điện tử tương tự mosfet

Điện tử tương tự và ứng dụng
Chương 5

Transistor hiệu ứng trường MOSFET
1
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Transistor hiệu ứng trường MOSFET
• MOSFET: Transistor hiệu ứng trường cấu trúc MOS (metal-oxidesemiconductor field-effect transistor).
• Trong MOSFET, dòng điện được điều khiển bởi trường điện áp dụng
vuông góc với cả bề mặt bán dẫn lẫn chiều của dòng điện.
• Nguyên tắc cơ bản của transistor: điện áp giữa hai cực sẽ điều khiển
dòng điện đi qua cực thứ ba.

2
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Cấu trúc MOSFET
• MOSFET là linh kiện có 4 cực: cổng (G, gate), nguồn (S, source),
máng (D, drain) và thân (B, body).
• Hai loại MOSFET: kênh-n (NMOS) và kênh-p (PMOS)
• Về cơ bản, cấu trúc của linh kiện là đối xứng đối với máng và nguồn.
• Các cực nguồn và máng được chỉ rõ bởi điện áp hoạt động.
Kim loại

Nguồn S

Cổng G

Oxide (SiO2)
(bề dày tox)

Máng D
Kim loại

Oxide (SiO2)
Miền kênh dẫn

Miền
nguồn

Đế (thân) loại p
Đế (hay
thân) loại p
Miền
kênh dẫn

Thân B
Miền máng

3


Cấu trúc MOS 2-cực
• Tụ điện MOS (metal-oxidesemiconductor): trái tim của
MOSFET
• tox : bề dày lớp oxide
• εox : hằng số điện môi của oxide.

Cực cổng
Kim loại
Cách điện
(oxide)
Nền (đế, thân) bán dẫn

Cực nền (đế, thân)

Loại p

(Trường E)

Tụ điện MOS với phân cực cổng âm

Loại p

Lớp tích lũy lỗ

4


Cấu trúc MOS 2-cực
Ảnh hưởng của phân cực cổng dương:

Loại p

Loại p
Miền
Induced
nghèonegative

hạt mang
điện
space-charge
đa số được tạo
region
ra
Loại p
Miền nghèo
hạt
Induced
negative
mang điện đa số
space-charge
được tạo ra
region

Lớp nghịch
chuyển điện tử

5


Hoạt động với điện áp cổng bằng không
• Với điện áp phân cực bằng không đặt vào cực cổng, hai cực nguồn
và máng được tách biệt bởi miền p ⇒ hai tiếp giáp pn (S-B) và (D-B)
được kết nối như là hai diode đâu lưng nhau.
• Hai cực nguồn và máng được cách ly bởi hai miền nghèo hạt mang
điện đa số nên không dẫn điện ⇒ về cơ bản dòng điện bằng không.
Cực cổng G
Cực nguồn S

Cực máng D

Loại p

Cực đế hay thân B

6
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện
• Điện áp dương lớn
đặt vào cổng.
• Các điện tích dương
tích lũy trong cổng
khi điện áp dương
đặt vào điện cực
cổng.
• Trường điện tạo nên
miền nghèo hạt
mang điện đa số
bằng cách đẩy các lỗ
trong thân-p rời xa
khỏi bề mặt.

Điện cực cổng
Kênh
dẫn n

Thân loại p
Miền nghèo

7
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Tạo kênh dẫn cho luồng dòng điện
• Điện áp cổng vượt quá điện áp ngưỡng (threshold voltage) vGS > Vt: các
điện tử bắt đầu tích lũy trên bề mặt của thân.
• Điện áp dương vGS > Vt được sử dụng để tạo ra kênh dẫn và linh kiện được
gọi là MOSFET kênh-n loại tăng cường.
• Miền-n được tạo ra này sẽ
Điện cực cổng
hình thành kênh dẫn cho phép
dòng điện chạy từ máng đến
Kênh
dẫn n
nguồn.
• Kênh được tạo ra bằng cách
nghịch chuyển bề mặt thân từ
loại p sang loại n -> lớp nghịch
chuyển.
Thân loại p
• Trường điện điều khiển lượng
Miền nghèo
điện tích trong kênh dẫn và xác
định dẫn suất của kênh dẫn.
8

