tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ
Trang 2Transistor hiệu ứng trường MOSFET
• MOSFET: Transistor hiệu ứng trường cấu trúc MOS
(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)
• Trong MOSFET, dòng điện được điều khiển bởi trường điện áp dụng
vuông góc với cả bề mặt bán dẫn lẫn chiều của dòng điện
• Nguyên tắc cơ bản của transistor: điện áp giữa hai cực sẽ điều khiển
dòng điện đi qua cực thứ ba
2
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 3Cấu trúc MOSFET
• MOSFET là linh kiện có 4 cực: cổng (G, gate), nguồn (S, source),
máng (D, drain) và thân (B, body)
• Hai loại MOSFET: kênh-n (NMOS) và kênh-p (PMOS)
• Về cơ bản, cấu trúc của linh kiện là đối xứng đối với máng và nguồn
• Các cực nguồn và máng được chỉ rõ bởi điện áp hoạt động
Kim loại
Nguồn S Cổng G Máng D Oxide (SiO2)
(bề dày tox) Kim loại
Miền kênh dẫn
Đế (thân) loại p
Thân B Oxide (SiO2)
Trang 4Cấu trúc MOS 2-cực
• Tụ điện MOS
(metal-oxide-semiconductor): trái tim của
Cực nền (đế, thân) Nền (đế, thân) bán dẫn
Tụ điện MOS với phân cực cổng âm
Loại p
Loại p (Trường E)
Lớp tích lũy lỗ 4
Trang 5Lớp nghịch chuyển điện tử
5
Miền nghèo hạt mang
điện đa số được tạo ra
Miền nghèo hạt mang điện đa số được tạo ra
Loại p
Loại p Loại p
Trang 6Hoạt động với điện áp cổng bằng không
• Với điện áp phân cực bằng không đặt vào cực cổng, hai cực nguồn
và máng được tách biệt bởi miền p ⇒ hai tiếp giáp pn (S-B) và (D-B)
được kết nối như là hai diode đâu lưng nhau
• Hai cực nguồn và máng được cách ly bởi hai miền nghèo hạt mang
điện đa số nên không dẫn điện ⇒ về cơ bản dòng điện bằng không
Trang 7Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện
Thân loại p
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 8Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện
điện tử bắt đầu tích lũy trên bề mặt của thân
• Miền-n được tạo ra này sẽ
dòng điện chạy từ máng đến nguồn
• Kênh được tạo ra bằng cách nghịch chuyển bề mặt thân từ
Thân loại p
Trang 9Điện áp máng nhỏ
• Điện áp vDS nhỏ đặt vào cực máng:
các điện tử tự do di chuyển từ nguồn
đến máng ngang qua kênh dẫn n
• Kênh được điều khiển bởi điện
áp thực tế hay điện áp tăng tốc
(overdrive) : vOV = vGS - Vt
9
Thân loại p Kênh n được tạo ra
Độ dốc
Trang 10Tăng điện áp máng
• Do lớp nghịch chuyển phụ thuộc vào sai biệt điện áp ngang qua cấu trúc
tục là đường thẳng
Điện áp vDS nhỏ Điện áp vDS lớn 10
Miền nghèo
Điện tích nghịch chuyển của kênh
Điện tích nghịch chuyển của kênh
Loại p Loại p
Trang 11Tăng điện áp máng
• Vào lúc vDSsat = vGS - Vt , kênh bị thắt lại (nghẽn)
về phía cực máng
trị này
• Miền triode : vDS < vDSsat
11
Điện tích nghịch chuyển của kênh
Điện tích nghịch chuyển của kênh
Trang 12W và L: độ rộng kênh và chiều dài kênh
12
Trang 13MOSFET tăng cường kênh p
• MOSFET kênh-p loại tăng cường được
chế tạo trên đế (thân) loại n cùng với
nguồn p+ và máng p+
• Bình thường, nguồn được nối với điện áp
cao còn máng được nối với điện áp thấp
• Khi điện áp âm đặt vào điện cực cổng,
các điện tích âm tích lũy ở cổng và
trường điện kết quả đẩy các điện tử
trong thân loại n rời xa khỏi bề mặt, để
lại bên dưới miền nghèo hạt mang điện
• Khi điện áp cổng vượt quá điện áp ngưỡng âm Vt, các lỗ bắt đầu tích lũy trên bề mặt miền đế (thân)
• Miền p được tạo ra (lớp nghịch chuyển) do vậy tạo thành kênh dẫn loại-p cho phép dòng điện chạy từ nguồn đến máng
• Điện áp cổng âm được cần đến để tạo ra kênh dẫn → MOSFET loại tăng cường
13
Nguồn Cổng Máng
Loại n
Thân
Trang 14Ký hiệu và quy ước
MOSFET kênh-n loại tăng cường:
MOSFET kênh-p loại tăng cường:
14
Trang 15Đặc tính I-V (MOSFET kênh n)
15
Miền bão hòa
Miền triode
Ngưng
Trang 16Đặc tính I-V (MOSFET kênh n)
• Miền ngưng (cut-off) (vGS ≤ Vt) : iD = 0
• Miền triode (vGS > Vt và vDS < vGS - Vt)
• Bão hòa (vGS > Vt và vDS ≥ vGS - Vt)
• Mô hình mạch tương đương tín hiệu lớn hoạt động ở miền bão hòa:
16
Trang 17Đặc tính I-V (MOSFET kênh p)
Độ dốc
Trang 18Mạch MOSFET ở chế độ DC
• Phân tích DC mạch MOSFET :
– Giả định chế độ hoạt động và tìm lời giải phân cực dc sử dụng
phương trình dòng điện tương ứng
– Thẩm tra giả định với điện áp các cực (ngưng, triode và bão
Trang 19Mạch MOSFET ở chế độ DC
19
Trang 20Mạch MOSFET ở chế độ DC
20
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 21Mạch MOSFET ở chế độ DC
máng và nguồn ở điểm hoạt động này
21
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 22Đặc tính I-V không lý tưởng
• Điện trở ngõ ra hữu hạn:
lập với điện áp máng đến nguồn
– Thực tế: độ dốc khác 0 hiện hữu
bên ngoài điểm bão hòa trong đặc
– Điện trở ngõ ra hữu hạn:
22
Độ dốc
Trang 23Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực DC cho mạch khuếch đại MOSFET :
– Mạch khuếch đại hoạt động ở điểm phân cực dc thích hợp
– Mạch phân cực DC cần bảo đảm MOSFET ở chế độ bão hòa với dòng điện máng ID thích hợp
•
• Phân cực bằng cách ổn định điện áp cổng-nguồn:
– Ổn định điện áp dc VGS to để chỉ ra dòng bão hòa của MOSFET:
– Dòng điện phân cực lệch khỏi giá trị mong muốn do những thay đổi trong các thông số linh kiện Vt và µn
23
Linh kiện 2
Linh kiện 1
Trang 24Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực bằng cách ổn định điện áp cổng và kết nối điện trở nguồn:
– Điều kiện phân cực được chỉ ra bởi :
– Dòng máng có dung sai tốt hơn đối với những thay đổi trong các thông số của linh kiện
24
Linh kiện 2
Linh kiện 1
Độ dốc = -1/RS
Trang 25Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực sử dụng điện trở hồi tiếp máng
đến cổng :
– Cần nguồn cấp điện đơn
(VGS = VDS)
– Điểm hoạt động của MOSFET:
đến độ lợi tín hiệu nhỏ
25
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 26Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực sử dụng nguồn dòng điện không đổi:
– MOSFET có thể được phân cực với nguồn
dòng điện không đổi I
– Điện trở RD được chọn để vận hành
MOSFET ở chế độ tích cực
– Nguồn dòng thường là gương dòng điện
– Mạch gương dòng điện:
• MOSFET Q1 và Q2 ở chế độ bão hòa
• Dòng tham chiếu IREF = I = ID– Khi áp dụng cho mạch khuếch đại, điện áp
VD2 cần đủ lớn để bảo đảm Q2 ở chế độ bão
hòa
26
Trang 27Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
• Các thông số mạch tín hiệu nhỏ được xác
định bởi điểm phân cực
27
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 28Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
Trang 29Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
29
Hoạt động tín hiệu nhỏ:
Độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ:
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 30Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
Trang 31Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
TD: Xác định độ lợi điện áp tín hiệu nhỏ, và điện trở ngõ vào của mạch
Trang 32Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
Mô hình mạch tương đương hình T
32
Trang 33Hoạt động tín hiệu nhỏ và mô hình
Mô hình mạch tương đương hình T
33
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 34Các mạch khuếch đại MOSFET cơ bản
Trang 35Mạch khếch đại nguồn chung CS
35
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM
Trang 36Mạch khuếch đại CS với điện trở cực nguồn
36
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM