1. Khái niƯm chung
Nguyờn tắc hoạt động
Nguyờn tắc hoạt động cơ bản của FET là làm cho dũng điện cần điều khiển đi qua một mụi trờng bỏn dẫn cú tiết diện dẫn điện thay đổi dới tỏc dụng của điện trờng vuụng gúc với lớp bỏn dẫn đó. Sự thay đỉi c−ờng độ điƯn trờng sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bỏn dẫn và do đú làm thay đổi dũng điện đi qua nú. Lớp bỏn dẫn này đợc gọi là kờnh dẫn điện. Đõy là điểm khác biƯt so với BJT vỡ BJT dựng dũng điện cực gốc để điều khiển.
Trong FET, dòng điện hỡnh thành do một loại hạt dẫn duy nhất, hoặc là điện tử hoặc là lỗ trống.
b. Phõn loại
Transistor trờng cú 2 loại là:
+ Transistor tr−ờng có điỊu khiĨn bằng tiếp xúc P - N (hay còn gọi là transistor mối nối – JFET- Junction field effect transistor)
+ Transistor có cực cửa cỏch điện (IGFET insulated gate field effect transistor) hay MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor).
MOSFET đợc chia làm 2 loại là MOSFET kờnh cú sẵn và MOSFET kờnh cảm ứng
Mỗi loại FET ở trờn lại đợc chia thành loại kờnh N hoặc kờnh P (tuỳ theo hạt dẫn điện là điện tử hay lỗ trống)
c. Ký hiệu FET trong sơ đồ mạch
S: Source – cực nguồn mà qua đú cỏc hạt đa số đi vào kờnh và tạo ra dũng điện nguồn IS D: Drain cực mỏng là cực mà ở đú cỏc hạt dẫn đa số rời khỏi kênh dẫn
G: Gate – cực cửa là cực điều khiển dũng điện chạy qua kờnh dẫn
d. Ưu điểm và nhợc điểm của FET
Ưu điểm:
+ Trở khỏng vào rất cao
+ Tạp õm ớt hơn nhiều so với transistor lỡng cực + Độ ổn định nhiệt cao
+ Tần số làm việc cao Nhợc điểm:
JFET MOSFET kờnh cú sẵn MOSFET kờnh cảm ứng
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 55
+ Công nghƯ chế tạo phức tạp nờn khú sản xuất hơn BJT + Hệ số khuếch đại thấp hơn nhiều so với BJT
1. Transistor tr−ờng điỊu khiĨn bằng tiếp xúc P - N (JFET)
Cấu tạo và nguyờn tắc hoạt động
JFET có cấu tạo gồm có một miếng bỏn dẫn mỏng loại N (ta cú JFET kờnh loại N) hoặc loại P (ta cú JFET kờnh loại P) ở giữa 2 tiếp xỳc P - N và đợc gọi là kờnh dẫn điƯn. Hai đầu cđa miếng bỏn dẫn đợc đa ra 2 chõn cực gọi là cực mỏng (D) và cực nguồn (S). Hai miếng bỏn dẫn ở 2 bên cđa kờnh đợc nối với nhau và đa ra một chõn cực gọi là cực cưa (G)
Cỏc JFET hầu hết là loại cú cấu trỳc đối xứng, nghĩa là khi đấu trong mạch cú thể đổi chỗ 2 chõn cực mỏng và nguồn mà tớnh chất và tham số của FET khụng thay đổ
Nguyờn tắc làm việc của JFET:
Mn JFET làm viƯc ở chế độ khuếch đại cần phải cung cấp nguồn điện một chiỊu giữa cực cưa và cực nguồn UGS có chiỊu sao cho cả 2 tiếp xúc P - N đều đợc phõn cực ngợc cũn nguồn điện cung cấp giữa cực mỏng và cực nguồn UDS có chiều sao cho cỏc hạt dẫn đa số phải chuyển động từ cực nguồn S đi qua kờnh về cực mỏng để tạo nờn dũng điện cực mỏng ID.
JFET kờnh N và kờnh P cú nguyờn tắc hoạt động giống nhaụ Chúng chỉ khác nhau vỊ chiỊu cđa ngn điện cung cấp là ngợc chiều nha ở đõy ta xột trờng hợp JFET kờnh loại N.
