ફેટ (ક્ષેત્ર અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર field effect transistor FET)

ફેટ (ક્ષેત્ર અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર, field effect transistor, FET) : એક એવી એકધ્રુવીય (unipolar), અનેક વીજધ્રુવવાળી અર્ધવાહક પ્રયુક્તિ કે જેમાં બે વીજધ્રુવો વચ્ચેની સાંકડી વીજવાહક ચૅનલમાં પ્રવાહ પસાર થાય (modulated) છે અને ત્રીજા વીજધ્રુવ આગળ પ્રયુક્ત થયેલ ક્ષેત્ર વડે તે નિયંત્રિત થાય છે. આધુનિક ટ્રાન્ઝિસ્ટરોના બે વર્ગ છે : (i) દ્વિધ્રુવી (bipolar) પ્રયુક્તિઓ કે જે પ્રયુક્તિમાંથી પસાર થતા  અલ્પસંખ્યક (minority) અને બહુસંખ્યક (majority) એમ બંને પ્રકારનાં વાહકો (carriers) ઉપર આધાર રાખે છે; અને (ii) ધ્રુવી ટ્રાન્ઝિસ્ટરો કે જેમાં વીજપ્રવાહ ફક્ત બહુસંખ્યક અથવા મુખ્ય વાહકો દ્વારા લઈ જવાય છે.

દ્વિધ્રુવી જંક્શન ટ્રાન્ઝિસ્ટર (Bipolar Junction Transistor, BJT) તરીકે ઓળખાતા સામાન્ય ટ્રાન્ઝિસ્ટરની શોધ બાર્ડિન અને બ્રિટેન નામના વૈજ્ઞાનિકોએ અર્ધવાહક દ્રવ્યો ઉપરના તેમના સંશોધન દરમિયાન 1947માં કરેલી. તે એક અર્ધવાહક પ્રયુક્તિ છે. તેને ત્રણ છેડા (terminal) હોય છે. તેમને ઉત્સર્જક, પાયો (આધાર) અને સંગ્રાહક (emitter, base and collector) કહેવામાં આવે છે. ઉત્સર્જકમાંના વિદ્યુતભાર-વાહકો (charge carriers) પાયામાંથી પસાર થઈ સંગ્રાહકમાં એકઠા કરાય છે અને આમ વીજપ્રવાહનું વહન થાય છે. એક છેડાને સામાન્ય (common) ગણી ત્રણ જુદી જુદી જાતના પરિપથો બનાવી શકાય છે; જેવા કે, સામાન્ય ઉત્સર્જક (common emitter – CE), સામાન્ય આધાર (common base – CB) અને સામાન્ય સંગ્રાહક (common collector – CC). આ ત્રણેયમાં સામાન્ય ઉત્સર્જક પરિપથ (common emitter – CE circuit) ખૂબ જ મહત્ત્વનો છે, કારણ કે આ ત્રણેય પરિપથોની સરખામણીમાં આ CE circuit ખૂબ જ ફાયદાકારક છે. આ પ્રકારના પરિપથમાં આદાન-પરિપથ (input circuit) અગ્રઝોક  (forward bias) અને પ્રદાન-પરિપથ (output circuit) પશ્ચઝોક (reverse bias) રાખવામાં આવે છે. આમ કરવાથી આદાન-પરિપથમાં (CE circuitમાં એમિટર બેઇઝ પરિપથ) પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે, જેના પરિણામે પ્રદાન-પરિપથ(collector emitter – CE circuit)માં વીજપ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે, આદાન-પરિપથમાંના પ્રવાહમાં ફેરફાર કરવાથી પ્રદાન-પરિપથમાંના પ્રવાહમાં ફેરફાર થાય છે. આ છે આપણી અતિ મહત્વની ટ્રાન્ઝિસ્ટર અસર. આમ ટ્રાન્ઝિસ્ટર (BJT) એક પ્રવાહ-સંચાલિત (current operated) પ્રયુક્તિ છે. આદાન-પરિપથમાં પ્રવાહ પસાર થતો હોવાથી તેની નિવેશી પ્રતિબાધા(નિવેશ અવબાધ) (input impedance) ઓછી હોય છે. પ્રવાહ-સંચાલિત ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો આ એક મોટો ગેરફાયદો છે. જ્યારે સંકેત-ઉદગમ (signal source) આદાન-પરિપથ સાથે જોડવામાં આવે છે ત્યારે તેના ઉપર એટલે કે સંકેત-ઉદગમ પર ભારણ (loading) થાય છે, કારણ કે આદાન-અવબાધ ઓછો હોવાથી પ્રવાહ પસાર થાય છે, જે સંકેત-ઉદગમે આપવો પડે છે. સામાન્ય રીતે સંકેત-ઉદગમ નબળો હોય તો મોટી મુશ્કેલી ઊભી થાય છે. પરિસ્થિતિ જોતાં એમ લાગે કે આદાન-અવબાધ હમેશાં ખૂબ જ મોટો હોવો જોઈએ, જેથી આદાન-પરિપથમાં વહેતો વીજપ્રવાહ ખૂબ જ અલ્પ હોય અને તેથી સંકેત-ઉદગમ પર કોઈ ભારણ ન આવે !

