ماسفت‌نامه: اسم پایه‌های قطعه و جهت معمول جریان

برخلاف خیلی چیزهای دیگه درباره‌ی ماسفِت (MOSFET)، نام پایه‌های این قطعه رو خیلی خوب انتخاب کرده‌اند! :)) اگر یه‌کمی به معنی کلماتی فکر کنیم که به‌عنوان اسم پایه‌های ماسفت انتخاب شده‌اند، می‌تونیم یه درک خوبی از رفتار پایه‌ها و ترانزیستور پیدا کنیم. علاوه‌بر این، نام‌ها طوری انتخاب شده‌اند که با کارکرد معمول و رایج قطعه هم‌خوانی داشته باشن؛ به همین خاطر، وقتی که معنی اسم پایه‌ها رو درک کنیم، می‌تونیم جهت جریان رو داخل استفاده‌های معمول از ماسفت، استنتاج کنیم. داخل این مقاله، اول یه بررسی زبانی روی معنی اسم پایه‌های ماسفت داریم. با این کار، علت نام‌گذاری پایه‌ها برامون مشخص می‌شه. بعدش با استفاده از دانشی که درباره‌ی اسم پایه‌ها به دست آورده‌ایم، جهت معمول جریان رو داخل ماسفت تعیین می‌کنیم. دیگه هیچ نیازی به حفظ کردن نداریم! :)

همون‌طوری که می‌دونیم، قطعه‌ی ماسفتی که به‌عنوان یه دونه ترانزیستور دستمون می‌گیریم، سه تا پایه داره:

• گِیت (Gate)، که با حرف «G» نشون داده می‌شه.
• سورس (Source)، که «سُرْسْ» خونده می‌شه و با «S» نشونش می‌دیم.
• درِین (Drain)، که با حرف «D» نمایش داده می‌شه.

گِیت، پایه‌ی کنترلی ماسفت ماست و از یه دیدگاه ساده، میزان جریان عبوری از سورس و درِین رو تعیین می‌کنه. هرچند که دلیل نام‌گذاری گِیت، با یه مراجعه‌ی ساده به دیکشنری، احتمالاً مشخص می‌شه، اما علت نام‌گذاری سورس و درِین، حتی بعد از دونستن معنی این کلمه‌ها، لزوماً خیلی واضح نیست. باید یه نگاهی به معنای این کلمات بندازیم و یه‌کمی بحث کنیم تا دلیل نام‌گذاری پایه‌ها رو متوجه بشیم.

دو تا نکته، قبل از شروع

برابری قطبیت کانال با نوع نیمه‌هادی درِین و سورس

می‌دونیم که ماسفت‌ها از جنبه‌ی قطبیت کانال خودشون، یا از نوع کانال N هستن یا کانال P. قطبیت کانال ایجادشده داخل هر ماسفت، با نوع نیمه‌هادی سورس و درِین، یکسانه؛ پس داخل یه ماسفت، هر سه تای سورس، درِین، و کانال، از جنس یک نوع نیمه‌هادی هستن: یعنی هر سه تاشون یا از جنس نیمه‌هادی نوع P می‌شن یا از جنس نیمه‌هادی نوع N. بااین‌اوصاف، تعیین قطبیت کانال ماسفت، کاملاً معادل می‌شه با تعیین نوع نیمه‌هادی سورس و درِین. پس:

• هر زمان که بدونیم با ماسفت کانال N طرف هستیم، می‌فهمیم که نیمه‌هادی سورس و درِین هم از نوع N هست. عکس قضیه هم برقراره: اگر بگیم نیمه‌هادی سورس و درِین از نوع N هست، پس متوجه می‌شیم که کانال تشکیل‌شده در ماسفت هم از نوع N می‌شه.
• هر موقع که با ماسفت کانال P سروکار داشته باشیم، می‌دونیم که نیمه‌هادی‌های نوع P هم برای سورس و درِین استفاده شده‌اند. مجدداً عکس این مورد هم برقرار هست دیگه: اگه بدونیم که سورس و درِین از نیمه‌هادی نوع P ساخته شده‌اند، پس می‌فهمیم که کانال ماسفت ما هم از نوع P خواهد بود.

حامل اکثریت

نکته‌ی بعدی، بحث «حامل اکثریت» یا «majority carrier» در نیمه‌هادی‌ها و ماسفت هست. وقتی می‌گیم «حامل اکثریت»، منظورمون نوعی از حامل بار الکتریکیه که فراوونیِ بیشتری داخل یه نیمه‌هادی داره: حامل‌های اکثریت در نیمه‌هادی نوع P، بارهای «مثبت» یا «حفره‌ها» (holes) و در نیمه‌هادی نوع N، بارهای «منفی» یا «الکترون‌ها» هستن؛ دقیقاً دلیل نام‌گذاری نیمه‌هادی نوع P و N همینه دیگه: Positive یعنی «مثبت» و Negative یعنی «منفی». (اگه یه‌وقت این قضیه‌ی P و N هنوز براتون جا نیُفتاده، شاید بد نباشه که یه سَری به مقاله‌ی «نماد الکترونیک قطعات نیمه‌هادی» بزنید.)

حالا، حامل اکثریت، بیشترین نقش رو داخل رسانندگی الکتریکی یه ماسفت ایفا می‌کنه. در واقع، جریان الکتریکی، زمانی داخل یه ماسفت ایجاد می‌شه که حامل‌های اکثریت شروع کنن به انتقال بار الکتریکی. به زبان ساده، جریانی که درون یه ماسفت از سورس، کانال، و درِین عبور می‌کنه، از حرکت حامل‌های اکثریت ناشی می‌شه.

از دو تا پاراگراف قبلی یه جمع‌بندی انجام بدیم: گفتیم برحسب اینکه قطبیت نیمه‌هادی ما چیه، حامل اکثریت هم در نیمه‌هادی فرق می‌کنه؛ یا بار مثبت می‌شه یا بار منفی. ازطرف‌دیگه، جریان الکتریکی درون ماسفت، ناشی از حرکت حامل‌های اکثریت هست. پس حالا، وقتی که قطبیت کانال یه ماسفت تعیین بشه، مشخص می‌شه که چه نوع باری (مثبت یا منفی) داخل ماسفت جریان پیدا می‌کنه:

• داخل ماسفت با کانال N، حامل‌های اکثریت ما، بارهای «منفی» یا «الکترون‌ها» هستن؛ پس برای یه ماسفتِ کانال N، حرکت الکترون‌هاست که جریان الکتریکی رو ایجاد می‌کنه.
• داخل ماسفت با کانال P، بارهای «مثبت» یا «حفره‌ها» می‌شن حامل‌های اکثریت؛ پس برای ماسفتِ کانال P، حرکت حفره‌ها موجب ایجاد جریان الکتریکی می‌شه.

علت نام‌گذاری پایه‌های ماسفت

حالا با در نظر داشتن نکات بالا، معنی کلمات gate، source، و drain رو بررسی می‌کنیم؛ کلماتی که به‌عنوان اسم پایه‌های ماسفت در نظر گرفته شده‌اند. قضیه‌ی اسم پایه‌ی گِیت، خیلی ساده‌تر از دو تای دیگه است؛ پس همین اول کاری بررسیش می‌کنیم و می‌ذاریمش کنار!

پایه‌ی کنترلی: گِیت

کلمه‌ی «gate» در زبان انگلیسی، به معنی هر چیزی مثل «دَر» و «دروازه» است که به‌نوعی باز و بسته می‌شه و می‌تونیم باهاش وضعیت «ورودوخروج» یا «عبورومرور» رو کنترل کنیم یا از طریق اون، به یه چیز دیگه یا جای دیگه‌ای دسترسی پیدا کنیم [مرجع ۱] [مرجع ۲] [مرجع ۳]؛ پس:

• مثلاً ممکنه که به دروازه‌ی یه قلعه بگیم gate.
• یا داخل فرودگاه به محل ورود/خروج مسافرها به/از هواپیما هم باز می‌گیم gate.
• حتی ممکنه که به یه دریچه یا شیر فلکه‌ی کنترل آب هم بگیم یه gate.

خلاصه، ایده‌ی کلی اینه که از طریق یه gate، ما می‌تونیم عبورومرور رو کنترل کنیم. البته توی پرانتز، خوبه بدونیم که gate، علی‌الخصوص در زمینه‌ی الکترونیک، با معنای فعلی هم به کار برده می‌شه.

