Giáo trình Điện tử cơ bản - Chương 6: Transistor trường ứng (FET)

Nội dung text: Giáo trình Điện tử cơ bản - Chương 6: Transistor trường ứng (FET)

1. Điện tử cơ bản Ch 6.Transistor trường ứng( FET)
2. I. Đại cương và phân loại • FET ( Field Effect Transistor)-Transistor hiệu ứng trường – Transistor trường. • Có 2 loại: - Transistor trường nối (JFET-Junction FET. - Transistor có cổng cách điện ( IGFET- Insulated Gate FET hay MOSFET – Metal Oxide Semiconductor : Kim loại- oxid-bán dẫn)
3. I. JFET 1.Cấu tạo D D D D G G G G p p n n n p S S S S kênh n kênh p
4. • JFET
5. • JFET kênh n
6. 2 Cách hoạt động(xem hình ). • VGS >0 nối pn phân cực thuận và do đó sẽ có dòng điện từ cực nguồn S đến cực thoát D lớn nhưng không điều khiển được a.VGS = 0 V và VDS >0 : Nối pn phân cực nghịch tạo thành vùng hiếm 2 bên mối nối , khi VDS càng lớn vùng hiếm càng rộng làm thắt chặt đường đi của điện tử tự do bị hút về cực thoát. Kết quả : khi VDS nhỏ dòng thoát ID tăng nhanh, khi VDS càng lớn dòng thoát tăng chậm, khi VDS đủ lớn vùng hiếm làm nghẽn kênh ,dòng thoát bão hòa IDSS( do dòng ID có trị lớn nhất và không thay đổi),và điện thế nghẽn Vpo ( do VGS=0V)
7. Phân cực
8. • Khi VDS lớn
9. source voltage is lower than -Vp, no current flows. This is the cutoff region Gate Source Drain p Channel n p
10. depletion regions form around the gate sections. As the gate voltage is increased, the depletion regions widen, and the channel width (i.e., the resistance) is controlled by the gate-source voltage. This is the ohmic region of the JFET Gate Source Drain p n Channel p depletion regions
11. regions further widen near the drain end, eventually pinching off the channel. This corresponds to the saturation region Gate Source Drain p n Channel p Pinched-off channel
12. b.Khi cho VDS = h.s và VGS<0 • Khi VGS <0 ( VGS1 = -1V): Nối pn phân cực nghịch, vùng hiếm lớn hơn khi VGS = 0V dòng thoát ID có trị nhõ hơn và trị số điện thế nghẽn Vp1 cũng nhỏ hơn Vpo. • Khi cho VGS càng âm ( VGS2 =-2V),vùng hiếm càng tăng ,kênh càng hẹp hơn , dòng ID càng nhõ hơn nữa và Vp2 < Vp1. • Khi VGS âm đủ lớn( thí dụ VGS = - 5V) , vùng hiếm quá lớn làm kênh bị tắt, dòng ID =0, và điện thế phân cực cổng - nguồn là điện thế ngưng VGSOFF = - Vpo .
13. V = ­5 V GS G p+ SCL n S D VDS Fig. 6.32: W h en V G S = ­5 V the d epletion lay ers close the w hole chann el from th e start, at V D S = 0. A s V D S is increased there is a very sm all drain cu rrent w hich is the sm all reverse leakage cu rren t du e to therm al generation of carriers in th e d epletion lay ers. Fro m P rinciples of E lectron ic M a terials and D evices , S econ d E d ition, S .O . K asap (© M cG raw -H ill, 2 002) a te ria ls.U sask .C a
14. II. Đặc tuyến và công thức dòng thoát ID 1.Đặc tuyến ngõ ra ID = f(VDS) tạiVGS=h,s. Có 3 vùng: Vùng điện trở Vùng bão hoà Vùng ngưng
15. Figure 9.41 JFET characteristic curves 4 m 0 V 3 m – 0.5 V 2 m – 1.0 V 2 m – 1.5 V 800 u – 2.0 V – 2.5 V 0 VGS = – 3 V 0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Drain-source voltage, V