જેમાં ઉપરની મુશ્કેલીનું નિવારણ થયું હોય એવા ટ્રાન્ઝિસ્ટરો તે જ ક્ષેત્ર-અસર ટ્રાન્ઝિસ્ટર (field effect transistor). તે ટૂંકમાં FET–ફેટ નામથી ઓળખાય છે. આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનાં સિદ્ધાંત, રચના અને કાર્ય ઉપરના સામાન્ય BJT ટ્રાન્ઝિસ્ટરથી તદ્દન ભિન્ન છે. આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને  પણ ત્રણ ટર્મિનલ હોય છે; જેને સોર્સ, ગેટ તથા ડ્રેન કહેવામાં આવે છે.

‘ફેટ’ને એકધ્રુવીય (unipolar) પ્રયુક્તિ પણ કહેવામાં આવે છે, કારણ કે તેના પરિચાલનમાં ફક્ત એક જ પ્રકારના પ્રવાહ-વાહકો વપરાય છે; દા.ત., ઇલેક્ટ્રૉન અથવા ‘હોલ’. જ્યારે સામાન્ય ટ્રાન્ઝિસ્ટર(BJT)ને દ્વિધ્રુવીય (bipolar) પ્રયુક્તિ કહેવામાં આવે છે. તેના પરિચાલનમાં ઇલેક્ટ્રૉન અને ‘હોલ’ બંને પ્રકારના પ્રવાહ-વાહકો ભાગ લે છે.

ફેટ બે પ્રકારના હોય છે : Junction FET અને MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, FET).

Junction FETને ટૂંકમાં J-FET કહે છે. તે બંને પ્રકારના બનાવી શકાય છે – N-channel અથવા P-channel. એક N પ્રકારનું કે P પ્રકારનું અર્ધવાહક દ્રવ્ય બનાવવામાં આવે છે. એક છેડાને સોર્સ અને બીજા છેડાને ડ્રેન કહેવામાં આવે છે. આ બે છેડા વચ્ચેના દ્રવ્યના ભાગને N-ચૅનલ કે P-ચૅનલ કહેવામાં આવે છે. N-ચૅનલમાં પ્રવાહ-વાહકો ઇલેક્ટ્રૉન હોય છે, જ્યારે P-ચૅનલમાં પ્રવાહ-વાહકો ‘હોલ’ હોય છે. N-ચૅનલવાળા J-FETમાં આ N-ચૅનલની આજુબાજુ એક P પ્રકારના અર્ધવાહક દ્રવ્યનું પ્રસારણ કરી P–N જંક્શન બનાવવામાં આવે છે. આ P પ્રકારના ભાગને ગેટ કહેવામાં આવે છે. FETનો ત્રીજો ટર્મિનલ આ ગેટ સાથે જોડેલો હોય છે.

આકૃતિ 1માં આ N-ચૅનલ ફેટની સાદી રચના બતાવેલી છે. અહીં ચૅનલ N પ્રકારના દ્રવ્યની બનેલી છે. તેવી જ રીતે P-ચૅનલ ફેટ પણ બનાવવામાં આવે છે, જેમાં ચૅનલ P પ્રકારના દ્રવ્યની બનાવેલી હોય છે, જ્યારે ગેટ G N પ્રકારના દ્રવ્યનો બનાવેલો હોય છે. આકૃતિ 2માં આ રચના દર્શાવેલી છે.

