Transistor hiệu ứng trường
BÀI GIẢNG SỐ 4tiết I. TÊN BÀI GIẢNG Transistor hiệu ứng trường MỤC TIÊU: • Nắm được cấu tạo nguyên lý của Transistor hiệu ứng trường • Ứng dụng của transistor vào thực tế ĐỒ DÙNG VÀ PHƯƠNG TIỆN GIẢNG DẠY: -Giáo trình điện tử cơ bản( Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM) -Tài liệu tham khảo: Điện tử cơ bản của Nguyễn Phi Yến NỘI DUNG BÀI GIẢNG: I) ỔN ĐỊNH LỚP: Thời gian: 5 phút Số học sinh vắng: Họ tên học sinh vắng: II) Mở đầu Khác với BJT- cấu tạo bởi hai lớp tiếp giáp p-n, dùng cả hai loại hạt dẫn đa số và thiểu số, FET làm việc theo nguyên lí điều khiển độ dẫn điện của phiến bán dẫn bởi điện trường ngoài và chỉ dùng một loại hạt dẫn đa số. FET có các tính năng ưu việt hơn: điện trở vào lớn, hệ số khuếch đại cao, ít tiêu thụ năng lượng, thích hợp cho công nghệ vi điện tử Có hai loại transistor trường: - J-FET (junction field effect transistor) dùng tiếp giáp n-p - IG-FET (isolated gate field effect transistor) có cực cửa cách li, còn có cách gọi theo công nghệ chế tạo là MOS-FET (metal – oxide – semiconductor FET). III) Transistor trường dùng tiếp giáp n-p (J- FET) 1. Cấu tạo J-FET kênh n (H. 5.1) gồm một thỏi bán dẫn Si loại n hình trụ, có điện trở suất khá lớn (mật độ tạp donor thấp), gắn hai sợi kim loại ở đáy trên và đáy dưới. Người ta gọi đáy trên là cực máng D (drain) H. 5.1 Mạch khuếch đại dùng J-FET kênh n và đáy dưới là cực nguồn S (source). Bao quanh thỏi bán dẫn loại n là một lớp bán dẫn loại p gắn với một sợi kim loại dùng làm cực cửa G (gate). Tiếp giáp n-p này tạo thành một vùng nghèo có điện trở suất khá lớn, phần thể tích còn lại của thỏi Si không bị vùng nghèo choán chỗ gọi là kênh dẫn. J-FET kênh p dùng thỏi Si hình trụ loại p và lớp bao quanh là loại n. 2. Nguyên lí làm việc (H. 5.1) là mạch khuếch đại dùng J- FET kênh n. Nguồn E D , qua điện trở thiên áp R D đặt điện áp V DS giữa cực máng và cực nguồn, tạo dòng điện máng I D chạy qua kênh dẫn. Nguồn E G đặt điện áp V GS giữa cực cửa và cực nguồn, làm cho tiếp giáp n-p (hình thành giữa cửa và kênh dẫn) phân cực ngược, bề dày vùng nghèo tăng lên và tiết diện của kênh dẫn bị thu hẹp. Nếu giữ E D không đổi, khi tăng E G vùng nghèo mở rộng, điện trở kênh dẫn tăng do bị thu hẹp và dòng máng I D giảm. Trong khi dòng I G giữa cực G và cực S chỉ là dòng ngược của tiếp giáp n-p và rất nhỏ (≈ 0). Nếu ngoài E G đặt giữa G và S một tín hiệu xoay chiều e S , thì điện trở kênh dẫn biến đổi và dòng máng cũng biến đổi theo qui luật của e S . Dòng I D tạo một điện áp trên điện trở R D có cùng dạng với e S nhưng với biên độ lớn hơn, ta nói J-FET đã khuếch đại tín hiệu. H. 5.2 Mạch khuếch đại dùng J-FET kênh p Tương tự, H. 5.2 là mạch khuếch đại dùng J-FET kênh p. Chú ý rằng các cực của nguồn E G và E D được đặt ngược lại. Dòng máng tạo thành bởi các lỗ trống hạt dẫn đa số của bán dẫn loại p. 3. Đặc tuyến ra (H. 5.3) I D = f(V DS )│ V GS = const (5-1) - Xét trường hợp V GS = 0 (ngắn mạch G- S), có thể chia đặc tuyến thành 3 đoạn. Đoạn bên trái gần tuyến tính (OA) với độ dốc khá lớn. Khi V DS còn nhỏ, phân bố điện thế do V DS gây ra trên điện trở kênh dẫn chưa ảnh hưởng đáng kể đến bề dày vùng nghèo và tiết diện kênh, do đó kênh dẫn có điện trở gần như không đổi. Nhưng khi tăng dần V DS , vùng nghèo càng mở rộng làm hẹp thiết diện kênh dẫn, điện trở kênh tăng và dòng I D tăng chậm lại. - Khi V DS = V P (điểm A – H. 5.3) vùng nghèo mở rộng tới mức