ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG FET (FETFIELD EFFECT TRANSISTOR)

Mở đầu:FET là linh kiện bán dẫn có 3 cực : Cực Drain , Source and Gate, có nhiều ưu điểm hơn BJT nên được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện tử, thiết kế do có kích thước nhỏ hơn

ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR

TRƯỜNG FET (FET-FIELD EFFECT TRANSISTOR)

Mở đầu:

FET là linh kiện bán dẫn có 3 cực : Cực Drain , Source and Gate, có nhiều ưu điểm hơn BJT nên được

sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện tử, thiết kế

do có kích thước nhỏ hơn so với BJT nên dùng để chế tạo các mạch tích hợp IC.

I- TRANSISTOR TRƯỜNG - FIELD EFFECT TRANSISTOR:

Vùng nghèo

Source (S)

Kênh p

D +

_ S

_ S

G +

ID

VDS

VGS

JFET kênh p

1.2.Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến vôn -ampe:

a Trường hợp VGS = 0, VDS > 0:

VGS = 0, VDS tăng từ 0 đến vài vôn, tương đương với điện áp phân cực ngược cho

chuyển tiếp p-n tăng lên Tuy nhiên VDS còn nhỏ nên hầu như không ảnh hưởng đến bềdày miền nghèo và tiết diện kênh dẫn nên điện trở kênh dẫn hầu như không đổi ID xácđịnh theo đinh luật Ohm với IDS

Khi VDS lớn hơn, bề rộng miền nghèo tăng lên, tiết diện kênh dẫn giảm dần Khi VDS =

VP vùng nghèo phình to chạm nhau tại 1 điểm và hiện tượng thắt kênh xảy ra Lúc nàyquan hệ ID và VDS tuân theo định luật Ohm, kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở

nên còn gọi là vùng điện trở

Khi VDS vượt quá giá trị VP, điện áp phân cực ngược tăng lên nên điểm thắt sẽ mở rộng

về phía vùng S, JFET có đặc tính như một nguồn dòng ID = IDSS có giá trị không phụthuộc vào VDS, còn giá trị VDS không phụ thuộc vào tải

Nếu VDS tăng quá lớn thì chuyển tiếp p-n của JFET sẽ bị đánh thủng, dòng ID tăng vọtlên

IDSS là dòng điện từ cực máng cực đại trong trường hợp ngắn mạch G-S và VDS > VP

Kí hiệu VP là điện áp mà tại đó bắt đầu xảy ra hiện tượng thắt kênh, gọi là điện áp thắtkênh hay điện áp nghẽn

p

-

b Trường hợp VGS < 0, VDS > 0:

VGS chính là điện áp điều hiển của JFET Đường cong của

dòng điện ID theo VDS được thiết lập từ các giá trị khác nhau của VGS đối với JFET.

khi phân cực VGS < 0, điên áp phân cực ngược chuyển tiếp p-n của FET tăng so với lúc VGS = 0 Vì thế hiện tượng thắt kênh xảy ra sớm hơn khi VDS = VP + VGS, thay vì VDS = VP

như khi phân cực VGS = 0, điện trở kênh dẫn tăng lên nên giá trị dòng ID bảo hòa sẽ giảm dần và hiện tượng đánh thủng

cũng xảy ra sớm hơn Nếu tiếp tục giảm VGS âm dần thì dòng

ID bão hòa giảm dần Khi VGS = VP, dòng máng ID giảm

xuống bằng 0 do lúc này vùng nghèo mở rộng và hoàn toàn choán hết chỗ của kênh dẫn.

Kí hiệu VP là điện áp thắt kênh sử dụng cho VGS và VDS Giá trị VP của VDS và VP của VGS là trái dấu.

Trong vùng điện trở, FET đóng vai trò như một biến trở mà giá trị của điện trở được điều khiển bởi điện áp

V GS V GS càng trở nên âm thì các mức điện trở càng tăng.Ta có công thức sau:

r d là điện trở kênh dẫn tại một giá trị đặc biệt của VGS

c Điện trở được điều khiển bởi điện áp:

Trong vùng bão hòa giá trị dòng điện I D không phụ thuộc vào V DS mà phụ thuộc vào V GS theo phương trình Shockley:

tạo ra một đường cong tăng theo hàm mũ khi tăng giá trị của V GS.

Tương tự ta có đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh p ngược lại với kênh n.

Mạch điện của FET

Đặc tuyến truyền đạt của FET

Các thông số của JFET:

Điện áp cưc đại V DSmax , VDGmax

Điện áp phân cực ngược cực đại của mối nối GS Công suất tiêu tán cực đại PD=VDSID

II- CÁC CHỦNG LOẠI CỦA FET

2.1 TRANSISTOR TRƯỜNG CÓ CỰC CỔNG CÁCH LY IGFET (ISOLATED GATE FIELD EFFECT TRANSISTOR):

a ) Nguyên lý hoạt động :

Nguyên lý hoạt động của IGFET kênh n dựa trên hiệu ứng tụ điện Khi

VGS > 0, hiệu ứng tụ điện (lớp SiO2 làm điện dung của tụ điện) sẽ làm giàu điện tích kênh dẫn làm quá trình nghẽn mạng chậm hơn so với VGS

=0 Đây là chế độ làm giàu hạt dẫn trong kênh n.

D +

-Chế độ làm nghèo hạt dẫn trong kênh n của IGFET:

D +

-khi VGS < 0 do hiệu ứng tụ điện sẽ xuất hiện điện tích dương làm chuyển tiếp p-n phân cực nghịch nhanh hơn Số lượng các hạt dẫn chạy từ S sang D sẽ ít hơn trườnghợp VGS = 0 , điểm thắt kênh sẽ xảy ra nhanh hơn Khi VGS = VP (điện áp mở củaJFET) ta có : ID=IS ; IG = 0 (cực cổng cách ly)

Và dòng ID theo phương trình Shockley ID = 0

2.2 TRANSISTOR TRƯỜNG MOSFET:

G

D

S SS

G

D

S SS

G

D

S SS

_ _

2.2 1.MOSFET kênh có sẵn:

Nguyên lý hoạt động cơ bản và các đặc tuyến Vôn-ampe của D-MOSFET:

VGS = 0: dòng điện ID bão hòa gọi là IDSS

VGS > 0: điện tích âm trong kênh dẫn tăng làm quá trình nghẽn kênh xảy ra chậm hơn

so với VGS=0 Đây là chế độ làm giàu hạt dẫn trong kênh n

VGS < 0: trong kênh dẫn xuất hiện điện tích dương sẽ làm chuyển tiếp p-n phân cựcnghịch nhanh hơn Số lượng các hạt dẫn chạy từ S sang D sẽ giảm so với lúc VGS=0,điểm thắt kênh xảy ra sớm hơn Đây là chế độ làm nghèo hạt dẫn trong kênh dẫn

Tương tự JFET, dòng điện ID của D-MOSFET bị điều khiển bởi điện áp VGS theo

phương trình Shockley

Tương tự ta có đặc tuyến của D-MOSFET kênh p ngược lại với D-MOSFET kênh n

Tóm lại, D-MOSFET là loại MOSFET kênh có sẵn có 2 chế độ là làm nghèo và giàuhạt dẫn tùy thuộc vào điện áp VGS đặt vào kênh

+

D

_ _

5.3.1.MOSFET kênh cảm ứng (E_MOSFET):

Nguyên lý hoạt động cơ bản và các đặc tuyến Vôn-ampe:

Điều kiện cần và đủ để E-MOSFET hoạt động là phải thiết lập dẫn nối giữa cực D vàcực S Do đó để hình thành kênh dẫn n thì phải có VGS > 0 và VDS > 0

Khi VGS > 0, các điện tử sẽ tập trung dọc theo lớp SiO2 tạo nên một vùng nghèo nằmgần lớp ngăn cách SiO2 không có lỗ trống Cùng lúc đó điện tử trong chất nền p sẽ bịhút về cực G và tích lũy tạo thành một vùng mang điện tích âm gần bề mặt của lớp SiO2

tạo thành kênh dẫn n

Khi VGS tăng đến giá trị điện áp ngưỡng VTh (threshold) thì số lượng các điện tử tậptrung gần mặt phẳng lớp SiO2 tăng đủ có thể tạo thành kênh dẫn giữa 2 cực D và S vàdòng điện ID xuất hiện Khi VGS tăng vượt qua VTh thì lực hút càng tăng dẫn đến mật

độ các hạt tải tự do chứa trong kênh dẫn tăng nên dòng điện cực máng tăng

Sau khi hình thành kênh dẫn, hoạt động của E-MOSFET giống như IGFET cũng cóhiện tượng nghẽn kênh, đánh thủng chuyển tiếp miền D Ta có:

-

-V GS > V Th

-

-Biasing D MOSFET

N channel depletion type MOSFET

N channel enhacement type

JFET BJT

-Cấu tạo có kênh dẫn n hoặc p

-Dòng điện ID là dòng hạt đa số chỉ chạy

qua kênh dẫn nên ID có giá trị lớn FET

dùng trong khóa đóng mở nhanh

IG ≈ 0 ; ID = Is

-Có kích thước nhỏ thường dùng trong chế

tạo IC

-Trên họ đặc tuyến V-I ngõ ra có tham số

điều khiển bằng điện áp VGS

-Có cấu tạo cơ bản bằng JE và JC.-Dòng IC xuyên qua hai chuyển tiếp nên sẽkhó khăn hơn dòng ID và IC có giá trị nhỏhơn Id