Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 6: FET. Transistor hiệu ứng trường - Hồ Trung Mỹ
Điều chế chiều dài kênh dẫn
• Xét N-JFET ở miền bão hòa, nếu tăng VDS thì ID sẽ tăng, vì khi tăng
VDS dẫn đến L giảm (chiều dài hiệu dụng của kênh dẫn N) điện
trở kênh dẫn giảm hay ID tăng. Hiệu ứng này tương tự với điều chế
miền nền trong BJT. Do đó tất cả các đặc tuyến ở miền bão hòa khi
kéo dài ra đến trục hoành thì đều giao nhau cùng 1 điểm trên trục
hoành, ứng với điện áp Early VA (VDS=-VA). VA thực tế có trị từ 30V
đến 200V. Dòng ID phụ thuộc vào VDS và có dạng
• Như vậy tại điểm tỉnh Q trong miền bão hòa thì JFET có điện trở ra
là:
Đánh thủng
Đánh thủng cố định
VBR = VD - VG
Đánh thủng thác lũ xảy ra trong JFET khi phân cực ngược tại chuyển tiếp cổngkênh dẫn (chỗ đầu cực máng của kênh) bằng điện áp đánh thủng của chuyển tiếp,
BV = BV
DG0 – VGS
BVDG0
BV=BVDG0 – VGS
(TD này có VS=0)75
Sự thay đổi trong độ linh động
• Khi điện trường có giá trị lớn thì vận trôi không tăng nữa,
dẫn đến độ linh động giảm. Trong JFET kênh dẫn ngắn với
điện áp ở máng cố định, khi tăng điện trường tại cổng thì
làm giảm độ linh động hay làm giảm dòng ID so với giả thiết
ban đầu độ linh động là hằng số.
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 6: FET. Transistor hiệu ứng trường - Hồ Trung Mỹ
old voltage) định nghĩa ngưỡng giữa sự dẫn điện và không dẫn điện trong kênh dẫn. • Thay xn = h trong công thức trên ta tìm được biểu thức của điện áp ngưỡng • Chú ý: VTH 0 với JFET kênh P. Tính điện áp ngưỡng VTH (2/2) 2 Sn bi G D x V V qN với VG < 0. 2 2 D TH G S bi S qN h V V V V lúc N-JFET tắt 31 Mô hình tính điện áp ngưỡng (VD 0) 2h xn 32 Mô hình tính dòng điện máng ID Xn(y) 33 Tính dòng điện máng ID • Xét N-JFET với VG > VTH và VD >0 • Theo định luật Ohm, ta có: • Suy ra: • Như vậy dòng điện máng là ( ) ( ) 2( ( )) D y y n D n I dV y dV y J E q N h x y W dy dy 2( ( )) ( )D n n DI dy h x y Wq N dV y 0 2 ( ( )) ( ) D S V L n D n D D V q N W h x y dV y I dy I L 3/2 3/22 2 22 3 n D S D D D bi G bi G D q N Wh I V V V V V V L qN h 3/2 3/20 2 22 3 S D D D bi G bi G D I g V V V V V V qN h 0 2 n Dq N Whg L với 34 Điện áp máng bão hòa VDsat và điện áp nghẹt VP • Chú ý là xn(y=L) > xn(y=0) vì V(y=L)=VD > V(y=0)=VS=0. Do đó khi tăng VD thêm nữa thì sẽ dẫn đến trường hợp 2 miền nghèo sẽ chạm nhau tại vị trí y = L. Giá trị VD lúc này được gọi là điện áp máng bão hòa VDsat. Khi đó người ta gọi kênh dẫn bị nghẹt (hay nghẽn [pinch- off]). • Suy ra: • Hiệu điện thế VD–VG làm cho kênh bắt đầu nghẽn được gọi là điện áp nghẹt (hay nghẽn) Vp (khi đó xn(y=L)=h). Lúc kênh dẫn bắt đầu nghẹt thì dòng ID giữ không đổi và VD=VDsat = VG–VTH. Như vậy điện áp nghẹt Vp = VDsat – VG = –VTH Giá trị tiêu biểu của Vp là 2 đến 4 V. 2 Sn bi G D x y L V V V y L qN 2 S bi G Dsat D h V V V qN 2 2 D Dsat bi G G TH S qN h V V V V V 35 Dòng điện máng bão hòa IDsat • Thay giá trị VD=VDsat vào biểu thức của ID ta tìm được dòng điện máng bão hòa IDsat 2 3/2 0 2 22 6 3 SD Dsat bi G bi G S D qN h I g V V V V qN h Phương trình xấp xỉ cho ID trong miền tuyến tính • Trong miền tuyến tính VD<<VG và VD<<Vbi, từ phương trình ID • Nếu đặt X=VD/(Vbi-VG) và áp dụng (1+X)n 1+nX với X<<1 thì ta có phương trình sau: • Phương trình có thể được đơn giản hóa hơn nữa bằng khai triển Taylor quanh điểm VG = VTH 36 3/2 3/20 2 22 3 S D D D bi G bi G D I g V V V V V V qN h 0 2 n Dq N Whg L với 0 1 bi G D D po V V I g V V 2 2 D po S qN h V với điện thế nghẹt nội 0 2D G TH Dpo g I V V V V khi VG VTH • Miền bão hòa bắt đầu từ VD = VDsat = VG –VTH , từ phương trình ID • Phương trình có thể được đơn giản hóa hơn nữa bằng khai triển Taylor quanh điểm VG = VTH và khi đó hỗ dẫn có trị 37 Phương trình xấp xỉ cho ID trong miền bão hòa 2 3/2 0 2 22 6 3 SD Dsat bi G bi G S D qN h I g V V V V qN h 0 2 1 3 3 po bi G Dsat bi G po V V V I g V V V 2 2 D po S qN h V với 20 04 Dsat G TH p g I V V V khi VG VTH 0 02 D m G TH GS p gdI g V V dV V khi VG VTH 38 Các ký hiệu sơ đồ JFET Kênh N Kênh P 39 So sánh JFET và BJT 40 6.3 Đặc tuyến dòng áp của JFET Đặc tuyến tổng quát của JFET kênh N (N-JFET) Qui ước các ký hiệu dòng và áp trong đặc tuyến JFET: o IDSS= dòng điện từ nguồn sang máng khi ngắn mạch ở cổng (VGS=0). o Vp=điện áp nghẹt (pinch-off voltage) (0 với P-JFET o VTH=VGS,off=điện áp làm tắt JFET= -Vp (khi đó ID=0) o VDS,sat=VGS–VGS,off= VDS khi JFET bắt đầu nghẹt (vào miền bão hòa). 41 VG = 0V VG = VTH < 0 Vp IDSS (a) Đặc tuyến I-V chưa xét đánh thủng (b) Đặc tuyến I-V với đánh thủng 42 Tóm tắt phương trình ID trong N-JFET tại các miền hoạt động • VGS VTH : miền tắt ID=0 • VGS > VTH : o VDS < VDS,sat : miền tuyến tính (còn gọi là miền Ohm, điện trở, hay triode) Nếu thì ID là hàm tuyến tính theo VDS: (có thể hoán đổi D và S): Khi đó JFET tương đương với điện trở RDS (còn gọi là điện trở ON hay RDS,ON): oVDS VDS,sat : miền bão hòa (còn gọi là miền tích cực) 2 2 1 GS DS DSD DSS TH TH TH V V V I I V V V 2 2 2 2 DSS DS D GS TH DS TH I V I V V V V 2DS GS THV V V 2 2 DSS D GS TH DS TH I I V V V V 2 2 TH DS DSS GS TH V R I V V 2 2 2 1DSS GSD GS TH DSS TH TH I V I V V I V V 43 Mạch đo đặc tuyến JFET kênh N Dale R. Patrick Electricity and Electronics: A Survey, 5e Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Upper Saddle River, New Jersey 07458 All rights reserved. 44 Đặc tuyến ra của JFET 45 Đặc tuyến truyền đạt – similar shape for all forms of FET – but with a different offset – not a linear response, but over a small region might be considered to approximate a linear response 46 Dải làm việc bình thường của FET 47 Hổ dẫn gm • When operating about its operating point we can describe the transfer characteristic by the change in output that is caused by a certain change in the input – this corresponds to the slope of the earlier curves – this quantity has units of current/voltage, which is the reciprocal of resistance (this is conductance) – since this quantity described the transfer characteristics it is called the transconductance, gm Note: GS D m V I g GS D m V I g TD: Xét đặc tuyến thật của N-JFET 2N4339 48 Đặc tuyến ra của N-JFET 2N4339 49 (b) Miền triode(a) Đặc tuyến ra 50 Đặc tuyến truyền đạt của N-JFET 2N4339 VTH Vẽ đặc tuyến truyền đạt từ đặc tuyến ra JFET Transfer Characteristic Curve JFET Characteristic Curve 51 52 Tóm tắt đặc tuyến I-V của N-JFET Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra Miền làm việc: VTH 0 Với vDS 0 Miền I (miền tuyến tính) Với vDS vGS–VTH và vGS –VTH > 0 Miền II (miền bão hòa) N-JFET Miền tắt: vGS VTH vDS=vGS-VTH VTH 2 2 2 2 DSS DS D GS TH DS TH I V I V V V V 2 1 GSD DSS TH V I I V VTH VTH 53 Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến ra Với vDS > vGS–VTH và vGS –VTH < 0 Miền I (miền tuyến tính) Với vDS vGS–VTH và vGS –VTH < 0 Miền II (miền bão hòa) P-JFET Miền làm việc: VTH > vGS 0, vDS<0 Miền tắt: vGS VTH Tóm tắt đặc tuyến I-V của P-JFET 2 1 GSD DSS TH V I I V 2 2 2 2 DSS DS D GS TH DS TH I V I V V V V vDS=vGS-VTH VTH 54 Miền làm việc an toàn của N-JFET 1. PD, max : công suất tiêu tán cho phép tối đa. vDS iD< PD, max 2. VDS, max : điện áp đánh thủng ngược vDS < VDS, max 3. ID, max: dòng máng tối đa iD < ID, max 55 • Use the I-V characteristic curves of BJT and MOSFET • Use the regions of operation of these transistors – BJT • Cutoff Region • Active Linear Region • Saturation Region – JFET/MOSFET • Cutoff Region • Ohmic or Triode Region • Saturation (Active Region) Transistors as Amplifiers and Switches Switch operation Amplifier operation Switch operation Amplifier operation TD 1: Tìm miền hoạt động của JFET • N-JFET có IDSS = 10mA và VTH = -5V. Hãy cho biết miền hoạt động của JFET này nếu người ta đo được các điện thế tại D, G và S so với đất trong các trường hợp sau: a) VD=5V, VG=3V, và VS=4V. b) VD=4V, VG=2V, và VS=7V. c) VD=6V, VG=1V, và VS=5V. • Bài giải. Với N-JFET ta phải xét các điện áp sau: o VGS VTH : miền tắt ID=0 o VGS > VTH : (VDSsat = VGS – VTH) VDS < VDS,sat : miền tuyến tính VDS VDS,sat : miền bão hòa 56 TH VD VG VS VGS VDSsat VDS Miền hoạt động a 5V 3V 4V -1V 4V 1V Tuyến tính b 4V 2V 7V -5V Tắt c 6V 1V 5V -4V 1V 1V Bão hòa TD 2: Tìm điểm tĩnh Q của N-JFET (1/2) Mạch tự phân cực • N-JFET trong hình có IDSS=5mA và VTH = -3V. Mạch này có VDD=15V, RD=5K, RG=1M, và RS=1K. Hãy tìm IDQ và VGSQ? • Bài giải. Vì dòng cổng bằng không (do phân cực ngược cổng và kênh dẫn): VGS = –RSID (1) Giả sử N-JFET ở chế độ bão hòa (VGS>VTH=–3V và VDS VDS,sat=VGS–VTH), nếu sau khi tính xong mà giả thiết này không thỏa thì ta phải chọn giả thiết khác! (2) 57 2 1 GSD DSS TH V I I V D S G Mạch tự phân cực Kết hợp phương trình (1) và (2) ta có phương trình bậc 2 theo ID hoặc theo VGS. Nếu chọn biến là ID là có phương trình sau: RS2IDSSID2 + ( 2RSIDSSVp –Vp2) ID + IDSSVP2=0 Giải phương trình trên tìm được 2 nghiệm: ID 6.392mA (loại vì > IDSS), và ID 1.408mA (nhận vì 0 < ID < IDSS) IDQ =1.408mA VGSQ = –RSIDQ = –1.408V > VTH Kiểm chứng lại giả thiết: VDS = VDD – ID(RD + RS) = 15 – 1.408mA (5K + 1K)= 6.552V VDS = 6.552V > VDSsat = VGS–VTH= 1.592V Như vậy nghiệm là IDQ = 1.408mA và VGSQ = –1.408V 58 TD 2: Tìm điểm tĩnh Q của N-JFET (2/2) Mạch tự phân cực TD 3: Tìm điểm tĩnh Q của N-JFET (1/2) Mạch phân cực bằng cầu chia áp 59 Sau khi biến đổi tương đương Thévenin cho mạch phân cực cổng với VG=VDDR2/(R1+R2) = V1 và RG=R1//R2 Vì dòng cổng bằng không, ta có VGS = VG - VS = V1 - IDRS Sau đó thay VGS vào phương trình ID ở miền bão hòa để tìm ID và VGS. D S G 60 • MESFET là một lớp transistor quan trọng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng xử lý tín hiệu tốc độ cao cũng như các mạch vi ba. Dụng cụ này có thể được chế tạo tin cậy bằng các bán dẫn GaAs và InP. • MESFET sử dụng rào kim loại Schottky để điều chế điện tích tự do trong kênh dẫn bằng cách thay đổi bề rộng miền nghèo trong kênh dẫn. • MESFET là dụng cụ được chế tạo tương đối đơn giản và có cấu hình như chỉ ở hình 6.6. Các vật liệu thông dụng cho MESFET là GaAs và InP. Vật liệu đế cho MESFET GaAs là GaAs nửa cách điện có điện trở cao mà được chế tạo bằng cách đưa vào một cách cẩn thận các tạp chất mà có các mức năng lượng gần dãi giửa của GaAs. 61 Hình 6.6. Sơ đồ MESFET GaAs 62 (a) Khi không có phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo đều và bị điều khiển bởi phân cực cổng. (b) Khi có phân cực nguồn- máng, bề rộng miền nghèo nhiều hơn về phía cực máng. Hình 6.7. Sơ đồ của MESFET cho thấy bề rộng miền nghèo ở dưới cực cổng 63 • Các tiếp xúc ở nguồn và máng là các tiếp xúc thuần trở và cổng được tạo thành bởi rào Schottky. Hoạt động của dụng cụ này tuân theo lý thuyết vận chuyển hơi phức tạp đặc biệt trong các vật liệu như GaAs mà ở đó các quan hệ vận tốc-trường hoàn toàn phức tạp. Chúng ta sẽ xét một mô hình được đơn giản hóa nhằm minh họa hoạt động của MESFET. Trước khi giới thiệu các tính toán mô hình, chúng ta hãy xem lại tính chất vật lý trong hoạt động của dụng cụ. • Trong hình 6.7 cho ta thấy mặt cắt ngang của MESFET cùng với bề rộng miền nghèo ở dưới cực cổng. Khi không có phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo đều như ở hình 6.7a. Nếu phân cực cổng được làm cho âm hơn, bề rộng miền nghèo trãi rộng thêm vào miền tích cực cho đến khi kênh dẫn bị làm nghèo hoàn toàn. Như vậy khi ta tăng phân cực cổng (tới các giá trị âm), toàn bộ điện tích khả dụng cho sự dẫn điện giảm dần cho đến khi kênh dẫn bị nghẽn. Sự điều khiển cổng này tương tự với điều khiển ở JFET như ở hình 6.3. Nếu phân cực ở cực máng được tăng thì miền nghèo trở nên lớn hơn về phía cực máng như ở hình 6.7b. 64 • Nếu phân cực cổng cố định và điện áp máng được tăng đến các giá trị dương, dòng điện bắt đầu chạy vào kênh dẫn. Ban đầu dụng cụ hoạt động như một điện trở. Tuy nhiên, khi điện áp máng được tăng, bề rộng miền nghèo hướng đến cực máng bắt đầu tăng vì hiệu điện thế giữa cực cổng và cực máng tăng. Rồi kênh dẫn bắt đầu nghẽn ở cực máng. Khi điều này xảy ra, dòng điện bắt đầu bão hòa. Cuối cùng ở các giá trị phân cực máng rất lớn, dụng cụ “đánh thủng” và dòng điện tăng nhanh. • Giải tích đầy đủ dòng điện thì hơi phức tạp, ngay cả trong bài tóan 1 chiều bởi vì người ta cần giải các phương trình liên tục và Poisson. Chúng ta đơn thuần sẽ xét mô hình mà cho hình ảnh nửa định lượng. 65 Giả thiết cho mô hình toán (1/2) Ta có các giả thiết cho mô hình của chúng ta: • Độ linh động của các điện tử là hằng số và độc lập với điện trường. Ta biết rằng điều này chỉ đúng ở các điện trường thấp. Ở các điện trường cao, vận tốc của các điện tử bão hòa, và trong trường hợp các vật liệu như GaAs, có miền điện trở âm. Do đó, sự giải tích chỉ hợp lý nếu trường trong kênh ( xấp xỉ bằng phân cực máng chia cho chiều dài kênh dẫn) nhỏ hơn 2- 3KV/cm. Vì đây là điều không đúng với các dụng cụ hiện đại, do đó giải tích chỉ nửa định lượng và giúp hiểu hoạt động của dụng cụ. • Chúng ta giả sử xấp xỉ kênh biến đổi đều được giới thiệu bởi Shockley. Khi không có bất cứ phân cực nguồn-máng, bề rộng miền nghèo được cho bởi mô hình 1 chiều như với diode p-n. Tuy nhiên, chặt chẽ hơn khi có phân cực nguồn-máng, người ta phải giải bài tóan 2 chiều để tìm bề rộng miền nghèo và tiếp theo là dòng điện. Trong xấp xỉ kênh biến đổi đều, ta giả sử rằng trường theo hướng từ cực cổng đến miền đế mạnh hơn nhiều trường từ nguồn đến máng., nghĩa là điện thế thay đổi “chậm” dọc theo kênh dẫn khi so với sự biến đổi điện thế theo hướng từ cực cổng đến miền đế. Như vậy bề rộng miền nghèo ở điểm x dọc theo kênh dẫn được cho bởi điện thế ở điểm mà dùng các kết quả mô hình 1 chiều đơn giản. Sự xấp xỉ này đúng nếu chiều dài cổng L lớn hơn độ sâu kênh h. 66 Xấp xỉ miền nghèo, nghĩa là ta giả sử rằng không có hạt dẫn trong miền nghèo, và bên ngoài miền nghèo mật độ hạt dẫn bằng mật độ donor được ion hóa. Ta sẽ giả sử là ion hóa hoàn toàn các donor và pha tạp chất đều trong kênh dẫn. Một khi dụng cụ đạt đến miền bão hòa, sự xấp xỉ này bị phá vỡ. Ta sẽ bàn chi tiết hơn về chế độ bão hòa ở phần sau. Giả thiết cho mô hình toán (2/2) 67 Tính dòng điện máng ID 68 69 70 71 Đặc tuyến I-V tiêu biểu của MESFET kênh N Miền tuyến tính Miền bão hòa Miền đánh thủng Quỹ tích của VDSsat Chế độ giàu Chế độ nghèo 72 6.4 Các hiệu ứng thứ cấp • Điều chế chiều dài kênh dẫn • Đánh thủng • Sự thay đổi trong độ linh động • Ảnh hưởng của nhiệt độ 73 Điều chế chiều dài kênh dẫn • Xét N-JFET ở miền bão hòa, nếu tăng VDS thì ID sẽ tăng, vì khi tăng VDS dẫn đến L giảm (chiều dài hiệu dụng của kênh dẫn N) điện trở kênh dẫn giảm hay ID tăng. Hiệu ứng này tương tự với điều chế miền nền trong BJT. Do đó tất cả các đặc tuyến ở miền bão hòa khi kéo dài ra đến trục hoành thì đều giao nhau cùng 1 điểm trên trục hoành, ứng với điện áp Early VA (VDS=-VA). VA thực tế có trị từ 30V đến 200V. Dòng ID phụ thuộc vào VDS và có dạng • Như vậy tại điểm tỉnh Q trong miền bão hòa thì JFET có điện trở ra là: 2 1 1GS DSD DSS TH A V V I I V V 0 A DSQ A DQ DQ V V V r I I 74 Đánh thủng Đánh thủng cố định VBR = VD - VG Đánh thủng thác lũ xảy ra trong JFET khi phân cực ngược tại chuyển tiếp cổng- kênh dẫn (chỗ đầu cực máng của kênh) bằng điện áp đánh thủng của chuyển tiếp, BV = BVDG0 – VGS BVDG0 BV=BVDG0 – VGS (TD này có VS=0) 75 Sự thay đổi trong độ linh động • Khi điện trường có giá trị lớn thì vận trôi không tăng nữa, dẫn đến độ linh động giảm. Trong JFET kênh dẫn ngắn với điện áp ở máng cố định, khi tăng điện trường tại cổng thì làm giảm độ linh động hay làm giảm dòng ID so với giả thiết ban đầu độ linh động là hằng số. 76 Ảnh hưởng của nhiệt độ • Nhiệt độ tăng làm độ linh động giảm dòng ID giảm khi nhiệt độ tăng.
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_6_fet_transistor_hieu_ung_t.pdf