ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG FET (FETFIELD EFFECT TRANSISTOR)

ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR
TRƯỜNG FET
(FET-FIELD EFFECT TRANSISTOR)


Mở đầu:

FET là linh kiện bán dẫn có 3 cực : Cực Drain ,
Source and Gate, có nhiều ưu điểm hơn BJT nên được
sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực điện tử, thiết kế
do có kích thước nhỏ hơn so với BJT nên dùng để chế
tạo các mạch tích hợp IC.


I- TRANSISTOR TRƯỜNG - FIELD EFFECT TRANSISTOR:
1.1.Cấu tạo:
Drain
(D)
Kênh p

Drain (D)
Kênh n

Gate (G)

p n p

Vùng nghèo

Source (S)
D

+

G
+

VGS
JFET kênh n

Gate (G)

VDS
_
S

n p n

Vùng nghèo

Source (S)
D
+

ID

G
+

VGS

VDS

_
S
JFET kênh p

ID


1.2.Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến vôn -ampe:
a. Trường hợp VGS = 0, VDS > 0:
VGS = 0, VDS tăng từ 0 đến vài vôn, tương đương với điện áp phân cực ngược cho
chuyển tiếp p-n tăng lên. Tuy nhiên VDS còn nhỏ nên hầu như không ảnh hưởng đến bề
dày miền nghèo và tiết diện kênh dẫn nên điện trở kênh dẫn hầu như không đổi. ID xác
định theo đinh luật Ohm với IDS.
Khi VDS lớn hơn, bề rộng miền nghèo tăng lên, tiết diện kênh dẫn giảm dần. Khi VDS =
VP vùng nghèo phình to chạm nhau tại 1 điểm và hiện tượng thắt kênh xảy ra. Lúc này
quan hệ ID và VDS tuân theo định luật Ohm, kênh dẫn đóng vai trò như một điện trở
nên còn gọi là vùng điện trở.
Khi VDS vượt quá giá trị VP, điện áp phân cực ngược tăng lên nên điểm thắt sẽ mở rộng
về phía vùng S, JFET có đặc tính như một nguồn dòng ID = IDSS có giá trị không phụ
thuộc vào VDS, còn giá trị VDS không phụ thuộc vào tải.
Nếu VDS tăng quá lớn thì chuyển tiếp p-n của JFET sẽ bị đánh thủng, dòng ID tăng vọt
lên.
IDSS là dòng điện từ cực máng cực đại trong trường hợp ngắn mạch G-S và VDS > VP.
Kí hiệu VP là điện áp mà tại đó bắt đầu xảy ra hiện tượng thắt kênh, gọi là điện áp thắt
kênh hay điện áp nghẽn.


GS
0,VV
VDS

DS
nhỏ
VVV
V
GS
GS
GS
==
=0,0,
V
DS
DS
lớn
=>V
V
hơn
PP
D

ID
Điểm đánh thủng

Điểm thắt kênh
-

VGS=0

G

p

-

-

-

p
-

Điện trở kênh dẫn

VDS

Vùng nghèo

S

Kênh n


b. Trường hợp VGS < 0, VDS > 0:
VGS chính là điện áp điều hiển của JFET. Đường cong của
dòng điện ID theo VDS được thiết lập từ các giá trị khác nhau
của VGS đối với JFET.
khi phân cực VGS < 0, điên áp phân cực ngược chuyển tiếp
p-n của FET tăng so với lúc VGS = 0. Vì thế hiện tượng thắt
kênh xảy ra sớm hơn khi VDS = VP + VGS, thay vì VDS = VP
như khi phân cực VGS = 0, điện trở kênh dẫn tăng lên nên giá
trị dòng ID bảo hòa sẽ giảm dần và hiện tượng đánh thủng

cũng xảy ra sớm hơn. Nếu tiếp tục giảm VGS âm dần thì dòng
ID bão hòa giảm dần. Khi VGS = VP, dòng máng ID giảm
xuống bằng 0 do lúc này vùng nghèo mở rộng và hoàn toàn
choán hết chỗ của kênh dẫn.
Kí hiệu VP là điện áp thắt kênh sử dụng cho VGS và VDS. Giá
trị VP của VDS và VP của VGS là trái dấu.