Điện áp máng nhỏ
• Điện áp vDS nhỏ đặt vào cực máng:
các điện tử tự do di chuyển từ nguồn
đến máng ngang qua kênh dẫn n.
• Dòng kết quả iD chạy từ máng đến
nguồn (ngược chiều dòng điện tích
âm [điện tử]).

vDS nhỏ

Kênh n được tạo ra
Thân loại p

Độ dốc

• Dòng điện tỉ lệ thuận với lượng
hạt mang điện trong kênh dẫn.
• Kênh được điều khiển bởi điện
áp thực tế hay điện áp tăng tốc
(overdrive) : vOV = vGS - Vt
9


Tăng điện áp máng
• Khi vDS tăng, điện áp dọc theo kênh tăng từ 0 đến vDS , và điện áp giữa
cổng và những điểm dọc theo kênh giảm từ vGS ở đầu cuối nguồn đến
(vGS - vDS) ở đầu cuối máng.
• Do lớp nghịch chuyển phụ thuộc vào sai biệt điện áp ngang qua cấu trúc
MOS, việc tăng vDS sẽ dẫn đến kết quả kênh dẫn hẹp dần.

• Điện trở tăng do kênh dẫn hẹp dần và đường cong iD-vDS không còn tiếp
tục là đường thẳng.
Điện tích
nghịch
chuyển của
kênh

Loại p

Điện áp vDS nhỏ

Miền nghèo

Loại p

Điện áp vDS lớn

Điện tích
nghịch
chuyển của
kênh
10


Tăng điện áp máng
• Vào lúc vDSsat = vGS - Vt , kênh bị thắt lại (nghẽn)
về phía cực máng.
• Việc tăng vDS vượt quá giá trị này ít ảnh hưởng
đến hình dáng của kênh và iD đạt bão hòa ở giá
trị này.

• Miền triode : vDS < vDSsat
• Miền bão hòa: vDS ≥ vDSsat

Loại p

Điện tích
nghịch
chuyển của
kênh

Miền
triode

Miền bão hòa

Miền nghèo hạt mang điện

Loại p

Điện tích
nghịch
chuyển của
kênh

11


Quan hệ I-V
• Miền triode :
• Miền bão hòa:

• Điện trở kênh dẫn:
• Thông số độ hỗ dẫn
với

Cox : điện dung oxide mỗi đơn vị diện tích Cox = εox / tox
εox và tox : hằng số điện môi oxide và bề dày oxide.
µn : độ linh động của điện tử trong lớp nghịch chuyển.
W và L: độ rộng kênh và chiều dài kênh.
12


MOSFET tăng cường kênh p
• MOSFET kênh-p loại tăng cường được
chế tạo trên đế (thân) loại n cùng với
nguồn p+ và máng p+.
• Bình thường, nguồn được nối với điện áp
cao còn máng được nối với điện áp thấp.
• Khi điện áp âm đặt vào điện cực cổng,
các điện tích âm tích lũy ở cổng và
trường điện kết quả đẩy các điện tử
trong thân loại n rời xa khỏi bề mặt, để
lại bên dưới miền nghèo hạt mang điện.

Nguồn

Cổng

Máng

Loại n

Thân

• Khi điện áp cổng vượt quá điện áp ngưỡng âm Vt, các lỗ bắt đầu tích lũy trên bề
mặt miền đế (thân).
• Miền p được tạo ra (lớp nghịch chuyển) do vậy tạo thành kênh dẫn loại-p cho
phép dòng điện chạy từ nguồn đến máng.
• Điện áp cổng âm được cần đến để tạo ra kênh dẫn → MOSFET loại tăng cường.
13


Ký hiệu và quy ước
MOSFET kênh-n loại tăng cường:

MOSFET kênh-p loại tăng cường:

14


Đặc tính I-V (MOSFET kênh n)

Miền
triode

Miền bão hòa

Ngưng

15

Đặc tính I-V (MOSFET kênh n)
• Miền ngưng (cut-off) (vGS ≤ Vt) : iD = 0
• Miền triode (vGS > Vt và vDS < vGS - Vt)

• Bão hòa (vGS > Vt và vDS ≥ vGS - Vt)

