Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 6: FET (Transistor hiệu ứng trường)

90 trang ngocly 1320

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 6: FET (Transistor hiệu ứng trường)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_cau_kien_dien_tu_va_quang_dien_tu_chuong_6_fet_tra.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử và quang điện tử - Chương 6: FET (Transistor hiệu ứng trường)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ & QUANG ĐIỆN TỬ Chương 6- FET (Transistor hiệu ứng trường) 1. Giớithiệu chung về FET 2. Transistor trường loạitiếpgiáp–JFET 3. CấutrúcMOS 4. Transistor trường loạicựccửacáchly–IGFET www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang1
1. Giớithiệu chung về FET Transistor hiệu ứng trường FET (Field Effect Transistor) là mộtdạng linh kiệnbándẫn ứng dụng hiệu ứng điệntrở suấtcủabándẫn được điều khiểnbằng điệntrường,đây là mộtloạicấukiện điều khiểnbằng điệnthế. Nguyên lý hoạt động cơ bản củaTransistor trường là dòng điện đi qua mộtmôitrường bán dẫncótiếtdiệndẫn điện, điệntrở suấthoặcnồng độ hạtdẫnthayđổidướitácdụng của điệntrường vuông góc vớilớpbán dẫn đó, do đó điều khiển được dòng điện đi qua nó. Lớpbándẫnnày đượcgọilàkênhdẫn điện. Khác vớiBJT, FET chỉ có mộtloạihạtdẫncơ bảnthamgiadẫn điện. FET có ba chân cựclàcực. FET BJT S Source Cựcnguồn: các hạt dẫn đasốđi vào kênh tạoradòngđiện E nguồn IS. B G Gate Cựccửa: cực điều khiển dòng điệnchạy qua kênh C D Drain Cựcmáng: các hạtdẫn đasố rờikhỏikênhtạo ra dòng ID www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang2
Phân loại chung về FET FET chia thành các loạitheocấutrúccủacựccửavàcủakênhdẫnnhư sau: JFET (Junction FET) : Transistor hiệu ứng trường điềukhiểnbằng chuyểntiếpPN, cực điềukhiểnG ngăn cách vớikênhdẫnbằng vùng nghèo củachuyểntiếpPN phâncựcngược. IGFET (Isolated Gate FET) : Transistor hiệu ứng trường cựccửacách ly vớikênhdẫn, điểnhìnhlàlinhkiện MOSFET (Metal-Oxide- Semiconductor FET) và MESFET (Metal-Semiconductor FET). * MESFET: cực điềukhiểnngăncáchvớikênhdẫnbằng vùng nghèo củachuyểntiếp kim loại-bán dẫn. * MOSFET cực điều khiển cách ly hẳnvớikênhdẫn thông qua một lớp điệnmôi(SiO2). Đây mới đúng là Transistor trường theo đúng nghĩacủathuậtngữ này, vì chỉ có loại này dòng chảy qua kênh dẫnmới được điềukhiểnhoàntoànbằng điệntrường, dòng điềukhiểnhầunhư bằng không tuyệt đối, trong khi đó dòng rò củachuyểntiếpPN hoặc Schottky phân cựcngược, chưahoàntoànbằng không). Mỗiloại FET còn được chia thành loại kênh N và kênh P. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang3
Đặc điểmcủaFET Mộtsốưu điểmcủaFET: FET là loại linh kiệnmộtloạihạtdẫn(unipolar device). FET có trở kháng vào rấtcao. Nhiễu trong FET ít hơnnhiềuso với Transistor lưỡng cực. FET không bù điệnáptại dòng ID = 0, do đónólàlinhkiệnchuyển mạch tuyệtvời. Có độ ổn định về nhiệtcao. Tầnsố làm việccao. Kích thướccủa FET nhỏ hơncủaBJT nêncónhiều ưu điểm trong IC. Mộtsố nhược điểm: Nhược điểmchínhcủaFET làhệ số khuếch đại điệnápthấphơn nhiềuso vớiBJT www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang4
2. Transistor trường loạitiếpgiáp-JFET 2.1. CấutạocủaJFET 2.2. Nguyên lý hoạt động củaJFET 2.3. Các cách mắcvàhọđặctuyếncủaJFET 2.4. Phân cựcchoJFET 2.5. Các mô hình tương đương củaJFET 2.6. Mộtsốứng dụng củaJFET www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang5
2.1 CấutạocủaJFET (1) D D G G G G P+ N+ D S S S D S Kênh dẫnN Kênh N Kênh P Kênh dẫnP P+ N+ Chuyểntiếp P-N JFET cấutạogồm: Mộtkênhdẫn đượclàmtừ bán dẫn N (JFET kênh dẫnN) hoặcP (JFET kênh dẫnP), có2 điệncực2 đầulàcực nguồnS vàcựcmángD. Điệncựcthứ 3 là cựccổng G, giữacực này và kênh dẫncómộtchuyểntiếp PN, trong đómiềnbándẫncựccổng được pha tạpmạnh hơnnhiềuso với kênh dẫn để vùng điện tích không gian (vùng nghèo) của chuyểntiếpPN lan chủ yếuvề phía kênh dẫn. JFET hầuhết đềulàloại đốixứng, có nghĩalàkhiđấutrongmạch ta có thể đổichỗ hai chân cực S và D cho nhau thì các tính chấtvàthamsố củaJFET không hề thay đổi www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang6
2.1 CấutạocủaJFET (2) JFET công suấtthấp JFET vỏ kim loại JFET vỏ nhựa JFET công suấtcao JFET vỏ nhựatổng hợpvới đầu JFET vỏ hoàn toàn bằng kim loại nhiệtkimloại www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang7
2.2 Nguyên lý hoạt động củaJFET (1) Nguyên lý hoạt động của JFET kênh loại N và kênh loại P giống nhau. Chúng chỉ khác nhau về chiềucủa nguồn điện cung cấplàngượcdấu nhau. JFET đượcphâncực sao cho vùng chuyểntiếp PN bao quanh kênh dẫn luôn đượcphâncựcngược, và dòng các hạtdẫn đasốđi vào kênh tạo ra dòng IS. Như vậynguồnphâncựcmắc sao cho: với JFET kênh n: UDS > 0 và UGS 0. D D a) JFET kênh N b) JFET kênh P ID ID G G RD RD UDS UDS S S + U − UGS + E GS − E G− E G + − ED + D www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang8
2.2 Nguyên lý hoạt động củaJFET (2) Trong phần này chúng ta sẽ trình bày về nguyên lý hoạt động của JFET kênh N, sau đó suy ra nguyên lý hoạt động của JFET kênh P. Do tác dụng của các điệnápUGS và UDS, trên kênh dẫnxuấthiện1 dòng điện (là dòng điệntử vớiJFET kênhN) hướng từ cực D tớicực S gọi là dòng điệncựcmángID. Dòng ID có độ lớntùythuộcvàocácgiá trị UGS và UDS vì độ phân cựcngượccủachuyểntiếpPN phụ thuộc mạnh vào cả 2 điệnápnàynênđộ dẫn điệncủakênhphụ thuộcmạnh vào cả 2 điệntrường này. Như vậyvề cơ bảncóthể nói rằng JFET là một điệntrở có tiếtdiệnthayđổi được, và tiếtdiệnnàyđượcthayđổi bởi điệnápđiềukhiển. Nếu xét riêng sự phụ thuộccủa ID vào từng điện áp khi giữ cho điệnáp còn lại không đổi(coilàmộtthamsố) ta nhận đượchaiquanhệ hàm quan trọng nhấtcủa JFET là: IfUDD= 1 ( S) Đặctuyếnra UconstGS = IfUDG= 2 ()S Đặctuyếntruyền đạt UconstDS= www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang9
ĐặctuyếnracủaJFET kênhN (1) U Vùng đánh thủng GS 12 ID (mA) (Avalanche Region) G A 10 U <0V B UGS P+ I GS DSDbh G N 8 P+ P+ 6 Vùng bão hoà DSN (Pinchoff Region) B 4 P+ (a) UGS G 2 UP U =U 2 4 6 8 10 12 UDS (V) (e) DS dt P+ Vùng ôm tính DSID N (Ohmic Region) UGS UGS G G P+ P+ P+ DSA DS UDS (b) N N P+ P+ I= f() U D DS1 UGS= const U = U U (c) DS p (d) DS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang10
ĐặctuyếnracủaJFET kênhN (2) a/ Điểm0:Ứng vớimộtgiátrị nhất định nào đócủaUGS≤0,vùng chuyểntiếpPN giữa G và kênh phân cựcngược, nếuUDS=0 thì ID=0, độ rộng củamiền điện tích không gian đồng đềuvàcốđịnh b/ Vùng ohmic (Vùng Triot): Khi UDS tăng dần, ID tăng dần, lúc đầuUDS còn nhỏ, sụtápcủanógâytrênđiệntrở kênh ảnh hưởng không đáng kểđến độ rộng của miền điện tích không gian (đã đượcxácđịnh bởiUGS), nên ID tăng tuyếntính theo UDS, vùng này đượcgọi là vùng ôm tính, làm việcgiống nhưđiệntrở thuần c/ ĐiểmthắtA:Khi UDS tăng lên làm cho ID lớn đếnmứcsụt áp do dòng này gây ra trên kênh làm tăng đáng kể U phân cựcngược chuyểntiếpPN giữacựcG và kênh, miền điện tích không gian lan sâu vào kênh, làm cho điệntrở kênh tăng dần, → ID tăng chậmlại. Nếutiếptụctăng UDS đếnthời điểmUDS=UP, thì hầu như ID không tăng mặcdùtiếptụctăng UDS ĐiểmUDS=UP đượcgọilàđiểm thắtA, UP là điệnápthắt của kênh, dòng điệnID ứng với điểmthắtgọilàdòng bão hoà IDbh d/ Vùng bão hoà (vùng làm việc tích cực): Khi UDS tiếptụctăng vượt qua điểm thắtA, UDS>UP, thì ID hầunhư không tăng, ID=IDbh, do khi UDS tăng vùng điện tích không gian càng lan sâu vào kênh và điệntrở kênh càng tăng lên tỉ lệ với UDS, do đó dòng không đổi. Nhưng giá trị dòng IDbh lạităng nhanh theo UGS. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang11
ĐặctuyếnracủaJFET kênhN (3) e/ Điểm đánh thủng B: Khi UDS tăng quá lớn, điệnápphâncựcngượcgiữaG và kênh tăng mạnh, đếnkhiUDS=Udt thì hiện đánh thủng theo hiệu ứng thác lũ xảy ra, do đó dòng ID tăng độtngộtkhiUDS tăng. ĐiểmB gọilàđiểm đánh thủng, vùng ngoài điểmB gọilàvùngđánh thủng củakênh HọđặctuyếnracủaJFET ID (mA) Vùng Vùng bão hoà B 12 A UGS = 0V Khi UGS âm dần → sự phân cực ohmic IDSS Giảmdần U ngượccủa G và kênh càng tăng, 10 GS − 0,5 V điệnápthắtUP để kênh đạttới điểmthắt càng nhỏ, đường đứtnét 8 − 1,0 V trên họđặctuyếnnốicácđiểm Vùng thắtvới nhau 6 − 1,5 V Đánh Tương tự, với điểm đánh thủng B, 4 thủng khi U càng âm việc đánh thủng UGS0 GS 2 UP0 chuyểntiếpPN xảyrasớmhơn, 2 4 6 8 10 12 UDS (V) điệnápđánh thủng càng nhỏ hơn www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang12
Đặctuyếntruyền đạtcủa JFET kênh N (1) ID (mA) ID (mA) ID = fGS1() U U= const DS B 12 12 A UGS = 0V I IDSS D UDS = 10V DSS Giảmdần U 10 10 GS I − 0,5 V D U tăng G DS 8 8 − 1,0 V 6 S 6 Kênh N 4 − 1,5 V 4 2 UGS0 UGS0 2 −3 −2 −1 0 U (V) UP0 GS 2 4 6 8 10 12 UDS (V) Đặctuyếntruyền đạtcủa JFET mô tả mối quan hệ giữaID và điệnápUGS ứng vớimộtgiátrị nhất định củaUDS. Dạng đặctuyếntruyền đạtkhiJFET làm việc ở vùng bão hoà như hình bên trái. Đặctuyếnxuấtpháttừ mộtgiátrị UGS0, tại đó ID = 0, gọilàđiện áp khoá. Khi tăng UGS, ID tăng gầnnhư tỷ lệ do độ dẫn điệncủakênhtăng theo mức độ giảmphâncựcngượccủatiếpgiápPN. Lúc UGS = 0, tại vùng bão hoà ID = IDSS, , vậy IDSS là dòng tĩnh cực máng khi không có điệnápcựccửa www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang13
Đặctuyếntruyền đạtcủa JFET kênh N (2) ID (mA) Quan hệ giữaID và UGS đượcxácđịnh bởiphương trình Shockley: 12 I UDS = 10V DSS Phương trình Shockley: 10 UDS tăng 2 8 ⎧ ⎡ ⎛ U ⎞ U ⎛ U ⎞ ⎤ Vùng ohmic ⎪I −⎢ 2⎜ 1 − GS ⎟ DS−⎜1 − GS ⎟ ⎥ DSS ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 6 ⎪ ⎢ ⎝ UGS 0 ⎠UGS 0 ⎝ UGS 0 ⎠ ⎥ I = ⎣ ⎦ D ⎨ 2 ⎪ ⎛ U ⎞ 4 ⎜ GS ⎟ Vùng bão hoà ⎪ I DSS ⎜1− khi⎟ UGS 0≤GS U ≤0 ⎩ ⎝ UGS 0 ⎠ 2 UGS0 −3 −2 −1 0 UGS (V) Trong đó: IDSS là dòng cực máng bão hoà khi UGS= 0, khi đókênhmở rộng nhất và lúc này ID đạtgiátrị lớnnhấtcủa nó, nên như vậycónghĩalàIDSS là dòng cực máng cực đạicóthểđạt đượccủaJFET UGS0 là điện áp khoá kênh hay điệnápngắt kênh, vì ID=0 khi độ rộng củakênh dẫnbằng 0, nên như vậycónghĩalàUGS0 là thế áp đặtlêncựccổng làm cho JFET bị khoá lại hoàn toàn. IDSS và UGS0 là 2 tham số quan trọng của JFET dùng nhiềukhithiếtkế mạch. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang14
Các họđặctuyếncủa JFET kênh N ID (mA) ID (mA) B 12 12 A UGS = 0V I IDSS UDS = 10V DSS Giảmdần U 10 10 GS − 0,5 V 8 8 UDS1 − 1,0 V 6 6 4 − 1,5 V 4 2 UGS0 UGS0 2 −3 −2 −1 0 U (V) UP0 GS 2 4 6 8 10 12 UDS (V) IDSS>0 – Dòng IDbh khi UGS=0V D UGS0<0 - Điệnápkhóakênh 2 ID ⎧ ⎡ ⎤ G ⎛⎞⎛⎞UUGS DS UGS ⎪IDSS ⎢−−21⎜⎟⎜⎟ −−1 ⎥ Vùng ohmic UU U ⎪ ⎣⎢ ⎝⎠⎝⎠GS00 GS GS 0⎦⎥ ID = ⎨ S ⎪ 2 Kênh N ⎛⎞UGS ⎪ IkDSS ⎜⎟10− hiUUGS0 ≤≤ GS Vùng bão hoà ⎩⎪ ⎝⎠UGS 0 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang15
Các họđặctuyếncủa JFET kênh P ID (mA) ID (mA) A A UGS = 0V IDSS I B DSS 0,5 V Giảmdần UGS 1,0 V UDS1 1,5 V UGS UGS0 UDS 0 U UGS0 UDS1 P0 IDSS>0 – Dòng IDbh khi UGS=0V UGS0>0 - Điệnápkhóakênh 2 D ⎧ ⎡ ⎛ U ⎞ U ⎛ U ⎞ ⎤ ⎪ ⎢ ⎜ GS ⎟ DS ⎜ GS ⎟ ⎥ Vùng ohmic I DSS−2⎜ 1 − ⎟ −⎜1 − ⎟ ID ⎪ ⎢ ⎝ UGS 0 ⎠UGS 0 ⎝ UGS 0 ⎠ ⎥ I = ⎣ ⎦ G D ⎨ 2 ⎪ ⎛ U ⎞ ⎜ GS ⎟ ⎪ I DSS ⎜1− khi⎟ 0≤ UGS ≤ GS 0 U Vùng bão hoà S ⎩ ⎝ UGS 0 ⎠ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang16
Tham số cơ bảncủa JFET kênh N Tham số giớihạn: Dòng cựcmángcực đại cho phép: IDmax - là dòng điện ứng với điểm B trên đặctuyếnrakhiUGS = 0; IDmax ≤ 50mA. Dòng điệnD -S cực đại cho phép và điệnápUDSmax UDS.max = UB /(1,2 ÷ 1,5) (cỡ vài chụcvôn) UB : điệnápđánh thủng tại điểmB Điệnápkhoácực đại UGS0 . NếuUGS<UGS0, kênh bị khoá ID=0, RDS ≈∞ Tham số làm việcgồmcó: ∂U r= r = DS i d UGS = const Điệntrở trong hay điệntrở vi phân đầura: ∂I D (≅ 0,5 MΩ), ri thể hiện độ dốccủa đặctuyến ra trong vùng bão hoà. Hỗ dẫncủa đặctuyếntruyền đạt: ∂I S= g = D m UDS = const ∂UGS (gm cho biếtkhả năng điều khiển điệnápcựccửatới dòng cựcmáng, giá trịđiểnhìnhgm=(7 ÷ 10) mA/V) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang17
Tham số cơ bảncủa JFET kênh N Độ hỗ dẫncực đại: 2I DSS S=0 gm 0 = − U P0 Điệntrở vi phân đầuvào: ∂UGS rvao = ∂IG rvào do tiếp giáp P-N quyết định, có giá trị khoảng 109Ω Hệ số khuếch đại điệnápμ : ∂Δ U Uu μ =≈DS DS = DS ∂Δ UGS UGS uGS IDDD== const I const I =const So sánh các công thức tính độ hỗ dẫn gm, điệntrở trong ri và hệ số khuếch đại điệnápμ, ta có công thứcsau: μ = S.ri μ có trị số khoảng vài trămlần(ở sơđồmắc S chung) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang18
So sánh giữa BJT và FET BJT JFET Sử dụng cả 2 loạihạttải điện, hoạt Chỉ sử dụng 1 loạihạtdẫn chính, động bằng cách phun hạttải không có hiệntượng phun hạttải Linh kiện điềukhiểnbằng dòng (Dòng Linh kiện điều khiểnbằng thế (Thế lối lốivàođiềukhiển dòng lốira vào điềukhiển dòng lốira) Điệntrở lốivàonhỏ (vì dòng lốivào Điệntrở lốivàorấtlớn (vì dòng ở lối là dòng của chuyểntiếpPN phâncực vào là dòng củachuyểntiếp PN phân thuận) cựcngược), IG rấtnhỏ (1pA÷1nA) Điệntrở lốiranhỏ hơn Điệntrở lốiralớnhơn Sử dụng cho các tín hiệulớnhơn (các Sử dụng cho các tín hiệunhỏ (Các tầng đầutronghệ khuếch đại) tầng cuốitronghệ khuếch đại) NhiễulớnhơnNhiễunhỏ Độ ổn định nhiệtkémhơn Độ ổn định nhiệttốt www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang19
2.3 Các cách mắcvàhọđặctuyếncủaJFET Cũng tương tự như BJT, JFET cũng có 3 cách mắcchủ yếu là: Chung cực nguồn(CS), chungcực máng (DC), và chung cựccửa(CG) Trong đókiểuCS thường được dùng nhiềuhơncả vì kiểumắc này cho hệ số khuếch đại điệnápcao, trở kháng vào cao. Còn các kiểumắcCD, CG thường được dùng trong tầng khuếch đại đệm và khuếch đạitầnsố cao +E +ED +ED D R D C RD 2 C2 C1 Q1 Ura C1 C2 Q Ura Q1 Uvao C1 U vao RG Ura RS U RG R vao S C3 RS (CS) (CD) (CG) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang20
So sánh về chếđộlàm việcgiữa JFET và BJT BJT JFET Vùng bão hoà Vùng Ohmic Vùng tích cực Vùng bão hoà Vùng cắt Vùng cắt Vùng đánh thủng Vùng đánh thủng Sơđồ CS CG CD Đầuvào/ Đầura G / D S / D G / S Khuếch đại dòng có không có Khuếch đạiáp Có (=1/10 BJT) có không Pha tín hiệu Đảo pha Đồng pha Đồng pha Trở kháng đầuvào Rấtlớn(RGS)nhỏ Rấtlớn(RGD) Trở kháng đầura Nhỏ (RD//ri)LớnNhỏ (RS//1/gm) Ứng dụng Hầunhư không sử dụng www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang21
2.4 Phân cực cho JFET (1) Cũng giống như BJT, JFET cũng cần đượcthiếtlập điểmlàmviệcmột chiềutrướckhiđượcsử dụng. Việc phân tích, thiếtkế mạch phân cực cho JFET đơngiảnhơncủa BJT. Và khi phân tích thiếtkế cũng thường dùng phương pháp gần đúng bằng đồ thị. Đường tảitĩnh của JFET cũng đượcvẽ trên đặctuyếnracủanó. Điểm làm việccầnxácđịnh Q(UGS, UDS, ID). Điểmlàmviệc tích cựccần phảinằm trên vùng đặctuyếnbãohoà. Có nhiềukiểumạch phân cực khác nhau, phân tích, tính toán mạch phân áp cho JFET sẽđượcdựa trên các điềukiệnsau: ¾ Dòng cựccổng rấtnhỏ, bỏ qua, coi như cựccửahở mạch ¾ ĐiệnápUDS đủ lớn để JFET làm việc trong vùng bão hoà (vùng pinch- off), khi đó ID =IDbh≈ const ứng vớimỗigiátrị UGS xác định. ¾ Đặctínhtruyền đạtsẽđượcsử dụng để phân tích theo phương pháp đồ thị , kếthợpvớicácphương pháp phân tích mạch KVL, KCL. ¾Sử dụng phương trình Schockley www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang22
2.4 Phân cực cho JFET (2) Các phương pháp phân cực cho JFET (có so sánh vớiBJT) như sau: BJT JFET Dòng IB cốđịnh Định thiên cựccổng (Gate bias/ Fixed bias) Định thiên tự cấp Định thiên tự cấp (Voltage-divider bias) Không tương đương Tựđịnh thiên (Self bias) Định thiên hồitiếp âm Emitter Không tương đương Định thiên hồitiếp âm Collector Không tương đương Định thiên hồitiếp âm E và C Không tương đương www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang23
Định thiên điệnápcựcG cốđịnh (Gate bias/Fixed bias) Mạch định thiên như hình vẽ: Sử dụng +ED nguồnápE để phân cựcngượccho I G R D chuyểntiếpPN giữacực G và kênh D C2 C1 Ura dẫn. Uvao Q1 Tham số củamạch: RG EG= - 2V; ED= +20V EG Tham số củaJFET: + ID (mA) ED/RD UGS0= -3,5V;IDSS= 5mA Tính toán điểmlàmviệctĩnh để nó nằmgiữa đường tảitĩnh. Q UGSQ= -2V Chú ý: do phải dùng 2 nguồnvàđộ ổn IDQ định không cao nên mạch phân áp này ít đượcsử dụng. UDS (V) U DSQ ED www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang24
Mạch tựđịnh thiên (Sefl bias) +ED Mạch định thiên như hình vẽ: Sử dụng một điện ID RD trở thích hợpmắcnốitiếpvớicựcS để cung cấp C2 Ura điệnápchocựcG. ED= +20V, Tham số của C1 Q1 JFET: UGS0= -3,5V; IDSS= 5mA Uvao IS Tính toán điểmlàmviệctĩnh nếuUDSQ=10V RG RS ID (mA) IDSS UDS = 10V RS2 Q2 R S1 Q1 IDQ1 UGS (V) UGS0=-3V UGSQ1 UGSQ1 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang25
Mạch định thiên tự cấp +ED Sử dụng 2 điệntrở phân áp R1, R2 tạora R R I D điệnápđịnh thiên cho cựcG. 1 D C2 Ura Cho E = +20V, Tham số củaJFET: C1 D Q1 Uvao UGS0= -3,5V; IDSS= 5mA Tính toán điểmlàmviệctĩnh nếuUDSQ=10V R2 RS ID (mA) IDSS UDS = 10V RS2 Q2 R 2mA S1 Q1 UGS UGS0=-3V UGSQ1 UGSQ1 UG www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang26