સામાન્ય પરિચાલનમાં સોર્સ અને ડ્રેન વચ્ચે જરૂરી માત્રા અને સંજ્ઞાનો વૉલ્ટેજ લગાડી તેમાંથી પ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે; જ્યારે ચૅનલ N પ્રકારની હોય ત્યારે ઇલેક્ટ્રૉન પ્રવાહ-વાહકો થશે. આમ સોર્સ અને ડ્રેન વચ્ચે વીજપ્રવાહનું વહન થાય છે. આ પ્રવાહને ડ્રેનપ્રવાહ કહેવામાં આવે છે (I_D) આ ડ્રેનપ્રવાહને નિયંત્રિત કરવા માટે ગેટ-સોર્સ વચ્ચે રિવર્સ બાયસ લગાડવામાં આવે છે. આ રિવર્સ બાયસને પરિણામે સોર્સ અને ગેટ વચ્ચેના ચૅનલના ભાગમાં રિક્તીકરણ(depletion)પ્રદેશ રચાય છે. આ પ્રદેશનો વિસ્તાર ગેટ-સોર્સ વચ્ચે લગાડેલા રિવર્સ બાયસ ઉપર આધાર રાખે છે. આ રિવર્સ બાયસને કારણે ચૅનલના વચ્ચેના પ્રદેશમાં રિક્તીકરણ થાય છે અને મુક્ત વાહકોની સંખ્યા ઘટી જાય છે તેમજ સોર્સ-ડ્રેન વચ્ચેનો પ્રવાહ પણ ઘટી જાય છે અથવા આ ભાગનો અવરોધ વધી જાય છે તેથી મુખ્ય પ્રવાહ (I_D)ની માત્રા ઘટી જાય છે. આ રિક્તીકરણ-પ્રદેશનો આકાર આકૃતિ 3માં દર્શાવેલ છે.

ગેટ-સોર્સ વચ્ચે પશ્ચઝોક (રિવર્સ બાયસ) વધારતાં એક એવો સમય આવે છે કે જ્યારે ચૅનલ વાહકો માટે બંધ થઈ જાય છે અને વીજપ્રવાહ I_D શૂન્ય બની જાય છે. આ પરિસ્થિતિમાં ચૅનલનો અવરોધ અતિ મોટો હોય છે અને ડ્રેનપ્રવાહ લગભગ શૂન્ય બની જાય છે. ગેટ-વૉલ્ટેજના જે મૂલ્ય માટે આ પરિસ્થિતિ ઉદભવે તેને ‘પિન્ચ ઑવ્ વૉલ્ટેજ’ – V_p કહેવામાં આવે છે.

ગેટ-સોર્સ વચ્ચેના રિવર્સ બાયસ V_GGનું મૂલ્ય અચળ રાખી ડ્રેન-સોર્સ વૉલ્ટેજમાં ફેરફાર કરી ડ્રેનપ્રવાહ I_D માપવામાં આવે છે અને એક પ્રકારની લાક્ષણિકતા મેળવવામાં આવે છે. બીજી લાક્ષણિકતામાં V_DD વૉલ્ટેજનું મૂલ્ય અચળ રાખી V_GGમાં ફેરફાર કરી ડ્રેનપ્રવાહ I_D માપવામાં આવે છે.

આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરની લાક્ષણિકતાઓ વૅક્યુમ ટ્યૂબના પેન્ટોડ વાલ્વને મળતી આવે છે. ગેટ-સોર્સ વચ્ચે રિવર્સ બાયસ હોવાથી આ પરિપથમાં કોઈ વીજપ્રવાહનું વહન થતું નથી (વૅક્યુમ ટ્યૂબની જેમ); આથી આ પરિપથનો અવરોધ ઘણો જ મોટો હોય છે. આ તેનો મુખ્ય ફાયદો છે. તેનો આદાન-અવબાધ (નિવેશી પ્રતિબાધા) (input impedance) J-FETના કિસ્સામાં 100 (મૅગ-ઓહ્મ)ના ક્રમ(order)નો હોય છે જ્યારે MOSFETમાં તે 10¹⁰થી 10¹⁵ના ક્રમનો હોય છે.

