Chương 4: Tranzito trường

Chia sẻ: Vương Thị Lý | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

114
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Chương 4: Tranzito trường bao gồm những nội dung về khái niệm và phân loại về Tranzito; Tranzito trường dùng chuyển tiếp PN; Tranzito trường loại Mosfet; phân cực cho JFET và Mosfet. Tài liệu phục vụ cho các bạn chuyên ngành Điện - Điện tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 4: Tranzito trường

ch−¬ng Tranzito tr−êng 4 4.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i Tranzito tr−êng - FET (Field Effect Transistor) lµ mét cÊu kiÖn ®iÖn tö gåm 3 cùc, trong ®ã cã mét cùc ®iÒu khiÓn. Kh¸c víi BJT sö dông hai lo¹i h¹t dÉn ®ång thêi (n vµ p) vµ ®iÒu khiÓn b»ng dßng th× FET chØ dïng mét lo¹i h¹t dÉn (hoÆc n hoÆc p) vµ ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p. Kh¸i niÖm "Tr−êng" (field effect) ë tªn gäi nh»m nhÊn m¹nh nguyªn lý dïng ®iÖn tr−êng ®iÒu khiÓn dßng ra. FET ®Æc biÖt cã nhiÒu −u ®iÓm nh− tiªu thô rÊt Ýt n¨ng l−îng, trë kh¸ng vµo lín, thuËn tiÖn trong c«ng nghÖ chÕ t¹o. V× vËy FET lµ mét cÊu kiÖn ®iÖn tö ®−îc øng dông rÊt réng rEi ®Æc biÖt lµ trong kü thuËt sè víi nh÷ng m¹ch tæ hîp cì lín. FET gåm ba lo¹i chÝnh: + JFET - lµ lo¹i FET dïng chuyÓn tiÕp PN (Junction FET); + MOSFET - lµ lo¹i cã cùc cöa c¸ch ly víi cÊu tróc M- O- S (Metal - Oxyde - Semiconductor tøc lµ kim lo¹i - Oxit - b¸n dÉn). B¶n th©n MOSFET l¹i chia lµm hai lo¹i: Lo¹i MOSFET kªnh ®Æt s½n (lo¹i D-MOSFET) vµ MOSFET kªnh c¶m øng (lo¹i E-MOSFET). + MESFET - lµ FET dïng tiÕp xóc kim lo¹i b¸n dÉn (Metal Semiconductor FET). Tïy vµo lo¹i b¸n dÉn lo¹i N hay lo¹i P ®−îc sö dông, ta cã MOSFET kªnh N hay MOSFET kªnh P. KÕt hîp hai lo¹i nµy ®Ó chÕ t¹o thµnh mét cÊu kiÖn kiÓu liªn hîp mµ ng−êi ta gäi lµ c«ng nghÖ CMOS (Complementary MOS). Ph©n lo¹i FET ®−îc biÓu diÔn theo s¬ ®å h×nh 4-1. fet MESFET Jfet mosfet MESfet MESfet Jfet kªnh n Jfet kªnh p mosfet kªnh kªnh ®Æt s½n mosfet kªnh c¶m øng kªnh n kªnh p lo¹i kªnh n lo¹i kªnh p lo¹i kªnh n lo¹i kªnh p cmos H×nh 4-1: Ph©n lo¹i FET 1
4.2. Tranzito tr−êng dïng chuyÓn tiÕp pn (JFET (JFET) JFET) 4.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc cña JFET • CÊu t¹o: CÊu t¹o cña JFET ®−îc m« t¶ trªn h×nh 4-2. JFET gåm mét b¸n dÉn lo¹i N (hoÆc lo¹i P). §Çu trªn ®−îc nèi thµnh mét cùc cã tªn lµ cùc m¸ng (Drain) - Ký hiÖu lµ D. §Çu d−íi - lµ cùc nguån (Source) - Ký hiÖu lµ S. Hai mÆt s−ên ®−îc cÊy mét líp b¸n dÉn lo¹i P vµ ®−îc nèi víi nhau. Líp P nµy ®−îc nèi ra thµnh mét cùc cã tªn gäi lµ cùc cöa (Gate) - Ký hiÖu lµ G. Nh− vËy phÇn khèi b¸n dÉn gi÷a cùc S vµ D t¹o thµnh mét ®−êng dÉn gäi lµ kªnh. NÕu khèi b¸n dÉn dïng lo¹i N - cho kªnh N, nÕu b¸n dÉn P - cho kªnh P. Do b¸n dÉn ë cùc G vµ kªnh lµ kh¸c lo¹i nªn t¹o thµnh líp tiÕp xóc PN. H×nh 4-2a vµ h×nh 4-2b m« t¶ cÊu tróc cña JFET còng nh− ký hiÖu ®èi víi hai lo¹i kªnh N vµ P t−¬ng øng. Cùc m¸ng D Kªnh N D P N P G Cùc cöa G S TiÕp xóc PN Cùc nguån S a) JFET kªnh N Cùc m¸ng D Kªnh P D N P N G Cùc cöa G S TiÕp xóc PN Cùc nguån S b) JFET kªnh P H×nh 4-2: CÊu t¹o vµ ký hiÖu cña JFET kªnh N vµ kªnh P 2
• Nguyªn lý lµm viÖc: Cã hai lo¹i JFET: Kªnh N vµ kªnh P. §iÖn ¸p cÊp cho 2 lo¹i nµy ng−îc nhau nh− trªn h×nh 4-3. ID ID D + D EDS EDS + G G EGS S EGS + S + a) JFET kªnh N b) JFET kªnh P UGS < 0 UGS > 0 UDS > 0 UDS < 0 H×nh 4-3: Ký hiÖu vµ c¸ch cÊp ®iÖn ¸p mét chiÒu cho JFET lo¹i kªnh N vµ P Ta lÊy JFET kªnh N ®Ó kh¶o s¸t. XÐt víi ba tr−êng hîp: UGS = 0 ; UGS < 0 ; UGS > 0 Tr−êng hîp 1: UGS = 0, UDS = Var > 0 S¬ ®å m¾c m¹ch vµ sù thay ®æi kÝch th−íc kªnh khi cÊp c¸c ®iÖn ¸p cÇn thiÕt lªn c¸c cùc JFET ®−îc m« t¶ trªn h×nh 4-4. TiÕp xóc PN më réng dÇn vÒ phÝa cùc D lµm kªnh bÞ hÑp l¹i ë vïng nµy (h×nh 4-4a). HiÖn t−îng nµy lµ do ph©n bè ®iÖn ¸p däc theo kªnh kh¸c nhau, v× vËy ®iÖn ¸p gi÷a kªnh vµ cùc G t¨ng dÇn vÒ phÝa cùc D lµm ph©n cùc ng−îc cña tiÕp xóc PN phÝa vïng D m¹nh h¬n, vïng tiÕp xóc më réng h¬n lµm tiÕt diÖn kªnh gi¶m ®i. Trªn h×nh 4-4b cã ghi c¸c ®iÖn ¸p ph©n bè t¹i mét sè ®iÓm däc theo kªnh (lÊy vÝ dô víi gi¸ trÞ UDS = +2V). ID D Kªnh N D e +2V e N G + + 1.5V P P EDS UGS = 0 e UGS = 0V e P +1V P N IG = 0A + 0.5V IS S 0V b) Ph©n bè ®iÖn thÕ däc theo kªnh vµ h×nh d¹ng cña kªnh a) C¸ch m¾c JFET kªnh N (víi UGS = 0, UDS = +2V) 3
UDS = UP UDS > UP D + D §iÓm th¾t kªnh D¶i th¾t kªnh G G P P P P UGS = 0 UGS = 0 N N _ S S c) HiÖn t−îng th¾t kªnh khi d) Sù t¹o thµnh d¶i th¾t kªnh UGS = 0 vµ UDS ®¹t gi¸ trÞ UP khi UDS > UP (víi UGS = 0) H×nh 4- 4: Sù thay ®æi kÝch th−íc cña kªnh do ph©n bè ®iÖn thÕ kh«ng ®Òu däc theo kªnh vµ hiÖn t−îng th¾t kªnh Khi UDS t¨ng tõ gi¸ trÞ 0V, dßng ID t¨ng nhanh, tèc ®é t¨ng tr−ëng cña ID phô thuéc vµo trë kh¸ng cña kªnh. Do UDS cµng t¨ng chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a kªnh vµ cùc G phÝa cùc D cµng lín h¬n so víi vïng cùc S, do ®ã kªnh co hÑp nhiÒu h¬n ë miÒn nµy (h×nh 4-4b). Khi UDS ®¹t mét gi¸ trÞ nµo ®ã th× vïng tiÕp xóc PN ë hai phÝa më réng ®Õn møc ch¹m nhau lµm kªnh bÞ th¾t l¹i (h×nh 4-4c). §iÖn ¸p UDS øng víi tr−êng hîp nµy gäi lµ ®iÖn ¸p th¾t kªnh UP (Pinch off). Sau ®iÓm UP, t¨ng UDS n÷a dßng ID gÇn nh− kh«ng t¨ng vµ ®¹t gi¸ trÞ bEo hoµ, ®iÓm th¾t kªnh kÐo dµi vÒ phÝa cùc S t¹o thµnh mét d¶i th¾t kªnh (h×nh 4-4d). ID Vïng bEo hßa (hay vïng th¾t kªnh) IDSS øng víi ®iÓm Vïng ®¸nh Vïng tuyÕn tÝnh (hay th¾t kªnh thñng ®iÖn trë thuÇn) UDS 0 UP UDS thñng H×nh 4-5: Sù phô thuéc cña ID vµo UDS khi UGS = 0 Trªn h×nh 4-5 m« t¶ sù phô thuéc cña dßng ID vµo UDS: I D = f (U DS ) U GS = 0 . Gi¸ trÞ dßng bEo hßa víi tr−êng hîp UGS = 0 ®−îc ký hiÖu lµ IDSS. Qua ®Æc tuyÕn (h×nh 4-5), ta thÊy cã 3 vïng râ rÖt: Vïng UDS < UP: Dßng t¨ng nhanh, kh¸ tuyÕn tÝnh. Kªnh dÉn ®iÖn gièng nh− mét ®iÖn trë nªn vïng nµy ®−îc gäi lµ vïng tuyÕn tÝnh hay vïng ®iÖn trë thuÇn. Vïng UP < UDS < UDS thñng: Lµ vïng bEo hoµ, dßng ®iÖn cùc m¸ng gÇn nh− kh«ng t¨ng vµ b»ng IDSS do hiÖn t−îng th¾t kªnh. 4
Vïng UDS ≥ UDS thñng: NÕu UDS t¨ng qu¸ gi¸ trÞ UDS thñng th× tiÕp gi¸p PN bÞ ®¸nh thñng, dßng ID t¨ng vät. Vïng nµy gäi lµ vïng ®¸nh thñng. Tr−êng hîp 2: UGS < 0 ; UDS > 0: NÕu UGS cã gi¸ trÞ ©m, th× ®iÖn ¸p ng−îc chªnh lÖch gi÷a kªnh vµ cùc G sÏ lín h¬n tr−êng hîp xÐt ë trªn khi UGS = 0. §iÒu nµy lµm cho tiÕp xóc PN më réng m¹nh h¬n vµ ®iÓm th¾t kªnh ®Õn sím h¬n, cã nghÜa lµ gi¸ trÞ UP sÏ nhá ®i: UP (U GS < 0 ) < UP (U GS = 0 ) ViÕt gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña UP v× ë ®©y nãi chung cho c¶ tr−êng hîp kªnh N vµ kªnh P (§èi víi JFET kªnh P ®iÖn ¸p cÊp sÏ ng−îc chiÒu l¹i víi JFET kªnh N). UGS cµng ©m th× gi¸ trÞ UP cµng nhá, vµ dßng bEo hoµ ID còng gi¶m theo. Tr−êng hîp 3: UGS > 0; UDS > 0: NÕu UGS > 0, tiÕp gi¸p PN gi÷a cùc G vµ kªnh sÏ ph©n cùc thuËn. Khi ®ã dßng IG sÏ t¨ng ®ét ngét, kh¶ n¨ng ®iÒu khiÓn kªnh sÏ kh«ng cßn. V× vËy JFET chØ lµm viÖc ë chÕ ®é tiÕp gi¸p PN gi÷a cùc G vµ cùc S ph©n cùc ng−îc. ChÕ ®é nµy gäi lµ chÕ ®é nghÌo (Depletion mode - hay gäi t¾t lµ D mode). ChÕ ®é nghÌo øng víi lo¹i JFET kªnh N lµ UGS < 0, cßn ®èi víi JFET kªnh P sÏ lµ UGS > 0. 4.2.2. Hä ®Æc tuyÕn ra vµ ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t cña JFET Do trë kh¸ng vµo cña JFET lµ ®iÖn trë cña tiÕp xóc PN ph©n cùc ng−îc nªn rÊt lín cì > 108Ω nªn dßng IG coi nh− b»ng 0. V× vËy kh«ng kh¶o s¸t ®Æc tuyÕn vµo. Hai ®Æc tuyÕn quan träng cña JFET lµ ®Æc tuyÕn ra I D = f (U DS ) U GS =Const vµ ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t I D = f (U GS ) U DS =Const . Tõ hä ®Æc tuyÕn ra, cã thÓ vÏ ®−îc ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t, hoÆc dùa theo ph−¬ng tr×nh Schockley. Hai ph−¬ng ph¸p nµy ®−îc tr×nh bµy cô thÓ d−íi ®©y. §−êng nèi c¸c ®iÓm th¾t kªnh ID(mA) ID(mA) øng víi c¸c UGS kh¸c nhau VGS = 0V IDSS 8 8 Vïng ®¸nh thñng 7 7 6 6 5 5 VGS = -1V 4 4 3 3 VGS = -2V 2 2 1 VGS = -3V 1 UDS(V) UGS(V) - 4 -3 -2 -1 0 0 5 10 15 20 UGS = - 4V = UGSoff UGSoff = UP a) Hä ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t ID = f(UGS) b) §Æc tuyÕn ra ID = f(UDS) H×nh 4- 6: X©y dùng ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t dùa vµo ®Æc tuyÕn ra 5
Trªn h×nh 4-6a m« t¶ hä ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t I D = f (U GS ) U DS =Const ®−îc vÏ tõ hä ®Æc tuyÕn ra. H×nh 4-6b m« t¶ hä ®Æc tuyÕn ra øng víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña UGS. T¹i gi¸ trÞ UGS = UP dßng ID = 0 vµ ký hiÖu gi¸ trÞ nµy lµ UGSoff gäi lµ ®iÖn ¸p khãa, tøc lµ UGSoff = UP: NÕu gi¶m UGS ta thÊy ID sÏ gi¶m theo vµ ®iÓm th¾t kªnh sÏ ®Õn sím h¬n. §−êng cong ®øt nÐt trªn ®å thÞ ra lµ tËp hîp cña c¸c ®iÓm th¾t kªnh øng víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña UGS. §−êng cong nµy ph©n c¸ch ®Æc tuyÕn ra thµnh 2 vïng: vïng tuyÕn tÝnh phÝa tr¸i ®−êng cong vµ vïng bEo hßa ë phÝa ph¶i ®−êng cong. 4.2.3. Ph−¬ng tr×nh Shockley m« t¶ ®Æc tuyÕn ra XÐt biÓu thøc to¸n häc m« t¶ ph−¬ng tr×nh ®Æc tuyÕn ra t¹i hai vïng: tuyÕn tÝnh vµ bEo hßa. §ã lµ ph−¬ng tr×nh Shockley øng víi 2 vïng sau: * Vïng tuyÕn tÝnh (hay vïng ®iÖn trë thuÇn): ®Æc tuyÕn gÇn nh− tuyÕn tÝnh vµ ®−îc m« t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh: ID = 2K[(UGS - UP)UDS - 0,5U2DS] (4-1) Víi gi¸ trÞ UDS nhá, cã thÓ lÊy xÊp xØ ph−¬ng tr×nh bÆc nhÊt: ID = 2K(UGS - UP)UDS (4-2) * Vïng bNo hßa ®−îc m« t¶ b»ng ph−¬ng tr×nh: ID = K(UGS - UP)2 (4-3) Trong ®ã K lµ mét hÖ sè tû lÖ víi tû sè ®é réng kªnh trªn chiÒu dµi kªnh vµ ®é linh ®éng cña h¹t dÉn. HÖ sè k cã hÖ sè nhiÖt ©m: K~ T-3/2 (4-4) * T¹i vïng tuyÕn tÝnh - JFET nh− mét ®iÖn trë thuÇn ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p (§Æc tÝnh nµy ®óng cho c¶ JFET vµ MOSFET): §a sè c¸c FET cã cÊu tróc ®èi xøng gi÷a cùc m¸ng (D) vµ cùc nguån (S). V× vËy c¸c tÝnh chÊt cña FET hÇu nh− kh«ng thay ®æi khi ®æi lÉn vai trß cho nhau cña hai cùc nµy. T¹i vïng gÇn gèc täa ®é cña ®Æc tuyÕn ra I D = f (U DS ) U GS =Const kh¸ tuyÕn tÝnh (trong kho¶ng UDS < 1,5V). Phãng to vïng nµy t¹i gÇn gèc täa ®é cho h×nh 4-7 (tuyÕn tÝnh c¶ 2 phÝa cùc tÝnh cña UDS v× nh− trªn ®E nhËn xÐt FET cã cÊu tróc ®èi xøng). Sù phô thuéc cña dßng ID vµo UDS tu©n theo ph−¬ng tr×nh (4-1). §é tuyÕn tÝnh cña ®Æc tuyÕn vïng nµy phô thuéc vµo ®é lín cña UDS ®−îc chän. VÝ dô nÕu chän UDS < 0,1(UGS - UP) th× ®é phi tuyÕn cña ®Æc tuyÕn sÏ kho¶ng 2%. NÕu UDS ≈ 0,25 (UGS - UP) th× ®é phi tuyÕn cã thÓ tíi 10%. 6
ID(mA) UGS = -1V UGS = -2V 8 6 UGS = -3V 4 2 UDS(V) -1,5 -1 -0,5 0,5 1 1,5 H×nh 4-7 : Vïng tuyÕn tÝnh cña ®Æc tuyÕn ra JFET ____ : §−êng nÐt liÒn ch−a dïng m¹ch tuyÕn tÝnh hãa -----: §−êng nÐt ®øt ®3 ®−îc tuyÕn tÝnh hãa T¹i vïng tuyÕn tÝnh, JFET nh− mét ®iÖn trë thuÇn tuyÕn tÝnh. Khi thay ®æi ®iÖn ¸p cùc cöa UGS, gãc nghiªng ®Æc tuyÕn thay ®æi t−¬ng ®−¬ng víi viÖc thay ®æi gi¸ trÞ cña ®iÖn trë JFET. Nh− vËy, t¹i vïng nµy JFET lµm viÖc nh− mét ®iÖn trë cã thÓ ®iÒu khiÓn ®−îc gi¸ trÞ b»ng ®iÖn ¸p UGS. Trªn thùc tÕ ®iÖn trë tuyÕn tÝnh cña JFET cã thÓ thay ®æi tõ vµi chôc «m ®Õn gi¸ trÞ lín v« cïng. Ký hiÖu ®iÖn trë cña JFET lµ rD, tÝnh theo ph−¬ng tr×nh (4-1) ta cã: ∂I D = 2 K [(U GS − U P ) − U DS ] 1 = (4-5) rD ∂U DS Suy ra: 1 rD = (4-6) 2 K [(U GS − U P ) − U DS ] §Ó ®¶m b¶o ®é tuyÕn tÝnh cña rD, th−êng chän UDS nhá nªn cã thÓ tÝnh gÇn ®óng theo c«ng thøc (4-2). Do ®ã rD cã thÓ tÝnh ®¬n gi¶n nh− sau: 1 1 rD ≅ ≅ (4-7) 2 K (U GS − U P ) 2 K (U GS − U GSoff ) NÕu gäi rD0 lµ gi¸ trÞ cña ®iÖn trë JFET t¹i gi¸ trÞ UGS = 0, ta cã: 1 rD 0 = (4-8) 2 K (−U P ) 7
Tõ ®ã, gi¸ trÞ rD cã thÓ tÝnh qua rD0 theo biÓu thøc sau: rD 0 rD = (4-9) U 1 − GS UP D−íi ®©y nªu vÝ dô cña viÖc øng dông JFET nh− mét biÕn trë ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p trong bé ph©n ¸p cã ®iÒu khiÓn. R R Uv Ura Uv Ura R1 G R2 U®k rD U®k a) b) H×nh 4- 8: Bé ph©n ¸p cã ®iÒu khiÓn dïng JFET a) M¹ch ch−a tuyÕn tÝnh hãa (øng víi ®Æc tuyÕn nÐt liÒn trong h×nh h×nh 4-7) b) M¹ch tuyÕn tÝnh hãa ®Ó më réng d¶i tuyÕn tÝnh cña JFET (øng víi ®Æc tuyÕn ®øt nÐt trong h×nh 4-7) Trong h×nh 4-8a, hÖ sè ph©n ¸p sÏ b»ng: U ra rD η= = (4-10) Uv R + rD Th«ng th−êng chän R >> rD ®Ó d¶i ®iÒu khiÓn ®ñ réng. Khi ®ã hÖ sè η sÏ gÇn b»ng: rD η≅ R >> rD (4-11) R Tuy nhiªn trong m¹ch h×nh 4-8a, tÝnh chÊt tuyÕn tÝnh gi÷a ID vµ UDS sÏ kh«ng cßn nÕu UDS > 1V (øng víi ®−êng liÒn nÐt cña ®Æc tuyÕn h×nh 4-7). §Ó më réng vïng tuyÕn tÝnh cña JFET, ng−êi ta dïng m¹ch h×nh 4-8b. ë ®©y sö dông håi tiÕp víi ®iÖn trë R2, R3. Th−êng chän R2 = R3 >> rD. Khi ®ã ta cã: 1 U GS = (U®k + UDS) (4-12) 2 Khi ®ã, ®Æc tuyÕn ®−îc tuyÕn tÝnh hãa réng h¬n, tíi gi¸ trÞ UDS ≅ 1,5V (øng víi ®−êng ®øt nÐt cña ®Æc tuyÕn trong h×nh 4-7). TÝnh chÊt JFET nh− mét ®iÖn trë ®−îc ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p trong vïng tuyÕn tÝnh cña ®Æc tuyÕn ra ®−îc øng dông kh¸ réng rEi trong c¸c m¹ch ®iÓn tö ®Ó tù ®éng ®iÒu khiÓn hÖ sè khuÕch ®¹i hay æn ®Þnh biªn ®é cña m¹ch dao ®éng. 8
* T¹i vïng b3o hßa - Dßng ®iÖn cùc m¸ng t¹i vïng bEo hßa ®−îc x¸c ®Þnh bëi ph−¬ng tr×nh Schokley nh− sau: 2  U  I D = I DSS 1 − GS  (4-13)  UP  Nh− vËy ID = 0 khi: UGS = UGS off = UP (4-14) V× vËy thay UP b»ng UGS off vµo c«ng thøc (4-13) sÏ cho kÕt qu¶: 2  U  I D = I DSS 1 − GS  (4-15)  U   GSoff  Tõ c«ng thøc (4-13) cã thÓ t×m ra UGS.  ID  U GS = U P 1 −   (4-16)  I DSS  Tõ c«ng thøc (4-13) vµ (4-16) cã thÓ rót ra mét sè gi¸ trÞ ®Æc biÖt ®Ó tiÖn lîi cho viÖc x©y dùng ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t mét c¸ch nhanh chãng vµ tiÖn lîi. UP XÐt gi¸ trÞ víi U GS = thay vµo (4-13) ta rót ra: 2 I DSS ID = U GS =U P / 2 (4-17) 4 I DSS HoÆc nÕu chän I D = thay vµo (4-15) ta rót ra: 2 U GS ≅ 0,3U P I D = I DSS / 2 (4-18) ID 1 IDSS 3 IDSS/2 4 IDSS/4 2 UDS UP UP/2 0,3UP 0 H×nh 4- 9: X©y dùng ®Æc tuyÕn ID= f(UGS) dùa theo 4 ®iÓm ®Æc biÖt 9
Nh− vËy biÕt UP vµ IDSS ta sÏ tÝnh nhÈm ngay ®−îc 2 ®iÓm gi¸ trÞ n÷a cña UGS vµ ID nh− vËy ta cã 4 ®iÓm gi¸ trÞ sau: §iÓm 1: ID = IDSS ; UGS = 0 §iÓm 2: ID = 0; UGS = UP I DSS §iÓm 3: ID = ; UGS = 0,3UP 2 I DSS UP §iÓm 4: ID = ; U GS = 4 2 Vµ dÔ dµng x©y dùng ®−îc ®å thÞ I D = f (U GS ) U D =Const nh− h×nh 4- 9. 4.2.3. §iÓm hÖ sè nhiÖt b»ng kh«ng FET cã mét tÝnh chÊt ®¨c biÖt lµ t¹i mét gi¸ trÞ nµo ®ã cña UGS th× dßng ID kh«ng phô thuéc vµo nhiÖt ®é. §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t øng víi c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau ®−îc cho trªn h×nh 4-10. T¹i ®iÓm M, hÖ sè nhiÖt cña dßng ID b»ng 0. §iÒu nµy thËt cã Ých nÕu chän ®−îc ®iÓm lµm viÖc cña JFET gÇn ®iÓm M sÏ cho m¹ch lµm viÖc æn ®Þnh, rÊt Ýt phô thuéc vµo nhiÖt ®é m«i tr−êng. ID(mA) -50oC 10 +25oC 5 M +125oC UGS(V) -4 -2 0 H×nh 4- 10: §Æc tuyÕn ID = f(UGS) phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña JFET (kªnh N) L−u ý: TÝnh chÊt ®Æc biÖt nµy ®óng cho c¶ lo¹i JFET vµ MOSFET. 10
4.2.4. C¸c tham sè cña JFET • C¸c tham sè giíi h¹n: - Dßng IDmax: Lµ dßng m¸ng cùc ®¹i cho phÐp. IDmax = IDSS - §iÖn ¸p m¸ng - nguån cùc ®¹i: Lµ ®iÖn ¸p cùc ®¹i cho phÐp gi÷a cùc D vµ cùc S ®Ó JFET ch−a bÞ ®¸nh thñng. Th«ng th−êng chän UDSmax = 80%UDS Thñng. - §iÖn ¸p ®¸nh thñng UDS Thñng - §iÖn ¸p D-G cùc ®¹i UDGmax - §iÖn ¸p G-S cùc ®¹i UGSmax: §Ó giíi h¹n tr¸nh ®¸nh thñng tiÕp gi¸p PN - §iÖn ¸p ®¸nh thñng G-S UGS Thñng: §iÖn ¸p ®¸nh thñng tiÕp gi¸p PN (gi÷a cùc G vµ S) - §iÖn ¸p khãa UGS off: ®iÖn ¸p gi÷a G vµ S ®Ó ID = 0 - Dßng ®iÖn cùc m¸ng bEo hßa IDSS: Lµ dßng cùc m¸ng bEo hßa khi UGS = 0 - NhiÖt ®é tiÕp gi¸p tèi ®a cho phÐp Tj - NhiÖt ®é cÊt gi÷ Tstg - C«ng suÊt tiªu t¸n cùc ®¹i cho phÐp t¹i cùc m¸ng PDmax: PDmax = UDSID (4-19) C«ng suÊt tiªu t¸n cùc ®¹i sÏ bÞ gi¶m ®i khi nhiÖt ®é t¨ng. HÖ sè gi¶m nµy th−êng ®Æc tr−ng b»ng 2,82W/oC kÓ tõ 25oC trë lªn. Trªn h×nh 4-11 m« t¶ vïng giíi h¹n lµm viÖc cña JFET. Vïng giíi h¹n lµm viÖc ®−îc biÓu diÔn b»ng g¹ch chÐo. Trong ®ã c¸c phÝa bÞ giíi h¹n bëi c¸c ®−êng: IDSS, PDmax, ID = 0, d¶i ph©n c¸ch vïng tuyÕn tÝnh (c¸c ®iÓm ®Çu th¾t kªnh) ID §−êng ph©n c¸ch víi vïng tuyÕn tÝnh IDSS PD max = UDSID Vïng lµm lµm viÖc UDS UDS max H×nh 4-11: Giíi h¹n vïng lµm viÖc cña JFET 11
• C¸c tham sè tÝn hiÖu nhá: - gm: §é hç dÉn - rG: §iÖn trë vµo - rD: §iÖn trë trong - µ: HÖ sè khuÕch ®¹i - §iÖn dung gi÷a c¸c cùc: CGS: Kho¶ng tõ 2÷10pF ®èi víi JFET c«ng suÊt nhá CGD, CDS: Kho¶ng tõ 0,1÷2pF ®èi víi JFET c«ng suÊt nhá (C¸c tham sè nµy sÏ kh¶o s¸t kü h¬n ë phÇn d−íi) NhËn xÐt: JFET cã mét sè tÝnh n¨ng c¬ b¶n sau: - Cã trë kh¸ng vµo rÊt lín (tíi 109Ω), dßng vµo IG ≅ 0 nªn JFET ®−îc coi nh− phÇn tö ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p. - §iÖn trë ra lín (rD lín - §©y lµ vïng bEo hßa, øng víi miÒn th¾t kªnh). Do ®iÖn trë ra lín nªn ®Çu ra th−êng sö dông m« h×nh t−¬ng ®−¬ng nguån dßng. - §iÖn dung ghÐp håi tiÕp nhá - T¹p ©m nhá (nhá h¬n so víi BJT) - PhÇn lín c¸c JFET cã cÊu tróc ®èi xøng nªn nÕu ho¸n vÞ hai cùc D vµ S th× ®Æc tuyÕn vµ tham sè kh«ng thay ®æi - Vïng ®Çu cña ®Æc tuyÕn ra (trong kho¶ng UDS < 1,5V) lµ vïng JFET cã tÝnh chÊt nh− mét ®iÖn trë tuyÕn tÝnh, gi¸ trÞ ®iÖn trë cã thÓ ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p UGS 4.3. Tranzito tr−êng lo¹i MOSFET 4.3.1. Ph©n lo¹i Trong cÊu tróc cña JFET cùc cöa G ®−îc ph©n c¸ch víi kªnh b»ng tiÕp xóc PN ph©n cùc ng−îc. Víi lo¹i cÊu tróc míi, cùc G ®−îc c¸ch ly bëi chÊt c¸ch ®iÖn. §Êy lµ lo¹i Tranzito tr−êng MOSFET, ®−îc viÕt t¾t tõ tiÕng Anh: Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor, tøc lµ lo¹i FET cã cÊu tróc kim lo¹i oxyt b¸n dÉn (MOS). Do tÝnh chÊt c¸ch ly nµy mµ ng−êi ta cßn gäi chóng lµ Tranzito cã cùc cöa c¸ch ly – IGFET (Isolated Gate FET). MOSFET gåm 2 lo¹i: Kªnh ®Æt s½n vµ kªnh c¶m øng. 12
MOSFET kªnh ®Æt s½n: Cßn ®−îc gäi lµ lo¹i D-MOSFET (viÕt t¾t tõ tiÕng Anh: Depletion type MOSFET - tøc lµ MOSFET lo¹i nghÌo). §©y lµ lo¹i cã kªnh ®−îc h×nh thµnh s½n trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o. Nã lµm viÖc ®−îc c¶ trong chÕ ®é lµm nghÌo vµ chÕ ®é lµm giÇu h¹t dÉn. Tuy nhiªn nã ®−îc mang tªn lµ lo¹i h¹t nghÌo (D-MOSFET) ®Ó dÔ ph©n biÖt víi lo¹i giÇu d−íi ®©y. MOSFET kªnh c¶m øng: Cßn ®−îc gäi lµ E-MOSFET (viÕt t¾t tõ tiÕng Anh: Enhancement type MOSFET - tøc lµ MOSFET lo¹i giÇu hoÆc lo¹i t¨ng c−êng). Trong E-MOSFET kªnh kh«ng ®−îc chÕ t¹o tr−íc mµ h×nh thµnh khi ®Æt mét ®iÖn ¸p nhÊt ®Þnh lªn cùc G. Qu¸ tr×nh h×nh thµnh kªnh chÝnh lµ qu¸ tr×nh lµm giÇu h¹t dÉn nhê hiÖn t−îng c¶m øng tÜnh ®iÖn tõ cùc G. Lo¹i nµy chØ lµm viÖc ®−îc ë chÕ ®é lµm giÇu (E-mode). Tïy thuéc vµo lo¹i b¸n dÉn sö dông mµ ta cã MOSFET kªnh N hoÆc kªnh P. 4.3.2. MOSFET kªnh ®Æt s½n (D-MOSFET) • CÊu t¹o: MOSFET kªnh ®Æt s½n cã cÊu t¹o nh− h×nh 4-12. Trong ®ã m« t¶ cÊu t¹o vµ ký hiÖu cña hai lo¹i kªnh N vµ kªnh P. D SiO2 D SiO2 Kªnh N Kªnh P n+ p+ TiÕp xóc kim TiÕp xóc kim lo¹i lo¹i G n p B G p n B n+ p+ Vïng nång ®é Vïng nång ®é S cao S cao a) D-MOSFET kªnh N b) D-MOSFET kªnh P H×nh 4-12: CÊu t¹o cña MOSFET kªnh ®Æt s½n (D-MOSFET) MOSFET còng cã 3 cùc: Cùc nguån S (Source), cùc cöa G (Gate), cùc m¸ng D (Drain). Cùc nguån vµ cùc m¸ng ®−îc nèi víi vïng cã nång ®é pha t¹p N cao, ký hiÖu lµ n+. Nèi gi÷a vïng S vµ D lµ kªnh. Kªnh ®−îc c¸ch ly víi cùc G b»ng mét líp Oxyt c¸ch ®iÖn SiO2. Khèi b¸n dÉn P gäi lµ ®Õ vµ ®−îc nèi ra gäi lµ cùc ®Õ ký hiÖu lµ B (viÕt t¾t tõ ch÷ Body). Gi÷a cùc ®Õ vµ kªnh lµ tiÕp xóc PN ph©n cùc ng−îc. L−u ý r»ng trong nhiÒu tr−êng hîp cùc ®Õ B ®−îc ®Êu nèi s½n víi cùc nguån S trong qu¸ tr×nh chÕ t¹o. • Nguyªn lý ho¹t ®éng cña D-MOSFET: D-MOSFET cã thÓ ho¹t ®éng ®−îc c¶ hai chiÒu ®iÖn ¸p UGS. øng víi UGS < 0 sÏ lµ chÕ ®é nghÌo, UGS > 0 lµ chÕ ®é giµu. 13
* Kh¶o s¸t D-MOSFET kªnh N víi 3 tr−êng hîp: UGS = 0, UGS < 0, UGS > 0: Tr−êng hîp UGS = 0: (H×nh 4-13a) §iÖn tö trong kªnh ®−îc kÐo vÒ cùc D do ®iÖn ¸p trªn cùc D lµ d−¬ng, UDS > 0 t¹o thµnh dßng ID. Víi gi¸ trÞ UGS = 0, dßng ID chÝnh lµ dßng IDSS. D ID D n+ n+ + + + + e T¸i hîp e UDD e UDD e G p B _ G e p B _ e n e UGS = 0 e UGS < 0 _ e _ e S n + S n+ ID = IS = IDSS a) UGS = 0 b) UGS < 0 D + n+ + e e UDD G e p B _ UGS > 0 e e _ S n+ c) UGS > 0 e: §iÖn tö o: Lç trèng H×nh 4-13: Nguyªn lý lµm viÖc cña D-MOSFET kªnh N víi sù thay ®æi ®iÖn ¸p UGS a) UGS = 0 b) UGS < 0 c) UGS > 0 Tr−êng hîp UGS < 0: (H×nh 4-13b) Do t¸c ®éng tÜnh ®iÖn nh− mét tô ®iÖn mµ mét m¸ tô lµ cùc G, m¸ tô kia lµ kªnh, cßn chÊt ®iÖn m«i lµ SiO2, sè ®iÖn tö tù do cña kªnh cã xu thÕ bÞ ®Èy bít khái kªnh ra phÇn ®Õ. MÆt kh¸c, lç trèng cã 14
®iÖn tÝch d−¬ng tõ ®Õ ®−îc kÐo vµo kªnh vµ chóng dÔ dµng t¸i hîp víi ®iÖn tö trong kªnh. Do ®ã sè h¹t dÉn chÝnh cña kªnh lµ ®iÖn tö bÞ gi¶m ®i râ rÖt, lµm trë kh¸ng kªnh t¨ng tøc dßng ID gi¶m. NÕu tiÕp tôc gi¶m UGS dßng ID sÏ b»ng 0 t¹i mét gi¸ trÞ nµo ®ã, ta gäi ®ã lµ ®iÖn ¸p khãa kªnh UGsoff. ChÕ ®é nµy víi UGS < 0 cã tªn gäi lµ chÕ ®é nghÌo. Tr−êng hîp UGS > 0: (H×nh 4-13c) Khi UGS > 0, t¸c dông sÏ ng−îc l¹i víi chÕ ®é trªn. §iÖn tö tõ vïng ®Õ sÏ bÞ kÐo vÒ kªnh nhiÒu h¬n lµm kªnh giµu h¹t dÉn ®a sè h¬n. Khi ®ã trë kh¸ng kªnh gi¶m ®i, dßng ID t¨ng lªn. ChÕ ®é nµy víi UGS > 0 cã tªn lµ chÕ ®é giµu. Sù phô thuéc cña dßng ID vµo UGS vµ UDS ®−îc m« t¶ b»ng ®Æc tuyÕn ra: I D = f (U DS ) U GS = const vµ ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t: I D = f (U GS ) U DS = const . Trªn h×nh 4-14 m« t¶ hai hä ®Æc tuyÕn trªn. ID(mA) ID(mA) ChÕ ®é giµu 10 UGS = +1V ChÕ ®é 10 nghÌo ChÕ ®é giµu 8 UGS = 0V 8 4 UGS = -1V 4 ChÕ ®é nghÌo 2 UGS = -2V 2 UP UGS = -3V UDS -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 UGS(V) 0 UGS = -6V a) §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t b) §Æc tuyÕn ra H×nh 4-14: §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t vµ ®Æc tuyÕn ra cña D-MOSFET kªnh N Khi UDS t¨ng dÇn tõ gi¸ trÞ 0V, kªnh gièng nh− mét ®iÖn trë thuÇn (t−¬ng tù JFET) vµ dßng t¨ng nhanh khi UDS t¨ng. Khi UDS t¨ng ®Õn gi¸ trÞ nµo ®ã th× còng x¶y ra hiÖn t−îng th¾t kªnh nh− ®èi víi JFET do phÝa gÇn cùc D, kªnh cµng nghÌo h¬n do chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a cùc G vµ D lín h¬n phÝa gÇn cùc S, lµm trë kh¸ng kªnh t¹i vïng nµy t¨ng lªn t−¬ng ®−¬ng víi hiÖu øng kªnh hÑp l¹i. MÆt kh¸c t¹i vïng D, ph©n cùc ng−îc lín h¬n vïng cùc S, lµm tiÕp xóc ph©n cùc ng−îc PN gi÷a kªnh vµ ®Õ më réng m¹nh vµ lµm kªnh hÑp l¹i. Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p UDS øng víi ®iÓm th¾t kªnh ký hiÖu lµ UP (nh− víi JFET). Sau ®iÓm th¾t kªnh dßng ID kh«ng t¨ng vµ ®¹t gi¸ trÞ bEo hßa IDSS. XÐt ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t I D = f (U GS ) U DS = const cho thÊy: Khi UGS < 0, hä ®Æc tuyÕn øng víi chÕ ®é nghÌo, cßn khi UGS > 0 øng víi chÕ ®é giµu. Khi UGS = UP = UGS off th× dßng ID = 0. Ph−¬ng tr×nh Shockley vÉn ¸p dông ®−îc cho lo¹i MOSFET kªnh ®Æt s½n vµ ®óng cho c¶ hai vïng nghÌo vµ giµu: UGS < 0 vµ UGS > 0. 15
VÝ dô: D-MOSFET kªnh N cã tham sè sau: IDSS = 10mA, UP = 4V. TÝnh dßng ID t¹i gi¸ trÞ UGS = +1V. Gi¶i: ¸p dông c«ng thøc (4-15) cã: + 1V I D = 10mA(1 − ) = 15,63mA − 4V * Kh¶o s¸t D-MOSFET kªnh P: Víi kªnh ®Æt s½n lo¹i P, cÊu tróc ng−îc l¹i víi kªnh N: §Õ lµ b¸n dÉn N, kªnh lµ b¸n dÉn P. Nguån cÊp còng ng−îc l¹i. ChÕ ®é nghÌo øng víi UGS > 0, chÕ ®é giµu øng víi gi¸ trÞ UGS < 0. H×nh 4-15 m« t¶ ký hiÖu vµ ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t cña MOSFET kªnh P. ID(mA) ID(mA) ChÕ ®é giµu D ChÕ ®é 8 8 UGS = -1V giµu p+ UDS 7 I DSS 7 6 6 UGS = 0V p B 5 5 G n ChÕ ®é nghÌo 4 4 UGS = +1V UGS (±) 3 3 ChÕ ®é nghÌo p+ 2 UGS = +2V 2 S 1 1 UGS = +3V UDS -1 0 1 2 3 4 5 6 UGS(V) 0 UP UGS = UP = +6V a) CÊu t¹o b) §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t c) §Æc tuyÕn ra H×nh 4-15: C¸ch cÊp nguån vµ ®Æc tuyÕn cña D-MOSFET kªnh P • Ký hiÖu vµ tham sè: Cùc ®Õ, trong mét sè tr−êng hîp ®−îc sö dông nh− mét cùc thø 4 vµ ®−îc m¾c mét ®iÖn ¸p kh¸c víi cùc S. Tuy nhiªn trong nhiÒu tr−êng hîp nã ®−îc nèi trùc tiÕp víi cùc S ngay trong vá vµ kh«ng cã ch©n riªng nèi ra ngoµi. V× vËy øng víi hai tr−êng hîp trªn cã hai kiÓu ký hiÖu t−¬ng øng. D D D D B B G G G G S S S S Lo¹i 4 cùc Ký hiÖu rót gän Lo¹i 3 cùc Ký hiÖu rót gän (§Õ ®éc lËp) cho lo¹i 4 cùc (Cùc ®Õ nèi s½n víi cho lo¹i 3 cùc (Mòi tªn chØ chiÒu cùc S bªn trong) (Mòi tªn chØ chiÒu dßng ®iÖn) dßng ®iÖn) a) D-MOSFET kªnh N 16
D D D D B B G G G G S S S S Ký hiÖu rót gän Lo¹i nèi 3 cùc Ký hiÖu rót gän Lo¹i 4 cùc cho lo¹i 4 cùc (Cùc ®Õ nèi s½n víi cho lo¹i 3 cùc (§Õ ®éc lËp) (Mòi tªn chØ chiÒu (Mòi tªn chØ chiÒu cùc S bªn trong) dßng ®iÖn) dßng ®iÖn) b) D-MOSFET kªnh P H×nh 4-16: Ký hiÖu D-MOSFET kªnh ®Æt s½n lo¹i N vµ P øng víi hai tr−êng hîp nèi cña cùc ®Õ C¸c tham sè cña MOSFET kªnh ®Æt s½n còng t−¬ng tù nh− JFET gåm c¸c tham sè giíi h¹n UDS max, UGSmax, ID max, PD max, d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc, UGS off, dßng IG ng−îc... D−íi ®©y ®Ó minh häa, sÏ liÖt kª mét sè tham sè chÝnh cña MOSFET kªnh N-2N3797 cña hEng Motorola (cùc ®Õ ®E nèi bªn trong víi cùc S): Tham sè giíi h¹n: UDS max (®iÖn ¸p UDS cùc ®¹i): 20Vdc UGS max (®iÖn ¸p UGS cùc ®¹i): ±10Vdc ID max (dßng ®iÖn ID cùc ®¹i): 20mAdc PD max (c«ng suÊt tiªu t¸n cùc ®¹i trªn cùc D ë 25oC): 200mW γPD max (hÖ sè gi¶m c«ng suÊt tiªu t¸n cùc ®¹i trªn cùc D khi > 25oC): 1,14mW/oC Tham sè c¾t dßng: UGS off (®iÖn ¸p khãa GS khi ID= 2µA, UDS = 10V): -7Vdc IG (dßng cùc G khi UGS = -10V, UDS = 0V, t = 150oC): 1pAdc Tham sè lµm viÖc: IDSS (dßng ID bEo hßa t¹i UDS = 10V, UGS = 0V): 6mAdc ID(UGS) (dßng ID t¹i mét ®iÓm lµm viÖc khi UDS = 10V, UGS = 3,5V): 18mAdc Tham sè xoay chiÒu tÝn hiÖu nhá: yfs (dÉn n¹p truyÒn ®¹t thuËn khi UDS = 10V, UGS = 0, f=1KHz): 3000µS yos (dÉn n¹p ra khi UDS = 10V, UGS = 0, f=1KHz): 60µS 17
Cv (®iÖn dung vµo khi UDS = 10V, UGS = 0, f=1KHz): 8pF NF (hÖ sè t¹p ©m khi UDS = 10V, UGS = 0, f=1KHz, RS = 3MΩ): 3,8dB 4.3.3. MOSFET kªnh c¶m øng (E-MOSFET) MOSFET kªnh c¶m øng cßn gäi E-MOSFET (viÕt t¾t cña tõ tiÕng anh Enhancement type MOSFET - tøc lµ MOSFET lo¹i giµu hay lo¹i t¨ng c−êng). §iÒu nµy ®−îc lý gi¶i lµ kªnh chØ ®−îc h×nh thµnh do ®−îc lµm giµu h¹t dÉn khi b¾t ®Çu víi møc ®iÖn ¸p nhÊt ®Þnh cÊp cho cùc cöa G. • CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc: CÊu t¹o MOSFET kªnh c¶m øng lo¹i N ®−îc m« t¶ trªn h×nh 4-17 D D SiO2 Kh«ng cãkªnh ID n+ n+ TiÕp xóc e o + kim lo¹i + e o p IG = 0A + o UDS + e B _ G G e o p B + + e o PhiÕn ®Õ + e o UGS + e o _ S n+ n+ Vïng nång ®é ID = IS S cao a) CÊu t¹o b) Qu¸ tr×nh h×nh thµnh kªnh c¶m øng D ID n+ + ID = 0A UDS e p _ G B + e UGS e _ S n+ ID = IS c) Sù h×nh thµnh ®iÓm th¾t kªnh H×nh 4-17: MOSFET kªnh c¶m øng lo¹i N vµ c¬ chÕ h×nh thµnh kªnh CÊu t¹o cña MOSFET kªnh c¶m øng còng gåm c¸c bé phËn: ®Õ, c¸c cùc G, D, S, líp c¸ch ®iÖn SiO2, hai vïng bEn dÉn lo¹i N cã nång ®é pha t¹p cao (ký hiÖu lµ n+) ®Ó t¹o thµnh vïng nguån S vµ m¸ng D. 18
Khi UGS = 0. UDS > 0 kªnh ch−a h×nh thµnh, v× vËy dßng ID = 0 (thùc tÕ dßng ID lóc nµy b»ng dßng ch¶y qua hai tiÕp xóc PN ph©n cùc ng−îc ë vïng S vµ D nªn rÊt nhá). T¨ng dÇn UGS > 0, do c¶m øng tÜnh ®iÖn nªn sè ®iÖn tö ®−îc kÐo vÒ s¸t líp SiO2 ®èi diÖn víi cùc cöa G ngµy cµng nhiÒu, trong khi ®ã lç trèng (h¹t dÉn ®a sè) bÞ ®Èy xa khái vïng l©n cËn nµy. §Õn mét gi¸ trÞ UGS nµo ®Êy ta gäi lµ ®iÖn ¸p ng−ìng UT, do sè ®iÖn tö (h¹t dÉn thiÓu sè) tËp trung t¹i vïng l©n cËn s¸t bÒ mÆt líp SiO2 nhiÒu ®Õn møc v−ît sè l−îng lç trèng p vµ h×nh thµnh mét líp ®¶o - tøc lµ t¹i vïng s¸t líp SiO2 ®èi diÖn víi cùc G nång ®é ®iÖn tö nhiÒu h¬n lç trèng t¹o thµnh b¸n dÉn lo¹i N nèi hai vïng cùc nguån S vµ m¸ng D t¹o thµnh kªnh dÉn. Víi UGS < 0, kªnh kh«ng thÓ xuÊt hiÖn. Nh− vËy lo¹i E-MOSFET chØ lµm viÖc ®−îc ë chÕ ®é nghÌo. Víi UGS ≥ UT dßng ID ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: ID = K(UGS - UT)2 (4-**) Trong ®ã K lµ hÖ sè tû lÖ. Theo ph−¬ng tr×nh nªu trªn nÕu cho biÕt mét gi¸ trÞ lµm viÖc cña dßng ID vµ ®iÖn ¸p UGS nµo ®ã - ký hiÖu lµ ID(on) vµ UGS(on) th× cã thÓ tÝnh hÖ sè K theo: I D ( on ) K= (4-**) (U GS ( on ) − U T ) 2 VÝ dô: Cho E-MOSFET kªnh N cã tham sè sau: UT = 2V t¹i UGS(on) = 8V, ID(on) = 10mA. ThiÕt lËp ph−¬ng tr×nh ID. Gi¶i: Theo c«ng thøc (***) tÝnh ®−îc K nh− sau: 10mA K= = 0,278.10 −3 A / V 2 (8V − 2V ) 2 VËy: ID = 0,278.10-3(UGS - 2)2 [A/V2] • C¸c ®Æc tuyÕn: Do dßng vµo IG = 0 (dßng ch¶y qua líp c¸ch ®iÖn) nªn ta chØ xÐt hai ®Æc tuyÕn lµ ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t vµ ®Æc tuyÕn ra. * §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t I D = f (U GS ) U DS = const : Nh− lý luËn ë trªn vµ theo c«ng thøc (4-**), dßng ID chØ b¾t ®Çu cã khi UGS > UGS0 vµ t¨ng theo hµm bËc hai. Sù phô thuéc nµy ®−îc m« t¶ trªn h×nh 4-18a. * §Æc tuyÕn ra I D = f (U DS ) U GS = const : §−îc m« t¶ nh− trªn h×nh 4-18b víi UGS > UT. XÐt ë phÇn ®Çu ®Æc tuyÕn dßng t¨ng nhanh (UDS < 1,5V), khi ®ã kªnh gièng nh− mét ®iÖn trë thuÇn (vïng tuyÕn tÝnh gièng nh− ®èi víi JFET). Khi t¨ng ®iÖn ¸p UDS , kªnh t¨ng dÇn vÒ phÝa D lµm chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a cùc cöa - kªnh t¹i vïng gÇn cùc m¸ng D nhá h¬n vïng gÇn cùc nguån S. §iÖn ¸p nµy b»ng UDG = UDS - UGS. NÕu gi÷ UGS kh«ng ®æi, 19
t¨ng UDS sÏ kÐo theo gi¶m trÞ tuyÖt ®èi cña UDG (vÝ dô UGS = 8V nh− trªn ®Æc tuyÕn ë h×nh 4-***, t¨ng UDS tõ 2V ®Õn 5V th× ®iÖn ¸p UDG sÏ gi¶m tõ - 6V ®Õn -3V vµ cùc G sÏ Ýt d−¬ng h¬n so víi kªnh. §iÒu nµy lµm gi¶m hiÖu øng c¶m øng tÜnh ®iÖn t¹i vïng gÇn D nªn sè ®iÖn tö t¹i ®©y Ýt h¬n, kªnh nghÌo ®i g©y ra sù gi¶m tiÕt diÖn hiÖu dông kªnh tíi gi¸ trÞ UDS = UT sÏ x¶y ra hiÖn t−îng th¾t kªnh gièng nh− trong JFET hay MOSFET lo¹i kªnh ®Æt s½n. T¹i ®©y dßng ID ®¹t gi¸ trÞ bEo hßa. Qu¸ tr×nh nµy ®−îc minh häa trªn h×nh 4-18. Trªn hä ®Æc tuyÕn ID = f(UDS), khi UGS t¨ng th× dßng ID còng t¨ng theo vµ gi¸ trÞ cña UDS bh (UDS bEo hßa) ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc: UDSbh = UGS - UT (4-**) UDSbh lµ ®iÖn ¸p UDS øng víi mçi UGS dßng ID b¾t ®Çu ®¹t gi¸ trÞ bEo hßa (®iÓm th¾t kªnh). ID(mA) UGS = +8V 11 10 ID 9 UGS = +7V 8 7 6 5 UGS = +6V ID(on) 4 3 UGS = +5V 2 UGS = +4V 1 UGS UDS(V) UT VGS(on) 0 5 6 10 15 20 UGS = UT = +2V a) §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t b) §Æc tuyÕn ra H×nh 4-18: §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t vµ ®Æc tuyÕn ra cña E-MOSFET kªnh N Víi E-MOSFET kªnh P: §èi víi MOSFET kªnh c¶m øng lo¹i P, cÊu tróc vµ ®Æc tuyÕn t−¬ng tù nh− lo¹i kªnh N nh−ng chØ ®¶o l¹i b¸n dÉn vµ nguån cÊp. Trªn h×nh 4-19 m« t¶ c¸ch cÊp nguån vµ c¸c ®Æc tuyÕn truyÒn ®¹t, ®Æc tuyÕn ra cña lo¹i nµy. ID(mA) ID(mA) UGS = - 6V D 8 8 7 7 p+ 6 6 UGS = - 5V B UDS 5 5 G n 4 4 UGS(-) 3 3 UGS = - 4V p+ 2 2 1 1 UGS = - 3V UDS S -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 UGS(V) 0 UGS = UT = -2V UT a) CÊu t¹o b) §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t c) §Æc tuyÕn ra H×nh 4-19: CÊu t¹o vµ c¸c ®Æc tuyÕn cña E-MOSFET kªnh P • ¶nh h−ëng cña ®iÖn thÕ cùc ®Õ: 20