عبد العزيز: بوت:إضافة بوابة (بوابة:مصر)

2023-12-26T22:41:37Z

بوت:إضافة بوابة (بوابة:مصر)

صفحة جديدة

{{صندوق معلومات مكون إلكتروني}}
[[ملف:MOSFET Structure.png|تصغير|تكوين الموسفت: البوابة (G), الجسم (B), المصدر (S) المصب (D) . يفصل البوابة عن الجسم طبقة عازل (أبيض)]]{{تصنيع عناصر أشباه الموصلات}}
'''ترانزستور الأثر الحقلي للأكاسيد المعدنية لأشباه الموصلات''' {{إنج|metal–oxide–semiconductor field-effect transistor اختصاراً MOSFET}} وتُقرَأ '''موسفت'''، هو [[ترانزستور الأثر الحقلي|ترانزستور حقلي]] ذو قناة نقل تعتمد في بنائها على المواد [[شبه موصل]]ة. يتكون من مصدر، ومصب، وبوابة، والجسم ويفصل بين الجسم والبوابة طبقة عازلة. يتحكم الجهد الكهربائي المطبق على البوابة في التيار الكهربي المار من المصدر إلى المصب - مثلما في [[صمام ثلاثي|الصمام الثلاثي]] حيث يتحكم جهد الشبكة في التيار المار من [[مهبط (توضيح)|المهبط]](كاثود) إلى [[مصعد (توضيح)|المصعد]](آنود). وظيفة الموسفت هو فتح وأغلاق دائرة كهربائية. ويوجد من الموسفت ثلاثة أنواع:
* Nmos
* Pmos
* Cmos
والأنواع الثلاث مقسمة حسب أنواع الأكثرية في المقاحل: نوع n ، ونوع p ، والـ Cmos هو عبارة عن خليط من المقحلين الباقيين.

[[ملف:D2PAK.JPG|تصغير|وحدتان من الموسفت . تعمل الواحدة منهما كمفتاح لقطع التيار حى جهد قدره 120 [[فولت|فولط]]. كما يستطيع تحمل تيار 30 [[أمبير]] عندما يفتح التيار. مقارنة بين حجمه وحجم عود كبريت.]]

كلمة موسفت MOSFET هي اختصار للاسم بالكامل:
metal–oxide–semiconductor field-effect transistor

كما تتداول له عدة أسماء نوع بي: موصّل-بي، قناة-بي، و «موس-بي»، كذلك بالنسبة للنوع إن: موصل-إن، قناة-إن، و «موس-إن». , إذا استخدم كلا المقحلين في دائرة رقمية مثلا فيستخدم لهما تعبير «موس متكامل» (Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS .

== تاريخه ==

[[ملف:Threshold formation nowatermark.gif|تصغير|يسار|400px|محاكاة لتكون قناة توصيل التيار عند "حد جهد البوابة" threshold voltage في موسفت . يبلغ حد جهد البوابة هنا 0.45 [[فولت|فولط]]. الرسم البياني يبين تغير تيار المصب بتغير جهد البوابة.]]

كانت طريقة تشغيل الموسفت أقدم كثيرا من معرفتنا [[ترانزستور ثنائي القطب|مقحل ثنائي الأقطاب]]. وكانت أو تسجيلات لحق الاختراع له مسجلة باسم «يوليوس إدجار» في عام 1926 و «أوسكار ليلينفيلد» في عام 1934 .<ref>{{استشهاد ببراءة اختراع1|Land=US|V-Nr=1745175|Kommentar=[http://www.jmargolin.com/history/1745175.pdf PDF]|Erfinder=J. E. Lilienfeld|Titel=Method and Apparatus For Controlling Electric Currents}} {{استشهاد ويب |مسار=http://www.jmargolin.com/history/1745175.pdf |عنوان=نسخة مؤرشفة |تاريخ الوصول=7 أبريل 2014 |تاريخ أرشيف=5 نوفمبر 2019 |مسار أرشيف=https://web.archive.org/web/20191105060657/http://www.jmargolin.com/history/1745175.pdf |حالة المسار=bot: unknown }}</ref> إلا أن أول إنتاج للموسفت بدأت في عام 1960، عندما توصل الفيزيائون إلى مادة [[سيليكون|السليكون]]/[[ثنائي أكسيد السيليكون|أكسيد السليكون]]، استطاعوا بواسطها إنتاج وصلة سطحية بين [[شبه موصل]] و[[عازل]].

واستغنى الناس عن مادة [[جرمانيوم|الجرمانيوم]] التي كانت تكوّن [[شبه موصل|شبه الموصل]] الأساسي لتصنيع مقحل. إلا أن تصنيع المقاحل يحتاج حجرات نظيفة جدا وتحتاج اتباع نظام دقيق في المعاملة الحرارية أثناء الإنتاج.

ومنذ السبعينيات من القرن الماضي كان [[إشابة|تشويب]] البولي سليكون لاستخدامه في تصنيع البوابة، واستغني عن [[ألومنيوم|اللألمونيوم]] المبخر على السطح. .<ref>{{Literatur|Autor=Sami Franssila|Titel=Introduction to Microfabrication|Verlag=John Wiley and Sons|ISBN=978-0-470-74983-8|Jahr=2010|Seiten=229}}</ref>

ومنذ بداية القرن 21 انصب العلماء على ابتكار نوع جديد يسمى «بوابة معدن عالية كي»
High-k+Metal-Gate-Technik وتم أول إنتاج لها في عام 2007 .

== طريقة عمله ==

[[ملف:MOSFET (Funktion als Schalter).svg|تصغير|يسار| 300px|n-Kanal-MOSFET كمقاومة يتحكم فيها جهد كهربائي لتنوير وإطفاء مصباح .(sperrt =غير موصل , leitet = موصّل , sehr groß ''R''DS = المقاومة كبيرة جدا.]]

للموسفت ثلاثة أطراف: G البوابة (وهي المتحكمة), و D المصب، و S المنبع. (وأحيانا في بعض الأنظمة يكون طرف رابع موصول بالجسم B . ولكن في معظم الأحوال يكون الجسم موصولا داخليا بالمنبع)

يعمل الموسفت (كما هو الحال للشبه الموصل الحقلي) كمقاومة يتحكم فيها بواسطة جهد البوابة، أي أن الجهد البوابة-المنبع ''U''GS يمكن أن يغير «المقاومة» بين المنبع والمصب ''R''DS ، وبالتالي يمكنه تغيير التيار ''I''DS (أو باختصار ''I''D) المار في المقاومة ''R''DS تغيررا كبيرا.

'''في الشكل ''' تبين S المنبع وD المصب و G البوابة. البوابة لها حد أدنى للجهد <math>U_\mathrm{th} <0\,\mathrm{V}</math> (عادة بين 1 فولط - 3 فولط) لكي تعمل، يسمى «جهد العمل». فعندما يكون الجهد المطبق على البوابة أقل من «جهد العمل» فلا تسمح البوابة بمرور تيار في الموسفت، ويبقى المصباح مطفأ (الشكل العلوي).

وعندما يعلو جهد البوابة ليصبح أعلى من «جهد العمل»، عندئذ تسمح البوابة بمرور الإلكترونات من المنبع إلى المصب (بالتالي يسير التيار المصطلح عليه تقنيا من الموجب إلى السالب] ويضيء المصباح.

من الملاحظ أن جهد تشغيل المصباح ''U''DS دائما موجبا.

في '''الموسفت نوع إن ''' تكون الإلكترونات الغالبية العظمى لحاملات الشحنة ([[إشابة|تشويب]] نوع إن).<ref name="SemiconductorDevices2009">{{Literatur | Autor = Yaduvir Singh, Swarajya Agnihotri | Titel = Semiconductor Devices | Verlag = I. K. International Pvt Ltd | Jahr = 2009 | ISBN = 9789380026121|Seiten=128–130}}</ref>
وتسير الإلكترونات في عكس اتجاه التيار المصطلح عليه تقنيا (من الموجب إلى السالب) أي تسير الإلكترونات من السالب إلى الموجب، وهو أتجاه «السهم» في الموسفت.

== أنواع الموسفت ==

مثلما في شبه الموصل ثنائي الأقطاب يوجد من الموسفت نوعين:«نوع بي» أو «بي-قناة» و «نوع إن» أو «إن-قناة». وعندما يستخدم الاثنان في دائرة كهربائية فيقال عنهما أنه «موسفت متكامل»
complementary MOS .

وعلاوة على ذلك فيوجد من النوعين صنفان آخرين، يختلفان في البنية الداخلية وفي الخواص الكهربائية:
# منخفض التشويب depletion – موصل للتيار في حالته الطبيعية،
# عالي التشويب enhancement – حاجز للتيار في حالته الطبيعية.

