Báo cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn Đề tài tìm hiểu về jfet

Vậy chúng ta sẽ phân tích một cách rõ ràng hơn nguyên lý hoạt động của JFET kênh N và kênh P tức là xét về mối quan hệ giữa VGS với VDS... Giả sử điện trở này đồng đều trong cả kênh thì

Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠ ỜNG ĐẠI HỌC BÁCH K 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 ớp: L04

hóm: 12

DANH SÁCH THÀNH VIÊN:

Đề tài: Tìm hiểu về JFET

Yêu cầu: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng của JFET So sánh JFET và MOSFET Phân tích 1 ví dụ về ứng dụng của JFET (Proteus/ Lắp mạch)

DANH SÁCH PHÂN CHIA CÔNG VIỆC:

1 Nguyễn Phạm Gia Phát

Phân chia công việc, soạn Word, chỉnh sửa nội dung, tìm và thuyết trình nguyên

lý hoạt động JFET

2 Mai Trung Kiên Tìm và thuyết trình giới thiệu sơ lược về

JFET + đặc điểm, cấu tạo

3 Nguyễn Xuân Bắc Thuyết trình, so sánh JFET và MOSFET

+ ưu/nhược điểm của JFET

4 Nguyễn Trọng Quí Dương Soạn ppt, chỉnh sửa + tóm tắt nội dung

Word và hướng dẫn thuyết trình

5 Cao Nguyễn Tiến Dũng

Làm mạch Proteus + phân tích ứng dụng mạch công tắc của JFET (có sự hỗ trợ của Bắc)

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU VỀ JFET 4

II TÌM HIỂU VỀ JFET 4

A ĐẶC ĐIỂM 4

B CẤU TẠO 5

C NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 7

a JFET kênh N 7

b JFET kênh P 11

D ỨNG DỤNG 12

III PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG JFET VÀ MÔ 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 công 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

I GIỚI THIỆU VỀ JFET

- FET (Field Effect Transistor - Transistor hiệu ứng trường) cũng là một trong các dụng cụ điện tử quan trọng nhất trong công nghệ bán dẫn hiện đại FET có 2 loại là JFET

và MOSFET

- Ở đây ta chỉ tập trung vào JFET-Transistor hiệu ứng trường chuyển tiếp cổng (Junction Field Effect Transistor), được phát minh cùng thời điểm với Transitor nhưng tới cuối năm 1960 mới được sử dụng rộng rãi, là loại đơn giản của transistor hiệu ứng trường

II TÌM HIỂU VỀ JFET

- JFET là Transistor hiệu ứng trường cổng nối (Junction Field Effect Transistor)

- Nó là phần tử bán dẫn 3 chân, xây dựng dựa trên cấu trúc chuyển tiếp P-N

B CẤU TẠO VÀ KÝ HIỆU

- Cấu tạo: Trên một thanh bán dẫn hình trụ, người ta thiết kế đáy trên và đáy dưới lần lượt tiếp xúc kim loại cho ra hai cực tương ứng là cực máng (DRAIN) và cực nguồn (SOURCE) Tiếp đến, tạo một mối P – N vòng theo thanh bán dẫn Kim loại tiếp xúc với mẫu bán dẫn mới, đưa ra ngoài gọi là cực cổng (GATE) Miền bán dẫn giữa cực nguồn

và cực máng được gọi là kênh dẫn

D (Drain): Cực máng (Cực thoát)

G (Gate): Cực cổng (Cực cửa)

S (Source): Cực nguồn

- Dựa vào cấu tạo của thanh bán dẫn hình trụ mà ta chia ra hai loại JFET:

JFET kênh N:

Cực và cực được kết nối vào kênh dẫn D S N Cực được kết nối vào vật liệu bán dẫn G P

Ký hiệu:

JFET kênh P:

Cực và cực được kết nối vào kênh dẫn D S P Cực được kết nối vào vật liệu bán dẫn G N

Ký hiệu:

- JFET hoạt động bằng cách giới hạn độ rộng kênh dẫn Một ví dụ minh họa nguyên

lý hoạt động của JFET là cách hoạt động của vòi nước

- Tương tự với JFET, hiệu điện thế giữa cực cổng (Gate) và cực nguồn (Source) điều chỉnh dòng điện chạy qua giữa cực nguồn (Source) và cực máng Vậy chúng ta sẽ phân tích một cách rõ ràng hơn nguyên lý hoạt động của JFET kênh N và kênh P (tức là xét về mối quan hệ giữa VGS với VDS)

a JFET kênh N

- Đầu tiên, giả sử cực G và S nối với nhau và cực S nối đất, khi đó V = 0 Sau đó,GS đặt một hiệu điện thế vào giữa cực D và cực S bằng một điện áp V (V > 0 tức là V >DD DS D

VS) Và lúc này electron di chuyển từ cực S → D theo kênh dẫn Do đó, dòng điện có chiều D → S Bây giờ, ta sẽ xét hoạt động của JFET trong trường hợp này

- Khi nối mạch như vậy, V > 0 thì 2 chuyển tiếp P-N sẽ phân cực ngược và bềDS rộng miền nghèo ở gần cực D rộng hơn miền nghèo ở gần cực S Do trong quá trình hoạt động, kênh N này hoạt động giống như một điện trở Giả sử điện trở này đồng đều trong

cả kênh thì kênh N này có thể chia thành một chuỗi các điện trở giữa cực cổng và cực nguồn Khi có dòng điện I chạy qua thì sẽ có sự sụt áp trên mỗi điện trở Do đó vùngD phía trên sẽ có sự phân cực ngược lớn hơn so với vùng phía dưới dẫn đến sự chênh lệch

độ rộng miền nghèo Khi tăng điện áp phân cực ngược thì độ rộng miền nghèo cũng tăng,

do đó có một lượng nhỏ dòng bão hòa ngược chạy qua chuyển tiếp P-N này nhưng không đáng kể và có thể bỏ qua Vì điều này mà trở kháng đầu vào của JFET rất cao

- Dưới đây là đồ thị I theo V (khi ta tăng điện áp từ 0 đến vài vôn thì dòng điệnD DS chạy trong kênh sẽ tăng lên)

- Đường cong này còn được gọi là đặc tính đầu ra của JFET Đối với điện áp thấp thì đồ thị gần như là một đường thẳng tuyến tính (khi điện áp thấp thì điện trở của kênh không đổi) Nếu tiếp tục tăng điện áp V thì miền nghèo sẽ ngày càng rộng hơn và kênhDS

N sẽ ngày càng hẹp Lúc này điện trở của kênh sẽ tăng lên và được thể hiện ở đồ thị trên khi đường cong đi ngang hơn (tức là độ dốc giảm)

- Khi điện áp tăng đến một mức nào đó và 2 miền nghèo sẽ chạm vào nhau, tình trạng này gọi là nghẽn (pinch-off) và điện áp này cũng gọi là điện áp nghẽn (kí hiệu là

Vp)

- Vì vậy, bất cứ khi nào V ≥ V thì tình huống này sẽ xảy ra và JFET hoạt động ởDS p trạng thái bão hòa Khi đó, có thể dòng điện sẽ không thể chạy qua kênh (I = 0) NhưngD thực tế, I phải đạt đến trạng thái bão hòa chứ không thể bằng 0 Trước hết, ta giả sử rằngD

khi điều này xảy ra thì I = 0 Nếu trường hợp này xảy ra, thì điện áp phân cực sẽ khôngD còn, dẫn tới miền nghèo sẽ biến mất Dễ thấy điều này là vô lý và không thể xảy ra, do đó

ID không bằng 0 mà đạt đến dòng điện tối đa (kí hiệu là IDSS) Nếu trường hợp này xảy ra,

ID sẽ đạt đến giá trị tối đa (ký hiệu IDSS)

