Giáo trình IUH linh kiện điện tử Chương 4,5,6.pdf

Linh kiện điện tử 159 Chương TRANSISTOR HIỆU ỦNG TRƯỜNG - FET Sau học xong chương người học có thổ: - Mơ tá cấu tạo, ngun lý hoạt động, dặc tuyến ứng dụng cùa loại transistor trường FET - Tính tốn dược dạng mạch phân cực - Tra cún datasheets sứ dụng loại FET ứng dụng dơn gián - Biết cách kiêm tra, xác định chân cực đánh giả dược chất lượng cùa loại FET Linh kiện điện tử 160 Nội dung chính: 4.1 Khái niệm, phân loại, ký hiệu 4.2 JFET 4.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động 4.2.2 Dặc tuyến JFET 4.2.3 Các thông số bủn cùa JFET 4.3 MOSFET 4.3.1 MOSFET kênh liên tục 4.3.2 MOSFET kênh gián đoạn 4.3.3 Phản cực cho FET 4.4.4 Phản cực cho MOSFET 4.5 Các thông so bán MOSFET 4.6 Các cách mắc FET 4.1 KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI, KÝ HIỆU FET (Field Effect Transistor) nhóm linh kiện tích cực làm việc dựa hiệu ứng trường Dịng điện qua kênh dần diều khiến diện áp (hay diện trường) bên FET chia làm hai loại JFET IGFET (hình 4.1): - JFET (Junction Field Effect Transistor): Transistor điều khiến hiệu ứng trường qua cống tiếp giáp PN - IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor): Transistor điều khiển hiệu ứng trường qua cống cách điện, thường gọi MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor FET) theo cấu trúc cống cách diện MOSFET lại chia làm hai nhóm: + MOSFET kênh liên tục hay DMOSFET + MOSFET kênh gián đoạn hay EMOSFET Vói mồi loại FET lại có hai loại theo kênh N kênh p So với transistor lường cực (BJT), FET có ưu diêm sau: - Trờ kháng vào cao /?i =109 -í- 10l2Q; - Điều khiển áp so với diều khicn bang dòng cùa BJT; 161 Linh kiện điện tử - Tạp âm nhiều so với BJT Lý BJT dẫn dòng cà hai loại hạt electron (e‘) lồ (+), dòng FET chi loại hạt electron (kênh N) lồ (kênh P) tạo - Tần số làm việc cao; - Có thể làm việc với dịng áp thấp nên tổn hao công suất nhỏ; - Hệ sổ khuếch đại thấp nhiều so với BJT; MOSFET thường dùng chế độ chuyển mạch công suất mạch nguồn switching (ữ) JFET (A) MOSFET kênh liên tục (c) MOSFET kênh gián đoạn Hình 4.1 Phản loại ký hiệu FET 4.2 JFE I 4.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt dộng cua JFET 4.2.1 ỉ Câu tạo Trên đế tinh bán dần N người ta tạo xung quanh lớp bán dần 1’ (dược pha tạp nhiều so vói đế) nối ngồi điện cực cực Nguồn s (Source), cực Máng D (Drain) cực cồng G (Gate) Giữa cực cồng (lớp bán dần P) đe (bán dần N) hình thành lớp chuyến tiếp PN Giữa hai cực D s hình thành kênh dẫn loại N cách ly với cực cống G bơi chuyên tiếp PN (hình 4.2) 162 Linh kiện diện tủ’ DrainJ Dram Đ ọ N Gate DO —> p'rp £ Sourc^^ (a) s ò Gate N t s * Souiẽ^^ (b) Hình 4.2 Cấn trúc ký /liệu JFETkênh N (a) JFET kênh p (b) Tương tự dùng đế bán dẫn p ghép với cực cổng bán dần N ta có loại JFET kênh p Ký hiệu hai loại JFET kênh N (hình 4.2, a) kênh p (hình 4.2, b) 4.2 / Nguyên lý hoạt động cùa JFET Vì hai loại JFET kênh N kênh p có nguyên lý tương đương, chi khác chiêu dịng diện áp phân cực, dó dây ta chi phân tích loại thơng dụng JFET kênh N De khảo sát hoạt động cùa JFET mắc mạch phân cực cho transistor hình (4.3) Nguồn Vgs phân cực cho tiếp giáp cồng nguồn cho mối nối PN phân cực ngược Nguồn V[)S đố tạo dòng qua kcnh dẫn /ỡJFET kênh N nên Vgs < (mắc cực âm vào cực G) Vds > Hình 4.3 Hoạt dộng cùa JFET Dưới tác dụng cùa diện trường này, kênh dần xuất dòng diện hướng tử D sang s gọi dòng máng ỈỊ) Độ lớn dòng //) phụ thuộc vào độ dần diện cùa kênh nguôn V[)S dược điều khiến the cực cống Ỉ7GS- 163 Linh kiện điện từ 4.2.2 Dặc tuyến JFET 4.2.2.1 Đặc tuyến cùa JFET Mạch phân cực tương đương cho JFET với nguồn Vgg Vdd hình vẽ 4.4 Với Fgs thay đơi điện áp máng nguồn Fds đo dòng I[) tương ứng Tìm phụ thuộc hàm số sau: /„=/(^)lros=co„sí (4.1) Phương trình (4.1) gọi đặc tuyến cùa JFET ilình 4.4 Kháo sát JFET Khảo sát hàm (4.1) với phân cực âm dần cùa Vgs (-1V, -2V, -3V, -4V, -5 V) dòng Id = Vẽ đồ thị ta họ đặc tuyến cùa JFET (hình 4.5) Từ họ đặc tuyến ra, hoạt động JFET có ba miền sau: - Miền điện trớ: Là miền gần gốc Vds >0 có giá trị nhỏ Lúc phần kênh N gần máng dương vùng p cùa cổng Tiếp giáp PN phân cực ngược, khơng có dịng qua cơng Kênh N lúc hoạt động điện trờ Giá trị điện trờ kênh thay đồi theo phân cực cổng: r = r,la ' (1-^/r,)2 (4.2) Trong rd0 điện trở kênh 1ZG5 = Dòng máng ỈD tăng nhanh theo giá trị Idss - Miền bão hòa: Khi tăng dần Vds, mien điện tích khơng gian tiếp giáp PN nở dần ra, độ rộng kênh bị thu hẹp dần, điện trở kênh tăng lên nên độ dốc đặc tuyến giám dần 164 Linh kiện điện tử Hình 4.5 Họ đặc tuyến cua JFET Khi V[)S ~ Vp hai mien PN chạm nhau, kênh bị bóp nghẹt, dịng máng /p = ỈDSS không lăng vá không phụ thuộc vào diện áp VDS Đoạn đặc tuycn năm ngang (vùng bão hỏa), dông 1|) yếu phụ thuộc vào thê cóng I Ú5 Đây vùng JFET làm việc phân tử khuêch dại dòng máng I|) dược điêu khiên băng thê l '(75 Diện áp ỉ7!’ gọi điện áp bóp nghẹt hay diện áp thất kênh Thông thường = -5- 8V r'(,-5 ov — Miên dành thung thác hì Nêu tiếp tục tăng l/)5 den giá trị Egd5 dòng //) dột ngột tăng mạnh hiệu ứng đánh thúng thác lũ (Avalanche breakdown) Hiện tượng xay tư cực máng hết cực công qua mỏi nôi diêu khiên PN Do dó diện áp mang cõng vượt diện áp đánh thung I '(ỈDS thi xay đanh thung thác lũ mối nối PN (khi /Ỹ-.s 0) 4.2.2.2 Dặc tuyến truyền đạt cua JFET Dặc tuyến truyền dạt cua JFET la hàm phụ thuộc cua dong máng ỈD vào thê công /'(,5 cố định the I Ds theo phương trinh Shockley: Linh kiện điện từ 165 Trong phương trình Shockley (4.3) dịng bão hịa I[)SS khóa kênh /z/> hàng số Dòng máng Id chi phụ thuộc vào thay đổi cua the công ỉ'as- dồ thị biêu diễn hàm (4.3) hình 4.6 Đường cong di qua hai diêm giới hạn: - ^GS = 0, 1D = Idss ■ Dòng bão hòa lớn qua JFET - In = 0, Vcs = IzCi(011): Trạng thái khóa JFET Hình 4.7 Họ đặc tun đặc tuyên truyền đạt Đường dặc tuyến truyền dạt dược suy từ họ đặc tuyến cùa JFET Trơn hình 4.7 cho thấy tương quan họ dặc tuyến đặc tuyến truyền đạt Linh kiện điện tử 166 Với mồi giá trị cùa JZG.S' ta có giá trị dịng bão hịa ỈDSS tương ứng Tăng dần Ì7CS theo chiều âm, dòng ỈD giám dần giá trị V(iS(ọỊj) dòng máng triệt tiêu li) - Nối điểm tọa độ tương ứng ta đường cong đặc tuyên truyên đạt 4.2.2.3 So sánh BJT JFET Bằng cách so sánh hai loại transistor BJT JFET làm rõ nguyên lý hoạt động điều khiển cùa JFET (bảng 4.1) Bảng 4.1 Sơ sánh BJT JFET BJT JFET (NPN) (kênh N) Đặc tính Dần bang cà hai loại hạt: electron (ứ ) lỗ trống (+) Dòng dần Dần chi loại hạt: - electron với JFET kênh n - lỗ trống (+) với JFET kênh p ỈD=ỈDSS 1-^ IC=^B ỈC=ỈE-ỈB^ỈE Bang dịng đáy B Điều khiển c Bằng cơng GS D /c=ớ Lì B0 ' + A) = ỈB BJT G JFET VGS Kfl£=0,7K ■ S E Phân cực ^=0,7K /ơ=0 167 Linh kiện điện từ 4.2.3 Các thông số CO' bán JFET Các thông số kỹ thuật JFET dược cung cấp bới nhà sàn suất datasheets kèm theo Khi sừ dụng FET càn quan tâm den thông số sau đày: - Loại JFET: kênh N hay kênh p - Chuẩn dóng vị TO xác định vị trí chân cực - Dòng máng bão hòa - The khóa pG-.s(on) - điều khiên đê dịng /ư= (dịng cực đại Vgs - 0) Các thơng sổ giới hạn bao gồm: — Diện áp tối da: (Ep$-; Fdg; - Dịng cồng cực đại: - Cơng suất tiêu tán cực đại Pn - Dải nhiệt độ làm việc cho phép (7); F(7.w)max ẤGmax max ríZg)max Ví dụ Tricli Datasheets JFET da dụng 2N5457, 2N5458 hãng ON Semiconductor (hình 4.8) 2N5457, 2N5458 JFETs - General Purpose N-Channel - Depletion ON Semiconductt N-Channcl Junction Field Effect Transistors, depletion mode (Type /\) designed lor audio and switching applications MAXIMUM RATINGS Symbol Value Unit Drain -Source Voltage VDS 25 Vdc Drain - Gate Voltage Vqg 25 Vdc VGSR -25 Vdc Gate Current 'g 10 mAdc Total Device Dissipation @ TA - 25 c Derate above 25 c PD 310 2.82 mW mW/ c Operating Junction Temperature Tj 135 c TS|fl -65 to+150 c Rating Reverse Gate - Source Voltage Storage Temperature Range http: onseml.com TO-92 CASE 29 STRAIGHT LEAD BENT LEAD BULK PACK TAPE « REEL AMMO PACK 168 Linh kiện điện tử MARKING DIAGRAM 2N 545x AYWW- 2N545X = Device Code X = or A = Assembly Location Y = Year ww = Work Week • = Pb-Free Package (Note: Microdot may be in either location) W TO-92 CASE 29 STYLES ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Ta - 25 c unless otherwise noted: Characteristic Symbol Min Typ Max Unit -25 - - Vdc - I -1.0 200 nAdc -0 -1.0 - -60 -7.0 Vdc - -2.5 -3.5 OFF CHARACTERISTICS Gato • Soiree Breakdown Voltage (lG - -lOnAdc Vos 0) V|HH>CiSS Gato Reverse Current (Vos ’ -15 Vdc Vns - 0) (VOs - -15 Vdc Vqs - Ta - 100 C) I USS Gate - Source Cutoff Voltage VG3 Vdc ON CHARACTERISTICS Zero-Gate-\A>ltago Drain Current (Noto 1) (Vou- t5Vdc Vqs 0) 2N5457 2N5453 •oss 20 3.0 60 50 00 rnAdc 2N5457 2N5458 |Y»I 1000 1500 3000 •5000 5000 5500 Iimhos DYNAMIC CHARACTERISTICS Forward Transfer Admittarice (Noto 1) (Vos - l5Vdc VOf o f 1kHz) Output Admittance Common Source (Noto 1) (Vos 15 Vdc vos 1 kHz) |Y« I Input Capacitance (Vos 15 Vdc vos ■Ọgs 1 kHz) Reverse Transfer Capacitance (Vjjj Vdc Vas f kHz) I Pulse w dth • 630 ms Duty Cycle 10 50 Iimhos 45 70 pF 1.5 3.0 pF 10% Figure Typical Drain Characteristics Figure Common Source Transfer Characteristics Hình 4.8 Trích datasheets JFETđa dụng 2N5457, 2N5458 (http://onsemi.com) ... Rg\ + ^G2 ^•=^11^2 (4.31) Viết phương trình định luật Kirchhoff cho mạch vịng cổng nguồn với ý dịng cơng /g=0 ta có 178 Linh kiện điện tử Trong phương trình (4.32) ta có K(7 Rs giá trị xác định,... 0 F,/, số diện tích âm cực cống... Phản cực bang hai nguồn độc lập Viết phương trình định luật Kirchhoff cho mạch vòng cồng nguồn với ỷ dịng cồng /g=0 ta có: -E6-GK(,s = 175 Linh kiện điện tử Hay: (4.22) Vc,G nguồn chiều ổn định nên