนนี้ โดยที่ Mosfet นั้นมีอยู่ 2 แบบคือ Depletion Mosfet (นิยมเรียกว่า D-Mosfet) และ Enhancement Mosfet (นิยมเรียกว่า E-Mosfet) ซึ่งแต่ละแบบยังแบ่งตามชนิดของสารกึ่งตัวนำได้อีกเป็น 2 ชนิด คือ N-Channel และ P-Channel
**โดย E-Mosfet ส่วนใหญ่จะเป็น Mosfet ที่มีกำลังสูงมักนิยมนำมาใช้เป็นวงจรสวิตช์ วงจรควบคุมความเร็วมอเตอร์ เป็นต้น

การทำงานของ D-Mosfet ชนิด N - Channal

รูปที่ 7 สัญลักษณ์ D-Mosfet ชนิด N - Channal

การทำงานของ D-Mosfet ชนิด N-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันบวกให้กับขา Drain(D) และไฟลบหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยการควบคุมแรงดันที่ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) โดยเราสามารถป้อนแรงดัน VGS ได้ตั้งแต่ -VGS - (+)VGS โดยมี VGS(OFF) อยู่ที่ด้านไปลบ และกระแสไหลสูงสุดที่ (+)VGS แสดงตัวอย่างการทำงานดังกราฟคุณลักษณะในรูปที่ 8

รูปที่ 8 กราฟคุณลักษณะการทำงานของ D-Mosfet ชนิด N - Channel

รูปที่ 9 วงจรพื้นฐานสำหรับ D-Mosfet ชนิด N - Channal

การทำงานของ D-Mosfet ชนิด P- Channal

รูปที่ 10 สัญลักษณ์ D-Mosfet ชนิด P- Channal

การทำงานของ D-Mosfet ชนิด P-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันลบให้กับขา Drain(D) และไฟบวกหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยการควบคุมแรงดันที่ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) โดยเราสามารถป้อนแรงดัน VGS ได้ตั้งแต่ (+)VGS - (-)VGS โดยมี VGS(OFF) อยู่ที่ด้านไปบวก และกระแสไหลสูงสุดที่ (-)VGS แสดงตัวอย่างการทำงานดังกราฟคุณลักษณะในรูปที่ 11

รูปที่ 11 กราฟคุณลักษณะการทำงานของ D-Mosfet ชนิด P- Channel

รูปที่ 12 วงจรพื้นฐานสำหรับ D-Mosfet ชนิด P- Channal

การทำงานของ E-Mosfet ชนิด N - Channal

รูปที่ 13 สัญลักษณ์ E-Mosfet ชนิด N - Channal

การทำงานของ E-Mosfet ชนิด N-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันบวกให้กับขา Drain(D) และไฟลบหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยการควบคุมแรงดันที่ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) โดยเราจะต้องป้อนแรงดัน VGS ให้มากกว่าVGS(th) ซึ่งจะเป็นแรงดันบวกโดยส่วนมากมีค่า 2V - 4V นั้นหมายความว่า E-Mosfet จะเริ่มทำงานเมื่อเราป้อนแรงดัน VGS ตั้งแต่ 2V - 4V ขึ้นไปจนถึง VGSmax นั่นเอง(โดยการดูว่าเราควรป้อนแรงดันมากเท่าใดจะมีตัวอย่างอธิบายในบทที่ 12) แสดงตัวอย่างการทำงานดังกราฟคุณลักษณะในรูปที่ 14

รูปที่ 14 กราฟคุณลักษณะการทำงานของ E-Mosfet ชนิด N - Channel

รูปที่ 15 วงจรพื้นฐานสำหรับ E-Mosfet ชนิด N - Channal

การทำงานของ E-Mosfet ชนิด P- Channal

รูปที่ 16 สัญลักษณ์ E-Mosfet ชนิด P- Channal

การทำงานของ E-Mosfet ชนิด P-Channal นั้นเราจะป้อนแรงดันลบให้กับขา Drain(D) และไฟบวกหรือ GND ให้กับขา Source(S) และควบคุมการไหลของกระแส ID โดยการควบคุมแรงดันที่ขา Gate(G) เทียบกับขา Source(S) โดยเราจะต้องป้อนแรงดัน VGS ให้น้อยกว่าVGS(th) ซึ่งจะเป็นแรงดันลบโดยส่วนมากมีค่า -2V - (-) 4V นั้นหมายความว่า E-Mosfet จะเริ่มทำงานเมื่อเราป้อนแรงดัน VGS ตั้งแต่ -2V - (-) 4V ลงไปจนถึง -VGSmax นั่นเอง(โดยการดูว่าเราควรป้อนแรงดันมากเท่าใดจะมีตัวอย่างอธิบายในบทที่ 12) แสดงตัวอย่างการทำงานดังกราฟคุณลักษณะในรูปที่ 17

รูปที่ 17 กราฟคุณลักษณะการทำงานของ E-Mosfet ชนิด P- Channel

รูปที่ 18 วงจรพื้นฐานสำหรับ E-Mosfet ชนิด P- Channal

ข้อดีของ FET เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์

1. มีอินพุตอิมพิแดนซ์(Zin)ที่สูงมากอยู่ในระดับ > M-ohm ในขณะที่ Transistor อยู่ในระดับ k-ohm

2. มี PD ที่ต่ำเพราะมี RDS(ON) ที่ต่ำต่างจาก Transistor ที่มีค่า VCE ที่ค่อนข้างสูงซึ่งจะมีตัวอย่างอธิบายให้เห็นภาพมากขึ้นในบทความถัดไปครับ

3. ทำงานเป็นสวิตช์ที่ความถี่สูงได้ดีกว่า Transistor

4. มีขนาดเล็กกว่า Transistor เมื่อเทียบที่อัตราการทนกระแสที่เท่ากันจึงนิยมนำมาสร้างเป็น IC ชนิดต่างๆ

5. ทนอุณหภูมิได้สูงกว่า Transistor

ข้อเสียของ FET เมื่อเทียบกับทรานซิสเตอร์

1. เสียหายได้ง่ายจากไฟฟ้าสถิต

2. มีราคาที่สูงกว่า

3. การออกแบบวงจรยากกว่า(สำหรับวงจรขยายนะครับ)

การแยกแยะสัญลักษณ์ของ FET ชนิดต่างๆ

รูปที่ 19 วิธีการแยกแยะสัญลักษณ์เบื้องต้น

อธิบายเพิ่มเติมจากที่มีเพื่อนๆรีเควสเข้ามานะครับว่าทำไม D-Mosfet ถึงให้แรงดันที่ขาเกตแบบไบอัสกลับและไบอัสตรงในการควบคุมการไหลของกระแส IDได้ และทำไม E-Mosfet ถึงใช้งานได้แต่ไบอัสตรงเท่านั้น ว่าแล้วเรามาดูกันเลยครับ

ผมขอยกตัวอย่าง D-Mosfet ชนิด N-Channal นะครับโดย P-Channal ก็จะทำงานตรงข้ามกันนั่นเองครับ