- Nãy giờ ta chỉ xét trường hợp V = 0 nhưng V có thể kiểm soát dòng điện trongGS GS kênh và ảnh hưởng đến đặc tính đầu ra của JFET theo một cách nào đó Vì vậy bây giờ ta

sẽ khảo sát giá trị của IDSS khi VGS càng âm

- Trước tiên ta giả sử V = -1V, sau đó tăng dần điện áp V từ 0V lên thì độ rộngGS DS miền nghèo cũng tăng nhưng trạng thái pinch-off sẽ đạt được ở điện áp thấp hơn V ĐóDS

là do điện áp V âm này đã làm tăng độ phân cực ngược của chuyển tiếp P-N.GS

- Vì vậy trong trường hợp V = -1V giá trị dòng điện bão hòa (IGS DSS) đã được giảm như hình bên dưới

- Và giá trị của V càng âm thì IGS DSS càng giảm Đến khi V = -Vp thì dòng diệnGS bão hòa sẽ bằng 0 Vùng hoạt động này của JFET được gọi là vùng tắt (cut -off)

- Từ đó, ta thấy JFET có thể hoạt động trong 3 miền khác nhau là miền thuần trở (ohmic), miền bão hòa (saturation) và miền tắt (cut-off) Trong miền ohmic JFET hoạt động như một điện trở với giá trị cố định của V nó cung cấp một giá trị điện trở khôngGS đổi do đó bằng cách thay đổi giá trị điện áp giữa cực cổng và cực nguồn ta có thể kiểm soát điện trở này Tiếp theo là miền saturation, bất cứ khi nào V ≥ V thì I sẽ gần nhưDS p D không đổi Còn ở miền hoạt động thứ ba là cut-off, khi V ≤ -V thì I sẽ xấp xỉ bằng 0.GS p D

- Ngoài ra còn một miền hoạt động nữa của JFET là miền đánh thủng

- Trong miền bão hòa, nếu ta tăng V vượt quá một giới hạn nào đấy thì sẽ xảy raDS hiện tượng tăng vọt của dòng điện Mức tối đa của V trong các JFET đều được xácDS

định, vì vậy phải đảm bảo giá trị của V khi hoạt động phải nhỏ hơn giá trị định mứcDS này

b JFET kênh P

- Đối với JFET kênh P cũng tương tự như JFET kênh N nhưng điện áp giữa cực máng và cực nguồn phải âm (V < 0) và điện áp giữa cực cổng và cực nguồn phải dươngDS (VGS > 0) Khi đó dòng lỗ sẽ chạy từ cực nguồn sang cực máng qua kênh P

- Còn đồ thị biểu diễn điện áp I theo V (hay đặc tính đầu ra của JFET) cũngD DS tương tự như JFET kênh N nhưng trong trường hợp này V này là âm.DS

- Bây giờ ta tăng điện áp V (dương hơn) thì giá trị bão hòa của I sẽ giảm Và khiGS D

VGS = V thì dòng điện sẽ xấp xỉ bằng 0 Cũng giống như JFET kênh N, khi điện áp Vp DS

âm hơn một giá trị định mức nào đó thì dòng điện cũng sẽ tăng mạnh

- Công dụng chung: Dùng làm khóa điện tử, bộ khuếch đại tín hiệu vi sai và kết hợp các linh kiện điện tử khác trong hầu hết các thiết bị điện tử ngày nay: mạch kỹ thuật số, máy tính, TV, máy thu thanh,…

Sử dụng như một công tắc điện tử để đóng ngắt mạch

Bộ trộn âm: Dùng để khuếch đại âm thanh tần số thấp và hòa các tín hiệu âm thanh để tạo ra các âm thanh khác nhau và nâng cao chất lượng âm thanh

JFET là thiết bị có độ nhiễu rất thấp, nên khi được sử dụng ở đầu vào các thiết bị thì chúng ta sẽ nhận được tín hiệu có độ nhiễu thấp hơn ở đầu ra

Bộ khuếch đại đệm biến đổi trở kháng đầu vào cao thành trở kháng đầu ra thấp

III.PHÂN TÍCH ỨNG DỤNG JFET VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PROTEUS

- Để có cái nhìn trực quan hơn ta sẽ lấy mạch công tắc bóng đèn

đơn giản như sau:

- Ta thay khóa K thành JFET (kênh N) như hình sau:

B CÁCH HOẠT ĐỘNG

a Khi công tắc mở:

- Chúng ta có mạch công tắc như hình dưới Với VGS = 0V, JFET kênh N sẽ cho phép dòng điện chạy qua đèn nên đèn sẽ sáng

b Khi công tắc đóng:

- Để tắt đèn, chúng ta cần kết nối một nguồn điện áp DC khác giữa các kết nối cổng

và nguồn của JFET Đóng khóa K sẽ làm ngắt kênh của JFET, do đó buộc nó ở trạng thái tắt (cut-off) và đèn sẽ tắt:

- Mở lại công tắc điều khiển ta mong đợi sẽ ngắt điện áp DC ra khỏi cổng, do cho phép kênh JFET mở trở lại Dù sao ở trường hợp lý tưởng thì đây là cách nó hoạt động, nhưng thực tế thì nó không hoạt động chút nào:

- Tại sao lại như vậy? Tại sao kênh của JFET không mở trở lại và

cho phép dòng điện chạy qua như trước đây khi không có điện áp đặt

giữa cổng và nguồn? Câu trả lời nằm ở hoạt động của chuyển tiếp phân

cực ngược cổng - nguồn Miền nghèo bên trong đường giao nhau đó

hoạt động như một rào cản cách điện ngăn cách cổng với nguồn Như

vậy, nó có một lượng điện dung nhất định có khả năng lưu trữ điện

tích Sau khi được phân cực ngược một lượng điện tích được lưu trữ

ngay cả khi nguồn điện của điện áp đó bị ngắt Điều cần thiết để bật lại

JFET là xả điện tích được lưu giữ giữa cổng và nguồn thông qua một

điện trở

c Điện trở xả:

- Giá trị điện trở này không quan trọng Điện dung của chuyển tiếp

cổng - nguồn này rất nhỏ và do đó ngay cả một điện trở xả có giá trị

khá cao cũng tạo ra một hằng số thời gian RC nhanh cho phép JFET

tiếp tục dẫn với độ trễ nhỏ khi công tắc được mở

- Đây cũng là mạch JFET công tắc hoàn chỉnh để điều khiển bật/tắt

một bóng đèn

IV SO SÁNH JFET VÀ MOSFET

Loại

Tiêu chí

Đặc điểm Thiết bị bán dẫn 3 cực

Xây dựng dựa trên cấu trúc

chuyển tiếp P-N

Transistor hiệu ứng trường cổng

nối

Thiết bị bán dẫn 4 cực Xây dựng dựa trên cấu trúc chuyển tiếp Oxit- Kim loại-Bán dẫn

Transistor hiệu ứng trường

Oxit-động (cạn kiệt) khuyết lập và kiểu tăng cường Trở kháng đầu

vào

Cao Cao hơn JFET

Rò rỉ dòng điện 10-9 A 10 A-12

Chi phí sản xuất

$JFET < $MOSFET Ứng dụng Thích hợp cho các ứng dụng có

độ nhiễu thấp

Thích hợp cho các ứng dụng độ nhiễu cao

GIỐNG: + Đều là Transistor điều khiển điện áp được sử dụng để khuếch đại tín hiệu + Đều là các thiết bị đơn cực

Ưu điểm: Nhiệt độ ổn định, Trở kháng đầu vào cao vì vậy dòng điện đầu vào nhỏ

vì vậy cải thiện hiệu quả, năng lượng cao, có kích thước nhỏ

Nhược điểm: Phản hồi chậm, hiệu suất thấp khi ở tần số cao

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Microelectronic Circuits, Sedra & Smith, Chapter 5

[2] Microelectronic Circuits 5th Solutions Manual, Sedra & Smith [3] Art of Electronics Student Manual, Hayes & Horowitz, Chapter 3 [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