پس حالا دیگه معنی اسم Gate برای پایه‌ی ماسفت، مشخص می‌شه. «Gate» در یک ماسفت، پایه‌ی کنترلی قطعه‌ی ماست و ما از طریق گِیت، می‌تونیم عبورومرور جریان رو داخل ماسفت، کنترل کنیم. این از این. معنی اسم گِیت مشخص شد و دیگه داخل این مقاله کاری باهاش نداریم!

پایه‌های متصل به کانال: سورس و درِین

برای اینکه اسم سورس و درِین برامون معنی‌دار بشه، باید بتونیم خودمون رو جای یه ماسفت بذاریم و زندگیش رو درک کنیم :)) باید فرض کنیم که این توانایی رو پیدا کرده‌ایم که اون‌قدر کوچیک بشیم تا بتونیم با ورود به درون یه ماسفت، ساختار داخلی اون رو از نزدیک ببینیم. یا برعکس، شاید که یه ماسفت خیلی بزرگ به اندازه‌ی یه اتاق ساخته شده و ما داخل اون اتاق، روی کانال ماسفت ایستاده‌ایم! خلاصه ایده اینه که بتونیم داخل یه ماسفت رو ببینیم و به سورس، درِین، کانال، و عبورومرور حامل‌های اکثریت، نگاه کنیم.

سورس

کلمه‌ی «source» در انگلیسی به معنای «مبدأ»، «منبع»، «سرچشمه»، «مرجع»، یا «نقطه‌ی شروع» و «منشأ» هر چیزه [مرجع ۴] [مرجع ۵]. پس:

• مثلاً به سرچشمه‌ی یه آب رَوون، می‌تونیم بگیم source.
• یا مثلاً منشأ نارضایتی شغلی رو ممکنه source این قضیه بدونیم.
• به منبع یه خبر هم می‌گیم source اون خبر.
• حتی خُب به منبع جریان الکتریکی هم می‌گیم source جریان! :D

توی پرانتز، بد نیست بدونیم که کلمه‌ی source رو در معنای فعلی هم می‌شه به کار برد؛ مثلاً به تأمین کردن یه قطعه یا کالا ممکنه بگیم source کردن اون چیز.

حالا فرض کنید که داخل یه قطعه‌ی ماسفت و اون وسط، روی کانال ایستاده‌ایم و داریم به محل اتصال پایه‌ی Source و کانال نگاه می‌کنیم. اگه جریان الکتریکی داخل ماسفت برقرار باشه، ما سورس رو در قالب «منبع» حامل‌های اکثریت می‌بینیم. گفتیم که جریان الکتریکی داخل ماسفت، همیشه از حرکت حامل‌های اکثریت ناشی می‌شه دیگه؛ حالا پایه‌ی Source، به‌عنوان «مبدأ» یا «سرچشمه‌ی» اون حامل‌های اکثریت عمل می‌کنه. می‌بینید که نقش این پایه، درون ترانزیستور، با اسمی که براش گذاشته شده، کاملاً مطابقت می‌کنه! :)

درِین

کلمه‌ی «drain» در انگلیسی به معنی «مجرای خروج» هست [مرجع ۶] [مرجع ۷]. پس:

• مثلاً به اون صافی یا سوراخی که کف سینک ظرف‌شویی وجود داره و آب کف ظرف‌شویی رو خارج می‌کنه، می‌گیم drain.
• یا مثلاً به کف‌شور حمام که آب کف حمام رو می‌کِشه داخل خودش و به فاضلاب می‌ریزه هم می‌گیم drain.

البته بد نیست بدونیم که کلمه‌ی drain رو می‌شه در قالب فعل هم به کار برد و داخل معنایی مثل «تخلیه کردن» ازش استفاده کرد؛ مثلاً به تخلیه‌ی یه باتری می‌گیم drain کردن اون باتری. یا وقت‌هایی که خیلی خسته باشیم و انرژی‌مون «تموم» شده باشه، می‌گیم drained شده‌ایم!

برای درک معنی اسم پایه‌ی Drain، باید دقیقاً به همون صورتی عمل کنیم که برای سورس انجام دادیم: باید داخل قطعه‌ی ماسفت، روی کانال وایسیم و از اونجا به محل اتصال پایه‌ی Drain و کانال نگاه کنیم. حالا اگه حرکت جریان رو داخل کانال تماشا کنیم، می‌بینیم که Drain همیشه «خروجی» حامل‌های اکثریت از درون کانال ماسفت به سمت بیرون اون هست؛ یعنی الکترود Drain، همیشه داره بارها رو به درون خودش می‌کِشه تا اون‌ها رو از ماسفت، خارج کنه و به‌عنوان «مجرای خروج» حامل‌های اکثریت عمل می‌کنه. پس می‌بینید که اسم Drain هم خیلی معنی‌دار انتخاب شده.

استنتاج جهت معمول جریان در ماسفت

قبلاً گفتیم که اسم پایه‌های ماسفت، طوری انتخاب شده تا گویای نحوه‌ی رسانندگی الکتریکی ماسفت، داخل حالت‌های معمول استفاده از قطعه باشه. پس ما می‌تونیم فقط با استفاده از نکاتی که درباره‌ی اسم پایه‌ها یاد گرفتیم، جهت جریان رو داخل استفاده‌ی معمول از قطعه‌ی ماسفت، استخراج کنیم. نیازی به حفظ کردن جهت جریان نیست، بلکه کافیه به دلیل نام‌گذاری پایه‌های سورس و درِین توجه خاص داشته باشید.

جهت حرکت حامل‌های اکثریت

اگه بخوایم یه نتیجه‌ی کلی درباره‌ی اسم سورس و درِین بگیریم، می‌تونیم فرض کنیم که داخل ماسفت، روی کانال ایستاده‌ایم و داریم به عبور حامل‌های اکثریت نگاه می‌کنیم:

• حامل‌های اکثریت از طریق Source وارد کانال می‌شن و ما سورس رو به‌عنوان «منبع» و «ورودی» حامل‌های اکثریت می‌بینیم.
• حالا Drain می‌آد اون حامل‌های اکثریتی رو که داخل کانال هستن، به درون خودش می‌کِشه و اون‌ها رو از کانال و از ماسفت خارج می‌کنه. پس درِین، به‌شکل «خروجی» حامل‌های اکثریت عمل می‌کنه.

به‌عنوان نتیجه‌ی کلی، می‌تونیم بیان کنیم که

«حامل‌های اکثریت» درون یه ماسفت، همیشه از سورس به درِین حرکت می‌کنن.

این نتایج رو می‌تونید داخل شکل زیر ببینید.

جهت معمول جریان

حالا جهت حرکت «حامل‌های اکثریت» مشخص شده، اما برای تعیین «جهت جریان»، باید بدونیم که دقیقاً چه نوع بار الکتریکی (مثبت یا منفی) جریان رو به وجود آورده؛ چرا؟ چون جهت قراردادی جریان، همیشه هم‌سو با حرکت بارهای مثبت ولی در خلاف جهت حرکت بارهای منفیه؛ پس مثبت و منفی بودن بارهای سازنده‌ی جریان، روی نتیجه‌گیری نهایی ما تأثیر اساسی داره…

دیگه الان همه‌چی واضح شده: ما جهت حرکت حامل‌های اکثریت رو می‌دونیم. اگه قطبیت کانال رو مشخص کنیم، اون وقت نوع بار الکتریکی (مثبت یا منفی) هم مشخص می‌شه و می‌تونیم جهت جریان رو تعیین کنیم: هم‌سو با حرکت بارهای مثبت یا خلاف جهت حرکت بارهای منفی!

جهت معمول جریان در ماسفتِ کانال P

حامل‌های اکثریت درون یه ماسفت، همیشه از سورس به درِین حرکت می‌کنن. حالا چون با ماسفت کانال P طرف هستیم، پس حامل‌های اکثریت، بارهای «مثبت» یا «حفره‌ها» هستن؛ در نتیجه، داخل ترانزیستورِ ما، بارهای «مثبت» از سمت سورس به سمت درِین حرکت می‌کنن. پس جهت معمول جریان هم درون ماسفت ما، هم‌سو با حرکت بارهای مثبت و از سمت سورس به سمت درِین می‌شه دیگه. شکل زیر رو ببینید.

