. Nếu điện ỏp ngừ vào cao hơn rất nhiều Vz Dịng qua điơt zờne tăng cao đến
5. Tranzitor hiệu ứng trường
Mục tiờu:
- Trỡnh bầy được cấu tạo , nguyờn lý hoạt động của JFET, MOSFET - Vẽ được sơ đồ cỏch mắc và nờu được đặc tuyến của JFET, MOSFET
Transistor trỡnh bày trước được gọi là transistor mối nối lưỡng cực (BJT = Bipolar Junction Transistor). BJT cú điện trở ngừ vào nhỏ ở cỏch mắc thơng thường CE, dịng IC =βIB, muốn cho IC càng lớn ta phải tăng IB (thỳc dũng lối vào). Đối với transistor hiệu ứng trường cú tổng trở vào rất lớn. Dũng điện ở lối ra được tăng bằng cỏch tăng điện ỏp ở lối vào mà khơng địi hỏi dịng điện. Vậy ở loại này điện ỏp sẽ tạo ra một trường và trường này tạo ra một dũng điện ở lối ra.
Field Effect Transistor (FET)
FET cú hai loại: JFET v à MOSFET. 5.1.JFET
JFET (Junction Field Effect Transistor) được gọi là FET nối. JFET cú cấu tạo như (hỡnh 3-44)
Hỡnh3-44. Cấu tạo của JFET kờnh N (a), JFET kờnh P (b).
Trờn thanh bỏn dẫn hỡnh trụ cú điện trở suất khỏ lớn (nồng độ tạp chất tương đối thấp), đỏy trờn và đỏy dưới lần lượt cho tiếp xỳc kim loại đưa ra hai cực tương ứng là cực mỏng (cực thoỏt) và cực nguồn.
Vũng theo chu vi của thanh bỏn dẫn người ta tạo một mối nối P – N. Kim loại tiếp xỳc với mẫu bỏn dẫn mới, đưa ra ngoài cực cổng (cửa).
D: Drain: cực mỏng (cực thoỏt). G: Gate: cực cổng (cực cửa). S: Source: cực nguồn.
Vựng bỏn dẫn giữa D và S được gọi là thụng lộ (kờnh). Tựy theo loại bỏn dẫn giữa D và S mà ta phõn biệt JFET thành hai loại: JFET kờnh N, JFET kờnh P. Nú cú kớ hiệu như (hỡnh 3-45)
Hỡnh 3-45 . Kớ hiệu của JFET kờnh N (a), JFET kờnh P (b). 5.1.2. Nguyờn lớ hoạt động
Giữa D và S đặt một điện ỏp VDS tạo ra một điện trường cú tỏc dụng đẩy hạt tải đa số của bỏn dẫn kờnh chạy từ S sang D hỡnh thành dịng điện ID. Dũng ID tăng theo điện ỏp VDS đến khi đạt giỏ trị bóo hũa IDSS (saturation) và điện ỏp tương ứng gọi là điện ỏp thắt kờnh VPO (pinch off), tăng VDS lớn hơn VPO thỡ ID vẫn khụng tăng. Giữa G và S đặt một điện ỏp VGS sao cho khụng phõn cực hoặc phõn cực nghịch mối nối P – N. Nếu khụng phõn cực mối nối P – N ta cú dịng ID đạt giỏ trị
lớn nhất IDSS. Nếu phõn cực nghịch mối nối P – N làm cho vựng tiếp xỳc thay đổi diện tớch. Điện ỏp phõn cực nghịch càng lớn thỡ vựng tiếp xỳc (vựng hiếm) càng nở rộng ra, làm cho tiết diện của kờnh dẫn bị thu hẹp lại, điện trở kờnh tăng lờn nờn dũng điện qua kờnh ID giảm xuống và ngược lại. VGS tăng đến giỏ trị VPO thỡ ID giảm về 0.
5.1.3.Cỏch mắc JFET
- Cũng tương tự như BJT, JFET cũng cú 3 cỏch mắc chủ yếu là: Chung cực nguồn(CS), chung cực mỏng (DC), và chung cực cửa(CG)
- Trong đú kiểu CS thường được dựng nhiều hơn cả vỡ kiểu mắc này cho hệ số khuếch đại điện ỏp cao, trở khỏng vào cao. Cũn cỏc kiểu mắc CD, CG thường được dựng trong tầng khuếch đại đệm và khuếch đại tần số cao. (hỡnh 3-46)
Hỡnh 3-46. Cỏc cỏch mắc của JFET - CS: Tớn hiệu vào G so với S, tớn hiệu ra D so với S. - CG: Tớn hiệu vào S so với G, tớn hiệu ra D so với G. - CD: Tớn hiệu vào G so với D, tớn hiệu ra S so với D. 5.1.3. Đặc tuyến của JFET.(hỡnh 3-47)
Hỡnh 3-47. Mạch khảo sỏt đặc tuyến của JFET.
Khảo sỏt sự thay đổi dịng thốt ID theo hiệu điện thế VDS và VGS, từ đú người ta đưa ra hai dạng đặc tuyến của JFET.
a. Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) ứng với VDS = const.
Giữ VDS = const, thay đổi VGS bằng cỏch thay đổi nguồn VDC, khảo sỏt sự biến thiờn của dịng thốt ID theo VGS. Ta cú:
2S S DSS 0 (1 G ) D P V I I V = −
- Khi VGS = 0V, dũng điện ID lớn nhất và đạt giỏ trị bóo hịa, kớ hiệu: IDSS. - Khi VGS õm thỡ dịng ID giảm, VGS càng õm thỡ dịng ID càng giảm. Khi VGS = VPO thỡ dịng ID = 0. VPO lỳc này được gọi là điện thế thắt kờnh (nghẽn kờnh).
b. Đặc tuyến ngừ ra ID(VDS) ứng với VGS = const.
Giữ nguyờn VGS ở một trị số khụng đổi (nhất định). Thay đổi VCC và khảo sỏt sự biến thiờn của dịng thốt ID theo VDS. .(hỡnh 3-48)
Hỡnh 3-48. Đặc tuyến truyền dẫn của JFET.
0V = const. Thay đổi nguồn VCC → VDS thay đổi → ID thay đổi. Đo dũng ID và VDS. Ta thấy lỳc đầu ID tăng nhanh theo VDS, sau đú ID đạt giỏ trị bóo hũa, ID khụng tăng mặc dự VDS cứ tăng.
- Chỉnh nguồn VDC để cú VGS = 1v. Khụng thay đổi nguồn VDC, ta cú VGS = 1V = const. Thay đổi nguồn VCC → VDS thay đổi → ID thay đổi. Đo dũng ID và VDS tương ứng. Ta thấy lỳc đầu ID tăng nhanh theo VDS, sau đú ID đạt giỏ trị bóo hũa, ID khụng tăng mặc dự VDS cứ tăng.
- Lặp lại tương tự như trờn ta vẽ được họ đặc tuyến ngừ ra ID(VDS) ứng với VGS = const. .(hỡnh 3-49)
Hỡnh 3-49. Họ đặc tuyến ngừ ra của JFET. 5.2. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)
MOSFET hay cũn được gọi IGFET (Insulated Gate FET) là FET cú cực cổng cỏch li. MOSFET chia làm hai loại: MOSFET kờnh liờn tục (MOSFET loại hiếm) và MOSFET kờnh giỏn đoạn (MOSFET loại tăng). Mỗi loại cú phõn biệt theo chất bỏn dẫn: kờnh N hoặc kờnh P.
5.2.1.MOSFET kờnh liờn tục
Hỡnh 3-50. Cấu tạo – kớ hiệu MOSFET kờnh liờn tục loại N.
Hỡnh 3-51. Cấu tạo – kớ hiệu MOSFET kờnh liờn tục loại P. Gate (G): cực cửa (cực cổng)
Drain (D): cực thoỏt (cực mỏng) Source (S): cực nguồn
Substrate (Sub): đế (nền)
Cấu tạo MOSFET kờnh liờn tục loại N
Trờn nền chất bỏn dẫn loại P, người ta pha hai vựng bỏn dẫn loại N với nồng độ cao (N+) được nối liền với nhau bằng một vựng bỏn dẫn loại N pha nồng độ thấp (N). Trờn đú phủ một lớp mỏng SiO2 là chất cỏch điện.
Hai vựng bỏn dẫn N+ tiếp xỳc kim loại (Al) đưa ra cực thoỏt (D) và cực nguồn (S). Cực G cú tiếp xỳc kim loại bờn ngoài lớp oxit nhưng vẫn cỏch điện với kờnh N cú nghĩa là tổng trở vào cực là lớn.
Để phõn biệt kờnh (thụng lộ) N hay P nhà sản xuất cho thờm chõn thứ tư gọi là chõn Sub, chõn này hợp với thụng lộ tạo thành mối nối P-N. Thực tế, chõn Sub của MOSFET được nhà sản xuất nối với cực S ở bờn trong MOSFET.
b. Đặc tuyến
VDS là hiệu điện thế giữa cực D và cực S. VGS là hiệu điện thế giữa cực G và cực S. Xột mạch như (hỡnh 3-52)
Hỡnh 3-52. Mạch khảo sỏt đặc tuyến của MOSFET kờnh liờn tục loại N.
Khi VGS = 0V: điện tử di chuyển tạo dũng điện ID, khi tăng điện thế VDS thỡ dịng ID tăng, ID sẽ tăng đến một trị số giới hạn là IDsat (dũng ID bóo hũa). Điện thế VDS ở trị số IDsat được gọi là điện thế nghẽn VP0 giống như JFET.
Khi VGS < 0: cực G cú điện thế õm nờn đẩy điện tử ở kờnh N vào vựng P làm thu hẹp tiết diện kờnh dẫn điện N và dũng ID sẽ giảm xuống do điện trở kờnh dẫn điện tăng.
Khi điện thế cực G càng õm thỡ dịng ID càng nhỏ, và đến một trị số giới hạn dũng điện ID gần như khơng cịn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn –VP0. Đặc tuyến chuyển này tương tự đặc tuyến chuyển của JFET kờnh N.
Khi VGS > 0, cực G cú điện thế dương thỡ điện tử thiểu số ở vựng nền P bị hỳt vào kờnh N nờn làm tăng tiết diện kờnh, điện trở kờnh bị giảm xuống và dũng ID tăng cao hơn trị số bóo hũa IDsat. Trường hợp này ID lớn dễ làm hư MOSFET nờn ớt được dựng.
Tương tự JFET, ta khảo sỏt hai dạng đặc tuyến của MOSFET kờnh liờn tục: - Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) ứng với VDS = const.
Cỏch khảo sỏt tương tự như khảo sỏt JFET nhưng đến khi cần VGS > 0, ta đổi cực của nguồn VDC nhưng lưu ý chỉ cần nguồn dương nhỏ thỡ ID đó tăng cao. Ta cú hai dạng đặc tuyến
Hỡnh 3-53. Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) của MOSFET kờnh liờn tục loại N.
Hỡnh 3-54. Họ đặc tuyến ngừ ra I (V ) của MOSFET kờnh liờn tục loại N. 5.2.2. MOSFET kờnh giỏn đoạn
Hỡnh 3-55. Cấu tạo - kớ hiệu MOSFET kờnh giỏn đoạn loại N.
Hỡnh 3-56. Cấu tạo- kớ hiệu MOSFET kờnh giỏn đoạn loại P.
