Tìm hiểu về Transistor hiệu ứng trường JFET

Transistor hiệu ứng trường FET (Field Effect Transistor) là một dạng linh kiện bán dẫn ứng dụng hiệu ứng điện trở suất của bán dẫn được điều khiển bằng điện trường, đây là một loại cấu kiện được điều khiển bằng điện áp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

MÔN ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Giáo viên hướng dẫn : Lê Ngọc Tuân

Nhóm thực hiện thuyết trình :

Nhóm J-Fet

CHỦ ĐỀ : TÌM HIỂU VỀ JFET

Một số loại J-FET

Transistor hiệu ứng trường FET (Field

Effect Transistor) là một dạng linh kiện bán dẫn ứng dụng hiệu ứng điện trở suất của bán dẫn được điều khiển bằng điện trường, đây là một loại cấu kiện được điều khiển bằng điện áp

5

FET có ba chân cực là cực

FET

S Source Cực nguồn : các hạt dẫn đa số đi vào kênh tạo ra

dòng điên nguồn Is.

G Gate Cực cửa: cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh

D Drain Cực máng: các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh tạo ra

dòng I D

Ký hiệu FET

Ưu nhược điểm của FET so với BJT

• Ưu điểm:

– Dòng điện qua transistor chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên

Do vậy FET là loại cấu kiện đơn cực (unipolar device).

– FET có trở kháng vào rất cao.

– Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với transistor lưỡng cực.

– Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó là cái ngắt điện tốt.

– Có độ ổn định về nhiệt cao.

– Tần số làm việc cao.

• Một số nhược điểm: Nhược điểm chính của FET là hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với transistor lưỡng cực.

Giống và khác nhau giữa FET so với BJT

– BJT phân cực bằng dòng, còn FET phân cực bằng điện áp.

– BJT có hệ số khuếch đại cao, FET có trở kháng vào lớn.

– FET ít nhạy cảm với nhiệt độ, nên thường được sử dụng trong các IC tích hợp.

– Trạng thái ngắt của FET tốt hơn so với BJT

Sơ lược về JFET

Transistor hiệu ứng trường cổng tiếp giáp, gọi tắt là JFET ( Junction Field-Effect Transistor) là một kiểu khác của transistor hiệu ứng trường có thể tạo thành mà không cần phải có lớp axit cách

li với cực cổng bằng cách sử dụng các tiếp giáp p-n

Nguyên tắc làm việc của dụng cụ là được điều khiển bằng điện trường

Cấu tạo – kí hiệu JFET

Có 2 loại JFET : kênh N và kênh P

JFET kênh N thường thông dụng hơn

JFET có 3 cực: cực Nguồn S (source); cực Cửa G (gate); cực Máng D (drain)

Cực D và cực S được kết nối vào kênh N

cực G được kết nối vào vật liệu bán dẫn P

Lưu ý:

Các tranzito

trường JFET hầu hết

đều là loại đối xứng,

có nghĩa là khi đấu

không chỉnh lưu giữa cực

máng, cực nguồn với kênh

dẫn loại N Vùng P+ đóng

vai trò cực cổng Lớp cách

điện SiO2 để bảo vệ bề mặt

Vùng P+ Vùng N+

Điều khiển lượng đóng mở nước : điện áp tại G điều khiển độ rộng của kênh n, kiểm soát dòng chảy e- trong kênh n từ S tới D.

Hàng rào điện áp

Kênh dẫn

14

JFET kênh N khi chưa phân cực

Khi các cực để hở, JFET chưa hoạt động, Hàng rào điện

áp ( miền nghèo) được hình thành giữa các lớp bán dẫn N-P

Hàng rào điện áp mở rộng phía D ( kênh dẫn bị

thu hẹp)

15

JFET kênh N khi đặt điện áp vào

D và S, chân G không kết nối

Xuất hiện dòng

ID chạy từ D

sang S

Dòng điện mạnh dần theo sự gia tăng điện áp VDS

Hàng rào điện áp giữa

2 lớp bán dẫn P-N được

mở rộng về phía D, tức kênh dẫn thu hẹp về phía D.

Tới VDS xác định thì JFET ở trạng thái bão hòa.

16

JFET kênh N khi phân

cực bảo hòa

Khi VGS < 0 v thì kênh N phân

cực

Khi đó kênh dẫn tiếp tục bị thu hẹp hơn về phía D dẫn đến điện trở kênh dẫn tăng và dòng máng ID giảm

17

JFET kênh N phân cực

Kênh N phân cực

Nếu tiếp tục tăng VGS theo chiều

âm thì tới 1 giá trị xác định = -Ve, trong kênh dẫn sẽ không còn dòng

ID chạy qua, điện trở khi này là rất

lớn

18

JFET kênh N ở chế

độ ngưng

Đặc điểm hoạt động JFET

JFET kênh N có 3 chế độ hoạt động cơ bản khi VDS >0:

VGS = 0, JFET hoạt động bảo hòa,ID=Max VGS < 0, JFET hoạt động tuyến tính, ID↓ VGS =-Vngắt, JFET ngưng hoạt động, ID=0

PHÂN CỰC CHO JFET

Ở FET, sự liên hệ giữa ngõ vào và ngõ ra không tuyến tính như ở BJT Một sự khác biệt nữa là ở BJT người ta dùng sự biến thiên của dòng điện ngõ vào (IB) làm công việc điều khiển, còn ở FET, việc điều khiển là sự biến thiên của điện thế ngõ vào VGS

Các phương trình liên hệ dùng để phân giải mạch là:

-) IG = 0 A (dòng điện cực cổng)

-) ID = IS (dòng điện cực phát = dòng điện cực nguồn)

-) Phương trình schockley:

Với IDSS = IDmax = (VDD / RD)

Đây là điều bất lợi của

phương pháp phân cực này

Thay VGS=-VGG vào công thức

schockley ta được:

Từ mạch ngõ vào

Ta cũng có thể xác định được ID từ đặc

tuyến truyền Ðiểm điều hành Q chính là

giao điểm của đặc tuyến truyền với đường phân cực

 Phân áp tự cấp (còn gọi là

tự phân cực)

• Ðây là dạng phân cực thông dụng

nhất cho JFET Trong kiểu phân

ID

S Rs

U ra

U ra

Phân cực tự cấp

với VGS = -RSID (cmt) ⇒

Ðây là phương trình đường phân cực

Dòng ID cũng có thể được xác định bằng điểm điều hành Q Ðó là giao điểm của đường phân cực với đặc tuyến truyền

Đặc tuyế n truyền

Mạch ngõ ra ta có:

VDS = VDD- RD.ID –RS.IS = VDD -(RD + RS )ID

Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện

U ra

Mạch phân cực phân áp của

JFET kênh loại N

Theo công thức schockley,

ta có:

30

Đặc tuyến truyền đạt

Đặc tuyến truyền đạt

 Khi VGS >

VB

Khi VGS tiến dần từ 0 đến VA0

 VGS = 0

→

âm, ID càng giảm

Mạch khuếch đại J-FET dùng

Mạch khuếch đại dùng J-FET kênh P

D

S

Rd

G

SƠ ĐỒ CỰC NGUỒN CHUNG

Id

S Rs

U ra

JFET mắc kiểu cực nguồn chung

 Nguồn điện 1 chiều Vdd,

điện trở định thiên Rg, tải

RD.

 Sơ đồ mắc cực nguồn

chung giống như sơ đồ mắc

cực phát chung đối với các

Id

S Rs

U ra

• Đặc điểm của sơ đồ cực nguồn chung:

 Tín hiệu vào và tín hiệu ra ngược pha nhau.

 Trở kháng vào rất lớn Zvào = RGS ≈ ∞

 Trở kháng ra Zra = RD // rd

 Hệ số khuếch đại điện áp μ ≈ S rd > 1

 Đối với transistor JFET kênh N thì hệ số khuếch đại điện

áp khoảng từ 150 lần đến 300 lần ,loại P thì hệ số khuếch

đại chỉ bằng một nửa là khoảng từ 75 lần đến 150 lần.

Id

S Rs

U ra

+ Vdd

D C1

Rs

• Đặc điểm của sơ đồ này có:

 Tín hiệu vào và tín hiệu ra đồng pha nhau.

 Trở kháng vào rất lớn Zvào = RGD = ∞

 Trở kháng ra rất nhỏ

 Hệ số khuếch đại điện áp μ < 1

 Sơ đồ cực máng chung được dùng rộng rãi hơn

+ Vdd

D C1

Rs

SƠ ĐỒ MẮC CỰC CỬA CHUNG

Sơ đồ này theo nguyên tác không được sử dụng

do có trở kháng vào nhỏ, trở kháng ra lớn

+ Vdd

Vo V1

Rd

Rs

0

CÁC THAM SỐ CỦA FET Ở CHẾ ĐỘ TÍN HIỆU NHỎ

o Các tham số của FET trường là: điện trở kênh,

độ hỗ dẫn, trở kháng ra, trở kháng vào và hệ số khuêch đại

Điện trở vi phân lối ra ( điện trở kênh dẫn ) :

ds d

ds d

V r

Hệ số khuếch đại điện áp µ:

So sánh các công thức tính độ hổ dẫn gm,điện trở máng rd à hệ số khuếch đại điện áp µ ta có công

ĐIỆN DUNG LIÊN CỰC CGS, CDS, CGD:

Ở tần số thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của các điện dung này

Là điện dung kí sinh giữa các điện cực, có giá trị cỡ (3÷10)pF

SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA FET TRONG CHẾ ĐỘ TÍN

HIỆU NHỎ

• Tụ điện CGS là điện dung kí sinh của FET khi

transistor làm việc ở tần số thấp thì chúng không gây ảnh hưởng gì cho mạch, nhưng khi tần số cao chúng có thể gây ngắn mạch giữa các chân cực

của transistor

• Vì tiếp xúc P-N của cực cửa phân cực ngược nên các điện trở rGS và rDG được bỏ qua

−

=

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET

Các thông số của JFET cũng rất nhạy đối với nhiệt

độ, ta sẽ khảo sát qua hai tác động chính của nhiệt

độ:

 Khi nhiệt độ tăng, vùng hiếm giảm

=> độ rộng của thông lộ tăng lên, do đó điện trở của

thông lộ giảm (ID tăng)

 Khi nhiệt độ tăng , dẫn đến thông lộ tăng rộng

theo nhiệt độ nên VGS(off) cũng tăng theo nhiệt độ

=> độ linh động của các hạt tải điện giảm

Tổng hợp cả hai hiệu ứng này, người ta thấy nếu

chọn trị số VGS thích hợp thì dòng thoát ID không đổi khi nhiệt độ thay đổi Người ta chứng minh được trị số của VGS đó là:

|VGS| = | Vp| 0.63 V với VP là điện thế nghẽn ở nhiệt độ bình thường

Ngoài ra, một tác dụng thứ ba của nhiệt độ lên

JFET là làm phát sinh các hạt tải điện trong vùng hiếm giữa thông lộ-cổng và tạo ra một dòng điện rỉ cực

cổng IGSS

Trasistor trường thuộc loại linh kiện điều khiển bằng điện áp; còn BJT thuộc loại điểu khiển bằng dòng điện

Transistor trường thuộc loại đơn cực tính Do không có vai trò của hạt dẫn thiểu số nên cũng không

có quá trình sản sinh và tái hợp của hai loại hạt dẫn – các tham số của FET ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ

và tạp âm nội bộ cũng thấp hơn so với BJT

KẾT LUẬN

Điện trở lối vào của JFET rất lớn, dòng điện vào gần bằng 0 nên mạch hầu như không tiêu thụ năng lượng điều này rất thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu hoặc có nội trở lớn

Cực ngồn và cực máng có thể đổi lẫn cho nhau

mà tham số của FET không thay đổi đáng kể

Nhờ công nghệ MOS kích thước các điện cực S,D,G được giảm thiểu, thể tích của transistor thu nhỏ đáng kể do đó FET rất được thông dụng trong công

nghệ vi điện tử có mật độ thích hợp cao

Cũng như BJT FET được mắc theo ba sơ đồ

cơ bản: mạch nguồn chung ( S,C ),máng chung ( D,C )

và cửa chung (G,C ) Mạch máng chung tương tự collector chung của BJT : điện trở vào rất lớn, trở ra rất nhỏ, điện áp ra đồng pha và xấp xỉ giá trị điện áp vào Còn mạch của chung ít dùng

Cũng như BJT, FET được ứng dụng nhiều trong

cả hai dạng mạch số và tương tự Nó làm một phần tử trong nhiều dạng mạch khuếch đại, làm chuyển mạch điện tử…

56