Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
1/
29
4
Transistor hiệu ứng
trường (Field-Effect
Transistors)
4-1 Giới thiệu
FET cũng là một linh kiện ba cực giống như BJT. Tuy nhiên, FET hoạt động dựa trên nguyên
lý khác với BJT. FET được xem là một linh kiện đơn cực (unipolar) vì dòng điện qua linh kiện chỉ
do một trong hai loại hạt dẫn: lỗ trống hoặc electron tự do. Tên gọi FET (Field-Effect Transistor)
xuất phát từ lý do dòng điện trong linh kiện được điều khiển dựa trên điện trường ngoài được cung
cấp từ một nguồn áp đặt vào linh kiện. FET có hai loại chính: JFET (Junction FET) và MOSFET
(Metal-Oxide-Semiconductor FET).
4-2 JFET
Hình 4-1 trình bày cấu trúc của JFET cũng như ba cực của linh kiện. Cấu trúc này gồm một
thanh bán dẫn loại N có hai vùng bán dẫn loại P nằm hai bên. Hai vùng P được nối chung với nhau
và kết nối chung giữa chúng được gọi là cực cổng G (gate). Một cực của thanh N được gọi là cực
máng D (drain), cực còn lại được gọi là cực nguồn S (source). Vùng N nằm giữa hai vùng P được
gọi là kênh dẫn (channel). Transistor này được gọi là JFET kênh N. Nếu JFET được tạo nên từ một
thanh bán dẫn loại P với các vùng N ở hai bên thì JFET này được gọi là JFET kênh P. Khi tìm hiểu
về lý thuyết của JFET, ta có thể so sánh cực máng của JFET với cực thu của BJT, cực nguồn của
JFET tương ứng với cực phát của BJT và cực cổng của JFET tương ứng với cực nền của BJT. Như
ta sẽ thấy, đối với JFET, điện áp đặt vào cực cổng sẽ điều khiển dòng giữa cực máng và cực nguồn
cũng giống như điện áp tại cực nền điều khiển dòng qua cực thu và cực phát của BJT.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
2/
29
Khi đặt một điện áp ngoài vào giữa cực máng và cực nguồn của JFET kênh N sao cho cực
máng dương hơn thì dòng điện được hình thành từ dòng electron qua kênh N sẽ xuất hiện với chiều
qui ước là từ máng đến nguồn (dòng electron xuất phát từ cực nguồn). Dòng điện này bị giới hạn
bởi điện trở của vật liệu bán dẫn loại N. Khi JFET hoạt động ở chế độ thông thường, một điện áp
ngoài sẽ được đặt giữa cực cổng và cực nguồn để hai chuyển tiếp PN ở mỗi bên bị phân cực ngược.
Vì vậy, cực cổng sẽ mang điện thế âm tương ứng so với cực nguồn như được trình bày trong hình
4-2. Phân cực ngược này gây ra hai vùng nghèo trong kênh dẫn. Vì khi thiết kế JFET, kênh dẫn
được pha tạp chất với nồng độ thấp hơn so với cực cổng, do đó vùng nghèo sẽ lấn sâu hơn vào phía
kênh.
Bề rộng của vùng nghèo trong hình 4-2 phụ thuộc vào độ lớn của điện áp phân cực ngược
GS
V.
Khi điện áp phân cực ngược âm dần, vùng nghèo sẽ mở rộng và độ rộng của kênh dẫn giảm xuống.
Kết quả là điện trở kênh dẫn tăng lên và vì vậy làm giảm dòng
D
I
từ máng đến nguồn.
Để phân tích ảnh hưởng của việc tăng
D
S
V trên dòng máng
D
I
, ta tạm thời ngắn mạch cực
máng và cực nguồn ( 0
GS
V=). Khi
D
S
V tăng lớn hơn 0 một chút, dòng
D
I
tăng tỉ lệ với nó như
được trình bày trong hình 4-3(a). Điều này là do khi tăng điện áp trên một kênh dẫn có điện trở cố
định thì dòng điện qua nó phải tuân theo định luật Ohm. Nếu cứ tiếp tục tăng
D
S
V, vùng nghèo bắt
đầu chiếm ưu thế như trong hình 4-3(b). Cần phải lưu ý là vùng nghèo rộng hơn tại đầu kênh dẫn
gần với cực máng (điểm A) so với đầu kênh dẫn gần với cực nguồn (điểm B). Đó là do khi dòng
điện chảy qua kênh dẫn, nó tạo ra một điện áp rơi dọc theo chiều dài của kênh. Ở phía đầu kênh dẫn
gần cực máng điện áp xấp xỉ
D
S
V, do đó có một điện áp phân cực ngược lớn đặt giữa kênh N và cực
cổng P. Càng tiến xuống phía dưới của kênh dẫn điện áp ngày càng giảm vì điện áp rơi trên điện trở
kênh dẫn ngày càng tăng. Kết quả là điện áp phân cực ngược giảm và vùng nghèo trở nên nhỏ hơn
Hình 4-2
Phân cực ngược chuyển tiếp gate-
source tạo nên vùng nghèo.
