Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 5: Tranzito trường Field Effect Transistor - FET

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 5: Tranzito trường Field Effect Transistor - FET

1. Tranzito tr−ờng Field Effect Transistor - FET 1
2. Nội dung 1. Khái niệm, phân loại 2. JFET 3. MOSFET 4. Phân cực cho JFET và MOSFET 5. Mụ hỡnh tương đương củ a FET 6. Ch ế độ chuyển mạch của FET 2
3. FET • Tranzito tr−ờng - FET (Field Effect Transistor) là một cấu kiện điện tử gồm 3 cực, trong đó có một cực điều khiển. • Khác với BJT sử dụng hai loại hạt dẫn đồng thời (n và p) và điều khiển bằng dòng thì FET chỉ dùng một loại hạt dẫn (hoặc n hoặc p) và điều khiển bằng điện áp. • FET đặc biệt có nhiều −u điểm nh− tiêu thụ rất ít năng l−ợng, trở kháng vào lớn, thuận tiện trong công nghệ chế tạo. 3
4. Tranzito tr−ờng dùng chuyển tiếp pn (JFET) 5
5. Nguyên lý làm việc 7
6. UGS = 0, UDS = Var > 0 8
7. Đặc tuyến 10
8. Đặc tuyến Trên đặc tuyến, ta thấy có 3 vùng rõ rệt: • Vùng UDS < UP: Dòng tăng nhanh, khá tuyến tính. Kênh dẫn điện giống nh− một điện trở nên vùng này đ− ợc gọi là vùng tuyến tính hay vùng điện trở thuần. • Vùng UP < UDS < UDS thủng: Là vùng bão hoà, dòng điện cực máng gần nh− không tăng và bằng IDSS do hiện t−ợng thắt kênh. • Vùng UDS ≥ UDS thủng: Nếu UDS tăng quá giá trị UDS thủng thì tiếp giáp PN bị đánh thủng, dòng ID tăng vọt. Vùng này gọi là vùng đánh thủng. • Giá trị dòng bão hòa với tr−ờng hợp UGS = 0 đ−ợc ký hiệu là IDSS. 11
9. Đặc tuyến (2) Tr−ờng hợp 2: UGS 0 • Nếu UGS có giá trị âm, thì điện áp ng−ợc chênh lệch giữa kênh và cực G sẽ lớn hơn tr −ờng hợp xét ở trên khi UGS = 0. Điều điểm thắt kênh này làm cho tiếp xúc PN mở rộng mạnh hơn và đến sớm hơn, có nghĩa là giá trị UP sẽ nhỏ đi: U P < U P (UGS < 0 ) (UGS = 0 ) • Viết giá trị tuyệt đối của UP vì ở đây nói chung cho cả tr−ờng hợp kênh N và kênh P (Đối với JFET kênh P điện áp cấp sẽ ng−ợc chiều lại với JFET kênh N). • UGS càng âm thì giá trị ⏐UP⏐ càng nhỏ, và dòng bão hoà ID cũng giảm theo. 12
10. Đặc tuyến (3) • Tr−ờng hợp 3: UGS > 0; UDS > 0 • Nếu UGS > 0, tiếp giáp PN giữa cực G và kênh sẽ phân cực thuận. Khi đó dòng IG sẽ tăng đột ngột, khả năng điều khiển kênh sẽ không còn. • Vì vậy JFET chỉ làm việc ở chế độ tiếp giáp PN giữa cực G và cực S phân cực ng−ợc. • Chế độ này gọi là chế độ nghèo (Depletion mode - hay gọi tắt là D mode). • Chế độ nghèo ứng với loại JFET kênh N là UGS 0. 13
11. Họ đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của JFET 14
12. Ph−ơng trình Shockley • Vùng điện trở thuần • Tại vùng bão hòa : • ID = 0 khi: |UGS| = |UGS off|= |UP| 15
13. Ph−ơng trình Shockley (2) 16
14. ứng dụng của JFET 17
15. Điểm hệ số nhiệt bằng không 18
16. Các tham số của JFET Các tham số giới hạn: • Dòng IDmax: Là dòng máng cực đại cho phép. IDmax = IDSS • Điện áp máng - nguồn cực đại: Là điện áp cực đại cho phép giữa cực D và cực S để JFET ch−a bị đánh thủng. Thông th−ờng chọn UDSmax = 80%UDS Thủng. • Điện áp đánh thủng UDS Thủng • Điện áp D-G cực đại UDGmax • Điện áp G-S cực đại UGSmax: Để giới hạn tránh đánh thủng tiếp giáp PN 19
