- Hệ số khuếch đại Ai lớn, Av ≈ 1.
5. Tranzitor hiệu ứng trƣờng
Mục tiờu:
- Vẽ đƣợc sơ đồ cỏch mắc và nờu đƣợc đặc tuyến của JFET, MOSFET
Transistor trỡnh bày trƣớc đƣợc gọi là transistor mối nối lƣỡng cực (BJT = Bipolar Junction Transistor). BJT cú điện trở ngừ vào nhỏ ở cỏch mắc thụng thƣờng CE, dũng IC =IB, muốn cho IC càng lớn ta phải tăng IB (thỳc dũng lối vào).
Đối với transistor hiệu ứng trƣờng cú tổng trở vào rất lớn. Dũng điện ở lối ra đƣợc tăng bằng cỏch tăng điện ỏp ở lối vào mà khụng đũi hỏi dũng điện. Vậy ở loại này điện ỏp sẽ tạo ra một trƣờng và trƣờng này tạo ra một dũng điện ở lối ra.
Field Effect Transistor (FET)
FET cú hai loại: JFET v à MOSFET. 5.1.JFET
5.1.1.Cấu tạo – kớ hiệu
JFET (Junction Field Effect Transistor) đƣợc gọi là FET nối. JFET cú cấu tạo nhƣ (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 tƣơng đối thấp), đỏy trờn và đỏy dƣới lần lƣợt cho tiếp xỳc kim loại đƣa ra hai cực tƣơng ứng là cực mỏng (cực thoỏt) và cực nguồn.
Vũng theo chu vi của thanh bỏn dẫn ngƣời ta tạo một mối nối P – N. Kim loại tiếp xỳc với mẫu bỏn dẫn mới, đƣa 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 đƣợc 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 nhƣ (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 trƣờng cú tỏc dụng đẩy hạt tải đa số của bỏn dẫn kờnh chạy từ S sang D hỡnh thành dũng điện ID. Dũng ID tăng
theo điện ỏp VDS đến khi đạt giỏ trị bóo hũa IDSS (saturation) và điện ỏp tƣơng 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 dũng 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 ngƣợc lại. VGS tăng đến giỏ trị VPO thỡ ID
giảm về 0.
5.1.3.Cỏch mắc JFET
- Cũng tƣơng tự nhƣ 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 thƣờng đƣợc 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 thƣờng đƣợc 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 dũng thoỏt ID theo hiệu điện thế VDS và VGS, từ đú ngƣời ta đƣa 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 dũng thoỏt ID theo VGS. Ta cú:
2S S DSS 0 (1 G ) D P V I I V
- Khi VGS õm thỡ dũng ID giảm, VGS càng õm thỡ dũng ID càng giảm. Khi VGS = VPO thỡ dũng ID = 0. VPO lỳc này đƣợc 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 dũng thoỏt ID theo VDS. .(hỡnh 3-48)
Hỡnh 3-48. Đặc tuyến truyền dẫn của JFET.
- Giả sử chỉnh nguồn VDC về 0v, khụng thay đổi nguồn VDC, ta cú VGS = 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 tƣơng 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 tƣơng tự nhƣ trờn ta vẽ đƣợc 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 đƣợc 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
a. Cấu tạo – kớ hiệu
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)
Trờn nền chất bỏn dẫn loại P, ngƣời ta pha hai vựng bỏn dẫn loại N với nồng độ cao (N+) đƣợc 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) đƣa ra cực thoỏt (D) và cực nguồn (S). Cực G cú tiếp xỳc kim loại bờn ngoài lớp oxit nhƣng 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 tƣ gọi là chõn Sub, chõn này hợp với thụng lộ tạo thành mối nối P-N. Thực tế, chõn Sub của MOSFET đƣợc 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 nhƣ (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 dũng ID tăng, ID sẽ tăng đến một trị số giới hạn là IDsat (dũng ID bóo hũa). Điện thế VDS ở trị số IDsat đƣợc gọi là điện thế nghẽn VP0 giống nhƣ 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 dũng ID càng nhỏ, và đến một trị số giới hạn dũng điện ID gần nhƣ khụng cũn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn –VP0.
Đặc tuyến chuyển này tƣơng tự đặc tuyến chuyển của JFET kờnh N.
Khi VGS > 0, cực G cú điện thế dƣơng 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. Trƣờng hợp này ID lớn dễ làm hƣ MOSFET nờn ớt đƣợc dựng.
Tƣơng tự JFET, ta khảo sỏt hai dạng đặc tuyến của MOSFET kờnh liờn tục: - Đặc tuyến truyền dẫn ID(VGS) ứng với VDS = const.
- Đặc tuyến ngừ ra ID(VDS) ứng với VGS = const.
Cỏch khảo sỏt tƣơng tự nhƣ khảo sỏt JFET nhƣng đến khi cần VGS > 0, ta đổi cực của nguồn VDC nhƣng lƣu ý chỉ cần nguồn dƣơng 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 tƣơng tự nhƣ cấu tạo MOSFET kờnh liờn tục loại N nhƣng khụng cú sẵn kờnh N. Cú nghĩa là hai vựng bỏn dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) khụng dớnh liền nhau nờn cũn gọi là MOSFET kờnh giỏn đoạn. Mặt trờn kờnh dẫn điện cũng đƣợc 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 đƣợc lấy ra từ kim loại tiếp xỳc bờn ngoài lớp oxit SiO2 nhƣng cỏch điện với bờn trong. Cực Sub đƣợc 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 đƣợc nờn ID = 0, điện trở giữa D và S rất lớn. Khi VGS > 0V thỡ điện tớch dƣơng 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 dũng ID chạy từ D sang S. Điện thế cực G càng tăng thỡ ID càng lớn.
Điện thế ngƣỡng V là điện thế VGS đủ lớn để hỡnh thành kờnh, thụng thƣờng
V vài volt.
Tƣơng 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 tƣơng tự nhƣ khảo sỏt JFET và MOSFET kờnh liờn tục nhƣng khỏc với hai trƣờng hợp trờn là cần VGS > 0, cụ thể nguồn VDC phải dƣơng đủ để VGS bằng điện thế ngƣỡng V thỡ ID cú giỏ trị khỏc 0. Ta cú hai dạng đặc tuyến nhƣ (hỡnh 3-58) và (hỡnh 3-59)
Hỡnh 3-59. Họ đặc tuyến ngừ ra I (V ) của MOSFET kờnh giỏn đoạn loại N. 5.2.3. Cỏc cỏch mắc cơ bản của MOSFET
Tƣơng 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
Nhƣ 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 trƣờng ngoài, chỉ dựng một loại hạt dẫn (hạt tải đa số), nú thuộc loại đơn cực tớnh (unipolar), khụng cú quỏ trỡnh phỏt sinh và tỏi hợp của hai loại hạt dẫn nờn cỏc tham số của FET ớt bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ.
Những ƣu điểm nổi bật của FET: tổng trở vào lớn, hệ số khuếch đại cao, tiờu thụ năng lƣợng bộ, kớch thƣớc cỏc điện cực D, G, S cú thể giảm xuống rất bộ, thu nhỏ thể tớch của FET một cỏch đỏng kể và nú đƣợc ứng dụng nhiều trong chế tạo IC mà đặc biệt là loại IC cú mật độ tớch hợp cao. Cũng nhƣ BJT, FET đƣợc ứng dụng nhiều trong cả hai dạngmạch số và tƣơng tự. Nú làm một phần tử trong nhiều dạng mạch khuếch đại, làm chuyển mạch điện tử….
Ngoài ra, họ FET cũn cú cỏc dạng sau: CMOS, V-MOS, D-MOS, FET,…đõy là những dạng đƣợc cải tiến từ MOSFET để cú thờm ƣu điểm trong ứng dụng.
Tổng quan về Tranzitor
Loại
LƢỠNG
CỰC e
c
b NPN
Thƣờng tranzito khụng dẫn nhƣng với một dũng nhỏ đi vào và điện ỏp dƣơng nhỏ tại cực B làm cho cực E dẫn (cho phộp một lƣợng 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
Thƣờng tranzito khụng dẫn, nhƣng với một dũng nhỏ đi ra và điện ỏp õm nhỏ tại cực B làm cho cực E dẫn (cho phộp một lƣợng 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
Thƣờng tranzito dẫn, nhƣng với một điện ỏp õm nhỏ tại cực cổng G làm cho cực nguồn S ngƣng dẫn (khụng cho dũng từ cực nguồn S chảy đến cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VD > VS. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
S D
G PJFET
Thƣờng tranzito dẫn, nhƣng với một điện ỏp dƣơng nhỏ tại cực cổng G làm cho cực nguồn ngƣng dẫn (khụng cho dũng từ cực nguồn S chảy đến cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VS > VD. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
MOSFET LOẠI NGHẩO S D G 2N3796
Thƣờng tranzito MOSFET loại nghốo dẫn, nhƣng với điện ỏp õm nhỏ đặt vào cổng G làm cho cổng nguồn S ngƣng dẫn (làm ngƣng dũng lớn chảy qua cực mỏng D - cực nguồn S). Tranzito hoạt động với điều kiện VD > VS. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Sử dụng trong cỏc ứng dụng chuyển mạch và khuếch đại.
SD D
G PMOS
Thƣờng tranzito MOSFET loại nghốo dẫn, nhƣng với điện ỏp dƣơng nhỏ đặt vào cực cổng G làm cho cổng nguồn S ngƣng dẫn (làm ngƣng dũng lớn chảy qua cực nguồn S - cực mỏng D). Tranzito hoạt động với điều kiện VS > VD. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại. MOSFET LOẠI GIẦU S D G 2N3796
Thƣờng tranzito MOSFET loại giầu ngƣng dẫn, nhƣng với điện ỏp dƣơng 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. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại.
S D
G IRF9510
Thƣờng tranzito MOSFET loại giầu ngƣng dẫn, nhƣng 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. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Sử dụng làm chuyển mạch và khuếch đại. UJT E B1 B2 UJT Thƣờng cú dũng rất nhỏ chảy từ cực badơ B2 đến cực badơ B1, nhƣng một điện ỏp dƣơng đặt vào cực emitơ E làm cho cực badơ B1 hoặc badơ B2 tăng dũng chảy. Tranzito hoạt động với điều kiện VB2 > VB1. Khụng đũi hỏi cú dũng cực cổng G. Chỉ hoạt động nhƣ một chuyển mạch.