Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 6: Transistor hiệu ứng trường (FET - Field Effect Transistor) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 6: Transistor hiệu ứng trường (FET - Field Effect Transistor) - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 6 FET (Field Effect Transistor) Transistor hiệu ứng trường 1
2. 6.1 Giới thiệu 3
3. History of FET 5
4. Shockley’s model of a junction FET 7
5. MESFET = Metal-semiconductor FET = Schottky gate FET TD: MESFET kênh N 9
6. Hình 6.1. Nguyên tắc vật lý của FET dựa trên việc sử dụng cổng để thay đổi điện tích trong kênh bằng cách làm hẹp kênh dẫn. Điện thế ở cổng thay đổi dẫn đến dòng điện qua kênh thay đổi 15
7. Sự cách ly cổng với kênh dẫn Sự cách ly cổng được thực hiện bằng nhiều cách, dẫn đến có nhiều dụng cụ khác nhau: – Trong MOSFET cổng được cách ly với kênh dẫn bằng oxide. – Trong FET kim loại-bán dẫn (MESFET) thì cổng tạo thành rào Schottky với bán dẫn và dòng điện cổng nhỏ trong tầm điện áp hữu dụng ở cổng. – Trong FET được pha điều chế (MODFET), cổng cũng tạo rào Schottky, và người ta sử dụng các khái niệm cấu trúc dị thể (hay không đồng nhất ) (hesterostructure) để giảm tán xạ tạp chất ion hóa. – Trong FET tiếp xúc (JFET), người ta sử dụng tiếp xúc P-N được phân cực ngược để cách ly cổng. 17
8. 6.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của JFET 19
9. Hình 6.2 (1/2) 21
10. Hoạt động – Hiệu ứng của VGS Hình 6.3 (a) JFET với phân cực cổng bằng không để kênh dẫn mở lớn. Dụng cụ như vậy được gọi là dụng cụ chế độ nghèo (khi hoạt động làm tăng miền nghèo); (b) Dụng cụ với phân cực cổng âm cho thấy sự giảm độ mở của kênh và giảm dòng điện; (c) Phân cực cổng âm lớn làm kênh dẫn bị nghẹt và dòng điện trong kênh dẫn là không (khi đó VGS = VGS(OFF) < 0). 23
11. Hoạt động – Hiệu ứng của VDS Hình 6.4 Hiệu ứng của tăng phân cực máng với phân cực cổng cố định: (a) phân cực máng nhỏ; (b) tăng phân cực máng và kênh bị hạn chế nhiều hơn ở gần cực máng; (c) tăng phân cực ở cực máng đến điểm mà kênh bị thắt ở bên cực máng, dòng điện máng bão hòa. 25
12. Đặc tuyến I-V của N-JFET (TD với VTH= –3V) Quỹ tích các điểm bắt đầu bão hòa (nghẹt) Miền tuyến tính Miền bão hòa Miền cắt VGS VTH = -3V Vp = 3V 27
13. Tính điện áp ngưỡng VTH (1/2) • Trong các phần phân tích và tính toán sau, giả sử ta lấy điện thế tại S làm điện thế đất (VS=0). • Nếu cực máng D được phân cực với giá trị dương nhỏ (VD>0) trong khi điện thế tại cổng VG=0, khi đó có dòng điện chạy từ nguồn S đến máng D với giá trị là 2(h x ) W I q Nn  V D n DL D với q là điện tích điện tử, µn là độ linh động của điện tử, ND là nồng độ Donor trong bán dẫn N và 2(h–xn)W là tiết diện ngang • Ta đã biết bề rộng miền nghèo bên N với chuyển tiếp P+N có trị xấp xĩ bằng bề rộng miền nghèo: 2 S NNAD x V với VVbi T ln n bi n2 qND i + với NA là nồng độ acceptor trong các miền P và ND là nồng độ donor trong các miền N . 29
14. Mô hình tính điện áp ngưỡng (VD 0) xn 2h 31
15. Tính dòng điện máng ID • Xét N-JFET với VG > VTH và VD >0 • Theo định luật Ohm, ta có: ID dV()() y dV y Jy  E y  q  n N D 2(h xn ( y )) W dy dy • Suy ra: ID dy 2( h x n ( y )) Wq n N D dV ( y ) VD L 2q NW ( hxydVy ( )) ( ) Idy IL n D n D D VS 0 • Như vậy dòng điện máng là 2q N Wh 2 2  3/2 3/2  IVVVVVV n D S D D2 D bi G bi G  L 3 qND h  2 2 3/2 3/2  I g V S V V V V V D0 D2 D bi G bi G  3 qND h  2q N Wh với g n D 0 L 33
16. 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  qND h 2 2 S 3/2 IDsat g0 V bi V G 2 V bi V G  6 SD 3 qN h  35
17. Phương trình xấp xỉ cho ID trong miền bão hòa • Miền bão hòa bắt đầu từ VD = VDsat = VG –VTH , từ phương trình ID 2  qND h 2 2 S 3/2 IDsat g0 V bi V G 2 V bi V G  6 SD 3 qN h  2 Vpo 2 VVbi G qND h I g V V 1 với Vpo Dsat0 3 bi G 3 V 2 po S • Phương trình có thể được đơn giản hóa hơn nữa bằng khai triển Taylor quanh điểm VG = VTH g0 2 khi VG VTH IVVDsat G TH 4Vp0 và khi đó hỗ dẫn có trị g dID 0 khi V V gm V G V TH G TH dVGS2 V p0 37
18. So sánh JFET và BJT 39
19. Đặc tuyến tổng quát của JFET kênh N (N-JFET) IDSS VG = 0V VG = VTH 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
20. Mạch đo đặc tuyến JFET kênh N Dale R. Patrick Copyright ©2002 by Pearson Education, Inc. Electricity and Electronics: A Survey, 5e Upper Saddle River, New Jersey 0745843 All rights reserved.
21. 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 45
22. 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: ID ID gm gm VGS VGS 47
23. Đặc tuyến ra của N-JFET 2N4339 (a) Đặc tuyến ra (b) Miền triode 49
24. Vẽ đặc tuyến truyền đạt từ đặc tuyến ra VTH JFET Transfer Characteristic Curve JFET Characteristic Curve 51
25. Tóm tắt đặc tuyến I-V của P-JFET P-JFET VTH VTH Miền tắt: vGS VTH Miền làm việc: v =v -V VTH > vGS 0, vDS vGS–VTH và vGS –VTH < 0 Với vDS vGS–VTH và vGS –VTH < 0 Miền I (miền tuyến tính) Miền II (miền bão hòa) 2 2 2IVDSS DS VGS IVVVD 2 GS TH DS II 1 V 2 D DSS TH VTH 53
26. Transistors as Amplifiers and Switches • Use the I-V characteristic curves of BJT and MOSFET • Use the regions of operation of these transistors – BJT • Cutoff Region Switch operation • Active Linear Region Amplifier operation • Saturation Region – JFET/MOSFET • Cutoff Region Switch operation • Ohmic or Triode Region • Saturation (Active Region) Amplifier operation 55
27. 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 V GS (2) IID DSS 1 VTH D G Mạch tự phân cực S 57
28. TD 3: Tìm điểm tĩnh Q của N-JFET (1/2) Mạch phân cực bằng cầu chia áp 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 D VGS = VG - VS = V1 - IDRS Sau đó thay VGS vào phương trình ID G ở miền bão hòa để tìm ID và VGS. S 59
29. Hình 6.6. Sơ đồ MESFET GaAs 61
30. • 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. 63
31. 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. 65
32. Tính dòng điện máng ID 67
33. Đặc tuyến I-V tiêu biểu của MESFET kênh N Quỹ tích của VDSsat Miền Miền bão hòa tuyến Miền tính đánh thủng Chế độ giàu Chế độ nghèo 71
34. 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 2 VVGS DS IID DSS 1 1 VVTH A • Như vậy tại điểm tỉnh Q trong miền bão hòa thì JFET có điện trở ra là: VV A DSQ VA r0 IIDQ DQ 73
35. 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. 75