Transistor hiệu ứng trường

BÀI GIẢNG SỐ 4tiết
I. TÊN BÀI GIẢNG
Transistor hiệu ứng trường
MỤC TIÊU:
• Nắm được cấu tạo nguyên lý của Transistor hiệu ứng trường
• Ứng dụng của transistor vào thực tế
ĐỒ DÙNG VÀ PHƯƠNG TIỆN GIẢNG DẠY:
-Giáo trình điện tử cơ bản( Trường ĐH Công Nghiệp TP.HCM)
-Tài liệu tham khảo: Điện tử cơ bản của Nguyễn Phi Yến
NỘI DUNG BÀI GIẢNG:
I) ỔN ĐỊNH LỚP: Thời gian: 5 phút
Số học sinh vắng:
Họ tên học sinh vắng:
II) Mở đầu
Khác với BJT- cấu tạo bởi hai lớp tiếp giáp p-n, dùng cả hai loại hạt dẫn đa số và thiểu số,
FET làm việc theo nguyên lí điều khiển độ dẫn điện của phiến bán dẫn bởi điện trường ngoài
và chỉ dùng một loại hạt dẫn đa số. FET có các tính năng ưu việt hơn: điện trở vào lớn, hệ số
khuếch đại cao, ít tiêu thụ năng lượng, thích hợp cho công nghệ vi điện tử
Có hai loại transistor trường:
- J-FET (junction field effect transistor) dùng
tiếp giáp n-p
- IG-FET (isolated gate field effect transistor)
có cực cửa cách li, còn có cách gọi theo công nghệ
chế tạo là MOS-FET (metal – oxide – semiconductor
FET).
III) Transistor trường dùng tiếp giáp n-p (J-
FET)
1. Cấu tạo
J-FET kênh n (H. 5.1) gồm một thỏi bán dẫn Si
loại n hình trụ, có điện trở suất khá lớn (mật độ tạp
donor thấp), gắn hai sợi kim loại ở đáy trên và đáy

dưới. Người ta gọi đáy trên là cực máng D (drain)
H. 5.1 Mạch khuếch đại
dùng J-FET kênh n
và đáy dưới là cực nguồn S (source). Bao
quanh thỏi bán dẫn loại n là một lớp bán
dẫn loại p gắn với một sợi kim loại dùng
làm cực cửa G (gate). Tiếp giáp n-p này
tạo thành một vùng nghèo có điện trở
suất khá lớn, phần thể tích còn lại của
thỏi Si không bị vùng nghèo choán chỗ
gọi là kênh dẫn.
J-FET kênh p dùng thỏi Si hình trụ
loại p và lớp bao quanh là loại n.
2. Nguyên lí làm việc
(H. 5.1) là mạch khuếch đại dùng J-
FET kênh n. Nguồn E
D
, qua điện trở
thiên áp R
D
đặt điện áp V
DS
giữa cực máng
và cực nguồn, tạo dòng điện máng I
D
chạy qua kênh dẫn. Nguồn E
G
đặt điện áp V
GS
giữa cực cửa

và cực nguồn, làm cho tiếp giáp n-p (hình thành
giữa cửa và kênh dẫn) phân cực ngược, bề dày vùng nghèo tăng lên và tiết diện của kênh dẫn bị
thu hẹp. Nếu giữ E
D
không đổi, khi tăng E
G
vùng nghèo mở rộng, điện trở kênh dẫn tăng do bị thu
hẹp và dòng máng I
D
giảm. Trong khi dòng I
G
giữa cực G và cực S chỉ là dòng ngược của tiếp
giáp n-p và rất nhỏ (≈ 0).
Nếu ngoài E
G
đặt giữa G và S một tín hiệu xoay chiều e
S
, thì điện trở kênh dẫn biến đổi và
dòng máng cũng biến đổi theo qui luật của e
S
. Dòng I
D
tạo một điện áp trên điện trở R
D
có cùng
dạng với e
S
nhưng với biên độ lớn hơn, ta nói J-FET đã khuếch đại tín hiệu.
H. 5.2 Mạch khuếch đại
dùng J-FET kênh p

Tương tự, H. 5.2 là mạch khuếch đại dùng J-FET kênh p. Chú ý rằng các cực của nguồn E
G
và
E
D
được đặt ngược lại. Dòng máng tạo thành bởi các lỗ trống hạt dẫn đa số của bán dẫn loại p.
3. Đặc tuyến ra (H. 5.3)
I
D
= f(V
DS
)│
V
GS
= const
(5-1)
- Xét trường hợp V
GS
= 0 (ngắn mạch G-
S), có thể chia đặc tuyến thành 3 đoạn.
Đoạn bên trái gần tuyến tính (OA) với độ
dốc khá lớn. Khi V
DS
còn nhỏ, phân bố điện
thế do V
DS
gây ra trên điện trở kênh dẫn
chưa ảnh hưởng đáng kể đến bề dày vùng
nghèo và tiết diện kênh, do đó kênh dẫn có
điện trở gần như không đổi. Nhưng khi tăng

