ترانزیستورهای اثر میدانی یا به اختصار اِفایتیها (FETها)، در کاربردهای مختلف و طیف وسیعی از مدارهای الکترونیکی بهکار میروند. پروژههای کتاب حاضر، در کنار طرحهای گوناگون مورد استفاده در کارهای خانگی، مدارهای متنوّعی برای ساخت مبدّلها و تقویتکنندههای بسامد رادیوئی (RF)، ابزارهای تست و سنجش و گیرندهها و مدارهای جانبی آنها، تیونرها، مخلوطکنندهها (میکسرها) و کنترلکنندههای تون را شامل میگردد. در هنگام تأمین قطعات مورد نیاز مدارها، باید توجّه داشت که در انتخابFETهای اشاره شده، حسّاسیّت چندانی وجود ندارد و در بسیاری از موارد میتوان نمونههای متعدّدی از آنها را به کارگرفت. شایان ذکر است کهFET، یک عنصر با بهرهی بالا و نوفه (نویز) پائین است که موارد استفادهی گوناگونی دارد. ضمناً، نمونهی با گیت مضاعف این عنصر، قطعهی چند منظورهای است که در موارد خاصّی از جمله مخلوطکنندهها، بهکار میرود. در مجموع، اثر حاضر، مدارهای متنوّعی را شامل میگردد که ممکن است مورد توجّه علاقمندان به ساخت پروژههای سادهی الکترونیکی، شیفتگان گوش فرا دادن به برنامههای پخش شده به وسیلهی امواج کوتاه رادیوئی و همچنین، علاقمندان به ساخت پروژههای صوتی واقع شود. ترانزیستورها یکی از پُرشمار قطعات الکترونیکیاند که در نمونهها و اقسام گوناگونی تولید میشوند و متناسب با کارآئی هر یک، در مدارهای مختلفی بهکار میروند و عمدتاً در نقش کلیدزنی یا تقویتکنندگی بهکار گرفته میشوند. همانطور که خوانندهی ولو مبتدی مستحضر است، معروفترین و پُر کاربردترین گونههای این قطعات، ترانزیستورهای دوقطبیاند که در کنار جثّهی کوچک و قیمت نازل خود، کاربردهای بیشماری دارند و در طیف گستردهای از مدارهای الکترونیکی بهکار گرفته میشوند و از این بابت، اکثر مبتدیان علاقمند به ساخت پروژههای آماتوری، با آنها آشنا هستند و از این قطعات استفاده میکنند.
امّا چنانچه اشاره شد، ترانزیستورها، فقط به نمونههای دوقطبی منحصر نمیشوند و برای پاسخگوئی به نیازهای مختلف طرّاحان مدارهای الکترونیکی، در گونههای دیگری نیز تولید شده و روانهی بازار میگردند. ترانزیستورهای اثر میدانی یا به اختصارFETها، که در دو خانوادهی پیوندی (Junction Field Effect Transistor یا به اختصارJFET) و فلزّ- اکسید- نیمرسانا (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor یا به اختصار،MOSFET) تولید میشوند، از جمله عناصر بسیار مفیدی هستند که به نظر میرسد علاقمندان مبتدی، با آنها آشنائی کمتری دارند.
باید اشاره کرد که در ترانزیستورهای دوقطبی، «هم» جریان الکترونی وجود دارد و «هم» جریان حفرهای در حالی که نمونههای اثر میدانی، یعنی قطعات یک قطبی که کتاب حاضر به بهانهی معرّفی آنها به رشتهی تحریر در آمده است، تنها با یک نوع حامل یا بار بَر جریان، یعنی الکترونها «یا» حفرهها کار میکنند. از باب یادآوری اشاره می‌شود که ترانزیستور دوقطبی، قطعهای است که برای کنترل آن، از جریان بیس استفاده می‌شود و از این طریق، جریان کلکتور کنترل میگردد؛ فرایندی که در خصوص ترانزیستورهای اثر میدانی صادق نبوده و در خصوص آنها، برای کنترل جریان عبوری، از ولتاژ بین پایانههای گیت و سورس قطعه بهرهبرداری می‌شود؛ علاوه بر این نباید از خاطر دور داشت که دیگر ویژگی با ارزشی که این عناصر را از ترانزیستورهای دوقطبی متمایز میسازد، مقاومت ورودی بسیار بزرگشان است. صحبت در وصف ویژگیها و البتّه نقاط ضعف یا محدودیّتهای این ترانزیستورها، خارج از حوصلهی کتاب حاضر بوده و چیزی نیست که در این مختصر بگنجد و از طرفی باید اشاره کرد که اصولاً اثر حاضر، برای این منظور تدوین نگردیده است. توجّه داشته باشید که مجموعهی حاضر، یک مرجع دانشگاهی نیست و با نیّت بررسی و کند و کاو در خصوصیّات علمی و ویژگیهای محاسباتی این قطعه تدوین نگردیده و اساساً در پی آن است که خوانندهی مبتدی و غیرحرفهای را به طریقی با توانائیها و کاربردهای عملی این قطعه آشنا سازد و وی را به استفاده از آن در مدارهای گوناگون تشویق نماید.
اثر پیش رو، گلچینی از مدارهای کاربردی بسیار ساده با این قطعهی دوستداشتنی است که تلاش میکند خواننده را به بهانهی ساخت و بهرهبرداری از آنها، با شکل ظاهری، آرایش پایهها، محدودیّتهای کاربردی، قطعات جانبی مورد نیاز و دیگر ویژگیهایFETها آشنا سازد و چه بسا موجبات علاقمندی وی به مطالعهی مراجع علمی و دانشگاهی وزین و ذیربط را فراهم آورد.
پُر واضح است که منظور غائی و نهائی نویسنده از طرح مدارهای ارائه شده این نیست که خواننده، به صِرف پیادهسازی آنها، موفّق به ساخت یک مدار الکترونیکی و استفاده از آن شود که هدف اصلی، آن است که فَرد علاقمند، با تهیّه‌ی این قطعه برای ساخت هر پروژه، عملاً با آن آشنا شود و از کارآئیهای آن لذت ببرد و پایههایش را بشناسد و در صورت علاقمندی، به مطالعهی دیگر کتاب‌های مرتبط بپردازد و دانش خود را در این زمینه ارتقاء بخشد.
آشنائی با FETها و اشاره‌ای به چند مورد ضروری
چگونگی عملکرد FET
شکل1، به روشن شدن نحوهی عملکردFET کمک میکند. در قسمتA، اجزاء اصلی این قطعه، یعنی سورس (source، پایانهیS)، گیت (gate، پایانهیG) و درین (drain، پایانهیD) نشان داده شدهاند. به مسیر یا راه عبور جریان الکترونها از سورس به درین از طریق مادّهی نیمرسانا، کانال گفته می‌شود. درFETهای N-کانال (یا کانالN)، الکترونها، نقش حاملها (یا باربرها) را ایفاء مینمایند. در این حالت، پایانهی سورس به خطّ منفی تغذیه اتّصال مییابد و درین به خطّ مثبت متّصل میگردد. برای ایجاد پیوندهای PN، از شکلدهی گیتهای نوع P بر روی کانالهای نوع N استفاده می‌شود. هنگامی که این پیوندها در بایاس مخالف واقع میشوند، نواحی اطراف آنها از حاملهای الکترونی تهی میگردد. بهطوری که در قسمت B مشاهده میگردد، این نواحی تخلیه شده، موجبات کاهش پهنای کانال حامل را فراهم می‌آورند و به تبع آن، معبر و محلّ گذر حاملهای جریان از سمت سورس به طرف درین با کاهش و اُفت محسوسی روبرو می‌شود. ارتقاء بایاس و افزایش آن، باعث گستردگی ناحیهی تخلیه شده و کوچکترشدن کانال می‌شود و عبور جریان الکترونها را با محدودیّت بیشتری مواجه میسازد. در نهایت، میتوان گیت را آنقدر منفی کرد که کانال، به کلّی مسدود گردد. به این حالت که انسداد کامل کانال و کاهش عملی شدّت جریان به صفر را در پی دارد، گرفتگی یا تنجش و در اصطلاح، پینچ آف اطلاق میگردد؛ به عبارتی، میتوان این وضعیّت را به حالت قطع کلکتور در ترانزیستورهای پیوندی تشبیه کرد. به این ترتیب ملاحظه می‌شود که میتوان با تنظیم ولتاژ گیت، جریان جاری در مسیر سورس به درین و به تبع آن، جریان جاری در دیگر عناصر متّصل به مدار خارجیFET را کنترل کرد. از آنجائیکه ناحیهی پیوند گیت به کانال در بایاس مخالف قرار دارد، جریان جاری در گیت بسیار اندک است و از این جهت، امپدانس ورودی گیت، بسیار زیاد و بالا بوده و معمولاً از وجود آن صرفنظر می‌شود.
![]()
شکل 1
نماد این نوعFET در قسمت C نشان داده شده و در آن، S، نشانگر سورس (پایانهی منفی)،G، معرّف گیت و D، نشاندهندهی درین (پایانهی مثبت) است. معمولاً به هنگام استفاده از این نوعFETهایN کانال، زمین منفی مدار بهکار گرفته می‌شود و سورس به آن اتّصال مییابد. در قسمت D، نماد یکFETیP کانال نشان داده شده است. انواع معمول و پایانههای آنها در ادامه توضیح داده میشوند.
نمونهای از یکFET با گیت عایق در قسمت E نشانداده شده است. بهطوری که ملاحظه می‌شود، در این حالت، گیت به توسّط لایهی بسیار نازکی از یک مادّهی دیالکتریک و نارسانا، از کانال عایق شده و برخلاف نمونهی نشان داده شده در قسمت A، هیچ پیوندی بین آنها وجود ندارد. در زیرساخت این نمونه، از مادّهی نوع P با حاملهائی که سرشار از حفرههای مثبت میباشند، استفاده می‌شود. در اینصورت، وقتی گیت منفی باشد، بارهای مثبت، از زیرساخت راهی گیت میشوند و موجبات کاهش پهنای کانال رسانا را فراهم می‌آورند و باعث کم شدن جریان جاری در مسیر درین به سورس میگردند.از آنجائیکه گیت، عایق شده و ممکن است از مقاومتی در حدود چند صد مگا اُهم برخوردار باشد، امپدانس ورودی آن بسیار زیاد است و در مواردی که وجود این ویژگی (یعنی بالا بودن امپدانس) مدّ نظر باشد، مورد استفاده قرار میگیرد. نمادFET با گیت عایق در قسمت F نشان داده شده است. بهطوری که در قسمت G مشاهده می‌شود، در صورت تمایل میتوان از نمونههای با گیت مضاعف اینFETها سود جست؛ در این حالت سیگنال ورودی به گیت 1 داده می‌شود و از گیت 2 برای کنترل بهره استفاده می‌شود و در مواردی که اینFET در نقش مخلوط کننده بهکار گرفته می‌شود، گیت 2، نقش ورودی نوسانساز را ایفاء میکند. باید یادآور شد که زیاد بودن بیش از حدّ امپدانس گیت هم خیلی مطلوب نیست و باعث آن می‌شود که قطعه، مستعدّ آسیبدیدگی شود و از این بابت، نمونههای با گیت محافظت شده، محبوبیّت بیشتری دارند. بهطوری که در قسمت H ملاحظه می‌شود، در این نمونهها که در حالت معمولی به صورت نشان داده شده در قسمت G میباشند، دیودهائی بین گیتها و زیرساخت و سورس قرار میگیرند. در اینصورت، چنانچه بین مدارات سورس و گیت یک اختلاف پتانسیل بیش از چند ولت پدید آید، دیودها هدایت میکنند و از آسیبدیدگی عایق گیت که ممکن است به خرابی کلّی قطعه بیانجامد، ممانعت بهعمل می‌آورند.
شایان ذکر است که معمولاً برای پرهیز از شلوغی نماد این نوعFETها، دیودهای محافظت کننده را در روی آنها نشان نمیہدهند و از نمایش آنها صرفنظر میکنند.