Chương 6 giới thiệu về FET (Field Effect Transistor) - Transistor hiệu ứng trường. Những nội dung chính được trình bày trong chương này gồm có: Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động, đặc tuyến I-V, các hiệu ứng thứ cấp, mô hình tín hiệu nhỏ - mạch tương đương tín hiệu nhỏ. Mời các bạn cùng tham khảo.
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương FET (Field Effect Transistor) Transistor hiệu ứng trường Nội dung • • • • • • • Giới thiệu Cấu tạo nguyên tắc hoạt động Đặc tuyến I-V Các hiệu ứng thứ cấp Mơ hình tín hiệu nhỏ - mạch tương đương tín hiệu nhỏ Mơ hình tín hiệu nhỏ tần số cao Các ứng dụng JFET: KĐ, KĐ chopper, khóa analog, nguồn dịng 6.1 Giới thiệu Diode Transistor BJT FET History of FET Other milestones in transistor development: Shockley’s model of a junction FET JFET = PN junction FET TD: JFET kênh N MESFET = Metal-semiconductor FET = Schottky gate FET TD: MESFET kênh N 10 (a) Khi khơng có phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo bị điều khiển phân cực cổng (b) Khi có phân cực nguồnmáng, bề rộng miền nghèo nhiều phía cực máng Hình 6.7 Sơ đồ MESFET cho thấy bề rộng miền nghèo cực cổng 62 • Các tiếp xúc nguồn máng tiếp xúc trở cổng tạo thành rào Schottky Hoạt động dụng cụ tuân theo lý thuyết vận chuyển phức tạp đặc biệt vật liệu GaAs mà quan hệ vận tốc-trường hoàn toàn phức tạp Chúng ta xét mơ hình đơn giản hóa nhằm minh họa hoạt động MESFET Trước giới thiệu tính tốn mơ hình, xem lại tính chất vật lý hoạt động dụng cụ • Trong hình 6.7 cho ta thấy mặt cắt ngang MESFET với bề rộng miền nghèo cực cổng Khi khơng có phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo hình 6.7a Nếu phân cực cổng làm cho âm hơn, bề rộng miền nghèo trãi rộng thêm vào miền tích cực kênh dẫn bị làm nghèo hoàn toàn Như ta tăng phân cực cổng (tới giá trị âm), tồn điện tích khả dụng cho dẫn điện giảm dần kênh dẫn bị nghẽn Sự điều khiển cổng tương tự với điều khiển JFET hình 6.3 Nếu phân cực cực máng tăng miền nghèo trở nên lớn phía cực máng hình 6.7b 63 • Nếu phân cực cổng cố định điện áp máng tăng đến giá trị dương, dòng điện bắt đầu chạy vào kênh dẫn Ban đầu dụng cụ hoạt động điện trở Tuy nhiên, điện áp máng tăng, bề rộng miền nghèo hướng đến cực máng bắt đầu tăng hiệu điện cực cổng cực máng tăng Rồi kênh dẫn bắt đầu nghẽn cực máng Khi điều xảy ra, dòng điện bắt đầu bão hòa Cuối giá trị phân cực máng lớn, dụng cụ “đánh thủng” dịng điện tăng nhanh • Giải tích đầy đủ dịng điện phức tạp, tóan chiều người ta cần giải phương trình liên tục Poisson Chúng ta đơn xét mơ hình mà cho hình ảnh nửa định lượng 64 Giả thiết cho mơ hình tốn (1/2) Ta có giả thiết cho mơ hình chúng ta: • • Độ linh động điện tử số độc lập với điện trường Ta biết điều điện trường thấp Ở điện trường cao, vận tốc điện tử bão hòa, trường hợp vật liệu GaAs, có miền điện trở âm Do đó, giải tích hợp lý trường kênh ( xấp xỉ phân cực máng chia cho chiều dài kênh dẫn) nhỏ 23KV/cm Vì điều khơng với