dần V
DS
, vùng nghèo càng mở rộng làm hẹp
thiết diện kênh dẫn, điện trở kênh tăng và
dòng I
D
tăng chậm lại.
- Khi V
DS
= V
P
(điểm A – H.
5.3) vùng nghèo mở rộng tới mức
choán hết thiết diện kênh tại vùng
gần cực máng – kênh dẫn bị thắt
lại ở phía cực máng (H. 5.4). V
P
được gọi là điện áp thắt, A gọi là
điểm bắt đầu thắt kênh hay điểm
bắt đầu bão hoà. Vùng đặc tuyến ở
bên trái OA gọi là vùng điện trở
(kênh dẫn thể hiện như một điện
trở).
- Khi V
DS
> V
P
(đoạn AB), đặc tuyến gần như ngang; vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền
kênh bị thắt lan dần về phía cực nguồn, điện trở kênh dẫn càng tăng và dù V
DS

tăng nhưng dòng
I
D
tăng không đáng kể. Vùng đặc tuyến này gọi là vùng thắt kênh (hay vùng bão hoà). Điểm làm
việc của J-FET dùng để khuếch đại nằm trong vùng này. Khi V
DS
quá lớn tiếp giáp p-n bị đánh
thủng. Vùng đặc tuyến tương ứng gọi là vùng đánh thủng.
- Khi V
GS
≠ 0, dạng đặc tuyến tương tự. Tuy nhiên do có thêm V
GS
, tiếp giáp p-n phân cực
ngược nhiều hơn, điện trở kênh dẫn tăng và dòng I
D
nhỏ hơn. V
GS
càng âm, I
D
càng giảm, đặc
tuyến càng dịch về phía gần trục hoành, còn điểm bắt đầu thắt kênh và điểm bắt đầu đánh thủng
thì càng dich về phía trái.
4. Đặc tuyến truyền đạt
I
D
= f(V
GS
)│
V
DS

= const
(5-2)
H. 5.3 Đặc tuyến V-A
của J-FET kênh n
H. 5.4 Quá trình thắt kênh
khi tăng dần V
DS
V
GS
càng âm, vùng nghèo càng mở rộng, điện trở kênh dẫn càng tăng do đó dòng máng càng
giảm. Khi V
GS
đạt tới giá trị điện áp thắt thì dòng máng giảm tới = 0.
5. Các tham số đặc trưng
6. Điện trở vi phân lối ra (điện trở kênh dẫn)

constV
D
DS
D
DS
I
V
r
=
∂
∂
=
` (5-3)
cũng là nghịch đảo độ dốc đặc tuyến ra. Trong vùng bão hoà r

D
khá lớn (cỡ 500kΩ).
7. Hỗ dẫn (độ dốc đặc tuyến truyền đạt)

constV
GS
D
m
DS
V
I
g
=
∂
∂
=
(5-4)
g
m
phản ánh mức độ ảnh hưởng của điện áp điều khiển V
GS
tới dòng máng. g
m
= 7 ÷ 10mA/V.
8. Điện trở vi phân lối vào (điện trở vào)

constV
G
GS
i

DS
I
V
r
=
∂
∂
=
(5-5)
Lối vào J-FET là tiếp giáp p-n phân cực ngược, dòng I
G
rất nhỏ (cỡ 0,1μA ở 25
o
C) do vậy r
i
rất
lớn (10 ÷ 100MΩ ở 25
o
C)
9. Hệ số khuếch đại tĩnh

constI
GS
DS
D
V
V
=
∂
∂

=µ
(5-6)
Hệ số này so sánh mức độ ảnh hưởng của
các điện áp V
DS
và V
GS
đối với dòng máng I
D
.
10.Điện dung liên cực C
GS
, C
DS,
C
GD
là điện dung kí sinh giữa các điện cực, có
giá trị cỡ (3 ÷ 10)pF. Ở tần số thấp, có thể bỏ
qua ảnh hưởng của các điện dung này.
11.Sơ đồ tương đương
H. 5.5 là sơ đồ tương đương của J-FET đối
với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số
thấp. Giữa hai cực vào G, S là điện trở vào r
i
.
Giữa hai cực ra có điện trở kênh dẫn r
d
và nguồn dòng g
m
v

GS
(phản ánh khả năng điều khiển dòng điện máng của điện áp
vào v
GS
). Dòng qua tải mắc giữa hai cực ra D, S là:

D
DS
GSmD
r
v
vgi +=
(5-7)
H. 5.5 Sơ đồ tương đương của J-FET
a) dùng nguồn dòng; b) dùng nguồn thế
H. 5.6 Cấu tạo và kí hiệu
của MOS-FET kênh có sẵn
a) loại n; b) loại p
Do đó, khi làm việc với tín hiệu xoay chiều tần số thấp, có thể thay J-FET bằng sơ đồ tương
đương.
IV) Transistor trường có cực cửa cách li (IG-FET hay MOS-FET)
1. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của MOS-FET kênh có sẵn loại n (H. 5.6).
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 SiO
2
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.
Xét nguyên lí làm việc của MOS-FET kênh n trong mạch H. 5.7.