يغلب استخدام الموسفت عالي التشويب عمليا.

== طريقة استخدام الموسفت ==

يمكن استخدام الموسفت بثلاثة طرق تعتمد على مقادير الجهود الكهربائية المتصلة بأطرافه.
هذا النمط ابتكره «شيشمان» و «هودجز» ويسمى باسميهما «نموذج شيشمان-هودجز».

سنطرح هنا الثلاثة طرق لاستخدم موسفت-إن، مركز التشويب:

=== قطع التيار - العمل تحت حد جهد البوابة ===

:'''عندما تكون ''VGS < V''th:'''

حيث
:: <math>V_{GS}</math> هو جهد انحياز البوابة بالنسبة إلى المصدر، و <math>V_{th}</math> هي جهد الحافة (أقل جهد للبوابة يسمح بتشغيل الموسفت)Threshold Voltage.

بسبب أن جهد الحافة أعلى من جهد البوابة يكون الموسفت ليس موصلا للتيار، ولا يوجد تيار من المصب إلى المنبع.<ref name=Gray-Meyer>{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=P R Gray, P J Hurst, S H Lewis, and R G Meyer
| عنوان=Analysis and Design of Analog Integrated Circuits
| سنة= 2001 | صفحات=66–67 | طبعة=Fourth Edition
| ناشر=Wiley | مكان=New York | الرقم المعياري=0-471-32168-0
| مسار= https://www.worldcat.org/title/analysis-and-design-of-analog-integrated-circuits/oclc/44509177|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20090219211405/http://www.worldcat.org:80/isbn/0471321680|تاريخ أرشيف=2009-02-19}}
</ref><ref name=vanRoermund>{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=P. R. van der Meer, A. van Staveren, A. H. M. van Roermund
| عنوان=Low-Power Deep Sub-Micron CMOS Logic: Subthreshold Current Reduction
| سنة=2004 | صفحة=78 | ناشر=Springer | مكان=Dordrecht
| الرقم المعياري=1-4020-2848-2 | مسار=http://books.google.com/books?id=nyken8ivkb8C&pg=PA78&dq=weak+inversion&sig=SwYg44W-tRbG1cSjQBemdM22PgU| مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20140820231433/http://books.google.com/books?id=nyken8ivkb8C&pg=PA78&dq=weak+inversion&sig=SwYg44W-tRbG1cSjQBemdM22PgU | تاريخ أرشيف = 20 أغسطس 2014 }}</ref>

[[ملف:IvsV mosfet.svg|تصغير|400px|تغير تيار المصب بتغير جهد المصب عند قيم مختلفة لفرق الجهد <math>V_{GS}-V_{th}</math>. العلاقة تكون خطية (أومية) عندما يكون جهد المصب لازال صغيرا ; وبزيادته يصل التيار إلى منطقة التشبع أو "المنطقة النشطة". المنحنى الأحمر يحدد المنطقة الإنتقالية بينهما.]]

[[ملف:Mosfet linear.svg|تصغير|مقطع في موسفت يعمل في المنطقة الخطية (أو الأومية Ohmic region )]]

[[ملف:Mosfet saturation.svg|تصغير|مقطع في موسفت يعمل في منطقة التشبع (أو المنطقة النشطة) ، ويرى أتساع قناة بالقرب من جهد الالتقاط pinch-off]]

طريقة الصمام الثلاثي أو منطقة التناسب الخطي <ref name=Schneider>{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=C Galup-Montoro & Schneider MC
| عنوان=MOSFET modeling for circuit analysis and design
| سنة= 2007 | صفحة=83 | ناشر=World Scientific
| مكان=London/Singapore | الرقم المعياري=981-256-810-7
| مسار= https://www.worldcat.org/title/mosfet-modeling-for-circuit-analysis-and-design-international-series-on-advances-in-solid-state-electronics-and-technology/oclc/939252761|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20100112070357/http://www.worldcat.org:80/isbn/981-256-810-7|تاريخ أرشيف=2010-01-12}}
</ref><ref name=Malik>{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=Norbert R Malik
| عنوان=Electronic circuits: analysis, simulation, and design
| سنة= 1995 | صفحات=315–316 | ناشر=Prentice Hall
| مكان=Englewood Cliffs, NJ | الرقم المعياري=0-02-374910-5
| مسار= https://www.worldcat.org/title/electronic-circuits-analysis-simulation-and-design/oclc/981386125|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20090427061703/http://www.worldcat.org:80/isbn/0-02-374910-5|تاريخ أرشيف=2009-04-27}}
</ref>
: '''عندما تكون ''VGS > V''th
: و (''VDS < (VGS – V''th '''

يبدأ التيار يسير من المصب إلى المنبع (طبقا لتعريف التيار في التقنية الكهربائية). ويعمل الموسفت كما لو كان مقاومة بين المصب والمنبع ويضبطها جهد البوابة.

الرسم البياني المجاور يبين تزايد التيار بزيادة جهد المصب، وذلك لعدد من قيم فرق الجهد (''; (VGS – V''th بين 1 فولط، و 2 فولط و 3 فولط.... إلى 7 فولط.

نجد أن التيار يتاسب تناسبا خطيا مع جهد المصب أولا، ثم يصل إلى [[تشبع (توضيح)|تشبع]] حيث يثبت التيار عند مستوى معين ولا يزيد رغم تزايد الجهد.

المعادلة التي تصف سلوك التيار من المصب إلى المنبع هي:

:    <math>I_D= \mu_n C_{ox}\frac{W}{L} \left( (V_{GS}-V_{th})V_{DS}-\frac{V_{DS}^2}{2} \right)</math>

حيث:
: <math>\mu_n</math> الحركية الفعالة لحاملات الشحنة،

: <math>W</math> اتساع البوابة،
: <math>L</math> طول البوابة،
: <math>C_{ox}</math> سعة الأكسيد في البوابة.

=== منطقة التشبع ===
منطقة التشبع أو الطريقة النشطة (Saturation mode) <ref name= Gray-Meyer2>
{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=PR Gray, PJ Hurst, SH Lewis & RG Meyer
| عنوان=§1.5.2 p. 45 | الرقم المعياري=0-471-32168-0
| مسار= https://www.worldcat.org/title/analysis-and-design-of-analog-integrated-circuits/oclc/44509177|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20090428030645/http://www.worldcat.org:80/isbn/0-471-32168-0|تاريخ أرشيف=2009-04-28}}
</ref><ref name=Sedra>
{{استشهاد بكتاب
| مؤلف=A. S. Sedra and K.C. Smith
| عنوان=Microelectronic circuits
| سنة=2004 | طبعة=Fifth Edition | صفحة=552
| ناشر=Oxford | مكان=New York | الرقم المعياري=0-19-514251-9
| مسار= https://www.worldcat.org/title/microelectronic-circuits/oclc/249573463|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20090204145937/http://www.worldcat.org:80/isbn/0-19-514251-9|تاريخ أرشيف=2009-02-04}}
</ref>

: عندما تكون ''VGS > V''th
: و (''VDS ≥ (VGS – V''th

في هذه الحالة ينفتح الموسفت وتنشأ قناة تسمح للتيار بالمرور بين المصب والمصدر. ونظرا لأن جهد المصب أغلى من جهد المصدر فإن الاكترونات تنتشر ولا ينحصر التوصيل في قناة ضيقة بل ينتشر في قناة متسعة واصلة حتى جسم الموسفت.

عند بداية منطقة التشبع حيث تكون جهد المصب مساويا تقريبا من فرق الجهد '' VGS – V''th توجد منطقة تسمى «منطقة التقاط» '''pinch-off''' تشير إلى عدم تكوّن قناة قرب المصب. ومع أن القناة لا تشمل الموسف بطوله فيكون المجال الكهربائي عاليا بيك المصب والقناة ويستمر التوصيل.

ويكون تيار المصب معتمدا قليلا على جهد المصب ويتحكم فيه جهد البوابة-المنبع، وتصف المعادلة التالية اعتماد تيار المصب على جهد المصب بالتقريب:

:    <math>I_D = \frac{\mu_n C_{ox}}{2}\frac{W}{L}(V_{GS}-V_{th})^2 \left(1+\lambda (V_{DS}-V_{DSsat})\right).</math>

[[ملف:MOSFET functioning.svg|تصغير|400px| bias; أعلى إلى اليسار:تحت حد البوابة ،اليمين:طريقة المقاومة , أسفل إلى اليسار: بداية الطريقة النشطة (pinch-off)عندما تكون VDS = VGs - Vth و أسفل يمين : الطريقة النشطة VDS> VGs - Vth]]

هنا ظهر معامل جديد λ, وهو [[معامل تغير طول القناة (موسفت)|معامل تغير طول القناة]] ويمثل اعتماد التيار على جهد المصب بسبب «التاثير الابتدائي»، أو «تعديل طول القناة» channel length modulation.

