Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 4 Transistor Trường Fet

Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

CHƯƠNG 4
TRANSISTOR TRƯỜNG (FET)
GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương 4 giới thiệu về một loại transistor có ngun lý làm việc hồn tồn khác
với ngun lý làm việc của BJT, đó là transistor hiệu ứng trường viết tắt là FET. Trong
FET việc điều khiển dòng điện trên mạch ra do điện áp trên mạch vào quyết định. Trong
chương 4 trình bày về cấu tạo và ngun lý làm việc của các loại transistor trường:
JFET, MOSFET. Trong chương này còn trình bày về các cách mắc và phân cực cho
transistor trường, các sơ đồ tương đương của FET trong mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ
và chế độ chuyển mạch của nó.
4.1 Khái Niệm:
Cơ sở vật lý của transistor trường : Là dòng điện chạy qua một môi trường bán
dẫn có tiết diện thay đổi được nhờ sự tác dụng của điện trường thẳng góc với lớp bán
dẫn đó. Điện trường đó làm nhiệm vụ điều khiển dòng điện.
Transistor trường có các đặc điểm sau:
- Điện trở đầu vào rất lớn vì vậy cho phép khuếch đại các tín hiệu có biên độ
rất nhỏ.
- Ít chòu ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài, nên chất lượng làm việc cao.
Transistor trường ứng FET (Field Effect Transistor) có hai loại: JFET và
MOSFET.

4.2 Transistor JFET (Junction FET):

4.2.1. Cấu tạo:
JFET có hai loại: JFET kênh N và JFET kênh P.

Hình 4.1: Cấu tạo, ký hiệu của JFET kênh N và JFET kênh P

JFET kênh N có cấu tạo gồm: Một chất bán dẫn loại N có hai đầu được nối với
hai dây đưa ra bên ngoài gọi là cực tháo D và cực nguồn S; tiếp xúc với chất bán dẫn
loại N là hai chất bán dẫn loại P tạo thành hai mối nối P – N, hai chất bán dẫn loại P
được nối chung với một dây dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực cổng G.
JFET kênh P có cấu tạo tương tự, nhưng chất bán dẫn thì ngược lại với JFET
kênh N
Trang 65


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

Như vậy, JFET sẽ gồm có 3 cực:
- Cực tháo D (Drain)
- Cực nguồn S (Source)
- Cực cổng G (Gate)
JFET kênh N và kênh P có cấu tạo và ký hiệu như trên hình vẽ và được phân
biệt nhờ chiều mũi tên ở cực G.
4.2.2. Đặc tính:
Xét mạch thí nghiệm JFET kênh N như trên hình vẽ. Có hai trường hợp sau:
a. Khi cực G chưa có điện áp âm VGS: VGS = 0
Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh N theo chiều từ nguồn dương đi vào cực D và
ra ở cực S để trở về nguồn âm của VCC . Lúc đó kênh N có tác dụng như một điện trở.
Nếu tăng nguồn VCC để tăng điện áp VDS thì dòng điện IDS tăng lên nhanh nhưng
sau đó đến một điện áp giới hạn thì dòng điện IDS không tăng được nữa gọi là dòng
điện bảo hòa IDS-S (Saturation). Điện áp VDS có dòng IDS-S được gọi là điện áp nghẽn.

Hình 4.2: Khảo sát đặc tuyến ngõ ra của JFET kênh N
b. Khi cực G có điện áp âm VGS: VGS < 0V

Do điện áp âm VGS được nối vào chất bán dẫn loại P, còn chất bán dẫn loại N có
dòng điện IDS chạy qua nên có điện áp dương, làm cho hai mối nối P – N bò phân cực
ngược dẫn đến diện tích hai mối nối tăng lên khiến cho diện tích kênh dẫn N bò thu
hẹp lại. Dòng điện IDS sẽ giảm xuống
Nếu ta càng tăng điện áp âm ở cực G thì dòng IDS sẽ càng giảm nhỏ và khi điện
áp âm VGS đạt đến một trò số giới hạn thì dòng điện IDS gần như không còn.
JFET kênh P cũng có đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền vận giống như JFET
kênh N nhưng có dòng điện và điện áp ngược dấu.

Trang 66


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

4.2.3. Phân cực cho JFET:
Xét mạch phân cực cho JFET kênh N như hình vẽ:

Hình 4.3: Phân cực cho JFET kênh N và JFET kênh P
Ở cực G do mối nối P – N được phân cực ngược, nên không có dòng điện IG
(IG = 0) dẫn đến VG = 0
Điện trở RG có trò số rất lớn, từ 1M đến 10M
Điện áp phân cực ở ngõ vào:
VGS = VG – VS = 0V - IDS . RS = - IDS . RS
Phương trình đường tải tónh:
Ta có:
VD = VCC – IDS . RD
VS = IDS . RS
VDS = VD – VS = VCC – IDS.(RD + RS)

Suy ra:
VCC – VDS
IDS =
RD + R S
Cách xác đònh đường tãi tónh cho mạch dùng JFET cũng tương tự như transistor
lưỡng nối BJT và được vẽ như trên hình sau:

Hình 4.4: Đồ thò đường tải tónh và điểm làm việc Q

Trang 67


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

4.3 Transistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET):
Transistor MOSFET được chia ra làm hai loại: MOSFET liên tục và MOSFET
gián đoạn và ở mỗi loại đều có phân biệt theo chất bán dẫn là kênh N hay kênh P
Ở đây, ta chỉ xét loại MOSFET kênh N.
4.3.1. Cấu tạo của MOSFET kênh liên tục:
Kênh dẫn điện là hai vùng bán dẫn loại N có nồng độ cao (N+) được nối liền
nhau bằng vùng bán dẫn loại N có nồng độ thấp hơn (N).
Phía dưới kênh dẫn điện là một chất bán dẫn loại P được gọi là lớp nền, còn phía
trên kênh dẫn điện có phủ một lớp ôxit SiO2 cách điện.
Hai vùng bán dẫn N+ được nối với hai dân dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực S và
cực D. Cực G được đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên ngoài lớp ôxit SiO2.
Thông thường cực S sẽ được nối chung với nền P.
Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET liên tục kênh N có dạng như trên hình vẽ:

Hình 4.5: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET liên tục kênh N
4.3.2. Đặc tính của MOSFET liên tục:
Xét mạch điện thí nghiệm như trên hình vẽ

Hình 4.6: Khảo sát đặc tuyến của MOSFET liên tục kênh N
a. Khi VGS = 0V:
Trường hợp này kênh dẫn điện có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện áp
VDS thì dòng điện ID tăng đén một trò số giới hạn là IDS S ( còn gọi là dòng IDS bảo
hòa). Điện áp VDS ở trò số IDS S cũng được gọi là điện áp nghẽn VPO giống như JFET.
b. Khi VGS < 0V:
Trường hợp này cực G có điện áp âm nên đẩy electron từ kênh N vào vùng nền
P làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N và dòng điện ID bò giảm xuống do điện trở
kênh dẫn điện tăng lên.

Trang 68


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

Khi tăng điện áp âm ở cực G thì dòng điện ID càng nhỏvà đến một trò số giới hạn
thì dòng điện ID gần như không còn. Điện áp này ở cực G còn gọi là điện áp ngưỡng
- VPO
c. Khi VGS > 0V:
Trường hợp phân cực cho cực G có điện áp dương thì electron thiểu số ở vùng
nền P bò hút vào nền N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bò giảm xuống và
dòng điện ID tăng cao hơn trò số bảo hòa IDS S.
Trường hợp này ít đư6ợc sử dụng vì ID lớn nên dễ làm hư MOSFET.
Đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục

kênh N có dạng như trên hình vẽ.

Hình 4.7: Đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn của MOSFET liên tục kênh
N
4.3.3. Phân cực cho MOSFET kênh liên tục:
Trên hình vẽ là mạch phân cực cho MOSFET liên tục. Do MOSFET liên tục
thường sử dụng ở trường hợp VGS < 0V nên cách phân cực giống như JFET.
Cách tính các trò số điện áp VD, VS, VDS, VGS, dòng điện ID và cách xác đònh
đường tải tónh cũng giống như mạch JFET.

Hình 4.8: Phân cực cho MOSFET liên tục kênh N
4.3.4. Cấu tạo của mosfet kênh gián đoạn:
Trong MOSFET gián đoạn thì hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+)
không dính liền nhau gọi là kênh gián đoạn.
Phía dưới kênh dẫn điện là một chất bán dẫn loại P được gọi là lớp nền, còn phía
trên kênh dẫn điện có phủ một lớp ôxit SiO2 cách điện.
Trang 69


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

Hai vùng bán dẫn N+ được nối với hai dây dẫn đưa ra bên ngoài gọi là cực S và
cực D. Cực G được đặt tiếp xúc với kim loại nhôm bên ngoài lớp ôxit SiO2.
Thông thường cực S sẽ được nối chung với nền P

Hình 4.9: Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh gián đoạn
4.3.5. Đặc tính của MOSFET gián đoạn:
Xét mạch thí nghiệm như trên hình vẽ.

Hình 4.10: Khảo sát đặc tuyến của MOSFET kênh gián đoạn
Theo cấu tạo, do kênh bò gián đoạn cho nên bình thường không có dòng điện qua
kênh, ID = 0 và điện trở giữa cực D và S rất lớn
Khi phân cực cho cực G có có VGS > 0V thì điện tích dương ở cực G sẽ hút các
electron ở nền P về phía giữa ở hai vùng bán dẫn N+ và khi lực hút đủ lớn thì số
electron bò hút sẽ nhiều hơn đủ để nối liền hai vùng bán dẫn N + và kênh được liên
tục. Khi đó có dòng điện ID đi từ D sang S. Điện áp phân cực cho cực G càng tăng thì
dòng điện ID càng lớn.
Đường đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET
gián đoạn kênh N có dạng như trên hình vẽ.

Hình 4.11: Đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn của MOSFET kênh gián đoạn

Trang 70


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

Trên hình vẽ, đường đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS cho thấy: Khi VGS > V thì có
dòng điện qua transistor. Điện áp V cũng được gọi là điện áp thềm (giống như điện
áp thềm V của transistor lưỡng nối) và trò số khoảng 1V.
4.3.6 Phân cực cho MOSFET gián đoạn kênh N:

Hình 4.12: Phân cực cho MOSFET kênh gián đoạn
Trên hình vẽ, để cung cấp điện áp dương cho cực G ta thường dùng cầu phân áp
RG1, RG2 (tương đương cầu phân áp RB1, RB2 của transistor lưỡng nối). Đối với
MOSFET, cực G cách điện so với kênh và nền P nên không có dòng điện IG đi từ cực

G vào MOSFET.
Xét mạch phân cực , ta có:
VD = VCC – ID.RD
VS = ID.RS
VDS = VCC – ID.(RD + RS)
RG2
VO = VCC .
RG1 + RG2
Phương trình đường tải tónh:
VCC - VDS
ID =
RG1 + RG2
Cách xác đònh đường tải tónh cho MOSFET gián đoạn cũng tương tự như
transistor lưỡng nối
4.4. Các thông số kỹ thuật của FET:
4.4.1. Độ truyền dẫn:
Độ truyền dẫn của fet là tỉ số giữa mức biến thiên của dòng điện ID và mức biến
thiên của điện áp VGS khi có VDS không đổi.
ID
ID
Gm =
=
(mA/V)
VGS VGS

Trang 71


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

4.4.2. Độ khuếch đại điện áp:
Độ khuếch đại điện áp của FET là tỉ số giữa mức biến thiên điện áp ngõ ra VGS
và mức biến thiên điện áp ngõ vào VGS khi dòng ID là không đổi.
VDS VDS
==
VGS VGS
4.4.3. Tổng trở ngõ ra:
Tổng trở ra của FET là tỉ số giữa điện áp ngõ ra VDS và dòng điện ID
VDS VDS
r0 = =
ID
ID

Trang 72


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

BÀI TẬP CÓ LỜI GIẢI

Baøi 1: Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V. Tìm ID, UD.

Giải
U G  E.

R2

10.103
 10.
 0,91V
R1  R 2
10.103  100.103

UGS = UG – US = UG – IS.RS = UG – ID.RS = 0.91 – ID.103
2


 0,91  103 I D 
U 
I D  I DSS .  1  GS   8.10 3 1 

4


 U GSK 

2

Phương trình bậc hai có 2 nghiệm:
ID = 1,496mA  UD = 10 – 1,496.2,2 = 6,708V
ID = 6,324mA  UD = 10 – 6,324.2,2 = -3,912V (loại)
Baøi 2: Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V;

1
1
U GS  U GSK ;U DS  E . Tìm RD và RS.
2

2

Trang 73


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

Giải

U GS

1
1
U GS  U GSK  .(2,5)  1, 25V
2
2
 U G  U S  0  U S  U S  U GS  1, 25V
1
1
U DS  E  .20  10V
2
2
2


U 
 1, 25 
I S  I D  I DSS .  1  GS   8.103 1 

 2mA
2,5 

 U GSK 
U
1, 25
RS  S 
 625
I S 2.103
2

URD = E – UDS – Us = 20 – 10 – 1,25 =8,75V
RD 

U RD
8, 75

 4375
ID
2.103

Bài 3: Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V. Tìm UGS, ID,
UD, URD.

Giải
UGS = UG – US = -3V
2


U 

 3 
I S  I D  I DSS .  1  GS   8.103 1    2mA
 6 
 U GSK 

URD = ID.RD = 2.10-3.103 = 2V
UD = E - URD = 10 – 2 = 8V

Trang 74

2


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

CÂU HỎI ÔN TẬP
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của JFET?
Nêu các tham số cơ bản của tranzito trường JFET?
Trình bày về các cách mắc cơ bản của JFET trong các sơ đồ mạch khuếch đại?
Trình bày cách phân cực cố định của JFET?

Trình bày phương pháp tự phân cực của JFET?
Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh coù sẵn?
Giải thích các họ đặc tuyến điều khiển và họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh coù

sẵn?
8. Trình bày về cách phân cực cố định cho MOSFET kênh coù sẵn?
9. Trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng?
10. Nhận xét và giải thích các họ đặc tuyến điều khiển và họ đặc tuyến ra của
MOSFET kênh cảm ứng?
11. Cho các thông số kỹ thuật của Mosfet IRF9540 và Mosfet 2N7000 như ở bảng
B1. Yêu cầu giải thích ý nghĩa các thông số kỹ thuật của hai Mosfet trên ?
RDS (Ω)
ID (max)
Pth
gm (s)
19 A
150 W
5
0.2
200 mA
400 mW
0.1
5
Bảng B1
12. Biết đặc tính truyền đạt của một JFET kênh N cho như trên hình veõ.

Type
IRF9540
2N7000

Case
TO - 220
TO - 92

n/p
p
n

a)
Xác định trên đồ thị dòng bảo hòa IDSS và điện áp khóa UGSK.
b)
Tính dòng ID ứng với các giá trị UGS = 0V; UGS = -2V; UGS = -4V; UGS = -6V.
13. Cho mạch điện dùng JFET kênh N như ở hình veõ. Biết dòng IDSS = 15mA; điện
áp khóa UGSK = -8V; nguồn E = 15V; RD = 1kOhm. Yêu cầu:
a)
Xác định trị số Rs.
b)
Xác định thiên áp UGS, UD.

Trang 75


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

12. Cho mạch tạo JFET kênh N bằng phương pháp phân áp như hình veõ. Biết
E = 15V; R1 = 600 Ohm; R2 = 150 kOhm; RD = 1,5 kOhm; Rs = 1 kOhm. Yêu cầu:
a) Xác định UGS.
b) Điện áp trên cực máng UD; UDS.

13. Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -4V. Tìm ID, UD.

14. Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -2,5V;

1
1
U GS  U GSK ;U DS  E . Tìm RD và RS.
2
2

Trang 76


Bài Giảng Điện Tử Cơ Bản

Chương 4

15. Cho mạch điện như ở hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V. Tìm UGS, ID, UD,
URD.

16. Hãy thiết kế một mạch tự phân cực với cầu phân áp dùng JFET kênh N như ở
hình veõ. Biết IDSS = 8mA; UGSK = -6V; ID = 4mA; nguồn E = 14V; chọn RD = 3Rs.

Trang 77