Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET

Nội dung text: Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 6: Transistor hiệu ứng trường FET

1. Chương 6:TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG FET Mục tiêu thực hiện: - Cấu tạo, nguyên lí làm việc của transistor trường, đặc tuyến volt-ampere. - Ưu việt của FET so với BJT. - Biết sử dụng các loại FET trong các mạch điện tử chức năng.
2. 1. Mở đầu So sánh: - BJT: 2 tiếp giáp p-n, 2 loại hạt dẫn đs và ts. - FET:1 tiếp giáp p-n, 1 lọai hạt dẫn đs.Điều khiển bằng E. - FET có các tính năng ưu việt hơn BJT: RV lớn, AV cao, ít tiêu thụ năng lượng, thích hợp cho công nghệ vi điện tử, công nghệ bán dẫn
3. 2. Phân loại Transistor hiệu ứng trường FET gồm có 2 loại chính: - FET điều khiển bằng tiếp giáp p – n ( JFET = Junction Field Effect Transistor). - FET có cực cửa cách li ( IG-FET = Isolated Gate Field Effect Transistor) hay MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor FET). - MOSFET chia làm 2 loại: MOSFET kênh có sẵn (D – MOSFET = Depletion MOSFET). MOSFET kênh cảm ứng ( E – MOSFET = Enhancement MOSFET).
4. 3. JFET 3.1 Cấu tạo của JFET: JFET kênh n: 1 thỏi bán dẫn Si loại n hình trụ. Đáy trên - cực máng D (drain) Đáy dưới - cực nguồn S (source). Bao quanh là 1 lớp bán dẫn loại p - dùng làm - cực cửa G (gate). Phần thể tích còn lại của thỏi Si không bị vùng nghèo choán chỗ gọi là kênh dẫn.
5. Ký hiệu của JFET kênh N và kênh P
6. 3.2. Nguyên lý làm việc của JFET ◼ ED , tạo dòng ID chạy qua kênh dẫn. ◼ EG đặt VGS giữa cực G và cực S, làm cho p-n pcn, bề dày vùng nghèo tăng lên và tiết diện của kênh dẫn bị thu hẹp. Nếu giữ ED không đổi, khi tăng EG dòng ID giảm. ◼ Đặt giữa G và S 1tín hiệu xoay chiều eS. Dòng ID tạo một điện áp trên điện trở RD có cùng dạng với eS nhưng với biên độ lớn hơn, ta nói J-FET đã khuếch đại tín hiệu.
7. 3.3. Đặc tuyến V-A (xét loại kênh n) VGS = 0 chia đặc tuyến thành 3 đoạn:Miền điện trở, miền thắt kênh, miền đánh thủng. VGS ≠ 0, tiếp giáp p-n pcn nhiều hơn, điện trở kênh dẫn tăng và dòng ID nhỏ hơn. VGS càng âm, ID càng giảm.
8. - BJT : IC = f (IB) =  IB - JFET: Công thức Shockley 2 ID = IDSS ( 1 – VGS / VP) ID (mA) UGS = 0V IDSS UGS = -1V UGS = -2V UGS = -3V UGS (V) U (V) -4 -3 -2 -1 0 DS
9. 3.5 Các tham số đặc trưng 1. Điện trở vi phân lối ra (điện trở kênh dẫn) V r = DS D VDS =const ID 2. Hỗ dẫn (độ dốc đặc tuyến truyền đạt) ID gm = V =const DS gm = 7 ÷ 10mA/V. VGS 3. Điện trở vi phân lối vào (điện trở vào) V r = GS i VDS =const IG 4. Hệ số khuếch đại tĩnh V  = DS ID =const VGS
10. 3.6. Sơ đồ tương đương của J-FET Giữa hai cực vào G, S là điện trở vào ri. Giữa hai cực ra có điện trở kênh dẫn rd và nguồn dòng gm VGS (phản ánh khả năng điều khiển dòng điện máng của điện áp vào VGS). Dòng qua tải mắc giữa hai cực ra D, S là: vDS iD = gmvGS + rD
11. 4. Transistor trường có cực cửa cách li (IG-FET hay MOS-FET) 4.1. Cấu tạo của MOS-FET kênh có sẵn loại n - Từ phiến bán dẫn Si loại p, tạo trên bề mặt của nó một lớp bán dẫn loại n làm kênh dẫn. - Ở hai đầu kênh dẫn người ta khuếch tán hai vùng n+ dùng làm cực nguồn (S) và cực máng (D), phủ một màng SiO2 bảo vệ trên bề mặt phiến Si. - Phía trên màng này gắn một băng kim loại dùng làm cực cửa (G). Đáy của phiến Si gắn sợi dây kim loại dùng làm cực đế SUB (substrate). Nếu phiến bán dẫn là loại n, ta có MOS-FET loại p.
12. 4.2. Nguyên lí làm việc của MOS-FET kênh n - VDS (do nguồn ED), có dòng ID tạo bởi hat dẫn đa số (điện tử). - VGS (do nguồn EG), điện trở kênh tăng và ID giảm. VGS càng âm, ID càng giảm.Chế độ làm việc này làm nghèo hạt dẫn vì thế được gọi là chế độ nghèo (depletion). - VGS > 0, thì càng tăng VGS, Rkênh giảm và ID càng tăng. Chế độ này Tầng khuếch đại được gọi là chế độ giàu dùng MOS-FET kênh n (enhancement).
13. 4.3. Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến V - A của MOS-FET kênh có sẵn loại n. Mỗi đặc tuyến cũng có ba đoạn tương ứng: - Đoạn ID tăng gần tuyến tính theo VDS, - Đoạn ID bão hoà (trạng thái thắt kênh) - Và đoạn đánh thủng.
14. 4.4. Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng Từ phiến bán dẫn Si loại p, hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao không dính liền nhau dùng làm cực nguồn (S) và cực máng (D), phủ một màng SiO2 bảo vệ trên bề mặt phiến Si. Phía trên màng này gắn một băng kim loại dùng làm cực cửa (G). Đáy của phiến Si gắn sợi dây kim loại dùng làm cực đế SUB (substrate). Nếu phiến bán dẫn là loại n, ta có MOS-FET loại p.
15. 4.5. Đặc tính của MOSFET kênh cảm ứng ◼ Bình thường không có dòng điện qua kênh, ID = 0 và điện trở giữa D và S rất lớn. ◼ VGS> 0 thì điện tích dương ở cực G sẽ hút các điện tử của nền P về phía giữa 2 vùng bán dẫn N và kênh được liên tục khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S. Điện thế phân cực cho cực G càng tăng thì dòng ID càng lớn.
16. 4.6. Nhận xét chung về J-FET và MOS-FET Như vậy, transistor trường thuộc loại linh kiện điều khiển bằng điện áp, còn BJT thuộc loại điều khiển bằng dòng điện. Dòng điện máng ID tạo nên bởi chỉ một loại hạt dẫn (hạt đa số của kênh dẫn)- transistor trường thuộc loại đơn cực tính (unipolar). Các tham số của FET ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ và tạp âm nội bộ cũng thấp hơn so với BJT. Điện trở lối vào của FET rất lớn, dòng điện vào gần bằng 0 nên mạch vào hầu như không tiêu thụ năng lượng. Điều này rất thích hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu hoặc có trở nội lớn.