Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 4 Transistor Trường Fet

Hình 4.1: Cấu tạo, ký hiệu của JFET kênh N và JFET kênh P JFET kênh N có cấu tạo gồm: Một chất bán dẫn loại N có hai đầu được nối với hai dây đưa ra bên ngoài gọi là cực tháo D và cực ng

Trang 1

CHƯƠNG 4 TRANSISTOR TRƯỜNG (FET) GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương 4 giới thiệu về một loại transistor cĩ nguyên lý làm việc hồn tồn khác

với nguyên lý làm việc của BJT, đĩ là transistor hiệu ứng trường viết tắt là FET Trong FET việc điều khiển dịng điện trên mạch ra do điện áp trên mạch vào quyết định Trong

chương 4 trình bày về cấu tạo và nguyên lý làm việc của các loại transistor trường:

JFET, MOSFET Trong chương này cịn trình bày về các cách mắc và phân cực cho transistor trường, các sơ đồ tương đương của FET trong mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

và chế độ chuyển mạch của nĩ

4.1 Khái Niệm:

Cơ sở vật lý của transistor trường : Là dòng điện chạy qua một môi trường bán dẫn có tiết diện thay đổi được nhờ sự tác dụng của điện trường thẳng góc với lớp bán dẫn đó Điện trường đó làm nhiệm vụ điều khiển dòng điện

Transistor trường có các đặc điểm sau:

- Điện trở đầu vào rất lớn vì vậy cho phép khuếch đại các tín hiệu có biên độ rất nhỏ

- Ít chịu ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài, nên chất lượng làm việc cao Transistor trường ứng FET (Field Effect Transistor) có hai loại: JFET và MOSFET

4.2 Transistor JFET (Junction FET):

4.2.1 Cấu tạo:

JFET có hai loại: JFET kênh N và JFET kênh P

Hình 4.1: Cấu tạo, ký hiệu của JFET kênh N và JFET kênh P

JFET kênh N có cấu tạo gồm: Một chất bán dẫn loại N có hai đầu được nối với hai dây đưa ra bên ngoài gọi là cực tháo D và cực nguồn S; tiếp xúc với chất bán dẫn loại N là hai chất bán dẫn loại P tạo thành hai mối nối P – N, hai chất bán dẫn loại P được nối chung với một dây dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực cổng G

JFET kênh P có cấu tạo tương tự, nhưng chất bán dẫn thì ngược lại với JFET kênh N

Trang 2

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4

Như vậy, JFET sẽ gồm có 3 cực:

- Cực tháo D (Drain)

- Cực nguồn S (Source)

- Cực cổng G (Gate)

JFET kênh N và kênh P có cấu tạo và ký hiệu như trên hình vẽ và được phân biệt nhờ chiều mũi tên ở cực G

4.2.2 Đặc tính:

Xét mạch thí nghiệm JFET kênh N như trên hình vẽ Có hai trường hợp sau:

a Khi cực G chưa có điện áp âm V GS : V GS = 0

Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh N theo chiều từ nguồn dương đi vào cực D và

ra ở cực S để trở về nguồn âm của VCC Lúc đó kênh N có tác dụng như một điện trở Nếu tăng nguồn VCCđể tăng điện áp VDS thì dòng điện IDS tăng lên nhanh nhưng sau đó đến một điện áp giới hạn thì dòng điện IDS không tăng được nữa gọi là dòng điện bảo hòa IDS-S (Saturation) Điện áp VDS có dòng IDS-S được gọi là điện áp nghẽn

Hình 4.2: Khảo sát đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh N

b Khi cực G có điện áp âm V GS : V GS < 0V

Do điện áp âm VGS được nối vào chất bán dẫn loại P, còn chất bán dẫn loại N có dòng điện IDS chạy qua nên có điện áp dương, làm cho hai mối nối P – N bị phân cực ngược dẫn đến diện tích hai mối nối tăng lên khiến cho diện tích kênh dẫn N bị thu hẹp lại Dòng điện IDS sẽ giảm xuống

Nếu ta càng tăng điện áp âm ở cực G thì dòng IDS sẽ càng giảm nhỏ và khi điện áp âm VGS đạt đến một trị số giới hạn thì dòng điện IDS gần như không còn

JFET kênh P cũng có đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền vận giống như JFET kênh N nhưng có dòng điện và điện áp ngược dấu

Trang 3

4.2.3 Phân cực cho JFET:

Xét mạch phân cực cho JFET kênh N như hình vẽ:

Hình 4.3: Phân cực cho JFET kênh N và JFET kênh P

Ở cực G do mối nối P – N được phân cực ngược, nên không có dòng điện IG (IG = 0) dẫn đến VG = 0

Điện trở RG có trị số rất lớn, từ 1M đến 10M

Điện áp phân cực ở ngõ vào:

VGS = VG– VS = 0V - IDS RS = - IDS RS Phương trình đường tải tĩnh:

Ta có:

VD = VCC– IDS RD

VS = IDS RS

VDS = VD– VS = VCC– IDS.(RD + RS) Suy ra:

IDS =VRCC– VDS

D + RS

Cách xác định đường tãi tĩnh cho mạch dùng JFET cũng tương tự như transistor lưỡng nối BJT và được vẽ như trên hình sau:

Hình 4.4: Đồ thị đường tải tĩnh và điểm làm việc Q

Trang 4

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4 4.3 Transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET):

Transistor MOSFET được chia ra làm hai loại: MOSFET liên tục và MOSFET gián đoạn và ở mỗi loại đều có phân biệt theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P

Ở đây, ta chỉ xét loại MOSFET kênh N

4.3.1 Cấu tạo của MOSFET kênh liên tục:

Kênh dẫn điện là hai vùng bán dẫn loại N có nồng độ cao (N+) được nối liền nhau bằng vùng bán dẫn loại N có nồng độ thấp hơn (N)

Phía dưới kênh dẫn điện là một chất bán dẫn loại P được gọi là lớp nền, còn phía trên kênh dẫn điện có phủ một lớp ôxit SiO2 cách điện

Hai vùng bán dẫn N+ được nối với hai dân dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực S và cực D Cực G được đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên ngoài lớp ôxit SiO2

Thông thường cực S sẽ được nối chung với nền P

Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET liên tục kênh N có dạng như trên hình vẽ:

Hình 4.5: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET liên tục kênh N

4.3.2 Đặc tính của MOSFET liên tục:

Xét mạch điện thí nghiệm như trên hình vẽ

Hình 4.6: Khảo sát đặc tuyến của MOSFET liên tục kênh N

a Khi V GS = 0V:

Trường hợp này kênh dẫn điện có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện áp

VDS thì dòng điện ID tăng đén một trị số giới hạn là IDS S ( còn gọi là dòng IDS bảo hòa) Điện áp VDS ở trị số IDS S cũng được gọi là điện áp nghẽn VPO giống như JFET

b Khi V GS < 0V:

Trường hợp này cực G có điện áp âm nên đẩy electron từ kênh N vào vùng nền

P làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N và dòng điện ID bị giảm xuống do điện trở kênh dẫn điện tăng lên

Trang 5

Khi tăng điện áp âm ở cực G thì dòng điện ID càng nhỏvà đến một trị số giới hạn thì dòng điện ID gần như không còn Điện áp này ở cực G còn gọi là điện áp ngưỡng

- VPO

c Khi V GS > 0V:

Trường hợp phân cực cho cực G có điện áp dương thì electron thiểu số ở vùng nền P bị hút vào nền N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bị giảm xuống và dòng điện ID tăng cao hơn trị số bảo hòa IDS S

Trường hợp này ít đư6ợc sử dụng vì ID lớn nên dễ làm hư MOSFET

Đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh N có dạng như trên hình vẽ

Hình 4.7: Đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn của MOSFET liên tục kênh

N 4.3.3 Phân cực cho MOSFET kênh liên tục:

Trên hình vẽ là mạch phân cực cho MOSFET liên tục Do MOSFET liên tục thường sử dụng ở trường hợp VGS < 0V nên cách phân cực giống như JFET

Cách tính các trị số điện áp VD, VS, VDS, VGS, dòng điện ID và cách xác định đường tải tĩnh cũng giống như mạch JFET

Hình 4.8: Phân cực cho MOSFET liên tục kênh N 4.3.4 Cấu tạo của mosfet kênh gián đoạn:

Trong MOSFET gián đoạn thì hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) không dính liền nhau gọi là kênh gián đoạn

Phía dưới kênh dẫn điện là một chất bán dẫn loại P được gọi là lớp nền, còn phía trên kênh dẫn điện có phủ một lớp ôxit SiO2 cách điện

Trang 6

Hai vùng bán dẫn N+ được nối với hai dây dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực S và cực D Cực G được đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên ngoài lớp ôxit SiO2

Thông thường cực S sẽ được nối chung với nền P

Hình 4.9: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn

4.3.5 Đặc tính của MOSFET gián đoạn:

Xét mạch thí nghiệm như trên hình vẽ

Hình 4.10: Khảo sát đặc tuyến của MOSFET kênh gián đoạn

Theo cấu tạo, do kênh bị gián đoạn cho nên bình thường không có dòng điện qua kênh, ID = 0 và điện trở giữa cực D và S rất lớn

Khi phân cực cho cực G có có VGS > 0V thì điện tích dương ở cực G sẽ hút các electron ở nền P về phía giữa ở hai vùng bán dẫn N+ và khi lực hút đủ lớn thì số electron bị hút sẽ nhiều hơn đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N+ và kênh được liên tục Khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S Điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì dòng điện ID càng lớn

Đường đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET gián đoạn kênh N có dạng như trên hình vẽ

Hình 4.11: Đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn của MOSFET kênh gián đoạn

Trang 7

Trên hình vẽ, đường đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS cho thấy: Khi VGS > V thì có dòng điện qua transistor Điện áp V cũng được gọi là điện áp thềm (giống như điện áp thềm V của transistor lưỡng nối) và trị 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 của transistor lưỡng nối) Đối với MOSFET, cực G cách điện so với kênh và nền P nên không có dòng điện IG đi từ cực

G vào MOSFET

Xét mạch phân cực , ta có:

VD = VCC– ID.RD

VS = ID.RS

VDS = VCC– ID.(RD + RS)

VO = VCC R RG2

G1 + RG2

Phương trình đường tải tĩnh:

ID =RVCC- VDS

G1 + RG2

Cách xác định đường tải tĩnh cho MOSFET gián đoạn cũng tương tự như transistor lưỡng nối

4.4 Các thông số kỹ thuật của FET:

4.4.1 Độ truyền dẫn:

Độ truyền dẫn của fet là tỉ số giữa mức biến thiên của dòng điện ID và mức biến thiên của điện áp VGS khi có VDS không đổi

G m = V I D

GS = V I D

GS (mA/V)

Trang 8

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản Chương 4 4.4.2 Độ khuếch đại điện áp:

Đoộ khuếch đại điện áp của FET là tỉ số giữa mức biến thiên điện áp ngõ ra VGS

và mức biến thiên điện áp ngõ vào VGS khi dòng ID là không đổi

 = - V V DS

GS = V V DS

GS

4.4.3 Tổng trở ngõ ra:

Tổng trở ra của FET là tỉ số giữa điện áp ngõ ra VDS và dòng điện ID

r 0 = - V I DS

D = V I DS D

Trang 9

BÀI TẬP CĨ LỜI GIẢI Bài 1: Cho mạch điện như ở hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V Tìm ID, UD

Giải

3

G

R

R R

UGS = UG– US = UG– IS.RS = UG– ID.RS = 0.91 – ID.103

4

D DSS

GSK

I I

U



Phương trình bậc hai cĩ 2 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 như ở hình vẽ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V;

;

GS GSK DS

U  U U  E Tìm RD và RS.

Trang 10

Giải

.( 2, 5) 1, 25

U  U     V

U U U  U U  U  V

DS

U  E  V

2, 5

GS

GSK

U



3

1, 25

625 2.10

S S S

U R

UR D = E – UDS– Us = 20 – 10 – 1,25 =8,75V

3

8, 75

4375 2.10

RD D D

U R

Bài 3: Cho mạch điện như ở hình veõ Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V Tìm UGS, ID,

UD, URD

Giải

UGS = UG– US = -3V

6

GS

GSK

U



URD = ID.RD = 2.10-3.103 = 2V

UD = E - URD = 10 – 2 = 8V

Trang 11

CÂU HỎI ƠN TẬP

1 Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của JFET?

2 Nêu các tham số cơ bản của tranzito trường JFET?

3 Trình bày về các cách mắc cơ bản của JFET trong các sơ đồ mạch khuếch đại?

4 Trình bày cách phân cực cố định của JFET?

5 Trình bày phương pháp tự phân cực của JFET?

6 Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET kênhcó sẵn?

7 Giải thích các họ đặc tuyến điều khiển và họ đặc tuyến ra của MOSFET kênhcó

sẵn?

8 Trình bày về cách phân cực cố định cho MOSFET kênhcó 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 thơng số kỹ thuật của Mosfet IRF9540 và Mosfet 2N7000 như ở bảng B1 Yêu cầu giải thích ý nghĩa các thơng số kỹ thuật của hai Mosfet trên ?

Bảng B1

12 Biết đặc tính truyền đạt của một JFET kênh N cho như trên hình vẽ.

a) Xác định trên đồ thị dịng bảo hịa IDSS và điện áp khĩa UGSK

b) Tính dịng IDứng với các giá trị UGS = 0V; UGS = -2V; UGS = -4V; UGS = -6V

13 Cho mạch điện dùng JFET kênh N như ở hình vẽ Biết dịng IDSS = 15mA; điện

áp khĩa UGSK = -8V; nguồn E = 15V; RD = 1kOhm Yêu cầu:

a) Xác định trị số Rs

b) Xác định thiên áp UGS, UD

Trang 12

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