16. • Theo chùm( họ) đặc tuyến ra , quỉ tích các điện thế nghẽn là đường cong thoả hàm số theo điện thế phân cực và Vpo: Vp = VDS bh = VGS + Vpo ( Với Vpo >0) (1) Thí dụ :Khi : VGS = 0V VDS0bh = VP0=0+5V = 5V VGS = -1V VDS1bh=VP1=-1+5V = 4V VGS = -2V VDSbh = VP2=-2+5V = 3V VGS = -5V VDSbh =VP5=-5V+5V = 0 (Vp5 = VGSOFF) • Do tính chất đối xứng nên VPO và VGSOFF bằng nhau nhưng khác dấu. Mặt khác theo định luật kirchooff về thế ta có:VDS = VDG+VGS và khi VGS = 0 V ta điện thế nghẽn VDS0 = VDGo = Vpo (để dễ liên tưởng đến điện thế nghẽn ( pinch off), nên khi VGS <0 gọi điện thế nghẽn là VDSbh= Vp và thay vào trên ta được: VDSbh = VGS + Vpo như trên
17. 2. Đặc tuyến truyền ID=f(VGS)
18. • Lưu ý rằng đặc tuyến truyền còn được suy ra từ đặc tuyến ra cho sẳn như sau: ID ( mA) IDSS Q IDQ VGSOFF VGSQ VGS(V) 6 4 2 0
19. 3. Công thức dòng điện thoát ID. Trong vùng bão hoà, dòng điện thoát cho bởi phương trình Schockley: 2 V GS (2) IID DSS 1 V GSOFF IDSS dòng bão hoà cực đại ( khi VGS = 0V). VGS điện thế phân cực cổng - nền. VGSOFF ( hoặc –VP0) điện thế ngưng tuỳ thuộc vào JFET được sử dụng.
20. • Mô hình DC
21. III. Phân cực JFET . Khi hoạt động trong vùng điện trở, JFET là 1 điện trở có trị thay đổi theo điện thế phân cực, trong vùng này VDS rất bé. . Khi hoạt động trong vùng điện trở kết hợp với vùng ngưng JFET hoạt động kiểu giao hoán ( chuyển mạch). . Khi hoạt động trong vùng bão hoà (hay vùng điện trở không đổi),JFET có tính khuếch đại. Các cách hoạt động nói trên tuỳ thuộc vào điện thế phân cực VGS và VDS.
22. • 4. Đặc tính kỹ thuật- Trị số giới hạn JFET có các trị số giới hạn sau: . Điện thế cực đại VDSmax , nếu vượt quá sẽ xảy ra hiện tượng hủy thác làm hư FET. . Dòng IDmax không được vượt quá . Công suất cực đại PDM không được vượt quá . Vùng điện tích an toàn ( SOA) giới hạn bởi 3 vùng điện trở, vùng bão hoà, vùng ngưng, và 3 đường do 3 trị cực đại nêu trên. Muốn thiết kế mạch khuếch đại điểm tĩnh điều hành phải nằm trong vùng diện tích an toàn .
23. Phân cực Q trong vùng tác động 1.Mạch phân cực cố định Do tổng trở vào rất lớn, + VDD nên dòng I =0 và : G RD VGS = VGG < 0 (1) Q + Dòng thoát cho bởi: G - VDSD 2 RG VGS - V GG + (2) VGG S IID DSS 1 + V GSOFF Điện thế VDS cho bởi: VDS = VDD – RDID (3) Phương trình đường thẳng tải tĩnh: ID =(-VDS + VDD)/ RD ( 4)
24. 2.Mạch tự phân cực Điện trở RS và RG giúp ta có VGS < 0 dù không có cấp điện âm cho cực G. Áp dụng định luật Kirchhoff + VDD về thế cho vòng cực G và S: RD ID RGIG+VGS+RSID=0 Q + G VGS =- RSID < 0 (1) - VDS Dòng thoát cho bởi (2) IG VGS - =0 RG + S như trên: ID RS 2 RISD (2) IID DSS 1 V GSOFF
25. • Áp dụng định luật Kirchhoff về thế vòng cực D-S cho: VDD= RDID+VDS+ RSID VDS = VDD – ( RD+RS) ID (3) Phương trình đường ID ( mA) thẳng tải tĩnh DCLL: IDM N VVDS DD I D (4) RRRRDSDS IDQ Q VGSQ IDM = VDD/( RD+RS) VDSM = VDD M 0 VDSQ VDD VDS(V)
26. • Vai trò đường tải tĩnh
27. 3. Phân cực bằng cầu phân thế Với điều kiện phải chọn Rs để có VGS 0 ( kênh p ). • Ta có mạch G-S: R2 + VDD VVG DD RR2 1 V S RIS D RD R1 VVVGS GS 0 (2) Q + VDS - Mạch D-S cho dòng VGS - I ở (2) và V cho bởi: + Vs D DS R2 RS VDS = VDD- ( RD + RS)ID (3) • Đường tải tĩnh: VVDSDD I D ( 4 ) RRRRDSDS
