Tài liệu transistortruong.to4.ppt ppt

Giới thiệu chung- Transistor trường – FET Field Effect transistor hay transistor đơn cực hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường , điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nh

I Giới thiệu chung

- Transistor trường – FET (Field Effect transistor) hay transistor đơn cực hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường , điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của một điện trường ngoài

- Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo nên ( hạt cơ bản : điện tử tự do đối với nhóm kênh N , lỗ trống đối với nhóm kênh P) chạy qua kênh dẫn , kênh này được điều khiển bằng điện trường

Các vấn đề về transistor trường

 1.1 Cấu tạo chung

 - Transistor trường có 3 chân cực : cực nguồn , cực cổng , cực máng

 Cực nguồn S ( Source) : nơi mà các hạt dẫn cơ bản đi vào kênh tạo ra dòng điện nguồn IS

 Cực máng D ( Drain) : nơi các hạt dẫn đa số đi ra khỏi kênh

 Cực cổng G ( Gate) : là cửa điều khiển dòng điện hạy qua kênh

 1.2 Phân loại

 - Transistor trường FET gồm 2 loại chính

 Transistor trường loại JFET (Junction Field Effect Transistor) là loại

transistor điều khiển hạt tải diện qua kênh dẫn bằng lớp tiếp xúc p-n (gọi là FET mối nối đơn)

 Transistor trường loại MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Efect Transistor) là loại transistor trường điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn bằng cực cửa cách điện

 MOSFET gồm 2 loại :

 ▪Mosfet kênh đặt sẵn (kênh liên tục)

 ▪Mosfet kenh gián đoạn (kênh cảm ứng)

 - Mỗi loại FET lại được chia làm 2 loại : kênh N và kênh P

 1.3 Ưu điểm , nhượcđiểm

 Dòng điện qua FET chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên do vậy FET là linh kiện một loại hạt dẫn , FET có trở kháng rát cao , tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với transistor lưỡng cực BJT (do 2 loại hạt điện hoat động)

 Nó không bù điện áp tại vùng ID = 0 → là phần tử ngắt điện

 FET có độ ổn định nhiệt độ cao và tần số làm việc cao

 - Nhược điểm :

 Hệ số khuếch đại thấp hơn so vớ BJT

 П Transistor trường loại JFET

 - Một phiến bán dẫn pha tạp ít loại N hình khối chữ nhật , hai đầu phiến bán dãn này là hai điện cực : cực nguồn S và cực máng D

 - Hai phía của phiến bán dẫn này được khuếch tán tạp chất để tạo ra bán dẫn loại P Hai miền bán dẫn loại P được nối với nhau và đưa ra 1 điện cực gọi là cực cổng G

 - Phần bán dẫn nằm dưới cực cổng G từ cực nguồn S và cực máng D gọi là kênh dẫn Kênh dẫn là bán dẫn loại N, bán dẫn nối với cực cổng G là loại P →Giữa cực G và kênh dẫn hình thành tiếp xúc P –N

1.2 Nguyên lý hoạt động

 Để cho JFET kênh N hoạt động ở chế độ khuếch đại thì phải cung cấp nguồn điện sao cho tiếp xúc P – N là phân cực ngược Tức là cực D nối với dương nguồn, cực S nối với âm nguồn (UDS ≥ 0 , UGS < 0) Khi P-N phân cực thuận → có dòng điện từ cực nguồn S đến cực máng D lớn

nhưng không điều khiển được

● Khi cực G hở (UGS = 0, UDS > 0)

- Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh theo chiều từ cực dương nguồn vào cực D và ra ở cực S trở về âm nguồn của UDS → kênh có tính chất giống như 1 điện trở

- Tăng UDS lên từ 0v thì dòng ID tăng lên nhanh nhưng sau đó đến 1 giới hạn thì dòng ID không tăng nữa gọi là dòng bão hoà IDSS Điện thế UDS khi

đó gọi là hiệu điện thế bão hoàt Ubh

 Khi cực G có điện áp âm (UGS < 0, UDS = const)

 - Khi cực G có điện áp âm nối vào chất bán dẫn P trong kênh N có dòng điện chạy qua → có điện áp dương ở giữa chất bán dẫn N làm cho tiếp xúc P-N bị phân cực ngược→ điện tử trong chất bán dẫn cua kênh N bị đẩy vào làm thu hẹp tiết diện kênh→điện trở kênh dân tăng lên→ ID giảm xuống

 - Khi tăng điện áp âm ở cực G mức phân cực ngược càng tăng → ID càng giảm nhỏ và đến 1 giá trị giới hạn dòng IDgần như không còn Điện áp này ở cực G gọi là điện áp

ngắt Up

KHI CỰC G CÓ ĐIỆN ÁP ÂM

1.3- ĐẶC TUYẾN LỐI RA : ID PHỤ THUỘC F(UDS) KHI

UGS = CONST

 Nhận xét

 Ban đầu UDS tăng (dương) lên → ID tăng nhanh tuyến tính theo UDS đến 1 giá trị nào đó thì không tăng nữa mặc dù UDS tiếp tục tăng Nhưng khi UDS tăng đến 1 giá trị nào đó thì ID tăng vọt

 Giải thích

 - Các hạt dẫn điện tử từ cực nguồn S đến cực máng D phụ thuộc vào điện trường

do UDS sinh ra hữu hạn → Ban đầu khi UDS tăng, số hạt dịch chuyển qua kênh tăng → ID tăng

 - Khi UDS tăng tới giá trị nào đó thì toàn bộ hạt dẫn đã dịch chuyển tạo thành dòng ID nên UDS tăng thì ID không tăng nữa Khi UDS tăng tới giá trị này thì tiếp xúc P-N chạm nhau tạo ra điểm thắt của kênh → điện áp đó là Ubh →ID đạt giá trị dòng bão hoà IDSS

 - Khi ID đạt đến IDSS → điện áp UDS càng tăng dương lên nhưng ID không tăng nữa mà chỉ có tiếp xúc P-N được phân cực mạnh hơn, chúng chùm phủ lên nhau làm cho 1 đoạn kênh bị lấp→chiều dài kênh ngắn lại, khi UDS quá cao dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N →ID tăng vọt

 Tất cả các đặc tuyến đều đi qua gốc toạ độ

 Giải thích : Khi UDS = 0 →không có điện trường do UDS sinh ra, mặc dù có điện trường do UGS sỉnha nhưng không phù hợp với chiều dịch chuyển của các hạt dẫn điện tử tạo thành dòng điện →ID = 0 đặc tuyến qua gố toạ độ

  Khi UGS = 0→ Đặc tuyến cao nhất UGS càng âm→ Đặc tuyến hạ thấp dần

 Giải thích :

 - Khi UGS ≤ 0, UDS > 0 →hai tiếp xúc P-N phân cực ngược từ cực nguồn S

về phía cực máng D→ bề dày lớp tiếp xúc P-N tăng dần từ cực nguồn S về cực máng D→ kênh hẹp dần vè phía cực máng

 UGS = 0 → tiết diện kênh là lớn nhất→ số hạt dẫn điện tử dịch chuyển từ ực nguồn S về cực máng D là nhiều nhất → dòng điện qu kênh là lớn nhất → Đặc tuyến cao nhất

 UGS << 0 → tiếp xúc P-N phân cực ngược mạnh hơn → tiết diện kênh hẹp lại → số hạt dẫn điện tử dịch chuyển từ cực nguồn S đến cực máng D giảm dần → ID giảm → Đặc tuyến hạ thấp dần

  Đặc tuyến được chia làm 3 vùng rõ rệt

 Vùng điện trở ( vùng tuyến tính) : Khi UDS nhỏ, ID tăng tuyến tính theo UDS

ít phụ thuộc vào UGS → Kênh dẫn làm việc như 1 điện trở

 Vùng bão hoà ( vùng ngưng) : Khi ID đạt đến IDSS , UDS đạt đến Ubh

 Vùng đánh thủng : Khi ID tăng vọt → JFET bị hỏng

1.4 - ĐẶC TUYẾN TRUYỀN ĐẠT : ID PHỤ THUỘC F(UGS) KHI UDS = CONST

 Nhận xét:

 -Khi UGS = 0(V )ID đạt giá trị bão hoà IDSS

 -Khi UGS < 0(V) dẫn đến ID giảm vì vùng tiếp xúc P-N mở rộng ra kênh dẫn thu hep lại => điện trở kênh dẫn tăng => ID giảm

 -Khi UGS =UP →ID ≈ 0 không có dòng qua kênh dẫn vì khi đó 2 lớp tiếp xúc P-N trùm phủ lên nhau và kênh dẫn hoàn toàn biến mất

 Trong vùng bão hoà đặc tuyến truyền đạt được biểu thị gần đúng như sau:

 ID=IDSS(1-UGS∕UP)2 (0≥UGS≥UP)

2.JFET KÊNH P

-Một phiến bán dẫn pha tạp ít loại P hình khối chữ nhật hai đầu phiến là hai điện cực: cực nguồn S và cực máng D

-Hai phiến bán dẫn này được khuếch tán tạo ra bán dẫn N, hai miền bán dẫn này nối với nhau và đưa ra một điện cực:cực cổng G

-Phần bán dẫn nằm dưới cực cổng

G ,từ cực nguồn S đến cực máng D gọi là kênh dẫn Kênh dẫn là loại bán dẫn P, bán dẫn nối với cực cổng là bán dẫn loại N → giữa cực cổng G

và kênh dẫn hình thành lớp tiếp xúc P-N

Cấu tạo & Kí hiệu

2.2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

 -Để JFET kênh P hoạt động ở chế độ khuếch đại thì phải cung cấp diện áp sao cho tiếp xúc P-N phân cực ngược.Tức là cực nguồn S nối với dương nguồn, cực máng D nối với âm nguồn hay UDS≤

0,UGS > 0

 + Khi cực G hở (UDS< 0,UGS= 0)

 Dòng điện qua kênh theo chiều từ dương nguồn vào cực nguồn S

và ra ở cực máng D,rồi về âm nguồn UDS → kênh có tính chất như một điện trở

 UDS càng âm lên → ID tăng lên nhanh nhưng đến một trị số giới hạn nào đó thì ID không tăng nữa ( dòng bão hoà IDSS ) điện thế UDSkhi đó là điện thế ngắt

 + Khi cực G có điện áp dương( UGS> 0, UDS =const)

 Khi đó trong kênh dẫn P có dòng điện chạy qua → có điện áp âm giữa chất bán dẫn P làm cho tiếp xúc P-N phân cực ngược → hạt dẫn cơ bản trong kênh dẫn P bị đẩy vào làm thu hẹp tiết diện kênh → điện trở kênh tăng → ID giảm

 Khi tăng điện áp dươg ở cực G mức phân cực ngược càng mạnh → ID

giảm mạnh đến một trị số tới hạn dòng ID gần như không còn → có điện

áp ngắt UP

2.3 ĐẶC TUYẾN LỐI RA

 Nhận xét:

 - Khi UDS tăng âm →ID tăng dương nhanh đến giá trị nào đó thì UDS tăng

âm nhưng ID không tăng nữa, đến giá trị UDS nào đó thì UDS tăng vọt

 - Tất cả đặc tuyến đều đi qua gốc toạ độ

 - UGS = 0 : đặc tuyến cao nhất

 - UGS >> 0 : đặc tuyến hạ thấp dần

 Giải thích : Tương tự như JFET kênh N chỉ đổi chiều UDS và UGS

 - Chia đặc tuyến làm 3 vùng: - Vùng điện trở (vùng tuyến tính)

 - Vùng bão hoà (vùng ngưng)

 - Vùng đánh thủng

 - Gồm : + MOSFET kênh gián đoạn ( kênh cảm ứng)

 + MOSFET kênh liên tục (kênh đặt sẵn)

III- Transistor trường loại MOSFET

1 MOSFET KÊNH LIÊN TỤC

1.1 MOSFET LIÊN TỤC KÊNH N

1.1.1 Cấu tạo và kí hiệu

- Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn N nồng độ cao gọi là cực nguồn S và cực máng

D Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài nhưng vẫn

cách điện với kênh dẫn

Cấu tạo Kí hiệu

1.1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:

- Transistor làm việc thường cực nguồn S nối với đế và nối đất nên US = 0 Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và chân cực máng D là điện thế so với chân cực S

- Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D

để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng Điện áp đặt trên cực của G có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giầu hạt dẫn hay nghèo hạt dẫn (UDS > 0 ,UGS lớn hơn hoặc nhỏ hơn 0)

+ Khi UGS = 0 V

 Kênh dẫn có tác dụng như một điện trở Tăng điện áp UDSthì ID tăng lên đến một trị số giới hạn là IDSS ( dòng ID bão hoà)

 Tăng điện thế âm vào cực cổng G thì ID giảm nhỏ đến trị số nào

đó ID gần như không còn → điện thế này ở cực G gọi là điện thế ngắt UP

 + Khi UGS > 0

 Khi cực cổng G có điện thế dương thì các điện tử thiểu số ở

miền P bị hút vào vùng N làm tăng tiết diện kênh dẫn → ID tăng hơn trị số bão hoà IDSS ( có thể làm hỏng MOSFET)

→ đặc tuyến xuất phát từ gốc toạ độ

 - Khi U DS nhỏ I D tăng nhanh tuyến

tính theo U DS đến trị số nào đó thì I D

không tăng nữa mặc dù U DS tiếp tục

tăng, khi U DS đạt giá trị lớn nào đó thì

I D tăng vọt

 Giải thích: Khi UDS > 0 các điện tử bị đẩy về phía cực máng D tăng dần, đồng thời tiếp xúc P-N cũng bị phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng → tiết diện kênh dẫn bi hẹp lại dần về phía cực máng → ID tăng tuyến tính theo UDS

 Khi UDS đạt tới trị số bão hoà (UDS bão hoà) thì ID cũng đạt tới trị

số bão hoà IDSS lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm thắt tại cực máng D → UDS = UDS bão hoà dòng điện không đổi giữ nguyên trị

số IDSS

 Khi UDS tăng → hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N về phía cực máng D→ ID tăng vọt

- Khi UGS tăng dương lên thì đặc tuyến được nâng cao dần

 Giải thích: Khi UGS tăng dương lên các điện tử thiểu số ở miền P bị hút về vùng N → tiết diện kênh tăng → điện trở kênh giảm → ID tăng lên → đặc

tuyến nâng dần

1.1.1.4 ĐẶC TUYẾN TRUYỀN DẪN

 - Xét ID phụ thuộc f(UGS) khi

UDS = const

 + UGS < 0 điện tử bị đẩy xa kênh

mật độ hạt dẫn trong kênh giảm

xuống → độ dẫn điện của kênh

giảm → ID giảm : chế độ nghèo

hạt dẫn ( chế độ tổn hao)

 + UGS > 0 điện tử bị hút về kênh

làm nồng độ hạt dẫn trong kênh

tăng lên → độ dẫn điện của

kênh tăng, ID tăng: chế độ giầu

hạt dẫn ( chế độ tăng cường)

1.2 MOSFET KÊNH LIÊN TỤC KÊNH P

 1.2.1 Cấu tạo và kí hiệu

 Tương tự như MOSFET liên

tục kênh N nhưng là hai vùng

bán dẫn loại P có nồng độ tạp

chất cao được nối liền với

nhau bởi một kênh dẫn là bán

1.2.2 ĐẶC TUYẾN LỐI RA VÀ ĐẶC TUYẾN TRUYỀN DẪN

2 MOSFET KÊNH GIÁN ĐOẠN

2.1 MOSFET KÊNH GIÁN ĐOẠN KÊNH N

 2.1.1 Cấu tạo và kí hiệu

  Cấu tạo:

 - Hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao không dính liền nhau, mặt trên kênh dẫn cũng được phủ một lớp oxit cách điện SiO2

 - Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào vùng bán dẫn N gọi

là cực nguồn S và cực máng D Cực cửa G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxit và cách điện đối với cực D và cực S

Cấu tạo Kí hiệu

 - Do cấu tạo kênh gián đoạn nên bình thườg không có dòng điện qua kênh

ID = 0, điện trở giữa cực nguồn S và cực máng D có điện trở rất lớn

 - Khi cấp nguồn điện UGS > 0 để tạo kênh UDS có trị số lớn hơn vài lần để điện tử chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D tạo nên dòng ID

 UGS > 0 các điện tích dương ở G sẽ hút các hạt dẫn điện tử của nền P (lỗ trống) về phía giữa của hai vùng bán dẫn N, khi lực hút đủ lớn thì số điện tử

bị hút đủ nhiều để nối liền hai vùng bán dẫn N kênh dẫn được hình thành

UGS khi đó có trị số là UT (điện áp ngưỡng) có dòng ID từ cực máng D sang cực nguồn S

 Khi UGS < UT → ID = 0

 Khi UGS =UT → bắt đầu xuất hiện dòng ID

 Khi UGS > UT → ID tăng

 ( số điện tử bị hút về kênh càng nhiều → mật độ hạt dẫn tăng lên → cường

độ dòng qua kênh tăng lên )

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

2.1.3 ĐẶC TUYẾN LỐI RA VÀ ĐẶC TUYẾN TRUYỀN ĐẠT

 Nhận xét:

 Đặc tuyến lối ra: ID phụ thuộc vào f(UDS) khi UGS = const

 - Tất cả các đặc tuyến đều đi qua gốc toạ độ

 * Giải thích : Khi UDS = 0 kênh dẫn chưa được hình thành

→ ID = 0 → đặc tuyến qua gốc toạ độ

 - Khi UGS tăng UDS > 0 đặc tuyến được nâng dần lên

 * Giải thích: UGS tăng kênh dẫn được hình thành và số hạt dẫn điện tử được hút về kênh tăng, mật độ hạt dẫn trong

kênh tăng → độ dẫn điện trong kênh tăng → ID tăng → đặc tuyến nâng cao dần

- Ban đầu UDS tăng → ID tăng nhanh theo đến một giá trị nào đó

UDS tăng nhưng ID không tăng nữa

* Giải thích : UDS nhỏ số các hạt dẫn điện tử qua kênh nhỏ, UDStăng → số hạt dẫn diện tử qua kênh tăng dần → ID tăng

 Đến một giá trị nào đó toàn bộ số hạt dẫn điện tử

chuyển qua kênh → UDS tăng ID không tăng nữa ( nó đạt trị số bão hoà)

Đặc tuyến truyền dẫn: ID phụ thuộc vào f(UGS) khi UDS = const

- Khi UGS < UT → dòng ID chưa hình thành

- Khi UGS ≥ UT → dòng ID được hình thành và tăng lên theo trị số của UGS

2.2 MOSFET GIÁN ĐOẠN KÊNH P

 2.2.1.Cấu tạo và kí hiệu

 Tương tự như cấu tạo của MOSFET gián đoạn kênh N nhưng là 2 vùng bán dẫn loại P pha nồng độ cao không dính liền nhau được ghép trên vùng bán dẫn loại N

Cấu tạo Kí hiệu

2.2.2 ĐẶC TUYẾN LỐI RA VÀ ĐẶC TUYẾN TRUYỀN DẪN

VI- CÁC CÁCH MẮC CƠ BẢN CỦA FET

 1 Cực nguồn chung  2.Cực máng chung

3.CỰC CỬA CHUNG

- Đièu khiển đầu ra cho fet là điện áp : ID ≈ 0 và ID = IS

- JFET và MOSFET kênh đặt sẵn có quan hệ đầu vào và đầu ra theo công thức Shockley :

 ID = IDSS (1 – UGS ∕UP)2

- MOSFET kênh gián đoạn ID = k(UGS – UT )2

→ Các công thức này đặc trưng cho linh kiện , không thay đổi trong quá trình làm việc

V- Phân cực cho FET

1 SỰ PHÂN CỰC CHO JFET VÀ MOSFET KÊNH ĐẶT SẴN

 Chế độ tĩnh: IG=0 → UGG=IG*RG=0

 Theo định luật Kirchoooff : -UGG-UGS=0  -UGG=UGS

 →UGG là nguồn 1 chiều ổn định → UGS cũng không thay đổi

SỰ PHÂN CỰC CỐ ĐỊNH

1.2 SƠ ĐỒ TỰ PHÂN CỰC

-ĐIỆN ÁP ĐIỀU KHIỂN UGS ĐƯỢC XÁC ĐỊNH BỞI ĐIỆN ÁP ĐẶT TRÊN ĐIỆN TRỞ RS DƯA VÀO CỰC NGUỒN S

1.3 SƠ ĐỒ PHÂN CỰC PHÂN ÁP

2.SỰ PHÂN CỰC CHO MOSFET KÊNH GIÁN ĐOẠN

 Ib=0 Khi UGS<UT



 Khi UGS>UT → ID=k(UGS-UT)2



2.1 SƠ ĐỒ PHÂN CỰC BẰNG HỒI TIẾP

-CHẾ ĐỘ TĨNH : IG=0 , URG=0

 UD=UG và UDS=UGS →UDS=UDD

-IDRD → UGS=UDD-IDRD (đường tải tĩnh)

2.2 SƠ ĐỒ PHÂN ÁP BẰNG ĐIỆN ÁP PHÂN ÁP

 -Chiều của các điện áp nguồn

và chiều dòng điện ngược lại

với kênh N:UGS luôn dương

(dương hoặc âm với MOSFET

kênh đặt sẵn), UDS<0

 - MOSFET có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng

từ trường để tạo ra dòng điện , là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuếch đại nguồn tín hiệu yếu , MOSFET được sử dụng trong các mạch nguồn Monitor , nguồn máy tính