Transistor trường FET, Nguyễn Hoàng Hiệp

Đại cương và phân loại

• FET ( Field Effect Transistor) -Transistor hiệu ứng trường – Transistor trường.

• Có 2 loại:

• - Junction field- effect transistor - viết tắt là JFET: Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là transistor trường mối nối).
• - Insulated- gate field effect transistor - viết tắt là IGFET: Transistor có cực cửa cách điện.Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên còn gọi là metal - oxide - semiconductor transistor (viết tắt là MOSFET).Trong loại transistor trường có cực cửa cách điện được chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn (DE-MOSFET) và MOSFET kênh cảm ứng (E-MOSFET).
• • Mỗi loại FET lại được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P.
• Ký hiệu:

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Transistor trường JFET

JFET được cấu tạo bởi 1 miếng bán dẫn mỏng ( loại N hoặc loại P ) 2 đầu tuơng ứng là D và S, miếng bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện. 2 miếng bán dẫn ở 2 bên kênh dẫn được nối với cực G, lưu ý, cự G được tách ra khỏi kênh nhờ tiếp xúc N-P.

Đa phần các JFET có cấu tạo đối xứng nên có thể đổi chỗ cực D và S mà tính chất không thay đổi.

Cấu tạo JFET

Có 2 loại JFET : kênh n và kênh P.

JFET kênh n thường thông dụng hơn.

JFET có 3 cực: cực Nguồn S (source); cực Cửa G (gate); cực Máng D (drain).

Cực D và cực S được kết nối vào kênh n.

cực G được kết nối vào vật liệu bán dẫn p

Cơ bản về hoạt động của JFET

JFET hoạt động giống như hoạt động của một khóa nước.

• Nguồn áp lực nước-tích lũy các hạt e- ở điện cực âm của nguồn điện áp cung cấp từ D và S.

• Ống nước ra - thiếu các e- hay lỗ trống tại cực dương của nguồn điện áp cung cấp từ D và S.

• Điều khiển lượng đóng mở nước-điện áp tại G điều khiển độ rộng của kênh n, kiểm soát dòng chảy e- trong kênh n từ S tới D.

Đặc điểm hoạt động JFET

JFET kênh N có 3 chế độ hoạt động cơ bản khi VDS >0:

A. VGS = 0, JFET hoạt động bảo hòa, ID=Max

B. VGS < 0, JFET hoạt động tuyến tính, ID↓

C. VGS =-Vngắt, JFET ngưng hoạt động, ID=0

Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra của JFET ,

Transistor MOSFET

• Đây là loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện bằng một lớp cách điện mỏng. Lớp cách điện thường dùng là chất oxit nên ta thường gọi tắt là transistor trường loại MOS. Tên gọi MOS được viết tắt từ ba từ tiếng Anh là: Metal - Oxide - Semiconductor.

• Transistor trường MOS có hai loại: transistor MOSFET có kênh sẵn và transistor MOSFET kênh cảm ứng. Trong mỗi loại MOSFET này lại có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N.

MOSFET kênh sẵn

Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn

• Transistor trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET viết tắt là DE-MOSFET).

• Transistor trường loại MOS có kênh sẵn là loại transistor mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

Nguyên lý hoạt động DE-MOSFET

• Khi transistor 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 transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau.

• Đặc tính truyền đạt: ID = f(UGS) khi UDS = const

MOSFET kênh cảm ứng

Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng

• Transistor trường loại MOS kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement-Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET).

• Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn.

• Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất và sử dụng nhiều hơn.

Nguyên lý hoạt động E-MOSFET

• Nguyên lý làm việc của loại kênh P và kênh N giống hệt nhau chỉ khác nhau về cực tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực.

• Trước tiên, nối cực nguồn S với đế và nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn.

Đặc tuyến

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

MẠCH PHÂN CỰC VÀ KHUẾCH ÐẠI TÍN HIỆU NHỎ DÙNG FET

FET có thể được dùng như một linh kiện tuyến tính trong mạch khuếch đại hay như một linh kiện số trong mạch logic. E-MOSFET thông dụng trong mạch số hơn, đặc biệt là trong cấu trúc CMOS.

