Transistor hiệu ứng trường gọi tắt lă FETs [Fiel-Effect Transistors] bao gồm hai loại chính đó lă: Transistor hiệu ứng trường có cấu trúc cổng bằng bân dẫn-oxide-kim loai, gọi tắt lă MOSFET [Metal-Oxide-Semiconductor FET], vă transistor hiệu ứng trường có cấu trúc cổng bằng tiếp giâp pn, thường gọi lă JFET [Junction FET]. Transistor MOSFET đê trở thănh một trong những dụng cụ bân dẫn quan trọng nhất trong việc thiết kế chế tạo câc mạch tích hợp (ICs) do tính ổn định nhiệt vă nhiều đặc tính thơng dụng tuyệt vời khâc của nó. Cả MOSFET vă JFET đều dẫn điện theo câc kính dẫn, nín mỗi loại đều có ở dạng kính dẫn bằng bân dẫn n hoặc p, gọi lă
MOSFET kính n (gọi tắt lă NMOS), MOSFET kính p (gọi tắt lă PMOS) vă JFET kính n vă JFET kính p tương ứng. Ngoăi ra, đối với MOSFET dựa theo ngun tắc hình thănh kính dẫn mă có MOSFET cảm ứng kính hay tăng cường kính; giău kính (kính khơng có sẵn) vă MOSFET nghỉo kính (kính có sẵn).
3.1 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MOSFET .
Cấu tạo cơ bản vă ký hiệu mạch của MOSFET kính n được cho ở hình 3.1.
Phần chính của một MOSFET có cấu trúc như hai bản cực của một tụ điện: một bản kim loại ở phía trín được nối với chđn ra gọi lă chđn Cổng [Gate] G, bản cực phía dưới lă phiến đế lăm bằng vật liệu bân dẫn Si tạp dạng p, đôi khi
đế được nối với cực nguồn ở bín trong MOS (MOS ba chđn), nhưng phần lớn, cực đế được lấy ra bằng một chđn thứ tư có tín lă chđn Đế [Bode] B, (có khi cịn gọi lă cực SS [Substrate]) để có thể cho phĩp điều khiển bởi mức điện thể của nó từ bín ngoăi. Lớp điện mơi của tụ chính lă lớp câch điện rất mỏng di ơxit Silicon (SiO2), do cấu trúc như vậy nín Cổng - Đế được gọi lă cấu trúc của tụ MOS [Metal-Oxide-Semiconductor]. Câc chđn Nguồn [Source] S vă Mâng [Drain] D, lă câc chđn được nối với câc vùng bân dẫn tạp dạng n+ đặt bín trong phiến đế, gọi lă vùng Nguồn vă vùng Mâng tương ứng. Đối với một dụng cụ bân dẫn kính n, thì dịng điện được hình thănh bằng câc điện tử vă vùng Nguồn vă Mâng được cấu tạo bởi câc vùng pha tạp đậm n+
(văo khoảng 1020 cm-3) để có thể tiếp xúc tốt với kính dẫn. Người ta dùng phương phâp cấy ion để tạo ra vùng Nguồn vă Mâng sau khi cấu trúc Cổng đê được xâc lập sao cho hai vùng năy thẳng hăng với vùng Cổng, vă để sự hình thănh kính dẫn được liín tục cần phải có sự chồng lấn giữa vùng Cổng với vùng Nguồn vă Cổng với Mâng ở hai đầu kính dẫn. Do cấu tạo của dụng cụ có tính đối xứng nín Nguồn vă Mâng có thể thay thế lẫn nhau. Vùng bân dẫn giữa hai vùng Nguồn vă Mâng ngay phía dưới Cổng được gọi lă vùng kính. Khoảng câch giữa hai tiếp giâp pn (vùng Nguồn-Đế vă vùng Mâng-Đế) lă chiều dăi hiệu dụng của kính L. vă W lă chiều rộng của kính. Vùng đế lă một bân dẫn tạp kiểu ngược lại với hai vùng Nguồn vă Mâng (thường ở mức pha tạp loêng hơn) để đảm bảo câch ly giữa hai vùng. Lớp ôxit (SiO2) được tạo ra bằng câch gia nhiệt ở nhiệt độ cao để có câc đặc tính bề mặt chung tốt nhất. Vật liệu lăm Cổng thông dụng nhất lă kim
loại hoặc polysilicon. Khi chiều dăi kính dẫn bằng 0,3µm, thì câc thơng số điển hình lă: chiều dăy của lớp ơxit ≈ 10µm, mức pha tạp của vùng đế lă ≈ 3x1017cm-3, độ dăy tiếp giâp pn giữa Mâng-Đế vă Nguồn-Đế lă ≈ 0,2µm. Đối với mỗi loại kính dẫn, thì mức ngưỡng của điện âp cổng phải thích hợp để có thể lăm biến đổi kính dẫn. Nếu kính dẫn biến mất tại điện âp cổng bằng 0 (tức lă kính dẫn thường hở - normally OFF) thì MOSFET được gọi lă dụng cụ tăng cường kính do điện âp cổng cần phải có cho sự “tăng cường” [enhance] hay lăm giău kính dẫn, (hình 3.1a, b, c). Nếu kính lă có sẵn tại điện âp cổng bằng 0 (tức thường kín - ON), thì MOSFET được gọi lă dụng cụ nghỉo kính vì điện âp cổng cần cho việc “lăm suy kiệt” [deplete] hay lăm nghỉo kính dẫn, (hình 3.1d).
Câc điện âp vă dịng điện của MOSFET kính n cũng đê được xâc định rõ trín hình 3.1b. Dịng Mâng iD, dòng Nguồn iS, dòng Cổng iG, vă dòng đế iB được xâc định với chiều dương của dịng được chỉ rõ cho một transistor MOSFET kính n. Câc điện âp giữa câc cực quan trọng lă điện âp Cổng-Nguồn: vGS = vG - vS , điện âp Mâng-Nguồn: vDS = vD - vS , vă điện âp Nguồn-Đế: vSB =
vS - vB . Tất cả câc điện âp năy đều có giâ trị ≥ 0 trong chế độ hoạt động thông thường của N
MOSFET.
Chú ý rằng: câc vùng Nguồn vă Mâng tạo thănh tiếp giâp pn với vùng Đế. Hai tiếp giâp năy luôn luôn
được giữ ở điều kiện phđn cực ngược để có sự câch ly giữa câc tiếp giâp của transistor MOS. Vì vậy, điện âp Đế phải nhỏ hơn hoặc bằng với điện âp ở câc cực Nguồn vă Mâng để đảm bảo cho câc tiếp giâp pn được phđn cực ngược một câch thích hơp, tức: iB ≈ 0. Ngoăi ra, Cổng phải lă một bản cực kim loại để có tiếp xúc mặt nhưng vẫn được câch điện với vùng kính qua lớp SiO2, hay nói câch khâc lă khơng có kết nối điện trực tiếp giữa cực Cổng vă kính dẫn ở MOSFET, nín MOSFET lă một dụng cụ có trở khâng văo rất cao, bởi vì dịng Cổng rất nhỏ, iG ≈ 0 ở cấu
hình phđn cực dc. Vì lý do năy mă đơi khi MOSFET cịn có tín gọi lă FET có cổng câch ly hay IGFET [Insulated-Gate FET].
3.2 NGUYÍN LÝ LĂM VIỆC VĂ ĐẶC TUYẾN CỦA NMOS KIỂU TĂNG CƯỜNG. CỦA NMOS KIỂU TĂNG CƯỜNG.