c. Điện trở được điều khiển bởi điện áp:
Trong vùng điện trở, FET đóng vai trò như một biến
trở mà giá trị của điện trở được điều khiển bởi điện áp
VGS . VGS càng trở nên âm thì các mức điện trở càng
tăng.Ta có công thức sau:

r

r

d

=
(1

0

VGS
VP

)

2

Trong đó:

ro là điện trở kênh dẫn khi V

GS

=0V

Trong đó:

rd là điện trở kênh dẫn tại một giá trị đặc biệt của V

GS


Trong vùng bão hòa giá trị dòng điện ID không
phụ thuộc vào VDS mà phụ thuộc vào VGS theo
phương trình Shockley:

I = I (1
D

VGS

2

)

DSS

/VP

/

Mối quan hệ giữa ID và VGS không tuyến tính,
tạo ra một đường cong tăng theo hàm mũ khi
tăng giá trị của VGS.
Tương tự ta có đặc tuyến truyền đạt của JFET
kênh p ngược lại với kênh n.


Mạch điện của FET


Đặc tuyến truyền đạt của FET



Các thông số của JFET:

Điện áp cưc đại VDSmax, VDGmax
Điện áp phân cực ngược cực đại của mối nối GS
Công suất tiêu tán cực đại PD=VDSID
Nhiệt độ lưu trữ.
Nhiệt độ mối nối pn.

I = I (1
D

VGS

2

DSS

/VP

/


II- CÁC CHỦNG LOẠI CỦA FET
2.1 TRANSISTOR TRƯỜNG CÓ CỰC CỔNG CÁCH LY IGFET
(ISOLATED GATE FIELD EFFECT TRANSISTOR):
S

n+

p

D

S

n

p+

D

p

n

Cấu trúc và ký hiệu của IGFET kênh n và p


a ) Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động của IGFET kênh n dựa trên hiệu ứng tụ điện. Khi
VGS > 0, hiệu ứng tụ điện (lớp SiO2 làm điện dung của tụ điện) sẽ làm
giàu điện tích kênh dẫn làm quá trình nghẽn mạng chậm hơn so với VGS
=0. Đây là chế độ làm giàu hạt dẫn trong kênh n.

S
_

D
+

VGS >0

n+
-

n

-- -

p

-

-


Chế độ làm nghèo hạt dẫn trong kênh n của IGFET:

khi VGS < 0 do hiệu ứng tụ điện sẽ xuất hiện điện tích dương làm chuyển tiếp p-n
phân cực nghịch nhanh hơn. Số lượng các hạt dẫn chạy từ S sang D sẽ ít hơn trường
hợp VGS = 0 , điểm thắt kênh sẽ xảy ra nhanh hơn. Khi VGS = VP (điện áp mở của
JFET) ta có :
ID=IS ; IG = 0 (cực cổng cách ly)
Và dòng ID theo phương trình Shockley ID = 0.

S
_

D
+

VGS <0

n+
+

n

-

-

+

p
-

-

++
+

-


2.2 TRANSISTOR TRƯỜNG MOSFET:
2.2 1.MOSFET kênh có sẵn:
S

n+

Kênh N
G

n+

S

D

p+

n
p

D

D

SS

G

D

D
SS
S

SS
S

S

G

p
_

_

G

p+

D

n

p
n

Kênh P
G

G

SS
S


Nguyên lý hoạt động cơ bản và các đặc tuyến Vôn-ampe của
D-MOSFET:
Cực G cách ly nên IG=0.
Với VDS>0, điện tử bị hút về phía cực dương của nguồn VDD tạo nên dòng ID theo
chiều ngược lại từ cực D chạy dọc theo kênh dẫn tới cực S nên ID=IS.
Khi cố định VGS và tăng dần VDS với điện áp dương, điện áp phân cực ngược chuyển
tiếp pn tăng.Lúc này DMOSFET có 3 vùng: điện trở, thắt kênh, đánh thủng.
VGS = 0: dòng điện ID bão hòa gọi là IDSS.
VGS > 0: điện tích âm trong kênh dẫn tăng làm quá trình nghẽn kênh xảy ra chậm hơn
so với VGS=0. Đây là chế độ làm giàu hạt dẫn trong kênh n.

VGS < 0: trong kênh dẫn xuất hiện điện tích dương sẽ làm chuyển tiếp p-n phân cực
nghịch nhanh hơn. Số lượng các hạt dẫn chạy từ S sang D sẽ giảm so với lúc VGS=0,
điểm thắt kênh xảy ra sớm hơn. Đây là chế độ làm nghèo hạt dẫn trong kênh dẫn.