PHÂN CỰC JFET VÀ DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH THEO KIỂU HIẾM

Phân cực cố định:

Dạng mạch như hình

Ta có: IG = 0; VGS = -RG.IG - VGG

=> RG.IG = 0 => VGS = -VGG (3.1)

Ðường thẳng VGS=-VGG được gọi là đường phân cực. Ta cũng có thể xác định được ID từ đặc tuyến truyền. Ðiểm điều hành Q chính là giao điểm của đặc tuyến truyền với đường phân cực.

Từ mạch ngõ ra ta có:

VDS = VDD - RD.ID (3.2)

Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện. Ngoài ra VS = 0 VD = VDS = VDD - RD.ID VG = VGS = -VGG

Phân cực tự động

Ðây là dạng phân cực thông dụng nhất cho JFET. Trong kiểu phân cực này ta chỉ dùng một nguồn điện một chiều VDD và có thêm một điện trở RS mắc ở cực nguồn như hình

Vì IG = 0 nên VG = 0 và ID = IS

=> VGS = VG - VS = -RS.ID (3.3)

Ðây là phương trình đường phân cực.

Trong trường hợp này VGS là một hàm số của dòng điện thoát ID và không cố định như trong mạch phân cực cố định.

- Thay VGS vào phương trình schockley ta tìm được dòng điện thoát ID.

- Dòng ID cũng có thể được xác định bằng điểm điều hành Q. Ðó là giao điểm của đường phân cực với đặc tuyến truyền.

Mạch ngõ ra ta có:

VDS = VDD-RD.ID-RS.IS = VDD-(RD + RS)ID (3.5)

Ðây là phương trình đường thẳng lấy điện.

Ngoài ra: VS=RS.ID ; VG = 0; VD = VDD-RD.ID

Phân cực bằng cầu chia điện thế

Dạng mạch như hình 3.5

Ta có: VGS = VG - VS

VS = RS.IS = RS.ID => VGS = VG - RS.ID (3.7)

Ðây là phương trình đường phân cực. Do JFET điều hành theo kiểu hiếm nên phải chọn R1, R2 và RS sao cho VGS < 0 tức

IDQ và VGSQ chính là tọa độ giao điểm của đường phân cực và đặc tuyến truyền. Ta thấy khi RS tăng, đường phân cực nằm ngang hơn, tức VGS âm hơn và dòng ID nhỏ hơn. Từ điểm điều hành Q,ta xác định được VGSQ và IDQ. Mặt khác:

VDS = VDD - (RD + RS)ID (3.8)

VD = VDD - RD.ID (3.9)

VS = RS.ID (3.10)

DE-MOSFET ÐIỀU HÀNH KIỂU TĂNG

Phân cực bằng cầu chia điện thế

Ðây là dạng mạch phân cực thông dụng nhất. Nên chú ý là do điều hành theo kiểu tăng nên không thể dùng cách phân cực tự động. Các điện trở R1, R2 , RS phải được chọn sao cho VG>VS tức VGS >0. Thí dụ ta xem mạch phân cực hình 3.7.

- Ðặc tuyến truyền được xác định bởi:

IDSS = 6mA

IGS(off) =-3v

- Ðường phân cực được xác định bởi:

VGS = VG - RS.ID

Vậy VGS(off) = 1.5volt - ID(mA). 0,15 (kW)

Từ đồ thị hình 3.8 ta suy ra:

IDQ =7.6mA

VGSQ = 0.35v

VDS = VDD - (RS+RD)ID = 3.18v

Phân cực bằng mạch hồi tiếp điện thế

Mạch cơ bản hình 3.9

- Ðặc tuyến truyền giống như trên.

- Ðường phân cực xác định bởi:

VGS = VDS = VDD - RD.ID (3.11)

trùng với đường thẳng lấy điện.

Vẽ hai đặc tuyến này ta có thể xác định được IDQ và VGSQ

MẠCH PHÂN CỰC E-MOSFET

Do E-MOSFET chỉ phân cực theo kiểu tăng (VGS >0 ở kênh N và VGS <0 ở kênh P), nên người ta thường dùng mạch phân cực bằng cầu chia điện thế hoặc hồi tiếp điện thế.

Ở E-MOSFET kênh N khi VGS còn nhỏ hơn VGS(th) thì dòng thoát ID =0 mA, khi VGS >VGS(th) thì ID được xác định bởi:

Hệ số k được xác định từ các thông số của nhà sản xuất. Thường nhà sản xuất cho biết VGS(th) và một dòng ID(on) tương ứng với một điện thế VGS(on).

Ðể xác định và vẽ đặc tuyến truyền người ta xác định thêm 2 điểm: một điểm ứng với VGS <VGS(on) và một điểm ứng với VGS >VGS(on)

Phân cực bằng hồi tiếp điện thế

Vì IG = 0 nên VD = VG và VGS = VDS

VGS = VDS = VDD - RD.ID (3.13)

Ta thấy đường phân cực trùng với đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường phân cực và đặc tuyến truyền là điểm điều hành Q.

Phân cực bằng cầu chia điện thế

Từ mạch cổng nguồn ta có: VG = VGS - RS.ID

=> VGS = VG - RS.ID (3.14)

Ðây là phương trình đường phân cực.

Do điều hành theo kiểu tăng nên ta phải chọn R1, R2, RS sao cho:

VGS >VS = RS.ID tức VGS >0

Giao điểm của đặc tuyến truyền và đường phân cực là điểm điều hành Q.

Từ đồ thị ta suy ra IDQ và VGSQ và từ đó ta có thể tìm được VDS, VD, VS ...

MẠCH KẾT HỢP BJT VÀ FET

Ðể ổn định điểm tĩnh điều hành cho FET, người ta có thể dùng mạch phân cực kết hợp với BJT. BJT ở đây đóng vai trò như một nguồn dòng điện. Mạch phân cực cho BJT thường dùng là mạch cầu chia điện thế hay ổn định cực phát. Thí dụ ta xác định VD và VC của mạch hình 3.15

Ðể ý là:$\beta$RE = 288k >10R2 = 240k nên ta có thể áp dụng phương pháp tính gần đúng:

Ta có thể giải phương trình trên để tìm VGS. Ðơn giản hơn ta dùng phương pháp đồ thị. Cách vẽ đặc tuyến truyền như ở phần trước. Từ đồ thị ta suy ra: VGS=-3.7volt. Từ đó:

                               VC = VB - VGS = 7.32v

Người ta cũng có thể dùng FET như một nguồn dòng điện để ổn định phân cực cho BJT như ở hình 3.17.

THIẾT KẾ MẠCH PHÂN CỰC DÙNG FET

Công việc thiết kế mạch phân cực dùng FET thật ra không chỉ giới hạn ở các điều kiện phân cực. Tùy theo nhu cầu, một số các điều kiện khác cũng phải được để ý tới, nhất là việc ổn định điểm tĩnh điều hành.

Từ các thông số của linh kiện và dạng mạch phân cực được lựa chọn, dùng các định luật Kirchoff, định luật Ohm... và phương trình Schockley hoặc đặc tuyến truyền, đường phân cực... để xác định các thông số chưa biết.

NGUỒN, TÁC GIẢ

Tổng hợp và sưu tầm

Tài liệu liên quan:

1. Giáo trình điện tử cơ bản:[1]
2. Giáo trình linh kiện điện tử -Trương Văn Tám -Đại học Cần Thơ [2][3]
3. E-book điện tử căn bản[4]
4. Bài viết dưới dạng file word[5]

Nguyễn Hoàng Hiệp - NL2-K55-BKHN

Liên kết đến đây

• Tranzito trường FET
• Transistor trường FET