2.5 Mô hình tương đương củaJFET a/ Mô hình tương đương 1 chiềuvàtínhiệulớn b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang27
a/ Mô hình tương đương 1 chiềuvàtínhiệulớn N_JFET P_JFET a/ Mô hình tương đương JFET làm việc ở vùng bão hoà - + + - K.IDSS U K.IDSS U UGS RGS DS UGS RGS DS + - - + 2 2 ⎛ U ⎞ ⎛ U ⎞ K=⎜1 − GS ⎟ K=⎜1 − GS ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ U ⎟ ⎝ U GS 0 ⎠ ⎝ GS 0 ⎠ b/ Mô hình tương đương JFET làm việc ở vùng ohmic V - + R = p + - DS I U Dbh GS R R U R R U GS DS DS UGS GS DS DS + - - + www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang28
b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấp(1) Mô hình tương đương tín hiệunhỏ củaJFET xácđịnh mốiquanhệ giữatínhiệuxoaychiềubiênđộ nhỏ trong JFET: id, ugs. Các phương trình đặc tính tương ứng để xác định các mô hình tương đương củaJFET: Tổng quát : ifuuD = (,)GS DS IifU= D+ d = ( GS + gs, uU DS+ ds ) u Giả sửđiểmlàmviệcQ(UGS,UDS,ID) ∂f ∂f ⇒i = u + u= g u + g u d ∂u gs ∂u ds m gs d ds GS Q DS Q gm - Độ hỗ dẫnvào, gd - Độ hỗ dẫnra 2 ⎛ u ⎞ ⎜ GS ⎟ Mà ta có: i=D f( uGS ) =DSS I ⎜ 1 − ⎟ ⎝ UGS 0 ⎠ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang29
b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấp(2) Độ hỗ dẫnvào: ∂f − 2 I ⎛ U ⎞ 2II . DSS ⎜ GS ⎟ DS DSS g m = Q = ⎜1 − ⎟ = ∂u GS U GS 0 ⎝ U GS 0 ⎠ − U GS 0 ĐiệnápUGS cực đạilàUGS0, Như vậy Độ hỗ dẫncực đạilà: − 2 I ⎛ U ⎞ g = DSS g= g ⎜1 − GS ⎟ m 0 U m m 0 ⎜ ⎟ GS 0 ⎝ U GS 0 ⎠ Thựctế thì IDbh cũng sẽ thay đổitheoUDS mặcdùsự thay đổinày là không đáng kể. Phương trình tính dòng ID đượchiệuchỉnh có tính đến ảnh hưởng của điệnápUDS như sau: 2 ⎛ u ⎞ ⎛ u ⎞ ⎜ GS ⎟ ⎜ DS ⎟ V - ĐiệnápEarly iD = f( uGS , u DS= )DSS I⎜ 1 − ⎟ ⎜1 + ⎟ An ⎝ U GS 0 ⎠ ⎝ V An ⎠ (30 ÷ 300V) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang30
b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấp(3) 2 ∂i ⎛ u ⎞ 1 I Độ hỗ dẫnra: DS ⎜ GS ⎟ D g d = =I DSS ⎜1 − ⎟ = ∂u DS ⎝ UVGS 0 ⎠ An V An Q Q ∂uDS 1 VAn Điệntrở vi phân đầura: ri= r d = = = i∂ D Q gd I D Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủaJFET − 2 I N_JFET g = DSS P_JFET m 0 U G GS 0 G D D ⎛ U GS ⎞ g= g ⎜1 − ⎟ gm.ugs rd gm.ugs rd m m 0 ⎜ ⎟ ⎝ U GS 0 ⎠ S S −2I ⎛ U ⎞ 2II . DSS ⎜ GS ⎟ DS DSS gm = ⎜1− ⎟ = UGS0 ⎝ UGS0 ⎠ −UGS0 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang31
2.6 Mộtsố mạch ứng dụng đơngiảncủaJFET Bộ khuếch đại xoay chiều dùng JFET Mạch ổn dòng dùng JFET VDS RL DS ®Çu r a m¹ ch CC D G ®Çu v µ o G + Q1 m¹ ch + VDD R S V L V - S RL - CS RG RS IDS(b· o hoµ) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang32
3. CấutrúcMOS 3.1 Cấu trúc MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt 3.2 Cấu trúc MOS khi có điệnápphâncực 3.3. ĐặctuyếnQ-V 3.4. Mộtsố hiệu ứng bậchai 3.5. CácmôhìnhdùngcholinhkiệnMOS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang33
3. CấutrúcMOS Oxide (SiO2) εox =3.9ε0 Gate (n+ poly) Rấtmỏng! 0 tox ~1nm Body (p-type substrate) x εs =11.7ε0 MOS = Metal-Oxide-Semiconductor: CấutrúctụđiệnMOS gồmcó lớp điệncực kim loạiphủ lên lớpbándẫncónồng độ pha tạprấtcao (n+ hoặcp+) tương đương như lớp“Metal”(Miền Gate), và lớpbándẫn nền(loạip hoặcn)-lớp Semiconductor (miền Body), giữachúngcólớp cách điệnrấtmỏng dùng Oxide SiO2. Lớpkimloại “Metal” thường dùng lớpbándẫnphatạpcaon+ hoặcp+ Lớpbándẫnnềndùngloạip tacócấutrúcNMOS, nếudùngloạin ta có cấutrúcPMOS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang34
Ứng dụng củacấutrúcMOS CấutrúcMOS đãvàđang là công nghệ chủđạotạoracuộccách mạng về lĩnh vực điệntử. Ứng dụng củacấutrúcMOS: Dùng trong nhiềuvi mạch tương tự và số: MOSFET là phầntử cơ bản trong họ vi mạch CMOS Dùng nhiều trong các vi mạch nhớ: DRAM, EPROM Dùng có các thiếtbịảnh như camera CCD (Charge-Couple Device) Dùng trong các loại màn hình chỉ thị như Mànhìnhma trận tinh thể lỏng tích cực www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang35
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(1) Mô hình cấutrúcN-MOS lý tưởng như hình vẽ: Miền kim loại“Metal”(Miền Gate) không tạo thành mộtvùng tích điệnmànóchỉ tích điệntrên bề mặt Lớp oxide là chất điệnmôi, cách điện hoàn toàn, không tích điện Vùng bán dẫnnền(Miền Body): có thể hình thành vùng điệntích không gian. Điềukiệncânbằng không thểđượcthiếtlập thông qua lớp oxide nên cầnphảicódâydẫn chuyển điện tích giữalớp kim loạivàlớpbándẫn. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang36
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(2) log p0, n0 + + + + + + + + + + V ox + - - - - Eox − V B - - - - - − X d 0 Body (p-type substrate) + Ion Donor + - Ion Acceptor - Qua dây dẫnsẽ có sự khuếch tán điệntử từ miềnkimloại G sang miềnbándẫn B và lỗ trống từ miền B sang miềnG. MiềnB sẽ tích điện-, miềnG tíchđiện+, giữa chúng hình thành điệntrường Eox hướng từ G sang B. Điệntrường này làm hình thành lớp điện tích dương ngay dưới đáy củamiềnG vàmiền điện tích âm trong miền B ngay dướilớp oxide (Do Eox cuốn điệntử và lỗ trống ngượcvới dòng ktán) Miền điệntích–trongmiềnbándẫntạoramột vùng chuyểntiếp có độ rộng Xd0 ngay sát lớpoxide. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang37
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(3) Mật độ điện tích không gian: Vùng điện tích không gian tạilớpbándẫn ngay sát lớpoxide đượcxấpxỉ (xấpxỉ chuyểntiếp) có nồng độ điện tích đồng đềulà–qNa TạimiềnG cólớp điệntích+ mỏng ngay 2 sát tích điệnQG (C/cm ) Vậymật độ điện tích không gian trong MOS như sau: www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang38
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(4) Điệntrường trong cấutrúcN-MOS Tích phân 2 vế biểuthức Gauss ta có: Tạigianhgiớigiữabándẫnvàoxide, hằng sốđiệnmôithayđổi, như vậy điện trường cũng thay đổi: Thay biểuthứccủa ρ0(x) vào biểuthức tích phân ta tính đượcbiểuthức tính phân bốđiệntrường trong cấutrúcMOS: www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang39
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(5) ⎧ 0 khid0 x< x ⎪ qNa ⎪−x() −do x khi<0 x <d0 x ⎪ εS E0() x=⎨ εS + qNa d0 x ⎪ E0()= x0 = khi−ox t <0 x < ⎪ε0x ε0x ⎪ ⎩ 0 khi< x −0x t Điệnthế tĩnh điện: Điệnthế tĩnh điệntạimiềnG (n+) ? Điệnthế tĩnh điệntạimiềnB: Hiệu điệnthế nội: www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang40
3.1 Điệntrường của N-MOS trong điềukiện cân bằng nhiệt(6) Điệnthế tiếpxúc www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang41
3.2 Điệntrường củaN-MOS khiđượcphâncực(1) Khi có điệnápphâncựcUGB đặtvàonMOS, tuỳ theo giá trịđiệnápphâncực UGB vùng điện tích không gian thay đổivàcóthể tồntại ở các trạng thái khác nhau. Khi có điện áp phân cực, điệnthế nội đặtqua cấutrúcMOS thayđổitừ : φB −> φB+UGB Do lớp oxide cách điện nên dòng điệntạibấtkỳ vị trí nào trong các lớpbán dẫnJ=0, như vậyJdriff = -Jdiff Tạibiêngiữalớp oxide và bán dẫn, điệntrường phía lớp oxide Eox và điện trường phía bán dẫnnềnES luôn thoả mãn điềukiệnsau: Eox/ES ≈ 3 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang42
3.2 Điệntrường củaN-MOS khiđượcphâncực(2) Khi UGB>0, ban đầunguồncuốn điệntử tự do từ G sang B và lỗ trống từ B sang G, như vậyvùngchuyểntiếpsẽđượcmở rộng hơnvà không đổi khi đạttrạng thái cân bằng. NgượclạinếuUGB UT www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang43
Trạng thái năng lượng bằng phẳng (Flatband):UGB=UFB = -φB QV()0= V = UGB=VFB= -φB<0 GGBFB +- Body (p-type substrate) Khi đặt điệnápphâncựcUGB=VFB=-φB<0, điệnápphâncựcbùvới hiệu điệnthế nội φB,, có tác dụng cuốn điệntử từ miềnB sang miềnG, điệntíchcủacácmiền G và B giảmdần đếnbằng 0, và các vùng tích điệnbiếnmất. Với điệnkiệnphâncựcnhư vậyMOS códảinăng lượng bằng phẳng “flatband”. ĐiệnápVFB gọi điệnápflatband. Mật độ điện tích miềnG: QG(VFB)= 0. Trường hợpnàyban đầu, dòng cuốn do UGB tạorangượcvới dòng khuếch tán. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang44
Trạng thái tích luỹ (accumulation): UGB< UFB QCVVGoxGBFB= ()− UGB<VFB +− −−−−−−−−−−−−− ++++++++++++++++++ QQB = G Body (p-type substrate) (+) Lỗ trống (-) Điệntử tự do Nếu điệnápphâncựcgiảmnhỏ hơnVFB, cấutrúcnMOSgiống như tụ điện2 bảncực song song. MiềnG tíchđiện–(điệntíchdo điệntử tự do tạora), miền B tích điện+ (điệntíchdo lỗ trống tạora) Mật độ điện tích củamiềnG: QCVVGoxGBFB= ()− Cox -mật độ điện dung củatụ MOS Trường hợp này ban đầu dòng cuốndo UGB tạoralớnhơnvàngược chiều dòng khuếch tán www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang45
Trạng thái chuyểntiếp (depletion): UFB U >V GB FB + + + + + + + - Ion Acceptor - +- - - - QqNXV=− () - - - - B ad GB Body (p-type substrate) Tương tự nhưởđiềukiện cân bằng nhiệt, mặcdùUGB VFB nên vẫntồntại dòng khuếch tán điệntử từ miềnkimloạiG sang miềnbándẫnB vàlỗ trống từ miềnB sang miền G qua dây dẫnvà vượtqua điệnthế củanguồn cung cấp. Như vậyMiềnB sẽ tích điện+, miền G tích điện-, giữa chúng hình thành điệntrường Eox hướng từ G sang B. Điệntrường này làm hình thành lớp điện tích dương ngay dưới đáy củamiềnG vàmiền điệntíchâmtrongmiềnB ngaydướilớpoxide tạoramột vùng chuyểntiếp có độ rộng xd ngay sát lớpoxide Trường hợpnàyban đầu dòng cuốndo UGB tạorangượcchiềuvànhỏ hơn dòng khuếch tán. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang46
Trạng thái chuyểntiếp (depletion ): 0< UGB < UT QVGGB()= − Q B 0<UGB + + + + + + + + + −+ −−−−−−− - - - - QqNXVBadGB= − () Body (p-type substrate) Khi 0 < UGB < UT, tương tự như trường hợpUFB < UGB< 0, Vùng chuyểntiếp được hình thành ngay sát lớpoxide cóđộ rộng đượcmở rộng hơn. Miềntích điện+ được hình thành phía đáy củamiền G ngay sát lớp oxide và miền điện tích - được hình thành phía đỉnh củamiềnB ngaysátlớp oxide. Điệntíchâm tạo ra do các Ion Acceptor – và nồng độ điệntử tự do tăng lên. Khi UGB tăng thì vùng chuyểntiếpcũng đượcmở rộng. TạivùngchuyểntiếpphíamiềnB –bándẫnp, khiUGB tăng nồng độ điệntử tăng dần, nồng độ lỗ trống giảmdần. Trường hợp này ban đầu dòng cuốn do UGB tạo ra cùng chiềuvớichiềudòng khuếch tán www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang47
Trạng thái ngưỡng (threshold): UGB = UT φs VV= GB T + + + + + + + + + + + −+ −−−−−−− - - - - - Body (p-type substrate) Khi tăng UGB, tạimiền điện tích chuyểntiếptrênđỉnh miềnB, nồng độ điệntử tăng dần, nồng độ lỗ trống giảmdần. Khi UGB =UT tại đỉnh củamiềnB nồng điệntử bằng nồng độ lỗ trống ở vùng bán dẫncận trung hoà n(0)=Na, còn nồng lỗ trống bằng nồng độ điện ở vùng bán 2 dẫncận trung hoà p(0)=ni / Na. Trạng thái này gọilàtrạng thái ngưỡng - Bán dẫn đãbắt đầuchuyểntừ loạip sang loạin. ĐiệnápUT đượcgọilàđiệnápngưỡng. -Hệ số nền www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang48
Trạng thái đảo (inversion): UGB > UT φs VV= GB T + + + + + + + + + + + −+ −−−−−−−−−− - - - - - Body (p-type substrate) (Lớp đảohạtdẫn, tương đương bán dẫnn) Khi UGB>UT nồng độ điệntử tự do tạibề mặtcủamiềnbándẫnB tiếp giáp vớilớp oxide tăng lớnhơnNa, trạng thái đảohạtdẫnxảyra. Lớp điệntử tạibề mặt đượcgọilàlớp đảo, bán dẫntại đótương đương bán dẫnn Nồng độ điệntử tự do tạibề mặt được điềuchế theo điệnápUGB, nếu UGB tăng thì n(0) tăng => điệntíchcủalớp đảoQn tăng. với www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang49
3.3 Đường cong Q-V củacấutrúcN-MOS QG n io rs e v n i −QVNGB() n letio dep −QB,max n o ti la u VV() m GB u c V c FB V a Th Trong trạng thái tích luỹ và trạng thái đảo điện tích của vùng chuyển tiếp phía miềnG tăng tuyếntínhtheođiệnápphâncựcUGB. Trong trạng thái chuyểntiếp điện tích tăng rấtchậm do điệnápphân cựcchủ yếurơitrênđiệntrở của vùng điệntíchchuyểntiếp. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang50
4. Transistor trường loạicựccửacáchly–IGFET 4.1 Cấutạovànguyênlýhoạt động củaMOSFET loạikênhđặtsẵn (Depletion Type MOSFET- DMOSFET) 4.2 Cấutạovànguyênlýhoạt động củaMOSFET loạikênhcảm ứng (Enhancenment Type MOSFET- EMOSFET) 4.3 Các cách mắcvàhọđặctuyếncủaMOSFET 4.4 Phân cựcchoMOSFET 4.5 Các mô hình tương đương củaMOSFET 4.6 CấutrúcMOS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang51
4.1 Cấutạocủa MOSFET (1) MOSFET là loạilinhkiện điểnhìnhtronghọ FET có cựccửaG cáchly. MOSFET về cơ bảncócấutạodựa trên cấutrúcMOS như sau: Trên đế bán dẫn(bándẫnnềnB), ngườitatạo ra 2 vùng bán dẫn khác vớibándẫnnền. Ví dụ loạinềnloạip, thìtạo ra 2 vùng bán dẫnloạin+ cách nhau mộtkhoảng nhất định, 2 vùng bán dẫnn nàyđượcdẫnra ngoài thành 2 điệncựcS vàD Vùng bán dẫngiữaS vàD hoặcbằng cách pha tạp (MOSFET kênh đặt sẵn) hoặc do thiên áp trong khi hoạt động (MOSFET kênh cảm ứng) bao giờ cũng có loạihạtdẫn đảoso với đế. Vùng này đượcgọilàvùng kênh dẫn, như vậytứclàbaogiờ ta cũng có mộtchuyểntiếpp-ngiữa đế và kênh dẫn Phía trên kênh dẫnngườitaphủ lớp điệnmôimỏng (SiO2), và trên lớp điệnmôinàyphủ tiếplớpkimloạitạorađiệncựcG của MOSFET, G đượccáchlyhoàntoànvớikênhdẫn, tương tự như cấutrúcMOS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang52
4.1 Cấutạocủa MOSFET (2) + MOSFET thường có thêm điệncựcthứ 4 gọilàcực đế B (substrate), cực đế (cựcnền) ngăn cách vớikênhdẫnbằng chuyểntiếpp-nnên cũng có thể dùng nó như mộtcực điềukhiểnnữabêncạch G. Tuy nhiên tích chất điều khiểncủacựcB thường không đượcsử dụng và nó thường đượcnốitắtvớicực nguồn. - Ngoài cách phân loạitheokênhdẫnloạin vàp, MOSFET cònđược phân loạitheocáchtạorakênhdẫnnhư sau: + D-MOSFET (Depletion MOSFET): MOSFET kênh đặtsẵn (MOSFET kiểu làm nghèo). Kênh dẫn đượcchế tạosẵnlàloạibándẫnkhácvới bán dẫnnền. ĐiệnápgiữacựcG vàcựcS làmnghèomộtphầnkênh dẫn(tương tự như JFET). + E-MOSFET (Enhancement MOSFET): MOSFET kênh cảm ứng (MOSFET kiểu làm giàu), kênh dẫnchưa đượcchế tạotrước. Kênh dẫn sẽđượctạorakhiđiệnápđặtlêncựcG thíchhợpvàcógiátrị lớnhơn điệnápngưỡng nào đóthìsẽ tạolớp đảohạtdẫnphíadướicựccổng, lớphạtdẫn đảonàytương tự như mộtkênhdẫnnốicựcS vàD. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang53
4.1 Cấutạocủa MOSFET (3) D-MOSFET E-MOSFET G D D SDG SDB B G G n+ Kênh dẫn(n) n+ S S n+ n+ D D Substrate (p) G G Substrate (p) S S B B G G SDD D SD B B G G Kênh dẫn(p) p+ p+ p+ p+ S S D D Substrate (n) Substrate (n) G G B S S B www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang54
4.1 Hình ảnh của MOSFET MOSFET vỏ kim loại MOSFET vỏ nhựa MOSFET công suấtcao MOSFET vỏ nhựatổng hợpvới đầu MOSFET vỏ hoàn toàn bằng kim nhiệtkimloại loại www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang55
4.2 Nguyên lý làm việccủaMOSFET Nguyên lý hoạt động củaMOSFET kênhloại N và kênh loại P giống nhau. Chúng chỉ khác nhau về chiềucủanguồn điệncungcấplàngược dấunhau. MOSFET được phân cựcsaogiữa đế (cực B) và kênh tạo ra vùng chuyểntiếp nghèo bao quanh kênh dẫn, và dòng các hạtdẫn đasốđi vàokênhtừ cực S và ra khỏikênhtừ cựcD tạoradòngID. Nguyên lý hoạt động cơ bảncủa MOSFET là cựccổng G kếthợpvới lớp điệnmôinằmdướinóvàkênhdẫnbándẫnnằmdướilớp điệnmôi chính là cấutrúctụđiệnMOS. Điệnápđiềukhiểntácdụng lên cực cổng sẽ tạoramột điệntrường làm biếnthiênnồng độ hạttảitự do trong kênh dẫn, hoặcthiếtdiệncủakênhdẫn, độ dẫncủakênhsẽ thay đổi. Dòng điệnID phụ thuộcvàođiệnápUGS và UDS. Đặctuyếnquan trọng của MOSFET cũng là đặctuyếnravàđặctuyếntruyền đạttương tự như JFET. ĐặctínhcủaMOSFET về cơ bảntương tựđặc tính của JFET nhưng có nhiều điểm ưuviệthơn. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang56
Nguyên lý làm việccủa D-MOSFET (1) Trong D-MOSFET bằng công nghệđãchế tạosẵnkênhdẫnbêndưới cựcG, điệnápcựcG điều khiển dòng giữacựcnguồnvàcựcmáng bằng cách làm nghèo mộtphầnkênhđó(thiếtdiệncủakênhbị thu hẹp), tương tự như JFET. Vì khi D-MOSFET hoạt động kênh dẫn đãcó sẵn đóng dầnlại nên D-MOSFET còn đượcgọi là MOSFET thường mở. Thông thường cựcnềnB đượcnốitắtvớicựcnguồnS. Nguồnphân cựcsaochochuyểntiếpPN giữacựcbándẫnnềnvàkênhdẫnluôn phân cựcngược, dòng hạt đasố củakênhdẫn điraở cựcD D a) D-MOSFET b) D-MOSFET D kênh P ID kênh N ID G G R RD D U UDS DS S S + U − UGS + E GS − E G− E G + − ED + D www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang57
