Cấu kiện điện tử - Chương 6 pdf

Linh kiện điện tử Chương 6: FET 1 CHƯƠNG VI: TRANSISTOR TRƯỜNG (FET – Field Effect Transistor): BJT ( Trans lưỡng cực, lưỡng hạt) sử dụng cả 2 loại hạt dẫn đa số và thiểu số, điều khiển bằng dòng, có tổng số trở ngõ vào rất nhỏ (≈ 2kΩ) nên có tiếng ồn thường lớn và bất lợi ở các mạch khuếch đại dùng nguồn tín hiệu có tổng trở ra lớn. Xuất hiện FET ( hay còn gọi là transistor trường ứng) là linh kiện hoạt động dựa trên sự điều khiển độ dẫn điện của phiến bán dẫn bằng điện trường ngoài, chỉ dùng 1 loại hạt dẫn (hạt đa số) do đó thuộc loại đơn cực tính (unipolar). Các ưu điểm của FET: Có tổng trở ngõ vào lớn ( ≈ 100M) Có độ ồn thấp (i vào ≈ 0), thích hợp các tầng khuếch đại tín hiệu nhỏ. Fet ổn đònh hơn BJT. Có kích thước nhỏ hơn BJT nên khả năng thích hợp cao hơn => Ngày càng được sử dụng rộng rãi. Transistor trường gồm 2 nhóm: Loại nối ( JFET: Junction Fet); Loại có cửa cách điện MOSFET ( Metal- Oxide-Semiconductor field effect transistor). Khi nói FET ý chỉ loại JFET. 1. JFET: a. Cấu tạo JFET: Loại FET nối gồm 1 thỏi Si loại N hay P có 2 vùng bán dẫn khác loại đặt ở 2 bên tạo thành 1 thông lộ hay kênh (Channel) và hình thành lớp tiếp xúc P-N . S: Soure (cực nguồn) D: Drain (cực thoát) G: Gate (cực cửa ) //// //// / / S (S ource) D (Drain) G (Gate) vùng khiếm khuyết Thông lộ JFEN kênh N (dẫn = đ.tử) p p N G S D Ký hiệu JFET kênh N FET N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 2 //// //// / / S (Source) D (Drain) G (Gate) Thông lộ JFEN kênh P (dẫn = lỗ trống) N N P G S D JFET kênh P FET P PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 3 b. Đặc tuyến kỹ thuật của JFET: Xét JFET kênh N, với các nguồn phân cực như hình vẽ Nguyên lý hoạt động: xét JFET kênh N. Nguồn V DD thông qua điện trở R D đặt điện áp V DS lên giữa cực máng và cực nguồn, gây ra dòng chuyển động của các điện tử ( chính là hạt tải đa số của thỏi bán dẫn N) qua kênh dẫn, tạo thành dòng điện máng I D . Mặt khác , nguồn V G tạo điện áp giữa cực cửa và cực nguồn. Xét các giá trò của V GS Nếu V GS = 0 : I D = I DSS (đgl dòng bảo hòa) Nếu V GS > 0 : hay: làm cho lớp tiếp xúc P-N phân cực thuận ð Vùng nghèo giãm tăng rộng thông lộ, nên I D tăng. Tuy nhiên trường hợp này thường làm hỏng FET nên không sử dụng. Nếu V GS < 0 : hay: làm cho lớp tiếp xúc P-N (hình thành giữa cực cửa và kênh dẫn) bò phân cực nghòch. ð Vùng nghèo tăng, thu hẹp thông lộ, nên I D giảm. Còn dòng giữa cực G và S chỉ là dòng ngược của lớp tiếp xúc P-N thường rất nhỏ ð I G ≈ 0 , chính vì thế FET có tổng trở ngõ vào lớn. Đặc tuyến truyền đạt: I D = f (V GS ): Xét mạch như hình vẽ: G = (+) , nên đẩy lỗ trống S = (-), nên đẩy e //// //// / / S D G p p N + - VGS RG + VDD RD I D 0 G = (-) , nên hút lỗ trống S = (+), nên hút e PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 4 Thay đổi V GS , đo I D. Lập bảng kết quả ta có: V GS (v) -5 -4 -2 -1,2 0 I D (mA) 0 0 3 6 12 • V GS < 0 mạnh: phân cực nghòch quá lớn → vùng khiếm khuyết giao nhau → làm nghẽn kênh ⇒ I D = 0 • V GS = 0 dòng I D = I DSS : dòng bảo hòa. Vậy I DSS : là dòng I D lúc V GS = 0 V GS = V P thì I D = 0 Công thức Shockley: là công thức xây dựng đặc tuyến truyền đạt, nó cho phép tính I D khi có V P, I DSS và biết V GS : I D = I DSS (1- 2 ) p GS V V Bây giờ nếu ngoài điện áp phân cực V GS còn có thêm tín hiệu xoay chiều V S đặt vào giữa cực G và S thì tùy giá trò và dấu của V S mà tình trạng phân cực nghòch của chuyển tiếp P- N sẽ thay đổi → vùng khiếm khuyết cũng thay đổi và I D cũng thay đổi. Nếu V S tăng giảm theo hình sin thì I D sẽ tăng giảm theo hình sin. Dòng I D tạo trên R D một điện áp biến thiên cùng dạng V S nhưng biên độ lớn hơn → FET khuếch đại tín hiệu. VDD FET N - RD RG 0 VGS - I DSS 12 - V P = - 4V I D (mA) 0 • • V GS (V) V DS = ~ const 1 V P : đgl điện thế nghẽn. Ci VDD RG RC RD FET N VGS 0 Co Rs - Vs OUT - PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 5 Nguyên lý hoạt động của FET kênh P cũng tương tự, chỉ khác là các nguồn V GS và V DS có cực tính ngược lại . Đặc tuyến ngõ ra của Fet: constV DSD GS VfI = = )( c. Các thông số đặc trưng của FET: Điện trở vi phân ngõ ra ( điện trở kênh dẫn) rd = D DS I V ∆ ∆ constV GS = : là giá trò nghòch đảo của độ dốc ngõ ra. Điện trở động của Fet được tính trên đồ thò: rd = D DS I V ∆ ∆ = Ω= k mA v 14 5,0 7 Hiện nay có nhiều Fet có r d đạt từ 100kΩ trở lên. Điện trở vi phân ngõ vào ( hay điện trở vào) ri = constV I V DS G GS = ∆ ∆ Ngõ vào JFET là chuyển tiếp P-N phân cực nghòch, dòng I G thường rất bé (0,1µ A) ⇒ ri thường rất lớn (10→ 100M ở 25 0 C) Điện dung liên cực: C GS ,C DS và C GD Đây là các điện dung ký sinh, hình thành giữa các điện cực với nhau (5→ 10pF). Ở tầng số thấp các thông số điện dung này có thể bỏ qua . PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 6 Hỗ dẫn ( hay độ dốc đặc tuyến truyền đạt) g m = GS D V I ∆ ∆ V DS = const Trò số g m phản ánh mức độ ảnh hưởng của điện áp điều khiển V GS đến dòng máng I D. JFET thường có g m = (7 → 10 mA/V). 2. MOSFET: (hoặc IGFET : Transistor trường có cực cửa cách ly) a. Cấu tạo MOSFET kênh có sẵn : Từ phiến bán dẫn Si loại P người ta tạo ra trên bề mặt 1 lớp loại N dùng làm kênh dẫn. Ở 2 đầu khuyếch tán 2 miền N + dùng làm cực nguồn ( S ) và cực máng (D) Trên mặt phiến Si được phủ màng SiO 2 bảo vệ. Phía trên màng này, đối diện kênh dẫn, gắn 1 băng kim loại dùng làm cực cửa. Thông qua cửa sổ khoét xuyên màng SiO 2 ở vùng thích hợp, người ta phun kim loại tạo tiếp xúc tuyến tính với 2 vùng N + dùng làm đầu dẫn ra cho cực S và cực D. à Hình thành MOSFET kênh có sẵn loại N. Nguyên lý hoạt động :Xét hoạt động của MOSFET kênh N trong mạch điện : Dưới tác dụng của đ.áp V DS (do nguồn V DD tạo ra) qua kênh dẫn và cực máng có dòng I D được tạo ra bởi hạt dẫn đa số của kênh. Nếu có thêm đ.áp V GS : Nếu V GS = 0 : I D = I DSS (đgl dòng bảo hòa) Nếu V GS > 0 : G = (+) , nên hút e thiểu số ở nền P lên kênh dẫn N N //////////////// ////// ////// N S G D SUB Nền P SiO 2 Kênh dẫn loại N MOSFET kênh có sẵn loại N Ký hiệu MOSFET kênh có sẵn loại P MOSFET kênh có sẵn loại N N N //////////////// ////// ////// N S G D Nền P + + PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 7 ð Kênh dẫn rộng ra, nên I D tăng cao hơn I DSS , đgl chế độ giàu (enhancement) Tuy nhiên trường hợp này thường làm hỏng FET nên không sử dụng. Nếu VGS < 0 : G = (-) nên đẩy e- của kênh N tái hợp với lỗ trống ở nền P. ð Kênh dẫn thu hẹp, nên I D giảm, đgl chế độ nghèo (depletion) Như vậy : Khi V GS = 0, MOSFET kênh có sẵn đã có dòng máng ban đầu I D ≠ 0 đgl dòng I DSS . Tuỳ cực tính của V GS mà MOSFET hoạt động ở chế độ giàu hay nghèo, dùng giá trò V GS để điều khiển dòng I D tăng hay giảm. Trên cơ sở đó, nếu có tín hiệu xoay chiều V S đưa đến ngõ vào thì hiển nhiên dòng I D cũng thay đổi theo V S và ngõ ra sẽ nhận được tín hiệu đã được khuếch đại. b. MOSFET kênh gián đoạn : Trong MOSFET kênh gián đoạn cũng giống như MOSFET kênh có sẵn, nhưng bây giờ 2 vùng bán dẫn N + của cực nguồn S và cực cửa G không dính liền nhau bởi kênh dẫn N – do đó nó đgl kênh gián đoạn. Nguyên lý hoạt động : Do kênh gián đoạn nên bình thường không có dòng I D (I D = 0) Khi V GS > 0 : cực G mang điện tích (+) sẽ hút các điện tử thiểu số ở vùng P lên phía giữa của 2 vùng N + Khi lực hút đủ lớn thì số lượng điện tử tăng lên đủ nối liền 2 vùng N + và lúc này tạo thành kênh liên tục. Khi đó dòng điện đi từ Dà S. Điện thế của cực cho G tăng thì dòng I D càng lớn . Và điện áp V GS khi có dòng I D đgl điện thế thềm Vγ (Vγ thường = 1V) 0 Ci VDD RG VGS RD Rs Vs RC Co OUT G D S D G S MOSFET kênh gi án đoạn loại P MOSFET kênh gián đoạn loại N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 8 Nhận xét chung về JFET và MOSFET: Ø JFET và MOSFET hoạt động dựa trên sự điều khiển kênh dẫn bởi điện trường ( điện trường này do điện áp trên hai ngõ vào sinh ra, còn dòng điện vào luôn luôn xấp xỉ bằng không. Do đặc điểm này, người ta xếp transistor trường vào loại linh kiện điều khiển bằng điện áp. Trong khi BJT điều khiển bằng dòng điện. Ø Dòng điện máng I D tạo nên bởi chỉ một loại hạt dẫn, do đó transistor trường được xếp vào loại đơn cực. Do không có vai trò hạt thiểu số, không có quá trình sản sinh và tái hợp của hai loại hạt dẫn cho nên tham số của FET ít chòu ảnh hưởng của nhiệt độ. Tạp âm nôi bộ bé hơn ở BJT Ø Ngõ vào của FET có điện trở rất lớn, dòng điện vào gần như bằng không nên mạch hầu như không tiêu thụ năng lượng. Điều này đặc biệt thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu, hoặc nguồn có nội trở lớn. Ø Vai trò của nguồn và cực máng có thể thay đổi cho nhau mà tham số của FET thay đổi không đáng kể. Ø Kích thước của các cực S, G, D có thể giãm xuống rất bé ( dựa trên công nghệ MOS), thu nhỏ kích thước một cách đáng kể và nhờ đó FET thường rất thông dụng trong các vi mạch có mật độ tích hợp cao. Ø Cũng như BJT, FET có thể mắc theo 3 sơ đồ cơ bản: o Mạch nguồn chung (S.C) o Mạch máng chung (D.C) o Mạch cửa chung (G.C) PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com . trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 4 Thay đổi V GS , đo I D. Lập bảng kết quả ta có: V GS (v) -5 -4 -2 -1 ,2 0 I D (mA) 0 0 3 6 12 • V GS <. kênh N (dẫn = đ .tử) p p N G S D Ký hiệu JFET kênh N FET N PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 2 . N N P G S D JFET kênh P FET P PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com Linh kiện điện tử Chương 6: FET 3 b. Đặc tuyến kỹ thuật của JFET: Xét JFET