bán dẫn nhiều mặt ghép
TRANSISTOR Trường và linh kiện bán dẫn nhiều mắtghép ghép
Tổng quan
Khác với tranzito lưỡng cực, hoạt động của tranzito trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường nghĩa là độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển.
Dòng điện trong tranzito trường do một loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống hoặc điện tử nên nó còn được gọi là cấu kiện đơn cực.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của tranzito trường là dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện dẫn điện thay đổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó.
Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó. Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện.
Tranzito trường có hai loại chính là:
- Tranzito trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối): Junction field- effect transistor - viết tắt là JFET.
- Tranzito có cực cửa cách điện: Insulated- gate field effect transistor - viết tắt là IGFET. Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên còn gọi là metal- oxide- semiconductor transistor (viết tắt là MOSFET).
Trong loại tranzito trường có cực cửa cách điện được chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng.
Mỗi loại FET lại được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P.
Tranzito trường có ba chân cực là cực Nguồn ký hiệu là chữ S (source); cực Cửa ký hiệu là chữ G (gate); cực Máng ký hiệu là chữ D (drain).
Cực nguồn (S): cực nguồn mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS.
Cực máng (D): là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh. Cực cửa (G): là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh.
JFET
Cấu tạo của JFET:
Tranzito JFET cấu tạo gồm có một miếng bán dẫn mỏng loại N (gọi là kênh loại N) hoặc loại P (gọi là kênh loại P) ở giữa hai tiếp xúc P-N và được gọi là kênh dẫn điện. Hai đầu của miếng bán dẫn đó được đưa ra hai chân cực gọi là cực máng (ký hiệu là D) và cực nguồn (ký hiệu là S). Hai miếng bán dẫn ở hai bên của kênh được nối với nhau và đưa ra một chân cực gọi là cực cửa (ký hiệu là G). Cho nên, cực cửa được tách khỏi kênh bằng các tiếp xúc P-N.
Các tranzito trường JFET hầu hết đều là loại đối xứng, có nghĩa là khi đấu trong mạch có thể đổi chỗ hai chân cực máng và nguồn cho nhau thì các tính chất và tham số của tranzito không hề thay đổi.
Cấu tạo của tranzito trường loại JFET kênh dẫn loại N
Nguyên lý hoạt động của JFET:
Nguyên lý hoạt động của tranzito trường JFET kênh loại N và kênh loại P giống nhau. Chúng chỉ khác nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực.
Để cho tranzito trường làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện UGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược. Còn nguồn điện UDS có
chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID. Ta có các sơ đồ nguyên lý như hình 5-3. Trong phần này trình bày về nguyên lý hoạt động của tranzito JFET kênh N.
Sơ đồ nguyên lý của mạch dùng JFe
Xét sơ đồ hình 9.2 a): Để cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G. Để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng, chiều âm vào cực nguồn.
Khi UDS > 0, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn S đến cực máng D. Do vậy, tiếp xúc P-N sẽ bị phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng. Bề dày lớp tiếp xúc tăng dần về phía cực máng và tiết diện của kênh sẽ hẹp dần về phía cực máng.
MOSFET
Cấu tạo:
Tranzito trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET viết tắt là DMOSFET). Ta có mô hình mô phỏng cấu tạo của MOSFET trong hình 9.3. Tranzito trường loại MOS có kênh sẵn là loại tranzito mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn.
Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguyên lý hoạt động:
Tranzito loại MOSFET kênh sẵn có hai loại là kênh loại P và kênh loại N. (ví dụ trong hình 9.2 là MOSFET có kênh sẵn loại P).
Khi tranzito làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US = 0. Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S. Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng. Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.
Nguyên lý làm việc của hai loại tranzito kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau. Sơ đồ nguyên lý đấu nối MOSFET kênh sẵn như trong hình 9.3.
Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại Sơ đồ nguyên lý của MOSFET: a- MOSFET kênh sẵn loại P. b- MOSFET kênh sẵn loại N
Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là đặc tuyến truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS, ta có hàm sau:
ID = f(UGS) khi UDS = const.
Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS = UDS1 <0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi UGS = 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID
Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh ID tăng lên. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn.
Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống, độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống. Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn. Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 9.4a. - Xét họ đặc tuyến ra (hay quan hệ giữa dòng điện ID và điện áp UDS):
ID = f(UDS) khi UGS = const.
Hình 9.4b thể hiện họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh sẵn loại P. Đây là các đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS ứng với từng giá trị của điện áp UGS khác nhau.
Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P: a. Họ đặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) khi UDS không đổi, b. Họ đặc tuyến ra ID = f(UDS) khi UGS không đổi
Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0V thì dòng điện qua kênh ID = 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ. Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số còn nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính theo định luật Ôm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến.
Khi điện áp UDSđạt tới trị số bão hòa (UDSb.h.) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới một trị số gọi là dòng điện bão hòa IDb.h.. Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm "thắt" tại cực máng, nên UDSbh còn được gọi là điện áp “thắt”.
Nếu cho |UDS|>|UDSb.h.| thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa IDb.h.. Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị "thắt" tăng lên. Độ chênh lệch của điện áp ΔUDS = ?UDS?-?UDSbh? được đặt lên đoạn kênh bị "thắt" và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị "thắt" không thay đổi, do vậy dòng IDbh giữ không đổi. Ta có vùng dòng điện ID bão hòa.
Trường hợp, nếu đặt UDS quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N ở phía cực máng, dòng điện ID tăng vọt. Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh thủng. Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả 2 chế độ nghèo và giàu hạt dẫn. MOSFET kênh sẵn có mức ồn nhỏ nên nó thường được dùng trong các tầng khuếch đại đầu tiên của thiết bị cao tần. Độ hỗ dẫn gm của nó phụ thuộc vào điện áp UGS nên hệ số khuếch đại điện áp thường được tự động điều khiển.