فإذا كانت λ مساوية للصفر يكتسب الموسفت مقاومة عالية ويصعب تقدير تيار المصب، خصوصا في الدوائر التناظرية.

'''الأشكال التالية توضح ظروف عمل الموسفت في أربعة أنمطة للتشغيل: '''

في الأشكال الملونة: نجد مقاومة تصل بين المنبع والجسم حتى لا يكون الجسم تحت جهد.

== تقسيم أجزاء المنبع والمصب للنوعين PMOS و NMOS ==

[[ملف:CMOS inverter (enhancement) with currents DE.svg|تصغير|يسار|300px|CMOS :المدخل Eingang ، المخرج Ausgang .]]

الشكل يوضح دائرة تتكون من «موسفت نوع إن» و «موسفت نوع بي». السهم داخل الموسفت يشير إلى اتجاه حركة الإلكترونات (وهو اتجاه التيار طبقا للاصطلاح التقني).

المنبع هو العضو الذي تتحرك منه الشحنات في حالة التوصيل في اتجاه المصب.

في الموسفت نوع «قناة-إن» NMOS تكون [[إلكترون|الإلكترونات]] أغلبية حاملات الشحنات.<ref name="SemiconductorDevices2009"/>
والإلكترونات تسير في عكس اتجاه التيار كما هو مصطلح عليه تقنيا. هنا نجد أن جهد المنبع
<math>\varphi_\mathrm{S}</math> (−; لأنه أقرب إلى <math>U_\mathrm{SS}</math>) أقل من جهد المصب
<math>\varphi_\mathrm{D}</math> (+; فهو أقرب إلى <math>U_\mathrm{DD}</math>).

وفي حالة الموسف نوع «قناة-بي» PMOS تكوّن [[فجوة إلكترونية|الفجوات]] أغلبية حاملات الشحنة، وهم يسيرون في اتجاه التيار كما هو معترف به من تقنية الكهرباء.<ref name="SemiconductorDevices2009"/>

ويتم توصيل المصدر للموسفت نوع «قناة- بي» بالجهد <math>\varphi_\mathrm{S}</math> (+, وهو أقرب إلى <math>U_\mathrm{DD}</math>) ويكون أكبر من جهد المصب <math>\varphi_\mathrm{D}</math> (−; لأنه أقرب إلى <math>U_\mathrm{SS}</math>).

== اقرأ أيضا ==

{{أعمدة متعددة}}
* [[قانون مور]]
* [[ثنائي المساري|ديود]]
* [[ترانزستور حقلي وصلي|مقحل حقلي موصول]]
* مقحل معدني مؤكسد
* [[مضخم عملياتي]]
* [[ترانزستور حقلي حساس للإشعاع|مقحل حقلي حساس للإشعاع]]
* [[عازل كهربائي هاي كي]]
{{فاصل أعمدة متعددة}}
* [[شبه موصل مشاب|شبه موصل دخيل]]
* [[بوابة منطقية]]
* [[بوابة منطقية|الدارات المنطقية]]
* [[منطقة انخفاض]]
* [[أكسدة موضعية للسيليكون]]
* [[تاريخ الأجهزة الحاسوبية (ستينيات القرن العشرين-الآن)]]
{{نهاية أعمدة متعددة}}

== المراجع ==

{{مراجع}}
{{تصنيف كومنز}}
{{شريط سفلي عناصر إلكترونية}}
{{شريط بوابات|إلكترونيات|تقانة النانو|مصر}}

{{ضبط استنادي}}

[[تصنيف:اختراعات القرن 20]]
[[تصنيف:أنواع الترانزستورات]]
[[تصنيف:استحداثات 1959]]
[[تصنيف:استحداثات 1960]]
[[تصنيف:اختراعات عربية]]
[[تصنيف:اختراعات كورية جنوبية]]
[[تصنيف:اختراعات مصرية]]
[[تصنيف:إلكترونيات رقمية]]
[[تصنيف:ترانزستورات]]
[[تصنيف:تصميم إلكتروني]]
[[تصنيف:دارات متكاملة]]
[[تصنيف:سيليكون]]
[[تصنيف:مستشعرات]]
[[تصنيف:مستشعرات حيوية]]

موسفت - تاريخ المراجعة

عبد العزيز: بوت:إضافة بوابة (بوابة:مصر)