Nguyên lý làm việccủa D-MOSFET (2) D-MOSFET kênh n làm việc theo 2 nguyên lý sau: Nguyên lý tổn hao: Khi UGS≤0, những điệntíchdương sẽđượccảm ứng vào kênh dẫn n, những điệntíchdương này trung hoà bớt điệntử trong kênh n và hình thành một vùng chuyểntiếp nghèo hạtdẫntại kênh ngay phía dướicựcG làmchođiệntrở của kênh tăng lên, dòng ID giảmxuống. UGS càng giảm thì vùng chuyểntiếp càng mở rộng và ID càng giảm. Sự thay đổi điệntrở kênh dẫn do các hạtdẫnmớicảm ứng ra bởi điện trường cựcG đã trung hoà bớthạtdẫnvốncócủa kênh – do điện tích trái dấu nhau – nghĩalàlàmtổnhaohạtdẫn. VớiUGS=const, khi UDS tăng dần thì vùng chuyểntiếpPN giữa B và kênh phân cực ngượclansâuhơn vào kênh và vùng chuyểntiếp nghèo hạtdẫncũng sẽ mở rộng, kênh sẽ bị thắtdầnvề phía cựcD. Đặctuyếnracủa D-MOSFET cũng tương tự như của JFET. Cấu trúc MOS giữa G và kênh làm việc ở trạng thái chuyểntiếp Nguyên lý tăng cường: Khi UGS>0, khi ấydướitácdụng của điệntrường cực G các điệntửđượccảm ứng vào kênh dẫnlàmtăng nồng độ của điệntử trong kênh dẫn do đó làm giảm điệntrở suấtcủa kênh. NếuUGS tăng thì ID cũng sẽ tăng. CấutrúcMOS giữa G và kênh làm việc ở trạng thái tích luỹ. VớiUGS=const, khi UDS tăng dần thì vùng chuyểntiếpPN giữa B và kênh phân cực ngượclansâuhơn vào kênh, và nồng độ điệntử trong kênh cũng giảmdầnvề phía cực D, như vậykênhcũng sẽ bị thắtdầnvề phía cựcD. www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang58
D-MOSFET làm việc theo nguyên lý làm việctổnhao Lớpchuyểntiếp Vùng đánh thủng UGS UP (d) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang59
D-MOSFET làm việc theo nguyên lý tăng cường Lớp điện tích UGS>0 12 ID (mA) tích luỹ G UGS>0V S B 10 A IDbh n 8 n+ n+ 6 Vùng bão hoà Substrate (p) 4 (a) B 2 UP 2 4 6 8 10 12 UDS (V) UGS>0 U >0 G G UGS>0 G GS D S DSDS - - - - - n - n+ n+ n+ n+ n+ n+ Substrate (p) Substrate (p) Substrate (p) U B B B GS (b) UGS=UP (c) UGS>UP (d) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang60
Các họđặctuyếncủa D-MOSFET kênh N ID (mA) ID (mA) Chế Vùng Ohmic UGS = +1V B IDmax độ IDmax A Chếđộ giầu nghèo hd UGS = 0 V hd IDSS IDSS − 1,0 V Chế Chếđộ độ giàu hd − 2 V nghèo U hd UGS0 GS0 −3 −2 −1 0 U (V) UP GS 2 4 6 8 10 12 UDS (V) UGSmax 2 ⎛ U ⎞ Vùng bão hòa ⎜ GS ⎟ IID=DSS ⎜1 − khi⎟ UGS 0≤GS U ≤ GS max U ⎝ UGS 0 ⎠ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang61
Các họđặctuyếncủa D-MOSFET kênh P ID (mA) ID (mA) UGS = -1V IDmax IDmax U =0V IDSS GS IDSS 1,0 V Vùng Ohmic 2 V U GS UGS0 U -1 01 2 GS0 UDS UGSmin 2 ⎛ U ⎞ ⎜ GS ⎟ Vùng bão hòa IID=DSS ⎜1 − khi⎟ UGS min≤GS U ≤ GS 0 U ⎝ UGS 0 ⎠ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang62
Nguyên lý làm việccủa E-MOSFET Trong E-MOSFET không có sẵnkênhdẫngiữa S và D mà kênh dẫnnàysẽ đượctạo ra khi đặt điệnáplêncựccổng thích hợplớnhơn giá trịđiệnáp ngưỡng nào đóUT thì sẽ có sự tạo thành lớp đảohạtdẫn ngay dướicựccổng tạo thành kênh dẫnnốigiữaS vàD (tương tự như cấutrúcMOS trongtrạng thái đảo). Vì kênh dẫnchỉđượctạorakhicóđiệnáptrêncựcG nênloại MOSFET này còn gọi là MOSFET thường đóng. Thông thường cựcnềnB đượcnốitắtvớicựcnguồnS. Nguồn phân cựcsao cho tạothànhlớp đảohạtdẫntạibándẫnnền, dòng hạt đasố củakênhdẫn đi ra ở cựcD. b) E-MOSFET a) E-MOSFET D D kênh P ID kênh N ID G G R RD D U UDS DS S S U E 0 E E G - − D + + D www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang63
Đặctuyếnracủa E-MOSFET kênh N Vùng đánh thủng UGS>UT>0 12 I (mA) G D (Avalanche Region) DSA 10 UGS>UT B IDbh n+ n+ 8 - - - - - Vùng Ohmic Vùng bão hoà - - Lớp đảo - - Lớpchuyểntiếp 6 (Pinchoff Region) Substrate (p) 4 2 U P 4 6 8 10 12 U (V) (a) B 2 DS U >U >0 U >U >0 G GS T G GS T G UGS>UT>0 DSDSDS + n+ - - - - - n+ n+ - - - - n+ n+ - - - - n+ - - - - - - - - - - - - - Substrate (p) Substrate (p) Substrate (p) B B U =U (c) B UDS Up (d) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang64
Các họđặctuyếncủa E-MOSFET kênh N Họđặctuyếnra Họđặctuyến truyền đạt Khi UGS Up thì ID =IDbh=const BiểuthứctínhID theo UGS tại vùng bão hoà thường được tính như sau: 2 W W, L độ rộng và I= k.( U − U ) k: hằng số kênh. k = μ n C ox D GS T 2.L chiềudàicủaG www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang65
Các họđặctuyếncủa E-MOSFET kênh P -U S DS Khi UGS>UT - điệnápngưỡng, kênh bị khoá hoàn toàn (chưahình thành kênh cảm ứng): ID= IDbh=0. Khi UGS Up thì ID =IDbh=const Biểuthức tính ID theo UGS tại vùng bão hoà thường được tính như sau: 2 W k = μ C C : Điện dung củaMOS ID= k.( UGS − TU ) 2.L p ox ox www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang66
Bảng so sánh đặy u ctyế u r ntền đạtcủcc á acấi ukTệ E nF IDSS IDSS UGS0 UGS0 U 2 GS 2 U GS 2 IID=DSS( 1 − ) II=( 1 − I ) = k.( U − U ) U D DSS D GS T GS 0 U GS 0 DI () on k = 2 UU(GS() on− ) T U U /2 GS0 GS0 UGS0 UT 7 6du.vnwww.ptit.e Giảng viên: g TS.h Trầh nTh–Bụ n i cLộ Tmôn KĐ n a r TT
4.4 Định thiên (Phân cực) cho MOSFET MOSFET làm việc ở chếđộxung, số thường được phân áp để chúng làm việc ở vùng đặctuyến khoá hoàn toàn và vùng ohmic hoặcgần bão hoà. Khi MOSFET làm việc ở chếđộtích cực(chếđộkhuếch đại tín hiệu) thì chúng được định thiên để làm việc ở vùng đặctuyếnbãohoà. Trong phần này chủ yếutínhtoánmạch định thiên để MOSFET làm việc ở chếđộtích cực. Khi tính toán mạch định thiên sử dụng các giả thiếtsau: IG=0, Khi UGS=const, dòng ID=IDSbh=const mặcdùUDS thay đổi. Các cách định thiên cho D-MOSFET: + A1/ Tựđịnh thiên + A2/ Định thiên bằng mạch phân áp + A3/ Định thiên cựccổng Các cách định thiên cho E-MOSFET + B1/ Định thiên bằng mạch hồitiếp + B2/ Định thiên bằng mạch phân áp www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang68
A1. Mạch tựđịnh thiên D-MOSFET ED RD IDSS=8mA UGS0=-8V RG RS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang69
Xác định điểmlàmviệcQ UGS0 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang70
A2. Định thiên bằng mạch phân áp cho D-MOSFET RD R1 IDSS=6mA UGS0=-3V R 2 RS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang71
