Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors)

[nghiathanh2000]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

Bài 1 - Lý thuyết bán dẫn
Bài 2- Phân tích mạch chứa diode
Bài 3 - Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)
Bài 4 - Transistor hiệu ứng trường (Field-Effect Transistors)
Bài 5 - Các mạch khuếch đại BJT tín hiệu nhỏ
Bài 6 - Mạch khuếch đại đa tầng
Bài 7 - Khuếcg đại hồi tiếp âm và dao động sin
Bài 8 - Các mạch sử dụng OPAMP
Bài 9 - Mạch sửa dạng sóng tuyến tính RC
Bài 10 - Mạch xén và mạch so sánh
Bài 11 - Mạch kẹp và mạch giao hoán
Bài 12 - Mạch dao động đa hài (multivibrator)



4-1 Giới thiệuFET 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.

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 [SUB][/SUB]. 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 [SUB][/SUB] từ máng đến nguồn.
Để phân tích ảnh hưởng của việc tăng [SUB][/SUB] trên dòng máng [SUB][/SUB], ta tạm thời ngắn mạch cực máng và cực nguồn ([SUB][/SUB]). Khi [SUB][/SUB] tăng lớn hơn 0 một chút, dòng [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB], 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 [SUB][/SUB], 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 khi tiến đến gần cực nguồn. Nếu tiếp tục tăng [SUB][/SUB], 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 [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB], giá trị này được gọi là điện áp nghẽn (pinch-off voltage), [SUB][/SUB]. 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. [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] tăng vượt quá [SUB][/SUB]. Dòng này được gọi là dòng bão hòa (saturation current) [SUB][/SUB].

Giá trị thông thường cho [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB] là [SUB][/SUB] và [SUB][/SUB], 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 [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] 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 [SUB][/SUB] bởi vì toàn bộ điện trở của kênh là lớn hơn trường hợp trước (do bề rộng kênh hẹp hơn). Khi tiếp tục tăng [SUB][/SUB], vùng nghèo lại tiếp tục mở rộng cho đến khi gặp nhau. Điểm nghẽn sẽ xảy ra tại [SUB][/SUB] thay vì [SUB][/SUB] vì chuyển tiếp giữa kênh dẫn và cực cổng đã được phân cực ngược trước bởi điện áp [SUB][/SUB]. Trong hình 4-5(b), dòng bão hòa có giá trị [SUB][/SUB] khi [SUB][/SUB] tăng vượt quá [SUB][/SUB].