Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 6: FET - Hồ Trung Mỹ

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.