جهت معمول جریان در ماسفتِ کانال N

واقعیت تفاوتی نداره: حامل‌های اکثریت درون یه ماسفت، همیشه از سورس به درِین حرکت می‌کنن. اما داخل یه ماسفت کانال N، حامل‌های اکثریت، بارهای «منفی» یا «الکترون‌های» نازنین هستن :) پس این دفعه بارهای «منفی» هستن که دارن داخل ترانزیستور، از سمت سورس به سمت درِین حرکت می‌کنن. چون جهت حرکت بارهای «منفی» از سورس به درِین هست، پس جهت معمول جریان داخل این ماسفت، بر خلاف حرکت بارهای منفی، و این بار، از سمت درِین به سمت سورس می‌شه. به شکل زیر نگاه کنید.

جهت «غیرِمعمولِ» جریان؟؟؟

داخل این مقاله، روی جهت «معمول» جریان در ماسفت، تأکید زیادی کرده‌ام… با عرض معذرت، دلیل داره…

قضیه چیه؟! مگه جهت «غیرمعمول» جریان در ماسفت هم وجود داره؟! راستش ماسفت، پیچیده‌تر از اونی هست که بتونیم به همین راحتی درباره‌اش قواعد کلی ارائه کنیم :)) یکی از پیچیدگی‌های ماسفت هم… خُب… راستش رو بخواید… اینه که… در واقع… می‌تونه در حالت خاصی، جریان رو از هر دو طرف عبور بده! :)) پس اگه به کاربردهای خاصی از ماسفت نگاه بکنید، ممکنه ببینید که این تعبیرهایی که برای معنی اسم Source و Drain آوردیم، داخل اون کاربرد برقرار نیست. نکته اینه که داخل تحلیل اسم پایه‌های ماسفت، ما فقط به کاربردهای خیلی معمول‌ترِ قطعه نگاه می‌کنیم و اسم پایه‌ها رو با توجه به اون کاربردهای خیلی رایج‌تر، در نظر می‌گیریم. اصلاً نگران نباشید! به‌هرحال، این دانشی که درباره‌ی جهت معمول جریان در ماسفت به دست آورده‌ایم، به ما کمک می‌کنه تا قطعه رو خیلی بهتر بشناسیم و بتونیم مدارهای مختلف یا نماد ماسفت رو راحت‌تر تحلیل کنیم، بدون اون که نیازی به حفظ کردن این موارد داشته باشیم.

جمع‌بندی

نکته‌ی کلیدی داخل درک معنی اسم پایه‌های ماسفت، اینه که ما باید «از داخل ماسفت» و «از روی کانال» به محل اتصال الکترودهای سورس و درِین نگاه کنیم. اگه عبور حامل‌های اکثریت رو از داخل ماسفت تماشا کنیم، می‌بینیم که انگار سورس، داره حامل‌های اکثریت رو تأمین می‌کنه و درِین، اون حامل‌ها رو مصرف می‌کنه؛ نقش‌هایی که با اسم پایه‌های قطعه تناسب خوبی داره. به عبارت ساده‌تر، می‌تونیم بگیم که حامل‌های اکثریت داخل یه ماسفت، همیشه از سورس به سمت درِین حرکت می‌کنن. حالا گِیت هم این عبورومرور حامل‌های اکثریت رو کنترل و وضعیت دروازه‌ی کانال ما رو تعیین می‌کنه.

زمانی که دلیل نام‌گذاری سورس و درِین و جهت حرکت حامل‌های اکثریت رو متوجه بشیم، می‌تونیم با تعیین قطبیت کانال ماسفت و مثبت یا منفی بودن حامل‌های اکثریت، جهت معمول جریان رو هم داخل یه ماسفت استنتاج کنیم. البته باید توجه داشته باشیم که قطعه‌ی سه پایه‌ی ماسفت، یه قطعه‌ی چَموش و یه اسب سَرکِشه که نهایتاً در حالات خاصی، می‌تونه جریان رو از هر دو طرف عبور بده! :)) بااین‌وجود، وقتی این دانش رو به دست بیاریم، دیگه خیلی راحت‌تر می‌تونیم نماد الکترونیک ماسفت رو درک کنیم و بدون نیاز به حفظ کردن، جهت جریان رو داخل مدارهای مختلف، استنتاج کنیم، إن‌شاءالله… :)