choán hết thiết diện kênh tại vùng gần cực máng – kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực máng (H. 5.4). V P được gọi là điện áp thắt, A gọi là điểm bắt đầu thắt kênh hay điểm bắt đầu bão hoà. Vùng đặc tuyến ở bên trái OA gọi là vùng điện trở (kênh dẫn thể hiện như một điện trở). - Khi V DS > V P (đoạn AB), đặc tuyến gần như ngang; vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền kênh bị thắt lan dần về phía cực nguồn, điện trở kênh dẫn càng tăng và dù V DS tăng nhưng dòng I D tăng không đáng kể. Vùng đặc tuyến này gọi là vùng thắt kênh (hay vùng bão hoà). Điểm làm việc của J-FET dùng để khuếch đại nằm trong vùng này. Khi V DS quá lớn tiếp giáp p-n bị đánh thủng. Vùng đặc tuyến tương ứng gọi là vùng đánh thủng. - Khi V GS ≠ 0, dạng đặc tuyến tương tự. Tuy nhiên do có thêm V GS , tiếp giáp p-n phân cực ngược nhiều hơn, điện trở kênh dẫn tăng và dòng I D nhỏ hơn. V GS càng âm, I D càng giảm, đặc tuyến càng dịch về phía gần trục hoành, còn điểm bắt đầu thắt kênh và điểm bắt đầu đánh thủng thì càng dich về phía trái. 4. Đặc tuyến truyền đạt I D = f(V GS )│ V DS = const (5-2) H. 5.3 Đặc tuyến V-A của J-FET kênh n H. 5.4 Quá trình thắt kênh khi tăng dần V DS V GS càng âm, vùng nghèo càng mở rộng, điện trở kênh dẫn càng tăng do đó dòng máng càng giảm. Khi V GS đạt tới giá trị điện áp thắt thì dòng máng giảm tới = 0. 5. Các tham số đặc trưng 6. Điện trở vi phân lối ra (điện trở kênh dẫn) constV D DS D DS I V r = ∂ ∂ = ` (5-3) cũng là nghịch đảo độ dốc đặc tuyến ra. Trong vùng bão hoà r D khá lớn (cỡ 500kΩ). 7. Hỗ dẫn (độ dốc đặc tuyến truyền đạt) constV GS D m DS V I g = ∂ ∂ = (5-4) g m phản ánh mức độ ảnh hưởng của điện áp điều khiển V GS tới dòng máng. g m = 7 ÷ 10mA/V. 8. Điện trở vi phân lối vào (điện trở vào) constV G GS i DS I V r = ∂ ∂ = (5-5) Lối vào J-FET là tiếp giáp p-n phân cực ngược, dòng I G rất nhỏ (cỡ 0,1μA ở 25 o C) do vậy r i rất lớn (10 ÷ 100MΩ ở 25 o C) 9. Hệ số khuếch đại tĩnh constI GS DS D V V = ∂ ∂ =µ (5-6) Hệ số này so sánh mức độ ảnh hưởng của các điện áp V DS và V GS đối với dòng máng I D . 10.Điện dung liên cực C GS , C DS, C GD là điện dung kí sinh giữa các điện cực, có giá trị cỡ (3 ÷ 10)pF. Ở tần số thấp, có thể bỏ qua ảnh hưởng của các điện dung này. 11.Sơ đồ tương đương H. 5.5 là sơ đồ tương đương của J-FET đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp. Giữa hai cực vào G, S là điện trở vào r i . Giữa hai cực ra có điện trở kênh dẫn r d và nguồn dòng g m v GS (phản ánh khả năng điều khiển dòng điện máng của điện áp vào v GS ). Dòng qua tải mắc giữa hai cực ra D, S là: D DS GSmD r v vgi += (5-7) H. 5.5 Sơ đồ tương đương của J-FET a) dùng nguồn dòng; b) dùng nguồn thế H. 5.6 Cấu tạo và kí hiệu của MOS-FET kênh có sẵn a) loại n; b) loại p Do đó, khi làm việc với tín hiệu xoay chiều tần số thấp, có thể thay J-FET bằng sơ đồ tương đương. IV) Transistor trường có cực cửa cách li (IG-FET hay MOS-FET) 1. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của MOS-FET kênh có sẵn loại n (H. 5.6). Từ phiến bán dẫn Si loại p, tạo trên bề mặt của nó một lớp bán dẫn loại n làm kênh dẫn. Ở hai đầu kênh dẫn người ta khuếch tán hai vùng n+ dùng làm cực nguồn (S) và cực máng (D), phủ một màng SiO 2 bảo vệ trên bề mặt phiến Si. Phía trên màng này gắn một băng kim loại dùng làm cực cửa (G). Đáy của phiến Si gắn sợi dây kim loại dùng làm cực đế SUB (substrate). Nếu phiến bán dẫn là loại n, ta có MOS-FET loại p. Xét nguyên lí làm việc của MOS-FET kênh n trong mạch H. 5.7. Dưới tác dụng của điện áp V DS (do nguồn E D ), qua kênh dẫn và cực máng có dòng I D tạo bởi hat dẫn đa số (điện tử). Nếu có thêm V GS (do nguồn E G ), các điện tích âm tụ trên cực G, các điện tích dương tích tụ ở cực đối diện (kênh dẫn) - lớp SiO 2 như điện môi của tụ điện. Các điện tích dương này tái hợp với điện tử làm giảm mật độ hạt dẫn vốn có khiến điện trở kênh tăng và dòng máng giảm. V GS càng âm, dòng I D càng giảm. Chế độ làm việc này làm nghèo hạt dẫn vì thế được gọi là chế độ nghèo (depletion). Nếu đổi cực tính nguồn E G (V GS thành dương), thì ngược lại: càng tăng V GS , mật độ hạt dẫn trong kênh tăng, điện trở kênh giảm và dòng I D càng tăng. Chế độ này được gọi là chế độ giàu (enhancement). Như vậy, ngay khi V GS = 0, MOS-FET kênh có sẵn đã có dòng máng ban đầu I D ≠ 0. Tuỳ cực tính của V GS mà MOS-FET làm việc ở chế độ giàu hay nghèo (V S điều khiển dòng I D tăng hay giảm). Dòng I D biến đổi theo tín hiệu xoay chiều e s ở lối vào và trên tải ở lối ra sẽ nhận được tín hiệu đã khuếch đại. 2. Đặc tuyến (H. 5.8) là đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOS-FET kênh có sẵn loại n. Mỗi đặc tuyến cũng có ba đoạn tương ứng: đoạn I D tăng gần tuyến tính theo V DS , đoạn I D bão hoà (trạng thái thắt kênh) và đoạn đánh thủng. V)Nhận xét chung về J-FET và MOS-FET 1. Nguyên lí làm việc của transistor trường H. 5.7 Tầng khuếch đại dùng MOS-FET kênh n dựa trên sự điều khiển điện trở kênh dẫn bởi điện trường (do điện áp trên lối vào, còn dòng điện vào luôn xấp xỉ bằng 0) để khống chế dòng điện ra. Như vậy, transistor trường thuộc loại linh kiện điều khiển bằng điện áp (gần giống với đèn điện tử); còn BJT thuộc loại điều khiển bằng dòng điện (dòng vào biến đổi nhiều theo tín hiệu, trong khi điện áp vào thay đổi rất ít). 2. Dòng điện máng I D tạo nên bởi chỉ một loại hạt dẫn (hạt đa số của kênh dẫn)- transistor trường thuộc loại đơn cực tính (unipolar). 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. 3. Điện trở lối vào của FET rất lớn, dòng điện vào gần bằng 0 nên mạch vào hầu như không tiêu thụ năng lượng. Điều này rất thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu hoặc có trở nội lớn. 4. Cực nguồn và cực máng có thể đổi lẫn cho nhau mà tham số của FET không thay đổi đáng kể. 5. Nhờ công nghệ MOS kích thước các điện cực S,G,D 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 tích 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 mạch 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 cửa chung ít dùng. VI) TỔNG KẾT VÀ RÚT KINH NGHIỆM: (chuẩn bị, thời gian, nội dung, phương pháp) H. 5.8 Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến V-A của MOS-FET kênh có sẵn loại n Ngày …… tháng …… năm ……. Ngày …… tháng …… năm ……. Trưởng bộ môn Giáo viên Nguyễn Đức Toàn . BÀI GIẢNG Transistor hiệu ứng tr ờng MỤC TIÊU: • Nắm được cấu tạo nguyên lý của Transistor hiệu ứng tr ờng • Ứng dụng của transistor vào thực tế ĐỒ DÙNG VÀ PHƯƠNG TIỆN GIẢNG DẠY: -Giáo tr nh điện. cho công nghệ vi điện tử Có hai loại transistor tr ờng: - J-FET (junction field effect transistor) dùng tiếp giáp n-p - IG-FET (isolated gate field effect transistor) có cực cửa cách li, còn. tr n sự điều khiển điện tr kênh dẫn bởi điện tr ờng (do điện áp tr n lối vào, còn dòng điện vào luôn xấp xỉ bằng 0) để khống chế dòng điện ra. Như vậy, transistor tr ờng thuộc loại linh kiện