28. • IV. Transistor trường có cổng cách điện hay MOSFET. MOSFET có 2 loại : • MOSFET loại tăng ( viết tắt EMOSFET – Enhancement MOSFET). • MOSFET loại hiếm ( viết tắt DMOSFET- Depleition MOSFET ). A. MOSFET loại tăng ( giàu) 1. Cấu tạo Dùng quang khắc để tạo nên lớp cách điện ở cổng G ( h.8):
29. MOSFET is normally off in the absence of an external electric field Gate iD D Source Drain + n+ p n+ + VDS _ VDD _ + V G Bulk (substrate) _ DD S
30. • Transistor EMOSFET được thực hiện trên 1 giá ( nền , thân) Si loại p. Và trên nền nói trên 2 vùng pha đậm n+ được khuếch tán tạo nên cực nguồn S và cực thoát D. • Một lớp cách điện ( SiO2) đặt dưới cực cổng G, nên điện trở ngõ vào ( cực G ) rất lớn có thể đến vài chục – vài trăm Gohm. • Do cấu trúc như trên nên FET này có tên MOSFET ( MOS–Metal-Oxide-Semicon- ductor ) • Do giữa 2 cực S và D thành lập vùng hiếm lớn, nên MOSFET không dẫn điệnkhi chưa được phân cực .
31. • N-DMOSFET
32. MOSFET dẫn điện nhưng do điện trường còn nhỏ nên dòng ID vào khoảng vài uA. • Khi VGS > 0 càng lớn, số điện tử tự do ( hạt tải đa số ) trong kênh cảm ứng càng tăng làm dòng thoát ID càng tăng. • Nếu giờ giử VGS đủ lớn như trên và làm thay đổi VDS ( bằng cách thay đổi VDD):  Lúc VDS còn nhỏ dòng ID tăng rất nhanh  Lúc VDS tăng đủ lớn, do vùng thoát phân cực nghịch , vùng hiếm lan rộng làm hẹp và bị nghẽn tại cuối kênh , dòng thoát ID đạt trị số bão hoà ( có trị lớn nhứt và không đổi) VDSbh .
33. 2.Cách hoạt động E-MOSFET kênh n còn gọi là NMOS loại tăng trước tiên được phân cực với VDS >0 nhỏ và giử không đổi ,cho VGS thay đổi: • Khi VGS 0 nhưng vẫn VGS VTH số điện tích âm dưới cực cổng đủ hình thành kênh n từ cực S sang cực D, nhờ đó các điện tử tự do dễ dàng di chuyển từ S sang D dưới tác động của điện trường ngoài ( cực D có VDD rất lớn).
34. . Sau đó, nếu tiếp tục gia tăng VDS > VDSbh vùng hiếm phía cực D càng rộng làm điểm nghẽn di chuyển về phía cực nguồn S nên dòng ID vẫn giử trị không đổi ( bão hoà) ( H.9 ) . Chú ý (1). Do EMOSFET dẫn điện chỉ bằng các hạt tải đa số nên còn gọi lả linh kiện hạt tải đa số hay transistor đơn cực(đơn hướng). (2). Việc điều khiển các hạt tải đa số bằng điện trường nên EMOSFET còn được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện trường. (3). Với các EMOSFET kênh p thì lý luận tương tự nhưng với kênh cảm ứng là các lỗ trống , cực S và cực D là các lỗ trống cho sẳn ( xem giáo trình ).
35. 3. Đặc tuyến và phương trình dòng ID 1.Đặc tuyến ra ID = f (VDS) tại VGS=hs. 2. Đặc tuyến truyền ID = f (VGS) tại VDS = hs.
36. enhancement MOSFET circuit and drain characteristic for Example 9.8 iD (mA) 100 vGS = 2.8 V 80 2.6 V 60 Q 2.4 V D iD 40 2.2 V G + RD 2.0 V + vDS 20 1.8 V – VGG v GS 1.6 V – S VON 1.4 V 0 0 2 4 6 8 10 v DS (V)
37. • 3. Biểu thức điện thế và dòng điện a.Biểu thức điện thế Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm có VDSbh cho bởi: VDSbh = VGS – VTH (1). b. Biểu thức dòng điện thoát ID. - Trong vùng điện trở : VGS VTH hay VDS > VGS-VTH ta có : 2 ID = k(VGS – VTH ) (3) k hằng số tuỳ thuộc linh kiên .
38. B. MOSFET loại hiếm ( nghèo) 1. Cấu tạo Tương tự như EMOSFET nhưng có tạo kênh n pha lợt giửa cực S và cực D ( H.10)
39. 2. Cách hoạt động • Khi cho VGS = 0V và thay đổi VDS  Lý luận tương tự như EMOSFET ,nhưng vì DMOSFET có kênh cho sẳn nên khi cho VDS nhõ và ngay cả khi VGS=0V các điện tử tự do dễ dàng di chuyển từ S đến D qua kênh n có sẳn, MOSFET dẫn .  Khi VDS tăng đến trị số lớn nhất định nào đó thì vùng hiếm ở cực D sẽ lan rộng làm nghẽn kênh cho sẳn dòng ID tăng đến trị bão hoà IDSS , và điện thế thoát nguồn được gọi là điện thế nghẽn Vp như ở JFET. Ta xét 2 cụ thể trường hợp sau:
40. • Khi VGS <0 Do có điện tích dương xuất hiện trong kênh n cho sẳn nên các điện tử tự do bị giảm bớt ( bị trung hoà với điện tích dương) làm kênh bị nghèo đi nên dòng, ID yếu hơn.Và khi tăng VDS lên kênh bị nghẽn sớm hơn VDSbh = Vp < Vpo. Khi VGS càng âm thì dòng ID và Vp càng giảm hơn Khi VGS âm đến trị số nhất định VGSOFF, số điện tích dương xuất hiện dưới cực S càng nhiều làm trung hoà hết các điện tử tự do và chiếm hết kênh nên không còn dòng thoát(ID = 0), DMODFET ngưng như ở JFET DMOSFET hoạt động theo kiểu hiếm
41. • Khi cho VGS > 0 Do số điện tử cảm ứng trong kênh bây giờ là các điện tử tự do nên dòng thoát càng tăng lên. Và khi tăng VDS lên ,do vùng hiếm ở cực D lan rộng ra nên kênh bị nghẽn cho dòng thoát bão hoà lớn hơn dòng IDSS khi VGS = 0V. Khi VGS càng dương dòng thoát ID càng tăng lớn hơn DMOSFET hoạt động theo kiểu tăng. Nhưng tránh sử dụng khi có ID quá lớn sẽ làm hỏng linh kiện. Tóm lại: DMOSFET có 2 kiểu hoạt động kiểu tăng và kiểu hiếm tuỳ theo cách phân cực. Ở mỗi kiểu hoạt động ta áp dụng các công thức tương ứng.
42. 3. Đăc tuyến của DMOSFET a. Đặc tuyến ra ID = f ( VDS) b. Đặc tuyến truyền ID = f ( VGS)
43. So sánh đặc tuyến của EMOSFET và DMOSFET kênh n
44. 4. Mạch phân cực MOSFET  DMOSFET ( kênh n) hoạt động khi phân cực VGS 0 phân cực giống như EMOSFET.  EMOSFET (kênh n) hoạt dộng khi VGS >VTH dương, nên áp dụng cách phân cực : -bằng cầu chia thế và -hồi tiếp thoát - cổng. Dưới đây ta chỉ xét 2 cách phân cực nói trên, các cách khác xem lại ở JFET.
45. a. Phân cực bằng cầu chia thế và RS • Xác định điểm tĩnh điều hành Q: R2 VVG DD + VDD RR1 2 V S RSI D RD ID R1 VVVGSQ G S 0 1 + 2 Q VDS I DQ k VVGSQ TH 2 - + VGS - ID DS DD DSD 3 VV RR I R2 RS • Đường tải tĩnh: V DS V DD I D 4 RRRRDSDS
46. • Mạch có thể bỏ điện trở RS vì FET ổn định đối với nhiệt độ Các phép tính giống như trên nhưng cho Rs = 0
47. b.Phân cực bằng điện trở hồi tiếp RG • Xác định điểm tĩnh điều hành Q: + VDD VVVGSQ ds TH 1 2 I DQ k VVGSQ TH 2 RD 3 RG VVDS DD RIDD + ID Q VDS • Đường tải tĩnh: + VGS - - V DS V DD I D 4 RRDD