Điểm làm việcQ UGS0 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang72
A3. Định thiên cựcG cốđịnh EG = 2V RD IDSS=10mA UGS0=-4V EG www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang73
B1. Định thiên cho E-MOSFET bằng mạch hồitiếp www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang74
Sơđồ1 chiềutương đương IG = 0 UGS = UDS www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang75
Đặctuyếntruyền đạt UT www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang76
Xác định điểm làm việcQ UT www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang77
Ví dụ UT=UGSTH = 4V UGSon = 7.5V IDon = 5mA UDD = 22V IDon k = 2 (VGSon - V GSTH ) 2 IDGSGSTH = k(V - V ) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang78
B2. Định thiên cho E-MOSFET kênh N dùng mạch phân áp (1) ⎛⎞ R2 VGDD = V⎜⎟ ⎝⎠R12 +R IDon k = 2 (VGSon - V GSTH ) 2 IDGSGSTH = k(V - V ) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang79
B2. Định thiên cho E-MOSFET kênh N dùng mạch phân áp (2) ⎛⎞ R2 VGDD = V⎜⎟ ⎝⎠R12 +R KVL Input -VGGSDS + V + I R = 0 IDon k = 2 (VGSon - V GSTH ) 2 IDGSGSTH = k(V - V ) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang80
B2. Định thiên cho E-MOSFET kênh N dùng mạch phân áp (3) www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang81
4.5 Mô hình tương đương củaMOSFET a/ Mô hình tương đương mộtchiềuvàtínhiệulớn b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ Xét trường hợpcực S và B nốitắt www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang82
a/ Mô hình tương đương 1 chiềuvàtínhiệulớncủaD-MOSFET D D G G S S + Mô hình tương đương D-MOSFET làm việc ở vùng bão hoà - + + - K.IDSS U K.IDSS U UGS RGS DS UGS RGS DS + - - + 2 2 ⎛ U ⎞ ⎛ U ⎞ K=⎜1 − GS ⎟ K=⎜1 − GS ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ U ⎟ ⎝ U GS 0 ⎠ ⎝ GS 0 ⎠ + Mô hình tương đương D-MOSFET làm việc ở vùng ohmic V - + R = p + - DS I U Dbh GS R R U R R U GS DS DS UGS GS DS DS + - - + www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang83
a/ Mô hình tương đương 1 chiềuvàtínhiệulớncủaE-MOSFET D D G G S S + Mô hình tương đương E-MOSFET làm việc ở vùng bão hoà + + - - ID U .ID U UGS RGS DS UGS RGS DS - - + + 2 ID= k.( UGS − T U ) + Mô hình tương đương E-MOSFET làm việc ở vùng ohmic V + + R = p - - DS I U Dbh GS R R U R R U GS DS DS UGS GS DS DS - - + + www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang84
b/ Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấp Mô hình tương đương tín hiệunhỏ củaMOSFET xác định mốiquanhệ giữatínhiệuxoaychiềubiênđộ nhỏ trong JFET: id, ugs. Các phương trình đặc tính tương ứng để xác định các mô hình tương đương củaMOSFET: Tổng quát : ifuuD = (,)GS DS IifU= D+ d = ( GS + gs, uU DS+ ds ) u Giả sửđiểmlàmviệcQ(UGS,UDS,ID) ∂f ∂f ⇒i = u + u= g u + g u d ∂u gs ∂u ds m gs d ds GS Q DS Q gm - Độ hỗ dẫnvào, gd - Độ hỗ dẫnra www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang85
Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủa D-MOSFET (1) 2 ⎛ u ⎞ ⎜ GS ⎟ + Ta có i=D f( uGS ) =DSS I ⎜ 1 − ⎟ ⎝ uGS 0 ⎠ + Độ hỗ dẫnvào: ∂f − 2 I ⎛ U ⎞ 2II . DSS ⎜ GS ⎟ DS DSS g m = Q = ⎜1 − ⎟ = ∂u GS U GS 0 ⎝ U GS 0 ⎠ − U GS 0 − 2 I ⎛ U ⎞ g = DSS g= g ⎜1 − GS ⎟ m 0 U m m 0 ⎜ ⎟ GS 0 ⎝ U GS 0 ⎠ + Thựctế thì IDbh cũng sẽ thay đổitheoUDS mặcdùsự thay đổinày là không đáng kể. Phương trình tính dòng ID đượchiệuchỉnh có tính đến ảnh hưởng của điệnápUDS như sau: 2 ⎛ u ⎞ ⎛ u ⎞ VAn - ĐiệnápEarly ⎜ GS ⎟ ⎜ DS ⎟ iD = f( uGS , u DS= )DSS I⎜ 1 − ⎟ ⎜1 + ⎟ (30 ÷ 300V) ⎝ U GS 0 ⎠ ⎝ V An ⎠ www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang86
Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủa D-MOSFET (2) 2 ∂i ⎛ u ⎞ 1 I + Độ hỗ dẫnra: DS ⎜ GS ⎟ D g d = =I DSS ⎜1 − ⎟ = ∂u DS ⎝ U GS 0 ⎠ V An V An Q Q ∂uDS 1 VAn + Điệntrở vi phân đầura: ri= r d = = = i∂ D Q gd I D + Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủaD-MOSFET D D − 2 I G G g = DSS m 0 U S G S GS 0 G D D ⎛ U GS ⎞ g= g ⎜1 − ⎟ gm.ugs rd gm.ugs rd m m 0 ⎜ ⎟ ⎝ U GS 0 ⎠ S S −2I ⎛ U ⎞ 2II . DSS ⎜ GS ⎟ DS DSS gm = ⎜1− ⎟ = UGS0 ⎝ UGS0 ⎠ −UGS0 www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang87
Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủa E-MOSFET (1) 2 + Mài ta có = fD u()GS = k( GS u − ) T U + Độ hỗ dẫnvào: ∂f .2 ID gm = =2Qk . U .(GS − U T ) = ∂uGS UU()GS− T + Thựctế thì IDbh cũng sẽ thay đổitheoUDS mặcdùsự thay đổinàylà không đáng kể. Phương trình tính dòng ID đượchiệuchỉnh có tính đến ảnh hưởng của điệnápUDS như sau: 2 i= fD u()GS = k( GS u −)( TU1λ + .DS ) u ∂i g = DS =k U() − U2λ λ = I + Độ hỗ dẫnra: d ∂u GS T D DS Q ∂u 1 1 λ : Hệ sốđiềuchế + Điệntrở vi phân đầura:r= r = DS = = i d chiều dài kênh i∂ D Q gd λ. D I www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang88
Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủa E-MOSFET (2) + Mô hình tương đương tín hiệunhỏ tầnthấpcủaE-MOSFET D D G G S S G G D D gm.ugs rd gm.ugs rd S S ∂f .2 ID gm = Q= ∂uGS UU()GS− T 1 1 rd= = gd λ. D I www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang89
4.6 Cấu trúc CMOS G G +VDD B S D B S D PEMOS p+ n+ n+ x n+ p+ p+ x L j L j U UD n-type well G NEMOS NMOS PMOS p-type substrate BộđảoCMOS Công nghệ CMOS- Complementary MOS: Hai MOSFET bù nhau NMOS (MOSFET kênh N) và PMOS (MOSFET kênh P) đượcchế tạo đồng thờitrênmột đế bán dẫnduynhất GiữaPMOS vàNMOS đượccáchlyvớinhaubởichuyểntiếpPN phân cựcngược Công nghệ CMOS hiện là công nghệ phổ biếntrongcácvi mạch số www.ptit.edu.vn Giảng viên: ThS. TrầnThụcLinh–Bộ môn KTĐTTrang90