Dưới tác dụng của điện áp V
DS
(do nguồn E
D
), qua kênh dẫn và cực máng có dòng I
D
tạo bởi
hat dẫn đa số (điện tử). Nếu có thêm V
GS
(do nguồn E
G
), các điện tích âm tụ trên cực G, các điện
tích dương tích tụ ở cực đối diện (kênh dẫn) - lớp SiO
2
như
điện môi của tụ điện. Các điện tích dương này tái hợp với
điện tử làm giảm mật độ hạt dẫn vốn có khiến điện trở kênh
tăng và dòng máng giảm. V
GS
càng âm, dòng I
D
càng giảm.
Chế độ làm việc này làm nghèo hạt dẫn vì thế được gọi là
chế độ nghèo (depletion).
Nếu đổi cực tính nguồn E
G
(V
GS
thành dương), thì ngược
lại: càng tăng V

GS
, mật độ hạt dẫn trong kênh tăng, điện trở
kênh giảm và dòng I
D
càng tăng. Chế độ này được gọi là
chế độ giàu (enhancement).
Như vậy, ngay khi V
GS
= 0, MOS-FET kênh có sẵn đã
có dòng máng ban đầu I
D
≠ 0. Tuỳ cực tính của V
GS
mà MOS-FET làm việc ở chế độ giàu hay
nghèo (V
S
điều khiển dòng I
D
tăng hay giảm). Dòng I
D
biến đổi theo tín hiệu xoay chiều e
s
ở lối
vào và trên tải ở lối ra sẽ nhận được tín hiệu đã khuếch đại.
2. Đặc tuyến
(H. 5.8) là đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của MOS-FET kênh có sẵn loại n. Mỗi đặc
tuyến cũng có ba đoạn tương ứng: đoạn I
D
tăng gần tuyến tính theo V
DS

, đoạn I
D
bão hoà (trạng
thái thắt kênh) và đoạn đánh thủng.
V)Nhận xét chung về J-FET và MOS-FET
1. Nguyên lí làm việc của transistor trường
H. 5.7 Tầng khuếch đại
dùng MOS-FET kênh n
dựa trên sự điều khiển điện trở kênh dẫn bởi
điện trường (do điện áp trên lối vào, còn
dòng điện vào luôn xấp xỉ bằng 0) để
khống chế dòng điện ra. Như vậy,
transistor trường thuộc loại linh kiện điều
khiển bằng điện áp (gần giống với đèn
điện tử); còn BJT thuộc loại điều khiển
bằng dòng điện (dòng vào biến đổi nhiều
theo tín hiệu, trong khi điện áp vào thay đổi
rất ít).
2. Dòng điện máng I
D
tạo nên bởi chỉ một
loại hạt dẫn (hạt đa số của kênh dẫn)-
transistor trường thuộc loại đơn cực tính
(unipolar). Do không có vai trò của hạt dẫn
thiểu số nên cũng không có quá trình sản
sinh và tái hợp của hai loại hạt dẫn- các
tham số của FET ít chịu ảnh hưởng của
nhiệt độ và tạp âm nội bộ cũng thấp hơn so
với BJT.
3. 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.
4. Cực nguồn và cực máng có thể đổi lẫn cho nhau mà tham số của FET không thay đổi đáng
kể.
5. Nhờ công nghệ MOS kích thước các điện cực S,G,D được giảm thiểu, thể tích của
transistor thu nhỏ đáng kể do đó FET rất được thông dụng trong công nghệ vi điện tử có
mật độ tích hợp cao.
Cũng như BJT, FET được mắc theo ba sơ đồ cơ bản: mạch nguồn chung (S.C), máng chung
(D.C) và cửa chung (G.C). Mạch máng chung tương tự mạch collector chung của BJT: điện trở
vào rất lớn, trở ra rất nhỏ, điện áp ra đồng pha và xấp xỉ giá trị điện áp vào. Còn mạch cửa
chung ít dùng.
VI) TỔNG KẾT VÀ RÚT KINH NGHIỆM: (chuẩn bị, thời gian, nội dung, phương
pháp)



H. 5.8 Đặc tuyến truyền đạt
và đặc tuyến V-A
của MOS-FET kênh có sẵn loại n






Ngày …… tháng …… năm ……. Ngày …… tháng …… năm …….
Trưởng bộ môn Giáo viên
Nguyễn Đức Toàn