شرح ترانزستور الموسفت وكيفية عمله

الموسفت (MOSFET) أو ما يُسمى كذلك ترانزستور ذو شبكة معزولة أو ترانزستور تأثير المجال أكسيد الحديد الشبه موصل (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) عبارة عن عنصر شبه موصل يُستعمل في تطبيقات تكبير التيار وقطع الدائرة.
في أيامنا هذه أغلب الترانزستورات الموجودة داخل الدوائر المتكاملة الرقمية (digital integrated circuits) هي من نوع الموسفت، قد يصل عدد المقاحل من هذا النوع داخل دائرة متكاملة صغيرة واحدة إلى مئات الملايين وهذا بفضل حجمه الصغير جدا الذي قد يبلغ واحدا من مليون من المتر (1/1,000,000 متر) مع العلم أن هذا الحجم يتناقص تدرجيا بحيث يصل إلى النصف كل 18 شهرا وهذا وفق قانون مور.

يستطيع الموسفت تحمل تيار تصل شدته إلى غاية 100 أمبير عند الجهود المنخفضة، بينما قد يتحمل جهدا قد يصل إلى غاية 1000 فولت عند التيارات الضعيفة.
على الرغم من كل هذا إلا أن الموسفت يبقى أقل إنتشارا من الترانزستورات ثنائية القطب في وقتنا الحالي.

مبدأ عمل الموسفت:

يتكون الموسفت من ثلاثة أطراف هي: المصدر ويُسمى أيضا المنبع (source)، والمصب (drain)، والبوابة (gate)، يمكن تشبيه الموسفت بمقاومة متغيرة يتم التحكم فيها بواسطة الجهد المُطبق على البوابة، حيث أن الجهد بين البوابة والمصدر U_GS يمكن أن يغير المقاومة بين المصدر والمصب R_DS، وبالتالي يتغير التيار المار بين المصدر والمصب I_DS.
يتتطلب الموسفت حتى يعمل تطبيق جهد أدنى يسمى بجهد العمل (threshold voltage) على البوابة، حيث أنه بتطبيق جهد أقل من جهد العمل على البوابة لا يعمل الموسفت فلا يسمح بمرور التيار، أما عند تطبيق جهد أكبر من جهد العمل على البوابة تسمح هذه الأخيرة بمرور التيار وبالتالي يعمل الموسفت.

أنواع الموسفت:

مثلما ذكرنا سابقا فإن الموسفت يتكون من البوابة والنصب والمصدر، وهذا ما يعني وجود نوعين من هذا المقحل هما نوع P (PMOS) ونوع N (NMOS)، ينقسم هذان النوعان إلى نوعين فرعيين آخرين هما:

• نوع منخفض التشويب (Depletion Type): يكون هذا النوع موصلا للتيار في حالته الطبيعية، حيث يتطلب تطبيق جهد على البوابة حتى يتوقف عن نقل التيار، ويمكن تشبيهه بقاطعة مغلقة.
• نوع عالي التشويب (Enhancement Type): يمنع هذا النوع في حالته الطبيعية مرور التيار،  حيث يتطلب تطبيق جهد على البوابة حتى يقوم بنقل التيار، ويمكن تشبيهه بقاطعة مقتوحة.

تُظهر الصورة التالية بنية كل نوع ورمزه في الدائرة الكهربائية:

مصدر الصورة: electronics-tutorials.ws

يمكن تقسيم عمل الموسفت إلى ثلاثة مناطق حسب الجهد المطبق على البوابة:

• منطقة القطع (cut-off region): في هذه المنطقة لا يقوم الموسفت بنقل التيار، حيث يكون I_DS = 0 ويكون الجهد المطبق على البوابة أقل من جهد العمل.
• المنطقة الخطية (linear region): يتم التحكم في التيار المار عبر الموسفت في هذه الحالة عبر الجهد المطبق على البوابة، حتى يكون الموسفت في هذه الحالة يجب أن يكون الجهد المطبق على البوابة أكبر من جهد العمل وكذلك يجب أن يكون الجهد بين المصب والمصدر أكبر من الجهد بين البوابة والمصدر.
• منطقة التشبع (saturation region): في هذه المنطقة يوصل الموسفت أعلى تيار للحمل.

بعض الملاحظات عن الموسفت:

• لا يستهلك تيار أبدا للتحكم وهذا لأنه يجعل مقاومة الدخل كبيرة جدا (عدة ميغا أوم).
• يتم التحكم في التيار المار بواسطة الجهد المطبق على البوابة.
• لمس الموسفت بواسطة مادة غير عازلة أو بواسطة الجسم قد يُؤدي إلى حدوث تفريغ إلكتروستاتيكي مما يسبب تلف هذا النوع من الترانزستورات.