17. Các tham số của JFET (2) • Điện áp đánh thủng G-S UGS Thủng: Điện áp đánh thủng tiếp giáp PN (giữa cực G và S) • Điện áp khóa UGS off: điện áp giữa G và S để ID = 0 • Dòng điện cực máng bão hòa IDSS: Là dòng cực máng bão hòa khi UGS = 0 • Nhiệt độ tiếp giáp tối đa cho phép Tj • Nhiệt độ cất giữ Tstg • Công suất tiêu tán cực đại cho phép tại cực máng PDmax : PDmax = UDSID 20
18. Các tham số làm việc 9 • Điện trở vào : rv = dUGS/dIG, khoảng 10 Ω • Điện trở ra : rr = dUDS/dID • Hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt S (gm): ΔI D S=gm = ΔUGSUDS = const • S= 7ữ50 mA/V 21
19. So sánh JFET và BJT 22
20. Tranzito tr−ờng MOSFET • Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor • IGFET (Isolated Gate FET) • MOSFET kênh đặt sẵn: Còn đ−ợc gọi là loại D-MOSFET (viết tắt từ tiếng Anh: Depletion type MOSFET - tức là MOSFET loại nghèo). - Đây là loại có kênh đ−ợc hình thành sẵn trong quá trình chế tạo. - Nó làm việc đ−ợc cả trong chế độ làm nghèo và chế độ làm giầu hạt dẫn. • MOSFET kênh cảm ứng: Còn đ−ợc gọi là E-MOSFET (viết tắt từ tiếng Anh: Enhancement type MOSFET - tức là MOSFET loại giầu hoặc loại tăng c−ờng). - Trong E-MOSFET kênh không đ−ợc chế tạo tr−ớc mà hình thành khi đặt một điện áp nhất định lên cực G. Quá trình hình thành kênh chính là quá trình làm giầu hạt dẫn nhờ hiện t−ợng cảm ứng tĩnh điện từ cực G. - Loại này chỉ làm việc đ−ợc ở chế độ làm giầu (E-mode). 23
21. D-MOSFET 24
22. D-MOSFET 25
23. Nguyên lý hoạt động của D-MOSFET 26
24. Đặc tuyến 27
25. E-MOSFET 28
26. Đặc tuyến của E-MOSFET 30
27. Đặc tuyến của E-MOSFET (2) 31
28. Đặc tuyến của E-MOSFET (3) • VGSsat : điện áp thắt kênh • VT : điện áp mở • k : hệ số tỉ lệ • ID(on), VGS(on) : giá trị t−ơng ứng tại điểm làm việc (on) 32
29. Tham số của MOSFET Tham số giới hạn • UDS max (điện áp UDS cực đại): 25Vdc • UGS max (điện áp UGS cực đại): 30Vdc • UDG max (điện áp máng - cửa cực đại): 30Vdc • ID max (dòng điện ID cực đại): 30mAdc o • PD max (công suất tiêu tán cực đại trên cực D ở 25 C): 300mW • γ PD max (hệ số giảm công suất tiêu tán cực đại trên cực o o D khi > 25 C): 1,7mW/ C 34
30. Tham số của MOSFET (2) Tham số cắt dòng: • UDS thủng (điện áp đánh thủng D-S khi ID= 10μA, UGS = 10V): 25Vdc • IGSS (dòng điện cực cửa khi UGS = ± 15V, UDS = 0V): ±10pAdc o • IDSS (dòng điện cực máng khi UGS = 0V, UDS = 10V, t = 25 C): 10nAdc Tham số làm việc: • UT (điện áp ng −ỡng G-S khi UDS = 10V, ID = 10μA): 5Vdc • ID (on) (dòng cực máng tại điểm ON, U DS = 10V, UGS = 10V): 3mAdc • UDS(on) (Điện áp D-S tại điểm ON, UGS = 10V, ID = 2mA): 1Vdc 35
31. Tham số của MOSFET (3) • MOSFET có cực cửa cách ly với kênh bằng lớp cách điện SiO2 nên có trở kháng vào rất lớn cỡ 1010Ω (lớn hơn JFET) • MOSFET tiêu thụ năng l−ợng nhỏ, thời gian chuyển mạch nhanh, nên rất phù hợp với công nghệ chế tạo vi mạch số cỡ lớn • MOSFET cũng có tính chất của một điện trở tuyến tính điều khiển bằng điện áp nh− JFET tại vùng tuyến tính (U DS < 1Vữ 1,5V) • MOSFET rất nhạy với tác động của điện tích, đặc biệt là loại E-MOSFET. Vì vậy việc vận chuyển hay cất giữ tránh cầm tay trực tiếp để không làm hỏng MOSFET do phóng điện của các hạt tĩnh điện. 36