ફેટ-પ્રવર્ધકમાં ગેટ-સોર્સ આદાન-પરિપથ અને ડ્રેન-સોર્સ પ્રદાન-પરિપથ હોય છે. આદાન-પરિપથ રિવર્સ બાયસ હોવાથી તેમાં કોઈ પ્રવાહનું (I_G) વહન થતું નથી, આથી જ્યારે તેને સંકેત-સ્રોત સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે સંકેત-સ્રોત ઉપર કોઈ ભારણ થતું નથી. આ મહત્વના ગુણધર્મને લીધે ફેટનો પ્રવર્ધક તરીકેનો ઉપયોગ ઉત્તમ છે  અને તેનો બહોળા પ્રમાણમાં ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

MOSFET (metal oxide semi-conductor field effect transistor) : આ એક બીજા પ્રકારનો FET છે, જેનાં સિદ્ધાંત તથા રચના Junction FETથી તદ્દન જુદાં છે. જંક્શન-ફેટમાં રિક્તીકરણ વિસ્તારનો સિદ્ધાંત વાપરી પ્રવાહનું નિયંત્રણ કરાય છે, જ્યારે આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં કેપૅસિટન્સનો સિદ્ધાંત વાપરી ચૅનલમાં વહેતા વીજપ્રવાહનું નિયંત્રણ કરાય છે. આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરને insulated gate FET (IGFET) પણ કહેવામાં આવે છે, તેને ‘અવાહક ગેટ ફેટ’ કહી શકાય.

આ પ્રકારના ટ્રાન્ઝિસ્ટરની રચનામાં કોઈ PN જંક્શન હોતું નથી. પણ ગેટ અને ચૅનલ વાપરીને કેપૅસિટર બનાવેલું હોય છે. આ કેપૅસિટર ધાતુનો ગેટ, સિલિકોન ડાયૉક્સાઇડનું ડાયઇલેક્ટ્રિક કે અવાહક પડ અને ચૅનલનું બનેલું હોય છે. આવી રચનાથી 10¹⁰થી 10¹⁵ના ક્રમનો આદાન-અવબાધ મેળવી શકાય છે. આમ આ હકીકત જંક્શન-ફેટ અને મોસ-ફેટ વચ્ચેનો મુખ્ય તફાવત બતાવે છે. મોસ-ફેટના પણ બે પ્રકાર છે : (i) રિક્તીકરણ પ્રકાર અને (ii) એન્હાન્સમેન્ટ. તેમની રચના અને પરિચાલનમાં થોડો ફેર હોય છે; પણ મુખ્ય ગુણધર્મો સરખા હોય છે. મોસ-ફેટમાં પણ N-ચૅનલ અને P-ચૅનલ – એમ બે પ્રકાર હોય છે.

ટ્યૂબ અને દ્વિધ્રુવીય ટ્રાન્ઝિસ્ટર – BJTની સરખામણીમાં ‘ફેટ’ વીજકીય રીતે ઓછો ઘોંઘાટિયો હોય છે. આથી પ્રવર્ધકોમાં સૌથી આગળ તેનું પ્રવર્ધક રાખવામાં આવે છે.

તેનો મુખ્ય ગેરફાયદો તેનો લબ્ધિ-આવૃત્તિ-પટ-ગુણાંક (gain bandwidth product) છે. સામાન્ય BJTના પ્રમાણમાં આ ગુણાંક ઓછો હોય છે. મોસ-ફેટમાં વચ્ચેનું SiO₂નું અવાહક પડ (ડાઇઇલેક્ટ્રિક) ખૂબ જ પાતળું હોય છે. તેથી ઓછા વૉલ્ટેજ દ્વારા પણ મોટું વીજક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે. આને લીધે ટ્રાન્ઝિસ્ટર નાશ પામવાનો સંભવ હોવાથી તેને સંભાળવા(handling)માં મુશ્કેલી ઊભી થાય છે. આથી તેને વાપરવા માટે ખાસ પ્રકારની રીતો અજમાવવી પડે છે.

અવાહક ગેટ ફેટ ચાર અંત:સ્થ(છેડા)વાળી પ્રયુક્તિ છે પણ મૂળભૂત રીતે તેના ત્રણ છેડા જ વાપરવામાં આવે છે.

આકૃતિ 4, 5, 6માં મૉસ-ફેટની સંજ્ઞાઓ દર્શાવેલી છે. આ ટ્રાન્ઝિસ્ટરનો ઉપયોગ J-FETની જેમ જ કરવામાં આવે છે. તેના પાયાના ગુણધર્મો પ્રમાણે તેના પરિચાલનમાં ફેરફાર થાય છે. પ્રવર્ધક શ્રેણીમાં જ્યાં બહુ જ ઉચ્ચ આદાન-અવબાધની જરૂર પડે છે ત્યાં તેનો અગ્રભાગમાં ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

કાન્તિલાલ ગણપતરામ જાની