Với JFET kờnh loại N cần mắc nguồn cung cấp sao cho:
UGS < 0 đĨ 2 chun tiếp P và N phõn cực ngợc (dũng IG ≈ 0)
UDS > 0 đĨ điƯn tư di chun từ S tới D và ta có thĨ tính dịng ID theo UGS dựa vào phơng trỡnh Shockley nh sau:
2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = −
với IDbh là dũng cực mỏng bÃo hoà trong trờng hợp tăng UDS tới giỏ trị nhất định nào đó với cực cưa đĨ hở. UP là điện ỏp thắt, khi giữ nguyờn giỏ trị cđa UDS mà tăng trị số của UGS thì dịng ID sẽ nhỏ lại (vỡ kờnh dẫn hẹp lại do chuyển tiếp P-N phõn cực ngợc lớn) và tới khi UGS = UP thì dịng ID = 0, ta núi kờnh dẫn bị thắt. Với mỗi JFET giỏ trị của IDbh và UP đợc cho trớc vỡ vậy phơng trỡnh truyền đạt này hoàn toàn xỏc định đợc, nú đi qua 3 điểm (0, IDbh); (UP, 0); và (UP/2, IDbh/4).
Kỹ tht điƯn tư 56
Để xỏc định điểm làm việc tĩnh của JFET cần xỏc định thờm một phơng trỡnh thĨ hiƯn mối quan hƯ giữa UGS và ID (phơng trỡnh đầu vào). Khi đú, giao của 2 đồ thị này chớnh là điểm Q. Ví dơ: Xét sơ đồ phân cực cho JFET nh− sau:
Khi đó ta cú cỏc phơng trỡnh:
Phơng trỡnh Shockley (phơng trỡnh của đặc tuyến truyền đạt): 2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = − (1)
Phơng trỡnh đầu vào: UGS + IS.RS = 0 (2) (vì IG ≈ 0)
Thay UGS từ (2) vào (1), giải phơng trỡnh bậc 2 và loại 1 nghiệm khụng hợp lý để xỏc định đợc IDQ. Thay vào (2) để xỏc định lại UGSQ.
Cũng có thể xỏc định Q bằng cỏch vẽ đồ thị của (1) và (2) và tỡm giao điểm, đú chớnh là điểm Q.
3. Transistor tr−ờng loại MOSFET
Đõy là loại transistor tr−ờng có cực cửa cỏch điện với kờnh dẫn điện bằng một lớp cỏch điện mỏng. Lớp cỏch điện thờng đợc dựng là chất oxit nờn transistor trờng loại này cũn đợc gọi là transistor MOS.
ạ Cấu tạo của MOSFET
Điện cực cửa của MOSFET đợc cỏch điện đối với kờnh dẫn điƯn bằng một màng điện mụi mỏng th−ờng là oxit silic (SiO2). Đế của linh kiện là một chất bỏn dẫn khỏc loại với chất bỏn dẫn làm cực S và D. (MOS – Metal – oxit – semiconductor)
MOSFET có 2 loại là MOSFET kờnh cú sẵn (cũn gọi là
DMOSFET - Depleted MOSFET - loại nghốo) và MOSFET kờnh cảm ứng (cũn gọi là EMOSFET – Enhanced MOSFET - loại giàu). Trong mỗi loại này lại cú 2 loại là kờnh dẫn loại N và kờnh dẫn loại P.
Ch−ơng III: Linh kiƯn tích cực
Kỹ tht điƯn tư 57
MOSFET kờnh cú sẵn là loại transistor mà khi chế tạo ngời ta đà chế tạo sẵn kờnh dẫn. Loại này cú nhợc điểm là cú dũng rũ lớn nờn hiện nay ngời ta sử dụng loại này rất ớt.