• Mô hình mạch tương đương tín hiệu lớn hoạt động ở miền bão hòa:

16


Đặc tính I-V (MOSFET kênh p)
Triode

Bão hòa

Ngưng
Độ dốc

• Điện áp tăng tốc:
vOV = vGS - Vt ; vSG = |Vt| + |vOV|
• Điều kiện để hoạt động ở miền triode:
vGS ≤ Vt ⇔ vOV ≤ 0 ⇔ vSG ≥ |Vt|
vDG ≥ |Vt| ⇔ vDS ≥ vGS – Vt ⇔ vSD ≤ |vOV|
• Điều kiện để hoạt động ở miền bão hòa :
vGS ≤ Vt ⇔ vOV ≤ 0 ⇔ vSG ≥ |Vt|
vDG ≤ |Vt| ⇔ vDS ≤ vGS – Vt ⇔ vSD ≥ |vOV|

17

Mạch MOSFET ở chế độ DC
• Phân tích DC mạch MOSFET :
– Giả định chế độ hoạt động và tìm lời giải phân cực dc sử dụng
phương trình dòng điện tương ứng.
– Thẩm tra giả định với điện áp các cực (ngưng, triode và bão
hòa).
– Nếu lời giải không hợp lệ, thay đổi giả định chế độ hoạt động và
phân tích lại.

18
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mạch MOSFET ở chế độ DC
TD: Transistor NMOS trong mạch dưới đây có Vt = 0.7V, µnCox = 100
µA/V2, L = 1µm và W = 32µm. Thiết kế mạch sao cho transistor hoạt
động ở ID = 0.4mA và VD = 0.5V.

19


Mạch MOSFET ở chế độ DC
TD: Transistor NMOS trong mạch dưới đây có Vt = 0.6V, µnCox = 200
µA/V2, L = 0.8µm và W = 4µm. Thiết kế mạch sao cho transistor hoạt
động ở ID = 80µA. Tìm điện áp dc VD.

20
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM

Mạch MOSFET ở chế độ DC
TD: Thiết kế mạch điện sao cho transistor hoạt động ở VD = 0.1V. Cho
Vt = 1V, µnCox(W/L) = 1mA/V2. Tìm điện trở hiệu dụng (thực tế) giữa
máng và nguồn ở điểm hoạt động này.

21
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Đặc tính I-V không lý tưởng
• Điện trở ngõ ra hữu hạn:
– Lý tưởng: dòng điện máng iD độc
lập với điện áp máng đến nguồn
vDS ở miền bão hòa.
– Thực tế: độ dốc khác 0 hiện hữu
bên ngoài điểm bão hòa trong đặc
tuyến iD theo vDS của MOSFET.
– Đặc tuyến iD theo vDS:
– Điện trở ngõ ra hữu hạn:

Độ dốc

22


Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực DC cho mạch khuếch đại MOSFET :

•

– Mạch khuếch đại hoạt động ở điểm phân cực dc thích hợp.
– Mạch phân cực DC cần bảo đảm MOSFET ở chế độ bão hòa với dòng điện
máng ID thích hợp.

• Phân cực bằng cách ổn định điện áp cổng-nguồn:
– Ổn định điện áp dc VGS to để chỉ ra dòng bão hòa của MOSFET:

– Dòng điện phân cực lệch khỏi giá trị mong muốn do những thay đổi trong
các thông số linh kiện Vt và µn.
Linh kiện 2

Linh kiện 1
23


Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực bằng cách ổn định điện áp cổng và kết nối điện trở nguồn:
– Điều kiện phân cực được chỉ ra bởi :

– Dòng máng có dung sai tốt hơn đối với những thay đổi trong các
thông số của linh kiện.

Linh kiện 2
Linh kiện 1

Độ dốc = -1/RS
24

Phân cực mạch khuếch đại MOSFET
• Phân cực sử dụng điện trở hồi tiếp máng
đến cổng :
– Cần nguồn cấp điện đơn.
– RG bảo đảm MOSFET ở chế độ bão hòa
(VGS = VDS)
– Điểm hoạt động của MOSFET:
VDS
– Giá trị của điện trở hồi tiếp RG ảnh hưởng
đến độ lợi tín hiệu nhỏ.

25
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM