Tìm hiểu về jfet (bài tập lớn vật lý bán dẫn)

lOMoARcPSD|15963670 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM -o0o - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ BÁN DẪN ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ JFET Giảng viên hướng dẫn: Phan Võ Kim Anh  Lớp: L04  Nhóm: 12 lOMoARcPSD|15963670 DANH SÁCH THÀNH VIÊN: STT HỌ VÀ TÊN Nguyễn Phạm Gia Phát (nhóm trưởng) Mai Trung Kiên Nguyễn Xuân Bắc Nguyễn Trọng Quí Dương Cao Nguyễn Tiến Dũng MSSV 2111981 2113817 2112891 2110977 2113056 Đề tài: Tìm hiểu JFET Yêu cầu: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng JFET So sánh JFET MOSFET Phân tích ví dụ ứng dụng JFET (Proteus/ Lắp mạch) DANH SÁCH PHÂN CHIA CƠNG VIỆC: STT HỌ VÀ TÊN Cơng việc Phân chia công việc, soạn Word, chỉnh Nguyễn Phạm Gia Phát sửa nội dung, tìm thuyết trình nguyên Mai Trung Kiên Nguyễn Xuân Bắc Nguyễn Trọng Quí Dương Cao Nguyễn Tiến Dũng lý hoạt động JFET Tìm thuyết trình giới thiệu sơ lược JFET + đặc điểm, cấu tạo Thuyết trình, so sánh JFET MOSFET + ưu/nhược điểm JFET Soạn ppt, chỉnh sửa + tóm tắt nội dung Word hướng dẫn thuyết trình Làm mạch Proteus + phân tích ứng dụng mạch cơng tắc JFET (có hỗ trợ Bắc) lOMoARcPSD|15963670 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU VỀ JFET II TÌM HIỂU VỀ JFET A ĐẶC ĐIỂM B CẤU TẠO C NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .7 a JFET kênh N b JFET kênh P .11 D ỨNG DỤNG 12 III PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG JFET VÀ MƠ PHỎNG BẰNG PROTEUS 13 A SỬ DỤNG JFET NHƯ MỘT CÔNG TẮC .13 B CÁCH HOẠT ĐỘNG .14 a Khi mở công tắc 14 b Khi đóng cơng tắc 14 c Khi điện áp xả 15 C MẠCH PROTEUS 16 IV SO SÁNH JFET VÀ MOSFET .16 A SO SÁNH JFET VÀ MOSFET 16 B ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 lOMoARcPSD|15963670 I GIỚI THIỆU VỀ JFET - FET (Field Effect Transistor - Transistor hiệu ứng trường) dụng cụ điện tử quan trọng công nghệ bán dẫn đại FET có loại JFET MOSFET - Ở ta tập trung vào JFET-Transistor hiệu ứng trường chuyển tiếp cổng (Junction Field Effect Transistor), phát minh thời điểm với Transitor tới cuối năm 1960 sử dụng rộng rãi, loại đơn giản transistor hiệu ứng trường II TÌM HIỂU VỀ JFET A ĐẶC ĐIỂM - JFET Transistor hiệu ứng trường cổng nối (Junction Field Effect Transistor) - Nó phần tử bán dẫn chân, xây dựng dựa cấu trúc chuyển tiếp P-N Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 B - CẤU TẠO VÀ KÝ HIỆU Cấu tạo: Trên bán dẫn hình trụ, người ta thiết kế đáy đáy tiếp xúc kim loại cho hai cực tương ứng cực máng (DRAIN) cực nguồn (SOURCE) Tiếp đến, tạo mối P – N vòng theo bán dẫn Kim loại tiếp xúc với mẫu bán dẫn mới, đưa gọi cực cổng (GATE) Miền bán dẫn cực nguồn cực máng gọi kênh dẫn  D (Drain): Cực máng (Cực thoát)  G (Gate): Cực cổng (Cực cửa)  S (Source): Cực nguồn - Dựa vào cấu tạo bán dẫn hình trụ mà ta chia hai loại JFET: Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670  JFET kênh N:  Cực D cực S kết nối vào kênh dẫn N  Cực G kết nối vào vật liệu bán dẫn P  Ký hiệu:  JFET kênh P:  Cực D cực S kết nối vào kênh dẫn P  Cực G kết nối vào vật liệu bán dẫn N Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670  Ký hiệu: C - NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG JFET hoạt động cách giới hạn độ rộng kênh dẫn Một ví dụ minh họa nguyên lý hoạt động JFET cách hoạt động vòi nước - Tương tự với JFET, hiệu điện cực cổng (Gate) cực nguồn (Source) điều chỉnh dòng điện chạy qua cực nguồn (Source) cực máng Vậy phân tích cách rõ ràng nguyên lý hoạt động JFET kênh N kênh P (tức xét mối quan hệ VGS với VDS) a JFET kênh N Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Đầu tiên, giả sử cực G S nối với cực S nối đất, V GS = Sau đó, đặt hiệu điện vào cực D cực S điện áp V DD (VDS > tức VD > VS) Và lúc electron di chuyển từ cực S → D theo kênh dẫn Do đó, dịng điện có chiều D → S Bây giờ, ta xét hoạt động JFET trường hợp - Khi nối mạch vậy, VDS > chuyển tiếp P-N phân cực ngược bề rộng miền nghèo gần cực D rộng miền nghèo gần cực S Do trình hoạt động, kênh N hoạt động giống điện trở Giả sử điện trở đồng kênh kênh N chia thành chuỗi điện trở cực cổng cực nguồn Khi có dịng điện ID chạy qua có sụt áp điện trở Do vùng phía có phân cực ngược lớn so với vùng phía dẫn đến chênh lệch độ rộng miền nghèo Khi tăng điện áp phân cực ngược độ rộng miền nghèo tăng, có lượng nhỏ dòng bão hòa ngược chạy qua chuyển tiếp P-N khơng đáng kể bỏ qua Vì điều mà trở kháng đầu vào JFET cao - Dưới đồ thị ID theo VDS (khi ta tăng điện áp từ đến vài vơn dịng điện chạy kênh tăng lên) Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Đường cong cịn gọi đặc tính đầu JFET Đối với điện áp thấp đồ thị gần đường thẳng tuyến tính (khi điện áp thấp điện trở kênh khơng đổi) Nếu tiếp tục tăng điện áp V DS miền nghèo ngày rộng kênh N ngày hẹp Lúc điện trở kênh tăng lên thể đồ thị đường cong ngang (tức độ dốc giảm) - Khi điện áp tăng đến mức miền nghèo chạm vào nhau, tình trạng gọi nghẽn (pinch-off) điện áp gọi điện áp nghẽn (kí hiệu Vp) - Vì vậy, VDS ≥ Vp tình xảy JFET hoạt động trạng thái bão hịa Khi đó, dịng điện khơng thể chạy qua kênh (I D = 0) Nhưng thực tế, ID phải đạt đến trạng thái bão hịa khơng thể Trước hết, ta giả sử Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 điều xảy ID = Nếu trường hợp xảy ra, điện áp phân cực khơng cịn, dẫn tới miền nghèo biến Dễ thấy điều vô lý xảy ra, ID khơng mà đạt đến dịng điện tối đa (kí hiệu IDSS) Nếu trường hợp xảy ra, ID đạt đến giá trị tối đa (ký hiệu IDSS) - Nãy ta xét trường hợp VGS = VGS kiểm sốt dịng điện kênh ảnh hưởng đến đặc tính đầu JFET theo cách Vì ta khảo sát giá trị IDSS VGS âm - Trước tiên ta giả sử VGS = -1V, sau tăng dần điện áp VDS từ 0V lên độ rộng miền nghèo tăng trạng thái pinch-off đạt điện áp thấp V DS Đó điện áp VGS âm làm tăng độ phân cực ngược chuyển tiếp P-N - Vì trường hợp VGS = -1V giá trị dòng điện bão hịa (I DSS) giảm hình bên 10 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Và giá trị VGS âm IDSS giảm Đến V GS = -Vp dịng diện bão hòa Vùng hoạt động JFET gọi vùng tắt (cut -off) - Từ đó, ta thấy JFET hoạt động miền khác miền trở (ohmic), miền bão hòa (saturation) miền tắt (cut-off) Trong miền ohmic JFET hoạt động điện trở với giá trị cố định V GS cung cấp giá trị điện trở khơng đổi cách thay đổi giá trị điện áp cực cổng cực nguồn ta kiểm sốt điện trở Tiếp theo miền saturation, V DS ≥ Vp ID gần khơng đổi Cịn miền hoạt động thứ ba cut-off, VGS ≤ -Vp ID xấp xỉ - Ngồi miền hoạt động JFET miền đánh thủng - Trong miền bão hòa, ta tăng VDS vượt giới hạn xảy tượng tăng vọt dòng điện Mức tối đa V DS JFET xác 11 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 định, phải đảm bảo giá trị V DS hoạt động phải nhỏ giá trị định mức b JFET kênh P - Đối với JFET kênh P tương tự JFET kênh N điện áp cực máng cực nguồn phải âm (VDS < 0) điện áp cực cổng cực nguồn phải dương (VGS > 0) Khi dịng lỗ chạy từ cực nguồn sang cực máng qua kênh P - Còn đồ thị biểu diễn điện áp I D theo VDS (hay đặc tính đầu JFET) tương tự JFET kênh N trường hợp VDS âm 12 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Bây ta tăng điện áp V GS (dương hơn) giá trị bão hịa I D giảm Và VGS = Vp dòng điện xấp xỉ Cũng giống JFET kênh N, điện áp V DS âm giá trị định mức dịng điện tăng mạnh D - ỨNG DỤNG Công dụng chung: Dùng làm khóa điện tử, khuếch đại tín hiệu vi sai kết hợp linh kiện điện tử khác hầu hết thiết bị điện tử ngày nay: mạch kỹ thuật số, máy tính, TV, máy thu thanh,…  Sử dụng công tắc điện tử để đóng ngắt mạch  Bộ trộn âm: Dùng để khuếch đại âm tần số thấp hòa tín hiệu âm để tạo âm khác nâng cao chất lượng âm  JFET thiết bị có độ nhiễu thấp, nên sử dụng đầu vào thiết bị nhận tín hiệu có độ nhiễu thấp đầu  Bộ khuếch đại đệm biến đổi trở kháng đầu vào cao thành trở kháng đầu thấp III.PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG JFET VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PROTEUS A SỬ DỤNG JFET NHƯ MỘT CƠNG TẮC - Để có nhìn trực quan ta lấy mạch cơng tắc bóng đèn đơn giản sau: - Ta thay khóa K thành JFET (kênh N) hình sau: 13 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 B CÁCH HOẠT ĐỘNG a Khi công tắc mở: - Chúng ta có mạch cơng tắc hình Với V GS = 0V, JFET kênh N cho phép dòng điện chạy qua đèn nên đèn sáng b Khi cơng tắc đóng: - Để tắt đèn, cần kết nối nguồn điện áp DC khác kết nối cổng nguồn JFET Đóng khóa K làm ngắt kênh JFET, buộc trạng thái tắt (cut-off) đèn tắt: 14 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Mở lại công tắc điều khiển ta mong đợi ngắt điện áp DC khỏi cổng, cho phép kênh JFET mở trở lại Dù trường hợp lý tưởng cách hoạt động, thực tế khơng hoạt động chút nào: - Tại lại vậy? Tại kênh JFET khơng mở trở lại cho phép dịng điện chạy qua trước khơng có điện áp đặt cổng nguồn? Câu trả lời nằm hoạt động chuyển tiếp phân cực ngược cổng - nguồn Miền nghèo bên đường giao hoạt động rào cản cách điện ngăn cách cổng với nguồn Như vậy, có lượng điện dung định có khả lưu trữ điện tích Sau phân cực ngược lượng điện tích lưu trữ nguồn điện điện áp bị ngắt Điều cần thiết để bật lại JFET xả điện tích lưu giữ cổng nguồn thông qua điện trở c Điện trở xả: 15 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 - Giá trị điện trở không quan trọng Điện dung chuyển tiếp cổng - nguồn nhỏ điện trở xả có giá trị cao tạo số thời gian RC nhanh cho phép JFET tiếp tục dẫn với độ trễ nhỏ công tắc mở - Đây mạch JFET cơng tắc hồn chỉnh để điều khiển bật/tắt bóng đèn C MẠCH PROTEUS IV SO SÁNH JFET VÀ MOSFET A SO SÁNH JFET VÀ MOSFET Loại Tiêu chí Đặc điểm JFET MOSFET Thiết bị bán dẫn cực Thiết bị bán dẫn cực Xây dựng dựa cấu trúc Xây dựng dựa cấu trúc chuyển tiếp P-N chuyển tiếp Oxit- Kim loại-Bán Transistor hiệu ứng trường cổng dẫn nối Chế độ Transistor hiệu ứng trường Oxit- Kim loại-Bán dẫn hoạt Chỉ hoạt động kiểu khuyết lập Có thể hoạt động kiểu 16 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 động (cạn kiệt) Trở kháng đầu Cao khuyết lập kiểu tăng cường Cao JFET vào Rị rỉ dịng điện Chi phí sản xuất 10-12 A Ứng dụng 10-9 A $JFET < $MOSFET Thích hợp cho ứng dụng có Thích hợp cho ứng dụng độ độ nhiễu thấp nhiễu cao GIỐNG: + Đều Transistor điều khiển điện áp sử dụng để khuếch đại tín hiệu + Đều thiết bị đơn cực B ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM Ưu điểm: Nhiệt độ ổn định, Trở kháng đầu vào cao dịng điện đầu vào nhỏ cải thiện hiệu quả, lượng cao, có kích thước nhỏ Nhược điểm: Phản hồi chậm, hiệu suất thấp tần số cao 17 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com) lOMoARcPSD|15963670 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Microelectronic Circuits, Sedra & Smith, Chapter [2] Microelectronic Circuits 5th Solutions Manual, Sedra & Smith [3] Art of Electronics Student Manual, Hayes & Horowitz, Chapter [4] Transistor trường FET, Nguyễn Hoàng Hiệp [5] Các nguồn tài liệu tham khảo khác:  https://hocvienit.vn/transistor-hieu-ung-truong-la-gi/  https://www.electronicshub.org/junction-field-effect-transistor/  https://dientutuonglai.com/so-sanh-jfet-va-mosfet.html  https://www.youtube.com/watch?v=2I_8YNVgbEw&t=180s  https://www.youtube.com/watch?v=OQ3Nxk5OTLk&t=625s 18 Downloaded by ng?c trâm (ngoctram201217@gmail.com)