Ký hiƯu cđa loại DMOSFET nh− sau:
MOSFET kờnh cảm ứng là loại transistor khi chế tạo ngời ta khụng chế tạo sẵn kờnh dẫn mà kờnh dẫn đợc hỡnh thành trong quỏ trỡnh transistor làm việc. Ký hiệu của EMOSFET nh− sau:
Dới đõy là một số hỡnh ảnh pha tạp thực tế để tạo EMOSFET loại N.
b. Nguyờn tắc làm việc
Nguyờn tắc hoạt động của MOSFET kờnh loại P và MOSFET kờnh loại N giống nhau nhng cực tính ngn cung cấp ng−ỵc nha
MOSFET kờnh cú sẵn (loại N) – DMOSFET loại N
Khi transistor làm việc thụng thờng cực nguồn S đợc nối với đế của linh kiện và nối đất nờn US = 0. Cỏc điện ỏp đặt vào cỏc chõn cực cửa G và cực mỏng D là so với chõn cực S.
Cỏc chõn cực đợc cấp nguồn sao cho dũng điện chạy từ cực S tới cực D, điện ỏp trờn cực cửa sẽ quyết định MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hay nghốo hạt dẫn.
Khi UGS = 0 trong mạch vẫn cú dũng điện cực mỏng (dũng cỏc hạt điện tử) nối giữa cực S và cực D. Gia tăng giỏ trị cđa UDS sẽ cú dũng cực mỏng tăng nhng tới một giỏ trị nào đú thỡ khụng tăng nữa, dũng cực mỏng khi đú đạt giỏ trị bÃo hoà.
Khi UGS > 0 điện tử bị hỳt vào vựng kờnh đối diện với cực cửa làm giàu hạt dẫn cho kờnh, tức là làm giảm điện trở của kờnh do đú tăng dũng cực mỏng ID. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu của DMOSFET. Khi này giỏ trị dũng cực mỏng cú thể tăng quỏ giỏ trị dũng bão hoà, làm cho MOSFET dễ bị núng và chỏy hỏng, vỡ vậy chế độ này khụng đợc sử dụng.
Khi UGS < 0 qỳa trỡnh xảy ra ngợc lại, tức là điện tử bị đẩy ra xa kờnh dẫn làm điện trở của kờnh tăng lờn, do vậy dũng cực mỏng ID giảm. Chế độ này gọi là chế độ nghốo hạt dẫn cđa DMOSFET. Giỏ trị của dũng cực máng sẽ phơ thc vào sự điều khiển của điện ỏp UGS và DMOSFET chỉ làm việc ở chế độ nà Kết quả là ta cú phơng trỡnh truyền đạt giống nh− của JFET,
Kỹ tht điƯn tư 58 nghĩa là: 2 ) 1 ( P GS Dbh D U U I I = −
MOSFET kờnh cảm ứng (loại N) EMOSFET loại N
Loại EMOSFET này kờnh dẫn chỉ xuất hiện trong quỏ trỡnh làm việc Khi UGS ≤ 0, kờnh dẫn khụng tồn tại, dũng ID = 0
Khi UGS > 0 tại vựng đế đối diện cực cửa xuất hiện cỏc điện tử tự do và hỡnh thành kờnh dẫn nối giữa nguồn và mỏng. Độ dẫn điện của kờnh phụ thuộc vào UGS. Nh− vậy, MOSFET kờnh cảm ứng chỉ làm việc với một loại cực tớnh của UGS và chỉ ở chế độ già
Trên thực tế kênh dẫn chỉ hỡnh thành khi UGS lớn hơn một giỏ trị nhất định gọi là điƯn áp ng−ỡng UT, đõy là giỏ trị mà bắt đầu từ đú hỡnh thành kờnh dẫn (UT > 0)
Dới đõy là hỡnh minh hoạ cho những phõn tớch trờn
EMOSFET cú phơng trỡnh truyền đạt nh sau: 2
) ( GS T
D k U U
I = −
với k là hệ số khụng đổi trong quỏ trỡnh làm việc cđa EMOSFET và có thĨ xỏc định đợc thụng qua một cặp giỏ trị (UGS, ID) nào đú.
Việc xỏc định điểm Q cđa MOSFET giống nh− với JFET, nghĩa là có hai cỏch: hoặc là giải phơng trỡnh bậc hai sau khi thế phơng trỡnh đầu vào vào phơng trỡnh truyền đạt, hoặc là vẽ hai đồ thị để tỡm giao điểm.
Chế độ giàu hạt dẫn
Chế độ nghèo hạt dẫn
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Kỹ tht điƯn tư 59