Tương tự JFET, dòng điện ID của D-MOSFET bị điều khiển bởi điện áp VGS theo
phương trình Shockley.
Tương tự ta có đặc tuyến của D-MOSFET kênh p ngược lại với D-MOSFET kênh n.
Tóm lại, D-MOSFET là loại MOSFET kênh có sẵn có 2 chế độ là làm nghèo và giàu
hạt dẫn tùy thuộc vào điện áp VGS đặt vào kênh.


VG >0

S

-

n+ +

-

D

n+

-

n
+

+

p
+
+

n

+
+
-

+
+

-

_


G

D

S

-

n+ +

-

n+
+

+

n

+

p
+
+

n

+
+
-

+
+

-

_


5.3.1.MOSFET kênh cảm ứng (E_MOSFET):

S

Kênh N
G

n+

S

D

p+

n
p

D

D

SS

G

SS
S

S

D

D
G

p

_

_

G

D

n

p
n

Kênh P
G

G


Nguyên lý hoạt động cơ bản và các đặc tuyến Vôn-ampe:
Điều kiện cần và đủ để E-MOSFET hoạt động là phải thiết lập dẫn nối giữa cực D và
cực S. Do đó để hình thành kênh dẫn n thì phải có VGS > 0 và VDS > 0.
Khi VGS > 0, các điện tử sẽ tập trung dọc theo lớp SiO2 tạo nên một vùng nghèo nằm
gần lớp ngăn cách SiO2 không có lỗ trống. Cùng lúc đó điện tử trong chất nền p sẽ bị

hút về cực G và tích lũy tạo thành một vùng mang điện tích âm gần bề mặt của lớp SiO2
tạo thành kênh dẫn n.
Khi VGS tăng đến giá trị điện áp ngưỡng VTh (threshold) thì số lượng các điện tử tập
trung gần mặt phẳng lớp SiO2 tăng đủ có thể tạo thành kênh dẫn giữa 2 cực D và S và
dòng điện ID xuất hiện. Khi VGS tăng vượt qua VTh thì lực hút càng tăng dẫn đến mật
độ các hạt tải tự do chứa trong kênh dẫn tăng nên dòng điện cực máng tăng.
Sau khi hình thành kênh dẫn, hoạt động của E-MOSFET giống như IGFET cũng có
hiện tượng nghẽn kênh, đánh thủng chuyển tiếp miền D. Ta có:
ID=IS ; IG = 0.
Tóm lại khi giá trị VGS < VTh thì dòng điện máng của E-MOSFET bằng 0. khi
VGS > VTh thì dòng điện máng có giá trị bằng:
ID = k(VGS – VTh)
2
Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào đặc tính của E-MOSFET.
ID(on)
k=
VGS(on) –Vth )2
Đặc tuyến của E-MOSFET loại p ngược lại với loại n.


S
_

0 <VVGSGS> VTh

-

p

n+
-

n

-

-

--

-

--+

n

D
+

--+
-

-

--+
-

_

-


Biasing D MOSFET
N channel depletion type MOSFET


N channel enhacement type


5.4. SO SÁNH GiỮA BJT VÀ FET
JFET

BJT

-Cấu tạo có kênh dẫn n hoặc p.
-Dòng điện ID là dòng hạt đa số chỉ chạy
qua kênh dẫn nên ID có giá trị lớn FET
dùng trong khóa đóng mở nhanh

IG ≈ 0 ; ID = Is

-Có cấu tạo cơ bản bằng JE và JC.
-Dòng IC xuyên qua hai chuyển tiếp nên sẽ
khó khăn hơn dòng ID và IC có giá trị nhỏ
hơn Id.

VBE = 0.7 ; IC ≈ IE

-Có kích thước nhỏ thường dùng trong chế Có kích thước lớn hơn FET cùng 1 công

suất
tạo IC
-Trên học đặc tuyến V-I ngõ ra có tham số
điều khiển bằng dòng điện IB hoặc điện áp
-Trên họ đặc tuyến V-I ngõ ra có tham số
VBB.
điều khiển bằng điện áp VGS.
2

ID = IDSS

1-

VGS
VP

VBE = βIB + ICBO