Lý thuyết bán dẫn - Transistor C: Field - Effect Transistor (FET)

<span class='text_page_counter'>(1)</span><div class='page_container' data-page=1>

<b>C: FIELD – EFFECT TRANSISTOR </b>

(FET)

FET là linh kiện đơn cực, hoạt động với chỉ một loại hạt dẫn
chính. FET có 2 loại chính:

 JFET: Junction field – Effect Transistor.

 MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Transistor. MOSFET còn gọi
là IFET (Isolate – gate FET).

BJT là loại linh kiện được điều khiển bằng dòng điện, dòng IB

điều khiển dòng IC. Nhưng FET là loại linh kiện được điều khiển bằng

điện áp, điện áp điều khiển dòng điện đi qua linh kiện.

FET thường được sử dụng rộng rãi trong các mạch thu AM hoặc
FM, là linh kiện quan trọng trong nhiều hệ thống thông tin.

<b>I. JFET:</b>

<b>1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:</b>

Tùy thuộc vào cấu tạo JFET được chia ra làm hai loại: JFET kênh N và JFET
kênh P.

<b>Nguyên lý hoạt động:</b>

Nguồn VDD cung cấp điện áp VDS và dòng IDS. JFET luôn luôn hoạt động với

mối nối GS bị phân cực nghịch. Điện thế âm VG hình thành vùng nghèo tại mối nối

PN và vì thế điện trở kênh dẫn tăng lên. Độ rộng của kênh dẫn được điều khiển
bằng cách thay đổi điện thế VG và nhờ đó điều khiển được dịng ID.

62
N

P
P

Kênh dẫn

Source
Gate

Drain

P
N
N

Kênh dẫn

Source
Gate

Drain

Kênh dẫn loại

N Kênh dẫn loại P
N

S
G

D

V_GG

</div>
<span class='text_page_counter'>(2)</span><div class='page_container' data-page=2>

Bề rộng miền nghèo giữa hai cực G – D lớn hơn so với G – S do
điện áp phân cực ngược VGD lớn hơn điện áp phân cực ngược VGS.

Kyù hiệu của JFET:

<b>2. Đặc tuyến và các thông số:</b>

Khi VGS = 0, tăng dần VDD từ 0V, ID sẽ tăng tỷ lệ với VDS như trong đoạn AB.

Trong vùng này, điện trở kênh dẫn hầu như không đổi nên cịn gọi là vùng tuyến
tính.

Tại điểm B, đường đặc tuyến có dạng nằm ngang và ID có giá trị không đổi

là IDSS. Tại điểm này, điện áp phân cực ngược trên mối nối G – D làm cho vùng

nghèo mở rộng đủ để kênh dẫn thu hẹp vì thế điện trở kênh dẫn càng tăng (do ID

không đổi, VDS càng tăng). Giá trị VGD tại điểm này gọi là điện áp thắt kênh (VP).

Tổng quát: <i>VP</i>=<i>VGS</i>−<i>VDS</i>
Do VGS =0 ⇒<i>VGD</i> =−<i>VDS</i> =<i>VP</i>

VP có giá trị không đổi đối với loại JFET cụ thể. Giá trị VDS tại điểm thắt

kênh thay đổi tùy thuộc vào giá trị VGS. IDSS là giá tị cực đại của ID khi VGS = 0.

Tại điểm C, xảy ra hiện tượng đánh thủng và ID tăng rất nhanh do mối nối

phân cực ngược bị đánh thủng, vì thế JFET luôn luôn hoạt động trong vùng thắt
kênh từ điểm B  điểm C.

63
N

S
G

P P
+

-V_GG

-V_DS

I_D

V_DS
I_DSS

V_P
0
A

B C

Vùng thắt
kênh
Vùng tuyến

tính

Vùng
đánh
thủn

g

V_DS
I_D

V_GS = 0
V_GS =
-1
V_GS =
-2
V_GS =

-3
V_GS =
-4

Họ đặc tuyến
JFET

3

2

1

2

3

1

G

G D D

S S

</div>
<span class='text_page_counter'>(3)</span><div class='page_container' data-page=3>

Tăng dần giá trị âm của VGS, điện áp ngưỡng VP xuất hiện tại những giá trị

VDS giảm dần, vì thế ID sẽ giảm tương ứng. Vì thế ID được điều khiển bởi điện áp

VGS. Giá trị IDmax (IDSS) xuất hiện khi VGS = 0 và giảm dần khi VGS tăng lên.

<b>Trạng thái tắt:</b>

Nếu VGS càng âm thì IDS càng nhỏ. Khi VGS âm đủ lớn đến khi ID = 0  vùng

nghèo bị mở rộng tối đa hay kênh dẫn bị đóng. Giá trị VGS tại điểm tắt gọi là

VGS(off).

Từ phương trình: <i>VP</i>=<i>VGS</i>−<i>VDS</i>

JFET kênh N tắt khi VGS = VP VDS =0  IDS =0.

<b>Phân biệt trạng thái tắt và trạng thái thắt kênh:</b>

Điện áp thắt kênh VP là giá trị của VGD mà khi đó ID có giá trị khơng đổi

đối với mỗi giá trị của VGS.

Điện áp tắt VGS(off) là giá trị của VGS mà khi đó ID = 0. ID chỉ bằng 0 khi <i>VGS</i> ≥<i>VP</i>.

<b>Đặc tuyến truyền đạt của JFET:</b>
JFET kênh N, VGS(off) < 0 (VP = VGS(off))

JFET keânh P, VGS(off) > 0
 Khi ID = 0, VGS = VGS(off).
 Khi ID = IDSS, VGS = 0.

Phương trình đặc tuyến có dạng:

2

)
1
(

<i>P</i>
<i>GS</i>
<i>DSS</i>

<i>D</i> <i>_V</i>

<i>V</i>
<i>I</i>

<i>I</i> = − _{với V}_p_=V_GS(off)

64
P

P
N

Kên
h
dẫn

bị
đón

g

V_DS
I_D

V_GS = 0
V_GS =
-1
V_GS =
-2
V_GS =
-3
V_GS =
-5
Đặc tuyến JFET
V_GS(off)

V_GS

</div>
<span class='text_page_counter'>(4)</span><div class='page_container' data-page=4>

<b>Các thông số của JFET:</b>

 Điện trở vào:

<i>G</i>
<i>GS</i>
<i>IN</i>

<i>I</i>
<i>V</i>

<i>R</i> = _{có giá trị rất lớn (~M}_Ω).

IG là dòng điện ngược qua mối nối G – S (IG ≈ 0).
 Điện trở kênh dẫn rDS:

<i>D</i>
<i>DS</i>
<i>DS</i>
<i>I</i>
<i>V</i>
<i>r</i>
∆
∆
= _.

 Hỗ dẫn:

<i>GS</i>
<i>D</i>
<i>m</i>
<i>V</i>
<i>I</i>
<i>g</i>
∆
∆
=



 ₋

=
<i>P</i>
<i>GS</i>
<i>m</i>
<i>m</i>
<i>V</i>
<i>V</i>
<i>g</i>

<i>g</i> 0 1

<b>3. Phân cực JFET:</b>
<b>Tự phân cực: </b>

0
≅
<i>G</i>
<i>V</i>
<i>S</i>
<i>S</i>
<i>G</i>
<i>S</i>
<i>D</i>

<i>GS</i> <i>I</i> <i>R</i> <i>V</i> <i>V</i> <i>V</i>

<i>V</i> =− . = − =− do (VG =0) (1)
2
)
1

(
<i>P</i>
<i>GS</i>
<i>DSS</i>
<i>D</i>
<i>V</i>
<i>V</i>
<i>I</i>

<i>I</i> = − (2)

(

<i>D</i> <i>S</i>

)

<i>D</i>

<i>DD</i>

<i>DS</i> <i>V</i> <i>I</i> <i>R</i> <i>R</i>

<i>V</i> = − + (3)

Giải hệ phương trình 3 ẩn (1), (2) và (3) kết quả
<b>Ví dụ: </b>Tính VDS và VGS cho mạch sau, biết rằng ID = 5mA.

ĐS:

VS = 2.5V

VD = 5V

VDS = 2.5V

Vì VG = 0 nên VGS = -2.5V

65

3

2

1

V C C
V C C

2

3

1

R_D R_D

R_G _R

G

V_G≈ 0

R_S
V_G≈ 0

+V_D

D

-V_DD

R_S

V C C

</div>
<span class='text_page_counter'>(5)</span><div class='page_container' data-page=5>

<b>Thiết lập điểm phân cực:</b>

Đây là phương pháp cơ bản để thiết lập điểm phân cực của JFET. Ta xác định
ID từ giá trị VGS đã biết. Tìm RS theo cơng thức:

<i>D</i>
<i>GS</i>
<i>S</i> <i>_I</i>

<i>V</i>
<i>R</i> =

<b>Ví dụ: </b>xác định RS dựa vào đặc tuyến truyền đạt sau tại VGS = -5V.

Ω
=

= 800

25
.
6

5
<i>mA</i>
<i>V</i>
<i>R_S</i>

<b>Ví dụ:</b> xác định RS với IDSS =25mA và VP = -10V, VGS = -5V.

Từ phương trình:

<i>mA</i>
<i>V</i>

<i>V</i>
<i>I</i>

<i>I</i>

<i>P</i>
<i>GS</i>
<i>DSS</i>

<i>D</i> (1 ) 6.25

2 ₌
−

=

Ω
=
=

= 800

25
.
6

5
<i>mA</i>
<i>V</i>
<i>I</i>

<i>V</i>
<i>R</i>

<i>D</i>
<i>GS</i>
<i>S</i>

<b>II. MOSFET</b>

<b>: </b>

<b>Metal Oxide Semiconductor FET</b>

Đây là loại transistor khơng có mối nối PN hay cịn gọi là FET có cực cửa
cách ly. Có hai loại MOSFET cơ bản là MOSFET kênh có sẵnvà MOSFET kênh cảm
ứng.

<b>1. MOSFET kênh có sẵn:</b>

<b>Cấu tạo: </b>Tùy theo cấu tạo mà ta có các loại như sau: MOSFET kênh N và
MOSFET kênh P.

66
V_GS(V)

V_GS(off)

I_D(mA
)
I_DSS
6.25

-5

P
Drai
n
N

N
Sourc
e

Gate _N

Drai

n
P

P

Sourc
e
Gate

SiO₂ SiO₂

Kênh dẫn

</div>
<span class='text_page_counter'>(6)</span><div class='page_container' data-page=6>

<b>Đặc tuyến truyền đạt:</b>
Loại N  VGS > 0.

Loại P  VGS < 0.

ID = 0 khi VGS < VT. (VGS(OFF))

ID # 0 khi VGS ≥ VT (điện thế ngưỡng).

Phương trình đặc tuyến:

( )2
<i>T</i>
<i>GS</i>

<i>D</i> <i>KV</i> <i>V</i>

<i>I</i> = −

hằng số K phụ thuộc vào MOSFET và có thể xác định từ bảng
mô tả kỹ thuật của nhà sản xuất (data sheet).

<b>Phân cực MOSFET:</b>

 MOSFET kênh có sẵn:
Ta coù IG ≈ 0  VG≈ 0

VDS = VDD – IDSS.RD

<b>Ví dụ: </b> Cho mạch như hình trên. Biết:
VDD = +18V

RD = 600Ω

RG = 10MΩ

VT = -8V vaø IDSS = 12mA.
 ID = IDSS , VDS = 10.8V

 MOSFET kênh cảm ứng:

Có hai cách phân cực để VGS > 0.

Tính mạch phân cực dựa vào phương trình

( )2
<i>T</i>

<i>GS</i>

<i>D</i> <i>KV</i> <i>V</i>

<i>I</i> = −

69
V_T

V_GS V_GS

I_D I_D

V_T V_T

0 0

Loại N Loại P

V C C

3

2

1

+V_DD
R_D

R_E
R_G

I_G ≈ 0

I_DSS
V_GS

</div>
<span class='text_page_counter'>(7)</span><div class='page_container' data-page=7>

<b>-Ví dụ:</b> ID(on) = 3mA tại VGS = 10V và VT =5V.

<i>V</i>
<i>V</i>

<i>R</i>
<i>R</i>

<i>R</i>

<i>V_GS</i> <i>_DD</i> 14.4

2
1

2 _× ₌
+

=

 K=0.12 mA/V2_.

Với VGS = 14.4V

(

<i>V</i> <i>V</i>

)

<i>mA</i>

<i>K</i>

<i>I_D</i> = <i>_GS</i> − <i>_T</i> 2 =10.6

⇒

<i>V</i>
<i>R</i>

<i>I</i>
<i>V</i>

<i>V_DS</i> = <i>_DD</i> − <i>_D</i> <i>_D</i> =13.4

70

3

2

1

R_G
RD_D

3

2

1

R₁

R₂

R_D

V C C

3

2

1

+24
V
R₁

R₂

R_D
10KΩ

15KΩ

</div>

<!--links-->