Cực cửa: Gate (G) ;Cực thoỏt: Drain (D) ;Cực nguồn: Source (S) ; Nền (đế ): Substrate (Sub)
Cấu tạo MOSFET kờnh giỏn đoạn loại N tương tự như cấu tạo MOSFET kờnh liờn tục loại N nhưng khơng cú sẵn kờnh N. Cú nghĩa là hai vựng bỏn dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) khơng dớnh liền nhau nờn cũn gọi là MOSFET kờnh giỏn đoạn. Mặt trờn kờnh dẫn điện cũng được phủ một lớp oxit cỏch điện SiO2. Hai dõy dẫn xuyờn qua lớp cỏch điện nối vào vựng bỏn dẫn N+ gọi là cực S và D. Cực G được lấy ra từ kim loại tiếp xỳc bờn ngoài lớp oxit SiO2 nhưng cỏch điện với bờn trong. Cực Sub được nối với cực S ở bờn trong MOSFET.
b. Đặc tuyến
Hỡnh 3-57. Mạch khảo sỏt đặc tuyến của MOSFET kờnh giỏn đoạn loại N. Khi VGS = 0V, điện tử khụng di chuyển được nờn ID = 0, điện trở giữa D và S rất lớn. Khi VGS > 0V thỡ điện tớch dương ở cực G sẽ hỳt điện tử của nền P về phớa giữa hai vựng bỏn dẫn N+ và khi lực hỳt đủ lớn thỡ số điện tử bị hỳt nhiều hơn, đủ để nối liền hai vựng bỏn dẫn N+ và kờnh N nối liền hai vựng bỏn dẫn N+ đó hỡnh thành nờn cú dịng ID chạy từ D sang S. Điện thế cực G càng tăng thỡ ID càng lớn.
Điện thế ngưỡng Vγ là điện thế VGS đủ lớn để hỡnh thành kờnh, thơng thường Vγ vài volt.
Tương tự JFET và MOSFET kờnh liờn tục ta khảo sỏt hai dạng đặc tuyến của MOSFET kờnh giỏn đoạn:
- Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) ứng với VDS = const. - Đặc tuyến ngừ ra ID(VDS) ứng với VGS = const.
Cỏch khảo sỏt tương tự như khảo sỏt JFET và MOSFET kờnh liờn tục nhưng khỏc với hai trường hợp trờn là cần VGS > 0, cụ thể nguồn VDC phải dương đủ để VGS bằng điện thế ngưỡng Vγ thỡ ID cú giỏ trị khỏc 0. Ta cú hai dạng đặc tuyến như (hỡnh 3-58) và (hỡnh 3-59)
Hỡnh 3-58. Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) của MOSFET kờnh giỏn đoạn loại N.
5.2.3. Cỏc cỏch mắc cơ bản của MOSFET
Tương tự JFET, MOSFET cũng cú ba kiểu mắc cơ bản:
- Cực nguồn chung CS : Tớn hiệu vào G so với S, tớn hiệu ra D so với S. - Cực cổng chung CG : Tớn hiệu vào S so với G, tớn hiệu ra D so với G. - Cực thoỏt chung CD : Tớn hiệu vào G so với D , tớn hiệu ra S so với D. 5.3 Ứng dụng
Như đó trỡnh bày ở trờn, FET cú hai loại JFET và MOSFET đều hoạt động dựa trờn sự điều khiển độ dẫn điện của mẫu bỏn dẫn bởi một điện trường ngoài, chỉ dựng một loại hạt dẫn (hạt tải đa số), nú thuộc loại đơn cực tớnh (unipolar), khơng cú q trỡnh phỏt sinh và tỏi hợp của hai loại hạt dẫn nờn cỏc tham số của FET ớt bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Những ưu điểm nổi bật của FET: tổng trở vào lớn, hệ số khuếch đại cao, tiờu thụ năng lượng bộ, kớch thước cỏc điện cực D, G, S cú thể giảm xuống rất bộ, thu nhỏ thể tớch của FET một cỏch đỏng kể và nú được ứng dụng nhiều trong chế tạo IC mà đặc biệt là loại IC cú mật độ tớch hợp cao. Cũng như BJT, FET được ứng dụng nhiều trong cả hai dạngmạch số và tương tự. Nú làm một phần tử trong nhiều dạng mạch khuếch đại, làm chuyển mạch điện tử….
Ngoài ra, họ FET cịn cú cỏc dạng sau: CMOS, V-MOS, D-MOS, FET,…đõy là những dạng được cải tiến từ MOSFET để cú thờm ưu điểm trong ứng dụng.
Tổng quan về Tranzitor
Loại
Tranzitor Kớ hiệu Kiểu hoạt động
LƯỠNG
CỰC e
c
b NPN
Thường tranzito khụng dẫn nhưng với một dũng nhỏ đi vào và điện ỏp dương nhỏ tại cực B làm cho cực E dẫn (cho phộp một lượng dũng lớn chảy từ cực C đến cực E). Tranzito hoạt động với điều kiện VC > VE. Sử dụng trong cỏc ứng dụng chuyển mạch và khuếch đại.
e c
b PNP
Thường tranzito khơng dẫn, nhưng với một dịng nhỏ đi ra và điện ỏp õm nhỏ tại cực B làm cho cực E dẫn (cho phộp một lượng dũng lớn chảy từ cực E đến cực C). Tranzito hoạt động với VE >
VC. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
JFET S
D G NJFET
Thường tranzito dẫn, nhưng với một điện ỏp õm nhỏ tại cực cổng G làm cho cực nguồn S ngưng dẫn (khơng cho dịng từ cực nguồn S chảy đến cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VD > VS. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
S D
G PJFET
Thường tranzito dẫn, nhưng với một điện ỏp dương nhỏ tại cực cổng G làm cho cực nguồn ngưng dẫn (khơng cho dịng từ cực nguồn S chảy đến cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VS > VD. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
MOSFET LOẠI NGHẩO S D G 2N3796
Thường tranzito MOSFET loại nghốo dẫn, nhưng với điện ỏp õm nhỏ đặt vào cổng G làm cho cổng nguồn S ngưng dẫn (làm ngưng dũng lớn chảy qua cực mỏng D - cực nguồn S). Tranzito hoạt động với điều kiện VD > VS. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Sử dụng trong cỏc ứng dụng chuyển mạch và khuếch đại.
SD D
G PMOS
Thường tranzito MOSFET loại nghốo dẫn, nhưng với điện ỏp dương nhỏ đặt vào cực cổng G làm cho cổng nguồn S ngưng dẫn (làm ngưng dũng lớn chảy qua cực nguồn S - cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VS > VD. Khụng địi hỏi cú dịng cực cổng. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
MOSFET LOẠI GIẦU
SD D
G 2N3796
Thường tranzito MOSFET loại giầu ngưng dẫn, nhưng với điện ỏp dương nhỏ đặt vào cực cổng G làm cho cổng nguồn S dẫn (cho phộp dũng lớn chảy qua cực mỏng D - cực nguồn S). Tranzito hoạt động với điều kiện VD > VS. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
S D
G IRF9510
Thường tranzito MOSFET loại giầu ngưng dẫn, nhưng với điện ỏp õm nhỏ đặt vào cực cổng G làm cho cổng nguồn S dẫn (cho phộp dũng lớn chảy qua cực nguồn S - cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VS > VD. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại. UJT E B1 B2 UJT
Thường cú dịng rất nhỏ chảy từ cực badơ B2 đến cực badơ B1, nhưng một điện ỏp dương đặt vào cực emitơ E làm cho cực badơ B1 hoặc badơ B2 tăng dũng chảy. Tranzito hoạt động với điều kiện VB2 > VB1. Khơng địi hỏi cú dịng cực cổng G. Chỉ hoạt động như một chuyển mạch.