c5-transistor hieu ung truong

Chương 5: Transistor hiệu ứng trường

65

Chöông 5:

TRANSISTOR HIEÄU ÖÙNG TRÖÔØNG

(FIELD EFFECT TRANSISTOR = FET)

5.1. Khaùi nieäm

Transistor trình baøy tröôùc ñöôïc goïi laø transistor mối nối löôõng cực (BJT =

Bipolar Junction Transistor). BJT coù ñieän trôû ngoõ vaøo nhoû ôû caùch mắc thoâng thöôøng

CE, doøng IC = IB, muoán cho IC caøng lôùn ta phaûi taêng IB (thuùc doøng loái vaøo). Ñoái

vôùi transistor hieäu öùng tröôøng coù toång trôû vaøo raát lôùn. Doøng ñieän ôû loái ra ñöôïc taêng

baèng caùch taêng ñieän aùp ôû loái vaøo maø khoâng ñoøi hoûi doøng ñieän. Vaäy ôû loaïi naøy ñieän

aùp seõ taïo ra moät tröôøng vaø tröôøng naøy taïo ra moät doøng ñieän ôû loái ra.

Field Effect Transistor (FET)

FET coù hai loaïi: JFET và MOSFET.

5.2. JFET (Junction Field Effect Transistor):

5.2.1. Caáu taïo – kyù hieäu

JFET ñöôïc goïi laø FET noái hay thöôøng goïi laø FET.

Treân thanh baùn daãn loại N ôû 2 ñaàu cho tieáp xuùc vôùi kim loaïi ñöa ra hai chaân

laàn löôït goïi laø D, S. Ngöôøi ta taïo ra moái noái P - N vôùi thanh baùn daãn. Kim loại tiếp

xúc bán dẫn loại P ñöôïc ñöa ra ngoaøi goïi laø chaân G.

- Cöïc thoaùt (coøn goïi laø cöïc maùng): Drain = D

- Cöïc nguoàn: Source = S

- Cöïc cổng: Gate = G

Vuøng baùn daãn giöõa D vaø S ñöôïc goïi laø thoâng loä (keânh).

Tuyø theo vuøng baùn daãn giöõa D vaø S, ngöôøi ta phaân bieät JFET ra laøm hai loaïi:

JFET keânh N và JFET keânh P.

P

D D

N

N

PPG

S

FET kenh N

NG

S

FET kenh P


66

Hình 5.1 Caáu taïo JFET

D

JFET N

G

S

G

JFET P

D

S

Hình 5.2. Kyù hieäu cuûa JFET

5.2.3. Nguyeân lyù vaän chuyeån

Giöõa D vaø S ñaët moät ñieän aùp VDS taïo ra moät ñieän tröôøng maïnh coù taùc duïng

ñaåy haït taûi ña soá cuûa baùn daãn keânh chaïy töø S sang D hình thaønh doøng ID. Doøng ID

taêng leân theo ñieän aùp VDS cho ñeán khi ñaït giaù trò baõo hoaø IDSS ( Saturation) vaø ñieän

aùp VDS töông öùng goïi laø ñieän aùp ngheõn taét (pinch off) VP0.

Giöõa cöïc G vaø S ñaët moät ñieän aùp VGS sao cho phaân cöïc nghịch moái noái P-N.

Söï phaân cöïc nghịch laøm cho vuøng tieáp xuùc thay ñoåi ñieän tích. Ñieän aùp phaân cöïc

nghịch VGS caøng lôùn thì vuøng tieáp xuùc caøng môû roäng ra, laøm cho tieát dieän cuûa keânh

daãn ñieän bò thu heïp laïi, ñieän trôû keânh taêng leân, laøm cho doøng ñieän qua keânh ID

giaûm xuoáng vaø ngöôïc laïi neáu VGS nhoû thì doøng ID taêng leân.

5.2.4. Ñaëc tuyeán

Khaûo saùt söï thay ñoåi doøng thoaùt ID theo ñieän theá VGS vaø VDS, töø ñoù ngöôøi ta

ñöa ra hai ñaëc tuyeán cuûa JFET.

Hình 5.3.

5.2.4.1. Ñaëc tuyeán chuyeån ID(VGS)

VDS=const

VCC

RS VDC

RD


67

constGSV

Giöõ VDS khoâng ñoåi, thay ñoåi VGS vaø khaûo saùt söï bieán thieân cuûa ID.

Hình 5.4.

- Khi VGS = 0V, doøng ñieän ID lôùn nhaát, coù giaù trò baõo hoøa, kyù hieäu IDSS.

- ID thay ñoåi giaûm xuoáng tuyø VGS aâm ít hay nhieàu. Ñeán luùc VGS khaù aâm thì

ID = 0 goïi laø ñieän theá caét cuûa JFET kyù hieäu : VPO.

5.2.4.2. Ñaëc tuyeán ngoõ ra ID(VDS)

Giöõ nguyeân VGS ôû moät trò soá khoâng ñoåi nhaát ñònh, thay ñoåi VDS vaø khaûo saùt söï

bieán thieân cuûa doøng thoaùt ID.

Hình 5.5

ID

IDSS

0 VGS

VP0

VGS = 0V

VDS (v)

ID

0

VPO

IDSS

VGS = -1V

VGS = -2V

VGS = -3V

VGS = -4V


68

Khi VGG =0V töùc VGS=0V, moái noái P-N giöõa G vaø S khoâng phaân cöïc, moái noái

P-N giöõa G vaø D phaân cöïc nghòch. Taêng nguoàn VDD ñeå taêng ñieän theá VDS töø 0V

leân thì doøng ID taêng leân nhanh nhöng sau ñoù ñeán moät trò giôùi haïn thì doøng ñieän ID

khoâng taêng ñöôïc nöõa goïi laø doøng ñieän baõo hoaø IDSS (Staturation). Ñieän theá VDS coù

IDSS goïi laø ñieän theá ngheõn VP0.

Khi VGG <0 hay VGS <0, moái noái P-N giöõa G vaø S phaân cöïc nghòch, moái noái P-

N giöõa G vaø D phaân cöïc nghòch lôùn hôn tröôùc daãn ñeán ngheõn sôùm hôn. Khi taêng

ñieän theá aâm ôû cöïc G ñeán giaù trò sao cho VGS aâm nhieàu thì keânh ngheõn ngay töø ñaàu

neân ID =0 ôû moïi giaù trò VDS. Luùc baáy giôø keânh ngöng.

5.2.4.3. Phaân cöïc

Caùch phaân cöïc ñôn giaûn vaø thoâng duïng nhaát cho JFET laø phaân cöïc töï ñoäng

nhö hình sau:

Xeùt JFET keânh N ta coù:

VD = VCC – IDRD

VS = IDRS

VDS = VCC - ID(RD+RS)

ÔÛ cöïc G phaân cöïc ngöôïc moái noái P-N neân khoâng coù doøng IG hay IG = 0, neân

VG = 0.

Ñieän trôû RG coù trò soá raát lôùn côõ 1M ñeán 10M.

Ñieän theá phaân cöïc ngoõ vaøo laø :

VGS = VG -VS = 0 –IDRS = -IDRS

Phöông trình ñöôøng taûi tónh:

ID =

SD

CC

SD

DS

RR

V

RR

V

RD

-Vcc

RG RS

Hình 5.7

+Vcc

RD

RG RS

Hình 5.6


69

Caùch xaùc ñònh ñöôøng taûi tónh cho maïch duøng JFET töông töï nhö BJT.

5.3. MOSFET (Metal Oxide Semiconduction FET)

MOSFET chia laøm hai loaïi: MOSFET keânh lieân tuïc (MOSFET loaïi hieám) vaø

MOSFET keânh giaùn ñoaïn (MOSFET loaïi taêng). Moãi loaïi coù phaân bieät theo chaát

baùn daãn keânh N hoaëc keânh P.

5.3.1.MOSFET keânh lieân tuïc

a. Caáu taïo – kyù hieäu

Hình 5.7. Cấu tạo – ký hiệu MOSFET kênh liên tục loại N

Hình 5.8. Cấu tạo – ký hiệu MOSFET kênh liên tục loại P

Gate (G) : cöïc cöûa (cöïc coång )

Drain (D) : cöïc thoaùt (cöïc maùng)

Source (S) : cöïc nguoàn

Subtrat (Sub) : ñeá (neàn)

Caáu taïo MOSFET keânh liên tục loại N

+ +

S

N

Al

SiO2

N

D

G

D

Sub

G

S

N

P

S

P

Al

SiO2

P

G

D

D

Sub

G

G

P

N

+ +


70

Treân neàn chaát baùn daãn loaïi P, ngöôøi ta pha hai vuøng baùn daãn loaïi N vôùi noàng

ñoä cao (N+) ñöôïc noái lieàn vôùi nhau baèng moät vuøng baùn daãn loaïi N pha noàng ñoä

thaáp (N). Treân ñoù phuû moät lôùp moûng SiO2 laø chaát caùch ñieän.

Hai vuøng baùn daãn N+ tieáp xuùc kim loaïi (Al) taïo cöïc thoaùt (D) vaø cöïc nguoàn

(S).

Cöïc G coù tieáp xuùc kim loaïi beân ngoaøi lôùp oxyd nhöng vaãn caùch ñieän vôùi keânh

N coù nghóa laø toång trôû vaøo cöïc laø lôùn.

Ñeå phaân bieät keânh (thoâng loä) N hay P nhaø saûn xuaát cho theâm chaân thöù tö goïi

laø chaân Sub, chaân naøy hôïp vôùi thoâng loä taïo thaønh moái noái P-N. Thöïc teá MOSFET

thoâng duïng chaân Sub ñöôïc noái vôùi cöïc S ôû beân trong.

b. Ñaëc tuyeán

Hình 5.9.

Khi VGS = 0V: ñieän töû di chuyeån taïo doøng ñieän ID, khi taêng ñieän theá VDS thì

doøng ID taêng, ID seõ taêng ñeán moät trò soá giôùi haïn laø IDsat (doøng ID baõo hoaø). Ñieän theá

VDS ôû trò soá IDsat ñöôïc goïi laø ñieän theá ngheõn VP0 gioáng nhö JFET.

Khi VGS < 0: cöïc G coù ñieän theá aâm neân ñaåy ñieän töû ôû keânh N vaøo vuøng P laøm

thu heïp tieát dieän keânh daãn ñieän N vaø doøng ID seõ giaûm xuoáng do ñieän trôû keânh daãn

ñieän taêng.

Khi ñieän theá cöïc G caøng aâm thì doøng ID caøng nhoû, vaø ñeán moät trò soá giôùi haïn

doøng ñieän ID gaàn nhö khoâng coøn. Ñieän theá naøy ôû cöïc G goïi laø ñieän theá ngheõn –VP0.

Ñaëc tuyeán chuyeån naøy töông töï ñaëc tuyeán chuyeån cuûa JFET keânh N.

Khi VGS > 0, cöïc G coù ñieän theá döông thì ñieän töû thieåu soá ôû vuøng neàn P bò huùt

vaøo keânh N neân laøm taêng tieát dieän keânh, ñieän trôû keânh bò giaûm xuoáng vaø doøng ID

taêng cao hôn trò soá baõo hoøa IDsat. Tröôøng hôïp naøy ID lôùn deã laøm hö MOSFET neân ít

ñöôïc duøng.

ID(mA)

IDsat

0 VGS (V) -VP0

I

+

VDD

I

G

D

R

+

VGGS


71

Hình 5.10. Ñaëc tuyeán chuyeån ID(VGS) cuûa MOSFET keânh liên tục loại N:

Hình 5.11. Ñaëc tuyeán ngoõ ra ID(VDS) cuûa MOSFET keânh liên tục loại N:

c. Phaân cöïc

MOSFET keânh lieân tuïc thöôøng söû duïng ôû tröôøng hôïp VGS < 0 neân caùch phaân

cöïc gioáng nhö JFET.

Caùch tính caùc trò soá VD, VS, VGS vaø doøng ID cuõng nhö caùch xaùc ñònh ñöôøng taûi

tónh gioáng nhö maïch JFET.

5.3.2. MOSFET keânh giaùn ñoaïn

a. Caáu taïo – kyù hieäu:

Hình 5.12. Cấu tạo- ký hiệu MOSFET keânh gián đoạn loại N

+ +

P

N

G D

S

N

Al

Sub

SiO2

S

G

D

VGS = 2V

VDS (v)

ID

0

VPO

IDSS

VGS = 1V

VGS = 0V

VGS = -1V

VGS = -2V


72

Hình 5.13. Cấu tạo- ký hiệu MOSFET keânh gián đoạn loại P

Cöïc cöûa: Gate (G)

Cöïc thoaùt : Drain (D)

Cöïc nguoàn : Source (S)

Neàn (ñeá ) : Subtrat (Sub)

Caáu taïo MOSFET loaïi taêng keânh N gioáng nhö caáu taïo MOSFET loaïi hieám

keânh N nhöng khoâng coù saün keânh N. Coù nghóa laø hai vuøng baùn daãn loaïi N pha

noàng ñoä cao (N+) khoâng dính lieàn nhau neân coøn goïi laø MOSFET keânh giaùn ñoaïn.

Maët treân keânh daãn ñieän cuõng ñöôïc phuû moät lôùp oxyt caùch ñieän SiO2. Hai daây daãn

xuyeân qua lôùp caùch ñieän noái vaøo vuøng baùn daãn N+ goïi laø cöïc S vaø D. Cöïc G coù

tieáp xuùc kim loaïi beân ngoaøi lôùp oxyt vaø caùch ñieän ñoái vôùi cöïc D vaø S. Cöïc S ñöôïc

noái vôùi cöïc Sub.

b. Ñaëc tuyeán

Hình 5.14.

Xeùt maïch nhö hình veõ treân

+

VGG

IR

+

VDD

+ +

Al

P

S

SiO2

Sub

G

D

G

N

D

P

S


73

Khi VGS = 0V, ñieän töû khoâng di chuyeån ñöôïc neân ID = 0, ñieän trôû giöõa D vaø S

raát lôùn.

Khi VGS > 0V thì ñieän tích döông ôû cöïc G seõ huùt ñieän töû cuûa neàn P veà phía

giöõa hai vuøng baùn daãn N+ vaø khi löïc huùt ñuû lôùn thì soá ñieän töû bò huùt nhieàu hôn, ñuû

ñeå noái lieàn hai vuøng baùn daãn N+ vaø keânh N noái lieàn hai vuøng baùn daãn N

+ ñaõ hình

thaønh khieán coù doøng ID chaïy töø D sang S. Ñieän theá cöïc G caøng taêng thì ID caøng lôùn.

Ñieän theá VGS ñuû lôùn ñeå hình thaønh keânh töø doøng ñieän baét ñaàu chaïy goïi laø ñieän

theá ngöôõng V, thoâng thöôøng V vaøi volt.

Hình 5.15. Ñaëc tuyeán truyeàn daãn ID(VGS)

Hình 5.16 Ñaëc tuyeán ngoõ ra ID(VGS)

b. Phaân cöïc

+Vcc

D

G

R

S

RG2

RG1

RD ID

ID

ID (mA)

VGS (V) V 0

VGS = 5V

VDS (v)

ID (mA)

0

VGS = 4V

VGS = 3V

VGS = 2V

VGS = 1V


74

Hình 5.16 Mạch phân cực MOSFET kênh gián đoạn loại N.

Ñoái vôùi MOSFET, cöïc G caùch ñieän so vôùi keânh vaø neàn P neân khoâng coù doøng

IG ñi töø cöïc G vaøo MOSFET.

VD = VCC - IDRD

VS = ID.RS

VDS = VCC - ID(RD + RS)

VG = CC

2G1G

1G

V.

RR

R

VGS = VG -VS

*Phöôøng trình ñöôøng taûi tónh:

ID = -

SD

CC

SD

DS

RR

V

RR

V

Caùch xaùc ñònh ñöôøng taûi tónh cho MOSFET töông töï nhö BJT.


75

BAØI TAÄP

1. Cho maïch nhö hình 5.17

Vôùi VGS = -2V

RG = 1M

RS = 1k

RD = 2,5k

VCC = 12V

a) Xaùc ñònh toaï ñoä dieåm phaân cöïc Q.

b) Vieát phöông trình ñöôøng taûi tónh.

c) Cho bieát ñieän theá taïi caùc cöïc cuûa JFET.

2. Neâu nhaän xeùt chung veà JFET vaø MOSFET.

+Vcc

RD

RG RS

Hình 5.17

c5-transistor hieu ung truong

Documents