dụng cụ đại, giải tích nửa định lượng giúp hiểu hoạt động dụng cụ Chúng ta giả sử xấp xỉ kênh biến đổi giới thiệu Shockley Khi phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo cho mơ hình chiều với diode p-n Tuy nhiên, chặt chẽ có phân cực nguồn-máng, người ta phải giải tóan chiều để tìm bề rộng miền nghèo dịng điện Trong xấp xỉ kênh biến đổi đều, ta giả sử trường theo hướng từ cực cổng đến miền đế mạnh nhiều trường từ nguồn đến máng., nghĩa điện thay đổi “chậm” dọc theo kênh dẫn so với biến đổi điện theo hướng từ cực cổng đến miền đế Như bề rộng miền nghèo điểm x dọc theo kênh dẫn cho điện điểm mà dùng kết mơ hình chiều đơn giản Sự xấp xỉ chiều dài cổng L lớn độ sâu kênh h 65 Giả thiết cho mơ hình tốn (2/2) Xấp xỉ miền nghèo, nghĩa ta giả sử khơng có hạt dẫn miền nghèo, bên miền nghèo mật độ hạt dẫn mật độ donor ion hóa Ta giả sử ion hóa hồn tồn donor pha tạp chất kênh dẫn Một dụng cụ đạt đến miền bão hòa, xấp xỉ bị phá vỡ Ta bàn chi tiết chế độ bão hịa phần sau 66 Tính dịng điện máng ID 67 68 69 70 Đặc tuyến I-V tiêu biểu MESFET kênh N Quỹ tích VDSsat Miền tuyến tính Miền bão hòa Miền đánh thủng Chế độ giàu Chế độ nghèo 71 6.4 Các hiệu ứng thứ cấp • Điều chế chiều dài kênh dẫn • Đánh thủng • Sự thay đổi đợ linh động • Ảnh hưởng nhiệt độ 72 Điều chế chiều dài kênh dẫn • Xét N-JFET miền bão hòa, tăng VDS ID tăng, tăng VDS dẫn đến L giảm (chiều dài hiệu dụng kênh dẫn N) điện trở kênh dẫn giảm hay ID tăng Hiệu ứng tương tự với điều chế miền BJT Do tất đặc tuyến miền bão hịa kéo dài đến trục hồnh giao điểm trục hoành, ứng với điện áp Early VA (VDS=-VA) VA thực tế có trị từ 30V đến 200V Dòng ID phụ thuộc vào VDS có dạng VGS VDS I D I DSS 1 1 V V TH A • Như điểm tỉnh Q miền bão hịa JFET có điện trở là: r0 VA VDSQ I DQ VA I DQ 73 Đánh thủng Đánh thủng thác lũ xảy JFET phân cực ngược chuyển tiếp cổngkênh dẫn (chỗ đầu cực máng kênh) điện áp đánh thủng chuyển tiếp, BV = BVDG0 – VGS BV=BVDG0 – VGS (TD có VS=0) Đánh thủng cố định VBR = VD - VG BVDG0 74 Sự thay đổi độ linh động • Khi điện trường có giá trị lớn vận trơi khơng tăng nữa, dẫn đến độ linh động giảm Trong JFET kênh dẫn ngắn với điện áp máng cố định, tăng điện trường cổng làm giảm độ linh động hay làm giảm dòng ID so với giả thiết ban đầu độ linh động số 75 Ảnh hưởng nhiệt độ • Nhiệt độ tăng làm độ linh động giảm dòng ID giảm nhiệt độ tăng 76 ... FET dụng cụ đơn cực nên làm việc với tốc độ cao tái hợp điện tử-lỗ không giới hạn dụng cụ Bằng cách sử dụng vật liệu “nhanh hơn”, tốc độ dụng cụ trở nên nhanh, làm cho FET chọn nhiều ứng dụng. .. nghèo • Các FET dựa Si sử dụng khái niệm MOSFET phần lớn bán dẫn hợp chất III-V dựa khái niệm MESFET MODFET Trong chương chủ yếu xét JFET chương kế khảo sát MOSFET 18 6. 2 Cấu tạo nguyên tắc hoạt... 6. 2 (1/2) 21 Hình 6. 2 (2/2) (c) Ký hiệu cho JFET kênh N kênh P (d) Cấu trúc mơ hình cổng 22 Hoạt động – Hiệu ứng VGS Hình 6. 3 (a) JFET với phân cực cổng không để kênh dẫn mở lớn Dụng cụ gọi dụng