Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 4 Transistor Trường Fet

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương CHƯƠNG TRANSISTOR TRƯỜNG (FET) GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương giới thiệu loại transistor có ngun lý làm việc hồn tồn khác với ngun lý làm việc BJT, transistor hiệu ứng trường viết tắt FET Trong FET việc điều khiển dòng điện mạch điện áp mạch vào định Trong chương trình bày cấu tạo ngun lý làm việc loại transistor trường: JFET, MOSFET Trong chương trình bày cách mắc phân cực cho transistor trường, sơ đồ tương đương FET mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ chế độ chuyển mạch 4.1 Khái Niệm: Cơ sở vật lý transistor trường : Là dòng điện chạy qua môi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi nhờ tác dụng điện trường thẳng góc với lớp bán dẫn Điện trường làm nhiệm vụ điều khiển dòng điện Transistor trường có đặc điểm sau: - Điện trở đầu vào lớn cho phép khuếch đại tín hiệu có biên độ nhỏ - Ít chòu ảnh hưởng tác nhân bên ngoài, nên chất lượng làm việc cao Transistor trường ứng FET (Field Effect Transistor) có hai loại: JFET MOSFET 4.2 Transistor JFET (Junction FET): 4.2.1 Cấu tạo: JFET có hai loại: JFET kênh N JFET kênh P Hình 4.1: Cấu tạo, ký hiệu JFET kênh N JFET kênh P JFET kênh N có cấu tạo gồm: Một chất bán dẫn loại N có hai đầu nối với hai dây đưa bên gọi cực tháo D cực nguồn S; tiếp xúc với chất bán dẫn loại N hai chất bán dẫn loại P tạo thành hai mối nối P – N, hai chất bán dẫn loại P nối chung với dây dẫn đưa bên gọi cực cổng G JFET kênh P có cấu tạo tương tự, chất bán dẫn ngược lại với JFET kênh N Trang 65 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Như vậy, JFET gồm có cực: - Cực tháo D (Drain) - Cực nguồn S (Source) - Cực cổng G (Gate) JFET kênh N kênh P có cấu tạo ký hiệu hình vẽ phân biệt nhờ chiều mũi tên cực G 4.2.2 Đặc tính: Xét mạch thí nghiệm JFET kênh N hình vẽ Có hai trường hợp sau: a Khi cực G chưa có điện áp âm VGS: VGS = Lúc dòng điện qua kênh N theo chiều từ nguồn dương vào cực D cực S để trở nguồn âm VCC Lúc kênh N có tác dụng điện trở Nếu tăng nguồn VCC để tăng điện áp VDS dòng điện IDS tăng lên nhanh sau đến điện áp giới hạn dòng điện IDS không tăng gọi dòng điện bảo hòa IDS-S (Saturation) Điện áp VDS có dòng IDS-S gọi điện áp nghẽn Hình 4.2: Khảo sát đặc tuyến ngõ JFET kênh N b Khi cực G có điện áp âm VGS: VGS < 0V Do điện áp âm VGS nối vào chất bán dẫn loại P, chất bán dẫn loại N có dòng điện IDS chạy qua nên có điện áp dương, làm cho hai mối nối P – N bò phân cực ngược dẫn đến diện tích hai mối nối tăng lên khiến cho diện tích kênh dẫn N bò thu hẹp lại Dòng điện IDS giảm xuống Nếu ta tăng điện áp âm cực G dòng IDS giảm nhỏ điện áp âm VGS đạt đến trò số giới hạn dòng điện IDS gần không JFET kênh P có đặc tuyến ngõ đặc tuyến truyền vận giống JFET kênh N có dòng điện điện áp ngược dấu Trang 66 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4.2.3 Phân cực cho JFET: Xét mạch phân cực cho JFET kênh N hình vẽ: Hình 4.3: Phân cực cho JFET kênh N JFET kênh P Ở cực G mối nối P – N phân cực ngược, nên dòng điện IG (IG = 0) dẫn đến VG = Điện trở RG có trò số lớn, từ 1M đến 10M Điện áp phân cực ngõ vào: VGS = VG – VS = 0V - IDS RS = - IDS RS Phương trình đường tải tónh: Ta có: VD = VCC – IDS RD VS = IDS RS VDS = VD – VS = VCC – IDS.(RD + RS) Suy ra: VCC – VDS IDS = RD + R S Cách xác đònh đường tãi tónh cho mạch dùng JFET tương tự transistor lưỡng nối BJT vẽ hình sau: Hình 4.4: Đồ thò đường tải tónh điểm làm việc Q Trang 67 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4.3 Transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET): Transistor MOSFET chia làm hai loại: MOSFET liên tục MOSFET gián đoạn loại có phân biệt theo chất bán dẫn kênh N hay kênh P Ở đây, ta xét loại MOSFET kênh N 4.3.1 Cấu tạo MOSFET kênh liên tục: Kênh dẫn điện hai vùng bán dẫn loại N có nồng độ cao (N+) nối liền vùng bán dẫn loại N có nồng độ thấp (N) Phía kênh dẫn điện chất bán dẫn loại P gọi lớp nền, phía kênh dẫn điện có phủ lớp ôxit SiO2 cách điện Hai vùng bán dẫn N+ nối với hai dân dẫn đưa bên gọi cực S cực D Cực G đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên lớp ôxit SiO2 Thông thường cực S nối chung với P Cấu tạo ký hiệu MOSFET liên tục kênh N có dạng hình vẽ: Hình 4.5: Cấu tạo ký hiệu MOSFET liên tục kênh N 4.3.2 Đặc tính MOSFET liên tục: Xét mạch điện thí nghiệm hình vẽ Hình 4.6: Khảo sát đặc tuyến MOSFET liên tục kênh N a Khi VGS = 0V: Trường hợp kênh dẫn điện có tác dụng điện trở, tăng điện áp VDS dòng điện ID tăng đén trò số giới hạn IDS S ( gọi dòng IDS bảo hòa) Điện áp VDS trò số IDS S gọi điện áp nghẽn VPO giống JFET b Khi VGS < 0V: Trường hợp cực G có điện áp âm nên đẩy electron từ kênh N vào vùng P làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N dòng điện ID bò giảm xuống điện trở kênh dẫn điện tăng lên Trang 68 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Khi tăng điện áp âm cực G dòng điện ID nhỏvà đến trò số giới hạn dòng điện ID gần không Điện áp cực G gọi điện áp ngưỡng - VPO c Khi VGS > 0V: Trường hợp phân cực cho cực G có điện áp dương electron thiểu số vùng P bò hút vào N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bò giảm xuống dòng điện ID tăng cao trò số bảo hòa IDS S Trường hợp đư6ợc sử dụng ID lớn nên dễ làm hư MOSFET Đặc tuyến ngõ ID/VDS đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS MOSFET liên tục kênh N có dạng hình vẽ Hình 4.7: Đặc tuyến ngõ đặc tuyến truyền dẫn MOSFET liên tục kênh N 4.3.3 Phân cực cho MOSFET kênh liên tục: Trên hình vẽ mạch phân cực cho MOSFET liên tục Do MOSFET liên tục thường sử dụng trường hợp VGS < 0V nên cách phân cực giống JFET Cách tính trò số điện áp VD, VS, VDS, VGS, dòng điện ID cách xác đònh đường tải tónh giống mạch JFET Hình 4.8: Phân cực cho MOSFET liên tục kênh N 4.3.4 Cấu tạo mosfet kênh gián đoạn: Trong MOSFET gián đoạn hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) không dính liền gọi kênh gián đoạn Phía kênh dẫn điện chất bán dẫn loại P gọi lớp nền, phía kênh dẫn điện có phủ lớp ôxit SiO2 cách điện Trang 69 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Hai vùng bán dẫn N+ nối với hai dây dẫn đưa bên gọi cực S cực D Cực G đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên lớp ôxit SiO2 Thông thường cực S nối chung với P Hình 4.9: Cấu tạo ký hiệu MOSFET kênh gián đoạn 4.3.5 Đặc tính MOSFET gián đoạn: Xét mạch thí nghiệm hình vẽ Hình 4.10: Khảo sát đặc tuyến MOSFET kênh gián đoạn Theo cấu tạo, kênh bò gián đoạn bình thường dòng điện qua kênh, ID = điện trở cực D S lớn Khi phân cực cho cực G có có VGS > 0V điện tích dương cực G hút electron P phía hai vùng bán dẫn N+ lực hút đủ lớn số electron bò hút nhiều đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N + kênh liên tục Khi có dòng điện ID từ D sang S Điện áp phân cực cho cực G tăng dòng điện ID lớn Đường đặc tuyến ngõ ID/VDS đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS MOSFET gián đoạn kênh N có dạng hình vẽ Hình 4.11: Đặc tuyến ngõ đặc tuyến truyền dẫn MOSFET kênh gián đoạn Trang 70 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Trên hình vẽ, đường đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS cho thấy: Khi VGS > V có dòng điện qua transistor Điện áp V gọi điện áp thềm (giống điện áp thềm V transistor lưỡng nối) trò số khoảng 1V 4.3.6 Phân cực cho MOSFET gián đoạn kênh N: Hình 4.12: Phân cực cho MOSFET kênh gián đoạn Trên hình vẽ, để cung cấp điện áp dương cho cực G ta thường dùng cầu phân áp RG1, RG2 (tương đương cầu phân áp RB1, RB2 transistor lưỡng nối) Đối với MOSFET, cực G cách điện so với kênh P nên dòng điện IG từ cực G vào MOSFET Xét mạch phân cực , ta có: VD = VCC – ID.RD VS = ID.RS VDS = VCC – ID.(RD + RS) RG2 VO = VCC RG1 + RG2 Phương trình đường tải tónh: VCC - VDS ID = RG1 + RG2 Cách xác đònh đường tải tónh cho MOSFET gián đoạn tương tự transistor lưỡng nối 4.4 Các thông số kỹ thuật FET: 4.4.1 Độ truyền dẫn: Độ truyền dẫn fet tỉ số mức biến thiên dòng điện ID mức biến thiên điện áp VGS có VDS không đổi ID ID Gm = = (mA/V) VGS VGS Trang 71 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4.4.2 Độ khuếch đại điện áp: Độ khuếch đại điện áp FET tỉ số mức biến thiên điện áp ngõ VGS mức biến thiên điện áp ngõ vào VGS dòng ID không đổi VDS VDS == VGS VGS 4.4.3 Tổng trở ngõ ra: Tổng trở FET tỉ số điện áp ngõ VDS dòng điện ID VDS VDS r0 = = ID ID Trang 72 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương BÀI TẬP CĨ LỜI GIẢI Bài 1: Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V Tìm ID, UD Giải U G  E R2 10.103  10  0,91V R1  R 10.103  100.103 UGS = UG – US = UG – IS.RS = UG – ID.RS = 0.91 – ID.103   0,91  103 I D  U  I D  I DSS   GS   8.10 3 1   4    U GSK  Phương trình bậc hai có nghiệm: ID = 1,496mA  UD = 10 – 1,496.2,2 = 6,708V ID = 6,324mA  UD = 10 – 6,324.2,2 = -3,912V (loại) Bài 2: Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V; 1 U GS  U GSK ;U DS  E Tìm RD RS 2 Trang 73 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương Giải U GS 1 U GS  U GSK  (2,5)  1, 25V 2  U G  U S   U S  U S  U GS  1, 25V 1 U DS  E  20  10V 2  U   1, 25  I S  I D  I DSS   GS   8.103 1   2mA 2,5    U GSK  U 1, 25 RS  S   625 I S 2.103 URD = E – UDS – Us = 20 – 10 – 1,25 =8,75V RD  U RD 8, 75   4375 ID 2.103 Bài 3: Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V Tìm UGS, ID, UD, URD Giải UGS = UG – US = -3V  U   3  I S  I D  I DSS   GS   8.103 1    2mA  6   U GSK  URD = ID.RD = 2.10-3.103 = 2V UD = E - URD = 10 – = 8V Trang 74 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương CÂU HỎI ƠN TẬP Trình bày cấu tạo ngun lý hoạt động JFET? Nêu tham số tranzito trường JFET? Trình bày cách mắc JFET sơ đồ mạch khuếch đại? Trình bày cách phân cực cố định JFET? Trình bày phương pháp tự phân cực JFET? Trình bày cấu tạo ngun lý hoạt động MOSFET kênh có sẵn? Giải thích họ đặc tuyến điều khiển họ đặc tuyến MOSFET kênh có sẵn? Trình bày cách phân cực cố định cho MOSFET kênh có sẵn? Trình bày cấu tạo ngun lý hoạt động MOSFET kênh cảm ứng? 10 Nhận xét giải thích họ đặc tuyến điều khiển họ đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng? 11 Cho thơng số kỹ thuật Mosfet IRF9540 Mosfet 2N7000 bảng B1 u cầu giải thích ý nghĩa thơng số kỹ thuật hai Mosfet ? RDS (Ω) ID (max) Pth gm (s) 19 A 150 W 0.2 200 mA 400 mW 0.1 Bảng B1 12 Biết đặc tính truyền đạt JFET kênh N cho hình vẽ Type IRF9540 2N7000 Case TO - 220 TO - 92 n/p p n a) Xác định đồ thị dòng bảo hòa IDSS điện áp khóa UGSK b) Tính dòng ID ứng với giá trị UGS = 0V; UGS = -2V; UGS = -4V; UGS = -6V 13 Cho mạch điện dùng JFET kênh N hình vẽ Biết dòng IDSS = 15mA; điện áp khóa UGSK = -8V; nguồn E = 15V; RD = 1kOhm u cầu: a) Xác định trị số Rs b) Xác định thiên áp UGS, UD Trang 75 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 12 Cho mạch tạo JFET kênh N phương pháp phân áp hình vẽ Biết E = 15V; R1 = 600 Ohm; R2 = 150 kOhm; RD = 1,5 kOhm; Rs = kOhm u cầu: a) Xác định UGS b) Điện áp cực máng UD; UDS 13 Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V Tìm ID, UD 14 Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V; 1 U GS  U GSK ;U DS  E Tìm RD RS 2 Trang 76 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 15 Cho mạch điện hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V Tìm UGS, ID, UD, URD 16 Hãy thiết kế mạch tự phân cực với cầu phân áp dùng JFET kênh N hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V; ID = 4mA; nguồn E = 14V; chọn RD = 3Rs Trang 77 [...].. .Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4 CÂU HỎI ÔN TẬP 1 2 3 4 5 6 7 Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của JFET? Nêu các tham số cơ bản của tranzito trường JFET? Trình bày về các cách mắc cơ bản của JFET trong các sơ đồ mạch khuếch đại? Trình bày cách phân cực cố định của JFET? Trình bày phương pháp tự phân cực của JFET? Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh coù... trị số Rs b) Xác định thiên áp UGS, UD Trang 75 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4 12 Cho mạch tạo JFET kênh N bằng phương pháp phân áp như hình veõ Biết E = 15V; R1 = 600 Ohm; R2 = 150 kOhm; RD = 1,5 kOhm; Rs = 1 kOhm Yêu cầu: a) Xác định UGS b) Điện áp trên cực máng UD; UDS 13 Cho mạch điện như ở hình veõ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V Tìm ID, UD 14 Cho mạch điện như ở hình veõ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V;... = 8mA; UGSK = -2,5V; 1 1 U GS  U GSK ;U DS  E Tìm RD và RS 2 2 Trang 76 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4 15 Cho mạch điện như ở hình veõ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V Tìm UGS, ID, UD, URD 16 Hãy thiết kế một mạch tự phân cực với cầu phân áp dùng JFET kênh N như ở hình veõ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V; ID = 4mA; nguồn E = 14V; chọn RD = 3Rs Trang 77 ... của MOSFET kênh coù sẵn? 8 Trình bày về cách phân cực cố định cho MOSFET kênh coù sẵn? 9 Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng? 10 Nhận xét và giải thích các họ đặc tuyến điều khiển và họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh cảm ứng? 11 Cho các thông số kỹ thuật của Mosfet IRF9 540 và Mosfet 2N7000 như ở bảng B1 Yêu cầu giải thích ý nghĩa các thông số kỹ thuật của hai Mosfet trên... 19 A 150 W 5 0.2 200 mA 40 0 mW 0.1 5 Bảng B1 12 Biết đặc tính truyền đạt của một JFET kênh N cho như trên hình veõ Type IRF9 540 2N7000 Case TO - 220 TO - 92 n/p p n a) Xác định trên đồ thị dòng bảo hòa IDSS và điện áp khóa UGSK b) Tính dòng ID ứng với các giá trị UGS = 0V; UGS = -2V; UGS = -4V; UGS = -6V 13 Cho mạch điện dùng JFET kênh N như ở hình veõ Biết dòng IDSS = 15mA; điện áp khóa UGSK = -8V; ... JFET tương tự transistor lưỡng nối BJT vẽ hình sau: Hình 4. 4: Đồ thò đường tải tónh điểm làm việc Q Trang 67 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4. 3 Transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET) :... == VGS VGS 4. 4.3 Tổng trở ngõ ra: Tổng trở FET tỉ số điện áp ngõ VDS dòng điện ID VDS VDS r0 = = ID ID Trang 72 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương BÀI TẬP CĨ LỜI GIẢI Bài 1: Cho mạch điện hình... = (mA/V) VGS VGS Trang 71 Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4. 4.2 Độ khuếch đại điện áp: Độ khuếch đại điện áp FET tỉ số mức biến thiên điện áp ngõ VGS mức biến thiên điện áp ngõ vào VGS dòng ID