MẠCH ĐIỆN MOSFET VÀ LOGIC

GT ẹIEN Tệ Cễ BAN
MOSFET VAỉ CONG
LOGIC


I. Khái niệm về số
•
•
•
•

Thí dụ về cái bậc điện

SW

Khi SW hở : Đèn tắt “0”
Khi SW đóng: Đèn sáng “1”

Cho ta khái niệm về tín hiệu

V

+
L

không liên tục hay tín hiệu “số”

H
5V
Đúng

•

Digit

1

L
0V
sai
0

I

0

1


Đặc tính cuả bậc điện tử(công tắc điện tử)

In

Control
= "0"

In

control =“1”

SW

control = “0”

Control ="1"

Khi điều khiển = “0” , bậc hở, bậc ở trang thái OFF
Khi điều khiển =Out
“1”, bậc đóng,Out
bậc ở trạng thái ON
Vậy ta có thể thực hiện các hàm logic bằng các bậc (công tắc)điện tử
MOSFET là một trong những linh kiện thường được sử dụng làm bậc


II. Bậc MOSFET
•
•

MOSFET ( Metal Oside Semiconductor) hiện nay được dùng trong chế tạo vi mạch,
nhất là vi mạch kích thước rất lớn (VLSI – Very large Scale Integration).
Ký hiệu của linh kiện MOSFET:

D Drain
Gate G

D

G
S Source

S

linh kiện rời
không đối xứng

vi mạch (IC)
đối xứng giữa D và S

n - MOSFET


Cách hoạt động bậc MOSFET

•

Theo quan điểm hai cảng:
1. S mod (Sweitch mode)
D

D

iDS
G

G

ON

OFF

vGS

vGS> VTH
S

S
VT = 1V

•

Theo dạng oscilloscope:

iDS

Đặc tuyến iDS = f(vDS)
vGS < VTH

vGS >/ VTH

vDS


•

Inverter (Maïch Ñaûo)

VDD = 5 V

RL

B

A
vout
5V

0

A

B =/A

VT =1V

5V

vin


•

Mức điện thế ( Laptop T1000)
Gởi

1:

Nhận

5
4,5

5

1

4,1

ViH

VOH

}vùng cấm
0,9
0,5

ViL

VOL
0

VOL = 0,5V
VOH = 4,5V

0

VOL = 0, 2V

VIL = 0,5

VOH = 4,8V

VIH


 Yes
= 4,5V 

VIL = 0,9V
VIH = 4,1V

VOL = 0,5V
VOH = 4,5V

VIL = 1,5V 
 no
VIH = 3,5V 


2. Model SR ( Switch resistor model) cỷa MOSFET



Model MOS chớnh xaực hụn
iDS

D

D

vGS >/ VTH

iDS
G

1/RON

vGS < VT



G

ON

vGS
vDS

RON
5k

OFF

vGS> VTH
S

S
VT = 1V


VDD

Baỷng sửù thaọt

VDD

RD

RD

C

Vo
G

OFF

G

C=0

0
1

RON

C =1
vGSVo =VDD=1

ON
S

vGS> VTH
S

Vo =

RON
VDD VOL
RON + RD

Vo
1
0


•

Cách hoạt động chế độ giao hoán
Khi không có xungvào:MOSFET không dẫn .
Ta có:

+VDD

R DS (off )
VDD ≅ V DD = VOH
RD + R DS (off )
∞Ω

=
( 20V ) = 20V
1k Ω + ∞Ω

V o (off ) =

•

RD

Vo

Khi có xung vào: MOSFET dẫnR

RDS(off)

Ta có:

R DS (on)
(
on
)
=
Vo
V DD ≅ 0V = VOL
R D + R DS (on)
10Ω
=
( 20V ) = 0,198V ≅ 0, 2V
1k Ω + 10Ω

+VDD

Vo
RDS(ON)





Toựm laùi:
Coự hai moõ hỡnh ( model) cuỷa MOSFET
iD

iD
vGS >/ VTH

vGS >/ VTH
1/RON

vGS < vTH

vDS

S model

vGS < VTH

vDS

SR model

xaỏp xổ 1

xaỏp xổ 2
Moõ hỡnh cuỷa MOSFET


•

MOSFET có hình ảnh tương tự như vòi nước như sau:

G (gate)

S
(Source)
Nguồn

S

van

G
D

D(Drain
D(Drain
))
Máng
Máng

•

Mức điện thế logic qui đònh của MOSFET:

VOH max
VOHmin

Mức logic 1
NM

VOLmax

VIHmax

Mứùc
logic1
VIHmin

Không
NM
xác đònh

Không
VILmax
xác đònh

VOLmin

VILmin

Mức logic0
1

VOH

VOH min

Mức logic 0

1

VIHmin

Sender

Receiver
VIL max

0 VOLmax
0

Lề nhiễu
0
Không
xác đònh

Lề nhiễu

0

V

NMH

= VOH min − VIH min

VNML = VOL max − VIL max


•
•
•
•
•

II. Caáu taïo MOSFET

Transistor EMOSFET được thực hiện trên 1 giá ( nền , thân) Si loại p. Và trên nền
nói trên 2 vùng pha đậm n+ được khuếch tán tạo nên cực nguồn S và cực thoát D.
Một lớp cách điện ( SiO2) đặt dưới cực cổng G, nên điện trở ngõ vào ( cực G ) rất lớn
có thể đến vài chục – vài trăm Gohm.
Do cấu trúc như trên nên FET này có tên MOSFET ( MOS–Metal-Oxide-Semiconductor )
Do giữa 2 cực S và D thành lập vùng hiếm lớn, nên MOSFET không dẫn điện khi
chưa được phân cực .

2.Cách hoạt động
E-MOSFET kênh n còn gọi là NMOS loại tăng trước tiên được phân cực với
VDS >0 nhỏ và giử không đổi ,cho VGS thay đổi:

•
•
•

Khi VGS <0 , dưới cổng ( dưới lớp oxid) chỉ có lớp điệntích dương(do cảm
ứng )nên ID = 0 , MOSFET không dẫn.
Khi VGS > 0 nhưng vẫn VGS < VTH MOSFET vẩn ngưng dẫn.
Khi VGS > VTH số điện tích âm dưới cực cổng đủ hình thành kênh n từ cực
S sang cực D, nhờ đó các điện tử tự do dễ dàng di chuyển từ S sang D
dưới tác động của điện trường ngoài ( cực D có VDD rất lớn).


MOSFET dẫn điện nhưng do điện trường còn nhỏ nên dòng ID vào khoảng
vài uA.

•
•

Khi VGS > 0 càng lớn, số điện tử tự do ( hạt tải đa số ) trong kênh cảm
ứng càng tăng làm dòng thoát ID càng tăng.
Nếu giờ giử VGS đủ lớn như trên và làm thay đổi VDS ( bằng cách thay đổi
VDD):

 Lúc VDS còn nhỏ dòng ID tăng rất nhanh
 Lúc VDS tăng đủ lớn, do vùng thoát phân cực nghịch , vùng hiếm lan rộng
làm hẹp và bị nghẽn tại cuối kênh , dòng thoát ID đạt trị số bão hoà ( có

trị lớn nhứt và không đổi) VDSbh .




Sau đó, nếu tiếp tục gia tăng VDS > VDSbh vùng hiếm phía cực D càng
rộng làm điểm nghẽn di chuyển về phía cực nguồn S nên dòng ID vẫn giử
trị không đổi ( bão hoà) ( H.9 ) .

Chú ý
(1). Do EMOSFET dẫn điện chỉ bằng các hạt tải đa số nên còn gọi lả linh kiện
hạt tải đa số hay transistor đơn cực(đơn hướng).
(2). Việc điều khiển các hạt tải đa số bằng điện trường nên EMOSFET còn
được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện trường.
(3). Với các EMOSFET kênh p thì lý luận tương tự nhưng với kênh cảm ứng là
các lỗ trống , cực S và cực D là các lỗ trống cho sẳn ( xem giáo trình ).




Figure 9.32 n-channel enhancement MOSFET
circuit and drain characteristic
iD (mA)
v GS = 2.8 V

100
80

2.6 V
Q

60

2.4 V
2.2 V

40

2.0 V
20
0

0

2

4

6

8

1.8 V V
GG
1.6 V
1.4 V
10 v DS (V)

D
G

+
v GS
–

iD
+
v DS
–
S

RD
VON



MOSFET có hai kiểu hoạt động:
- Giao hoán hay chuyển mạch ( Switching mode)
- Khuếch đại (Amplifier mode)

•

Giao hoán:
Khi điểm tónh Q hoặc ở vùng ngưng ( cut off region) hoặc ở vùng điện trở ( vùng
không tuyến tính) dưới tác động của xung ở ngõ vào
(cực cổng G)

•

Khuếch đại:
Khi điểm tónh Q chỉ di chuyển trong vùng bảo hoà dưới tác động của tín hiệu

vào cực cổng G.
id

id
Q2

Q2
Q
Q1
Q1

vds

vds


•

3. Biểu thức điện thế và dòng điện

a.Biểu thức điện thế
Dựa vào lý thuyết và đặc tuyến, quỉ tích các điểm có VDSbh cho bởi:
VDSbh = VGS – VTH

(1).

b. Biểu thức dòng điện thoát ID.
- Trong vùng điện trở : VGS < VTH hay VDS < VGS – VTH ta có :
2
ID = k[ 2( VGS-VTH)VDS – (VDS) ]

- Trong vùng bão hoà :VGS >VTH hay
VDS > VGS-VTH ta có :
ID = k(VGS – VTH )

2

(3)

k hằng số tuỳ thuộc linh kiên .

(2)