GS
V
là điện áp phân cực ngược nhỏ
cho trường hợp này.
Hình 4-1
Cấu trúc của JFET kênh N.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
3/
29
khi tiến đến gần cực nguồn. Nếu tiếp tục tăng
D
S
V, vùng nghèo ngày càng mở rộng làm cho kênh
dẫn trở nên hẹp hơn (tại điểm A) và điện trở kênh vì thế tăng lên. Lúc này dòng điện qua kênh dẫn
không còn tăng tỉ lệ thuận với việc tăng điện áp
D
S
V mà chỉ tăng rất nhẹ như ta thấy ở đoạn cong
trong hình 4-3(a).
Hình 4-4(a) cho thấy kết quả của việc tăng
D
S
V đến một giá trị đủ lớn làm cho vùng nghèo hai
bên kênh dẫn gặp nhau tại đầu gần cực máng. Điều kiện này được gọi là nghẽn (pinch-off). Tại
điểm xảy ra nghẽn, chuyển tiếp giữa cực cổng và kênh được phân cực ngược bởi chính giá trị
D
S
V,
giá trị này được gọi là điện áp nghẽn (pinch-off voltage),
p
V
. Thông số này rất quan trọng đối với
JFET, giá trị của nó phụ thuộc vào mức độ pha tạp chất và cấu trúc của linh kiện. p
V
luôn có giá trị
âm đối với JFET kênh N và có giá trị dương đối với JFET kênh P. Trong hình 4-4(b), dòng điện sẽ
đạt đến giá trị tối đa tại điểm nghẽn và giữ không đổi khi
D
S
V tăng vượt quá
V
. Dòng này được
gọi là dòng bão hòa (saturation current)
D
SS
I
.
Hình 4-3
Hiệu quả của việc tăng
DS
V khi ngắn mạch cực cổng đến nguồn (
0
GS
V
=
).
Hình 4-4
JFET kênh N tại điểm nghẽn.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
4/
29
Giá trị thông thường cho p
V
và
D
SS
I
là
4 V
−
và 12 mA , giả sử là JFET này được dùng trong
hình 4-5(a). Trong hình này, cực cổng và nguồn không còn bị ngắn mạch mà được nối với nguồn
1 V−
để phân cực ngược chuyển tiếp này. Điện áp phân cực ngược này sẽ làm cho bề rộng vùng
nghèo dọc theo kênh dẫn mở rộng hơn so với khi ngắn mạch. Do đó, nếu bây giờ điện áp
D
S
V
được
tăng dần từ 0 ta sẽ thấy là dòng điện ban đầu vẫn tiếp tục tăng tuyến tính như trong hình 4-5(b).
Tuy nhiên, độ dốc của đoạn tăng này thấp hơn so với đường ứng với 0
GS
V
=
bởi vì toàn bộ điện trở
của kênh là lớn hơn trường hợp trước (do bề rộng kênh hẹp hơn). Khi tiếp tục tăng
D
S
V, vùng
nghèo lại tiếp tục mở rộng cho đến khi gặp nhau. Điểm nghẽn sẽ xảy ra tại 3 V
DS
V= thay vì 4 V
vì chuyển tiếp giữa kênh dẫn và cực cổng đã được phân cực ngược trước bởi điện áp 1 V
GS
V
=
−.
Trong hình 4-5(b), dòng bão hòa có giá trị 6.75 mA khi
D
S
V tăng vượt quá 3 V .
Nếu giảm
GS
V xuống 2 V− thay vì 1 V
−
và lặp lại quá trình ta sẽ thấy điểm nghẽn xảy ra tại
2 V
DS
V= ứng với dòng bão hòa là 3 mA . Rõ ràng là khi tăng giá trị phân cực ngược giữa kênh và
cực cổng (bằng cách làm cho
GS
V âm hơn) thì điểm nghẽn xảy ra sớm hơn (tức là ứng với
D
S
V nhỏ
hơn) và dòng bão hòa cũng nhỏ hơn. Hình 4-6 biểu diễn đường cong đặc tuyến, còn gọi là đặc
tuyến máng, có được khi cho
GS
V lần lượt là 0, -1, -2, -3 và -4 V. Đường parabol đứt nét cho thấy
tập hợp các điểm xảy ra nghẽn. Giá trị của
D
S
V trên đường cong này được gọi là điện áp bão hòa
()
D
Ssat
V
. Tại một giá trị
GS
V
bất kỳ, giá trị
()
D
Ssat
V
tương ứng là hiệu số giữa
GS
V và
p
V
:
()
D
Ssat GS P
VVV=−. Biểu thức của đường parabol là:
()
2
DS sat
DDSS
p
V
II V
⎛⎞
=⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠
(4-1)
Để minh họa, cho 4 V
P
V
=
−
và 12 mA
DSS
I
=
; tại 3 V
DS
V
=
ta tìm được
()
2
3
12 mA 6.75 mA
4
D
I⎛⎞
==
⎜⎟
−
⎝⎠
chính là dòng bão hòa của đường 1 V
GS
V
=
−
. Lưu ý là trong hình 4-6, vùng bên phải của
đường parabol được gọi là vùng nghẽn. Đây là vùng hoạt động thông thường của JFET khi được sử
dụng ở chế độ khuếch đại. Nó còn được gọi là vùng tích cực (active) hoặc vùng bão hòa
Hình 4-5
Hiệu quả của việc tăng
DS
V khi
1 V
GS
V
=
−.
Biên soạn: Võ Kỳ Châu – Bộ môn Điện tử, Khoa Điện – Điện tử
Email: vkchau@dee.hcmut.edu.vn
5/
29
(saturation). Vùng bên trái của đường parabol được gọi là vùng điện trở phụ thuộc áp (voltage-
controlled-resistance), vùng ohmic, hoặc vùng triode. Trong vùng này, điện trở giữa cực máng và
cực nguồn được điều khiển bởi
GS
V
.
Đường nằm dọc theo trục hoành trong hình 4-6 cho thấy 0
D
I
=
khi 4 V
GS
V=−
bất chấp giá trị
của
D
S
V
. Khi
GS
V
phân cực ngược chuyển tiếp giữa cực cổng và kênh dẫn bằng giá trị
p
V
, vùng
nghèo hai bên kênh dẫn mở rộng chiếm toàn bộ kênh và dòng máng bị tắt. Vì giá trị của
GS
V
tại đó
dòng máng bị tắt bằng
p
V
, điện áp nghẽn còn được gọi là điện áp tắt cổng-nguồn (gate-to-source
cutoff voltage). Từ đó có thể thấy là để xác định giá trị
p
V
từ đặc tuyến máng ta có hai cách: thứ
nhất, đó là giá trị của
D
S
V
tại đó
D
I
bão hòa khi 0 V
GS
V
=
; thứ hai, đó là giá trị của
GS
V
tại đó toàn
bộ dòng máng đều tắt, nghĩa là
()
P
GS cutoff
VV=.
Điểm đặc biệt đáng giá của FET khi được dùng trong các bộ khuếch đại điện áp đó là điện trở
ngõ vào rất cao tại cực cổng của nó. Vì giữa cực cổng và cực nguồn là chuyển tiếp PN phân cực
ngược nên dòng chảy vào cực cổng lúc này chỉ có dòng rò rất nhỏ của chuyển tiếp. Do đó, nguồn
tín hiệu chỉ lái cực cổng bằng một dòng rất nhỏ và FET được xem là có điện trở ngõ vào rất cao.
Giá trị này có thể đến vài trăm megaohms.
Hình 4-7 vẽ cấu trúc và đặc tuyến máng cho JFET kênh P. Trong JFET kênh P, tất cả các cực
của điện áp là ngược lại so với JFET kênh N. Hình 4-7(b) chứng tỏ là các giá trị dương của
GS
V
điều khiển độ lớn dòng bão hòa trong vùng nghẽn.
Hình 4-6
Đặc tuyến máng của
JFET kênh N.