Tranzito trường Field Effect Transistor - FET - Khái niệm, phân loại

1 Tranzito tr−ờng Field Effect Transistor - FET 2 Nội dung 1. Khái niệm, phân loại 2. JFET 3. MOSFET 4. Phân cực cho JFET và MOSFET 5. Mụ hỡnh tương đương của FET 6. Chế độ chuyển mạch của FET 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. 4 5 Tranzito tr−ờng dùng chuyển tiếp pn (JFET) 6 7 Nguyên lý làm việc 8 UGS = 0, UDS = Var > 0 9 10 Đặc tuyến 11 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 . 12 Đặc tuyến (2) Tr−ờng hợp 2: UGS < 0 ; UDS > 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 này làm cho tiếp xúc PN mở rộng mạnh hơn và điểm thắt kênh đến sớm hơn, có nghĩa là giá trị UP sẽ nhỏ đi: • 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. )0()0( =< < GSGS UPUP UU 13 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, còn đối với JFET kênh P sẽ là UGS > 0. 14 Họ đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của JFET 15 Ph−ơng trình Shockley • Vùng điện trở thuần • Tại vùng bão hòa : • ID = 0 khi: |UGS | = |UGS off |= |UP | 16 Ph−ơng trình Shockley (2) 17 ứng dụng của JFET 18 Điểm hệ số nhiệt bằng không 19 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 20 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 = UDS ID 21 Các tham số làm việc • Điện trở vào : rv = dUGS /dIG , khoảng 109Ω • Điện trở ra : rr = dUDS /dID • Hỗ dẫn của đặc tuyến truyền đạt S (gm ): • S= 7ữ50 mA/V constUU I m DSGS Dg === ΔΔS 22 So sánh JFET và BJT 23 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). 24 D-MOSFET 25 D-MOSFET 26 Nguyên lý hoạt động của D-MOSFET 27 Đặc tuyến 28 E-MOSFET 29 30 Đặc tuyến của E-MOSFET 31 Đặc tuyến của E-MOSFET (2) 32 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) 33 34 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 • PD max (công suất tiêu tán cực đại trên cực D ở 25oC): 300mW • γ PD max (hệ số giảm công suất tiêu tán cực đại trên cực D khi > 25oC): 1,7mW/oC 35 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 • IDSS (dòng điện cực máng khi UGS = 0V, UDS = 10V, t = 25oC): 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, UDS = 10V, UGS = 10V): 3mAdc • UDS(on) (Điện áp D-S tại điểm ON, UGS = 10V, ID = 2mA): 1Vdc 36 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 (UDS < 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. 37