Tìm hiểu về Transistor trường FETs

Transistor  là chìa khóa cho hầu hết các hoạt động của các thiết bị điện tử hiện đại, từ các bộ vi xử lý cao cấp đến những cục sạc điện thoại mà bạn thường dùng hằng ngày. Chúng ta cũng biết được có 2 loại transistor chính đó là BJT và FET. Tuy nhiên vì để các bạn dễ hiểu nên bài viết trước ta chỉ mới tìm hiểu sơ qua về 2 loại transistor này, chính vì thế, hôm nay, Nhật Trần sẽ giới thiệu chi tiết hơn cho các bạn về transistor trường FET. Cùng theo dõi nhé!

Giới thiệu chung và phân loại transistor trường FETs

Đầu tiên cùng ôn lại khái niệm về transistor trường FET đã nhé!

Transistor trường FETs là gì?

Transistor hiệu ứng trường hay còn gọi là Transistor trường, Tranzito trường, viết tắt là FET (tiếng Anh: Field-effect transistor) là nhóm các linh kiện bán dẫn loại transistor có sử dụng điện trường để kiểm soát tác động đến độ dẫn của kênh dẫn của vật liệu bán dẫn. FET là transistor đơn cực nên chúng liên quan đến hoạt động của phần tử tải điện đơn.

 

Transistor trường  IRF730  – linh kiện điện tử Vietnic

So sánh FETs với BJTs

Như các bạn đã biết, hiện nay trên thị trường có 2 loại transistor chính: BJT và FET. Vậy so với BJTs thì FETs có những ưu nhược điểm gì? Và BJTs với FETS giống và khác nhau ở điểm nào? Việc trả lời câu hỏi này sẽ giúp bạn dễ dàng hơn trong việc chọn mua loại transistor cho phù hợp với mục đích sử dụng của mình.

Ưu, nhược điểm của FETs so với BJTs

Ưu điểm

+ Dòng điện qua transistor chỉ do một loại hạt dẫn đa số tạo nên. Do vậy FET là loại cấu kiện đơn cực (unipolar device).

+ FET có trở kháng vào rất cao.

+ Tiếng ồn trong FET ít hơn nhiều so với transistor lưỡng cực.

+ Nó không bù điện áp tại dòng ID = 0 và do đó nó là cái ngắt điện tốt.

+ Có độ ổn định về nhiệt cao.

+ Tần số làm việc cao.

Nhược điểm

Hệ số khuếch đại của FETs thấp hơn nhiều so với BJTs.

FETs và BJT giống và khác nhau ở điểm nào?

Giống nhau

+ Đều được sử dụng để làm bộ khuếch đại.

+ Đều được sử dụng làm thiết bị đóng ngắt bán dẫn.

+ Đều có thể thích ứng với những mạch trở kháng.

Khác nhau

+ BJTs phân cực bằng dòng, còn FETs phân cực bằng điện áp.

+ BJTs có hệ số khuếch đại cao, FETs có trở kháng vào lớn.

+ FETs ít nhạy cảm với nhiệt độ, nên thường được sử dụng trong các IC tích hợp.

+ Trạng thái ngắt của FETs tốt hơn so với BJTs.

Phân loại transistor trường FET

Có 2 loại transistor trường FET:

+ JPET (Junction field-effect transistor): Transistor trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N hay còn gọi là transistor trường mối nối.

+ IGFET (Insulated-gate field effect transistor): Transistor có cực cửa cách điện. Thông thường lớp cách điện này là lớp oxit nên còn gọi là metal-oxide-semicoductor transistor (viết tắt là MOSFET).Trong loại transistor trường có cực cửa cách điện được chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn (DE-MOSFET) và MOSFET kênh cảm ứng (E-MOSFET).

Mỗi loại FET lại được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P.

Để dễ hiểu các bạn có thể xem sơ đồ sau:

 

Sơ đồ phân loại FETs

Kí hiệu của các loại transistor trường FET

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của transistor trường FETs

Mỗi loại transistor trường có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau do đó Nhật Trần  sẽ đi vào phân tích cấu tạo và nguyên lý hoạt động theo từng loại transistor nhé!

Transistor trường JFET

Cấu tạo transistor trường JFET

JFET được cấu tạo bởi 1 miếng bán dẫn mỏng ( loại N hoặc loại P ) 2 đầu tương ứng là D và S, miếng bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện. 2 miếng bán dẫn ở 2 bên kênh dẫn được nối với cực G. Cực G được tách ra khỏi kênh nhờ tiếp xúc N-P.

Đa phần các JFET có cấu tạo đối xứng nên có thể đổi chỗ cực D và S mà tính chất không thay đổi.

*Có 2 loại JFET : kênh n và kênh P.

JFET kênh n thường thông dụng hơn.

JFET có 3 cực: cực Nguồn S (source); cực Cửa G (gate); cực Máng D (drain).

+ Cực D và cực S được kết nối vào kênh n.

+ Cực G được kết nối vào vật liệu bán dẫn p

Các loại JFET – linh kiện điện tử Vietnic

Nguyên lý hoạt động của transistor trường JFET

Về cơ bản nguyên lý hoạt động của 2 loại JFET tương đối giống nhau, chỉ khác nhau về chiều dòng điện. Các bạn xem thêm ở hình sau:

Sơ đồ mạch của 2 loại JFET

Ở chế độ khuếch đại, ta phải cấp nguồn UGS để 2 tiếp xúc P-N phân cực ngược. Nguồn UDS làm cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D => tạo dòng ID trong mạch cực máng

Xét JFET kênh N:

+ Điện áp VGG đặt tới cực G và S để phân cực ngược cho tiếp giáp P-N. Điện áp VDD đặt tới D và S để tạo ra dòng điện chạy trong kênh dẫn.

+ Điện áp phân cực ngược đặt tới G và S làm cho vùng nghèo dọc theo tiếp giáp P-N được mở rộng ra chủ yếu về phía kênh dẫn, điều này làm kênh hẹp lại hơn do đó điện trở kênh dẫn tăng lên và dòng qua kênh dẫn giảm đi. Với cách phân cực trên thì điện áp phân cực giữa G và D lớn hơn điện áp phân cực ngược giữa G và S làm cho vùng nghèo mở rộng không đều. Các bạn xem hình:

Ở đây, Nhật Trần chỉ giới thiệu về nguyên lý hoạt động của JFET kênh N, kênh P tương tự, các bạn có thể tự suy ra nhé!

Đặc điểm hoạt động của JFET

*Đặc tuyến ra:

Xét trường hợp JFET phân cực với điện áp VGG=0

+ Khi ta tăng dần VDD thì VDS tăng và ID tăng tuyến tính theo. Khi tăng VDD thì vùng nghèo có xu hướng rộng ra, tuy nhiên khi VDD chưa đủ lớn thì bề rộng của vùng nghèo chưa đủ rộng để gây ảnh hưởng tới ID => ID & VDS có mối quan hệ tuyến tính khi VDD đủ nhỏ. Mối quan hệ này thể hiện ở đặc tuyến ra A → B ( Miền OHM).

+ Khi VDD đã đủ lớn, khi đó VDS cũng đủ lớn, lúc này bề rộng vùng nghèo bắt đầu gây ảnh hưởng dòng ID. Nó kiềm hãm sự tăng của dòng ID trước sự tăng của VDS. Mối quan hệ này thể hiện ở đặc tuyến ra B → C (Miền không đổi)

+ Khi VDD tiếp tục tăng đến giá trị đủ lớn để đánh thủng tiếp giáp P-N thì ID tăng đột ngột theo VDS, miền này gọi là miền đánh thủng; JFET làm việc ở chế độ này sẽ bị hỏng.

*Đặc tuyến truyền đạt:

Ta thấy VGS(0 → VGS off) điều khiển dòng ID. Với JFET kênh N VGS off < 0, JFET kênh P VGS off > 0. Đồ thị thể hiện mối quan hệ VGS và ID là đặc tuyến truyền đạt, có dạng:

Đường cong này chính là đặc tuyến truyền đạt của JFET kênh N, cho ta biết giới hạn hoạt động của JFET.

Qua đồ thị này ta có thể thấy được FET là một linh kiện điện tử  tuân theo luật bình phương.

Transistor trường MOSFET

Đây là loại transistor trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện bằng một lớp cách điện mỏng. Lớp cách điện thường dùng là chất oxit nên ta thường gọi tắt là transistor trường loại MOS.

Transistor trường MOS có hai loại: transistor MOSFET kênh sẵn và transistor MOSFET kênh cảm ứng. Trong mỗi loại MOSFET này lại có hai loại là kênh dẫn loại P và kênh loại N.

Chúng ta sẽ đi vào phân tích từng loại MOSFET này.

MOSFET kênh sẵn

*Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn

+ Transistor trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (viết tắt là DE-MOSFET).

+ Transistor trường MOSFET kênh sẵn là loại transistor mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

 

*Nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh sẵn

+ Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US=0.

+ Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S.

+ Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng.

+ Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.

+ Nguyên lý làm việc của hai loại transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau.

a/MOSFET kênh sẵn loại P

b/ MOSFET kênh sẵn loại N

+ Đặc tính truyền đạt: ID = f(UGS) khi UDS = const

MOSFET kênh cảm ứng

*Cấu tạo của MOSFET kênh cảm ứng

+ Transistor trường loại MOSFET kênh cảm ứng còn gọi là MOSFET chế độ giàu (Enhancement-Mode MOSFET viết tắt là E-MOSFET).

+ Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn.

+ Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng được sản xuất và sử dụng nhiều hơn.

*Nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng

Nguyên lý làm việc của kênh P và kênh N giống hệt nhau chỉ khác nhau về cực tính của nguồn cung cấp đặt lên các chân cực.Chúng tôi sẽ giới thiệu đến các bạn nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng loại P, loại N các bạn tự suy ra tương tự nhé!

+ Trước tiên, nối cực nguồn S với đế và nối đất, sau đó cấp điện áp giữa cực cửa và cực nguồn để tạo kênh dẫn.

+ Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho các chân cực, ta cấp nguồn điện UGS < 0 để tạo kênh, còn UDS < 0 để tác động cho các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID.

+ Khi ta đặt một điện áp lên cực cửa âm hơn so với cực nguồn (UGS < 0) đến một giá trị gọi là điện áp ngưỡng (ký hiệu là UGSth) thì một số các lỗ trống được hút về tạo thành một lớp mỏng các lỗ trống trên bề mặt của lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn S với cực máng D và kênh dẫn điện được hình thành.

Sự hình thành kênh dẫn của MOSFET loại P

+ Khi kênh đã xuất hiện, dưới tác dụng của điện trường cực máng các lỗ trống sẽ di chuyển từ cực nguồn, qua kênh, về cực máng và tạo nên dòng điện trong tranzito ID.

+ Tiếp tục cho UGS càng âm hơn, nghĩa là |UGS|>|UGSth|, thì số lỗ trống được hút về kênh càng nhiều, mật độ hạt dẫn trong kênh càng tăng lên, độ dẫn điện của kênh càng tăng dẫn đến cường độ dòng điện chạy qua kênh cũng tăng lên. Các bạn xem thêm ở hình sau: