Bài 6 sơ đồ sử dụng transistor trờng (jfet) Mục đích: Nghiên cứu cấu trúc mạch và phân tích hoạt động của các mạch điện tử sử dụng transistor trờng loại JFET (mạch khuếch đại một chiều, xoay chiều và các sơ đồ khóa nối tiếp, song song). Ngoài ra còn phân tích và khảo sát một số sơ đồ dùng transistor trờng loại MOSFET. Phần lý thuyết 1. các vi mạch lôgíc dùng transistor trờng 1.1. Khái niệm về Transistor trờng. Transistor trờng là một loại dụng cụ bán dẫn hoạt động dựa trên hiệu ứng trờng. Dòng qua transistor trờng là dòng các phân tử tải điện cơ bản chạy qua kênh dẫn đợc điều khiển bởi điện trờng. Có 2 loại transistor trờng: - Loại JFET (Junction Field Effeet transistor): Điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn là lớp tiếp giáp hoặc bằng hàng rào Shottky. np - Loại MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effeet transistor): Điều khiển hạt tải điện qua kênh dẫn bằng cửa cách điện. Các đặc điểm của transistor trờng: - Có điện trở vào rất lớn R V = (~ 10 14 ). Dòng qua transistor trờng đợc điều khiển bằng điện áp (đây chính là điểm khác giữa transistor trờng và transistor lỡng cực). - Transistor trờng có tạp âm nội rất nhỏ. - Công suất tiêu tán trên transistor trờng rất bé. 1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của JFET 1.2.1/ Cấu tạo của JFET Hình 6.1 trình bày cấu trúc, ký hiệu và cách mắc nguồn cho transistor trờng JFET kênh n. ở phần giữa của tấm bán dẫn loại n ngời ta tạo ra một lớp tiếp giáp để làm thành cực cửa điều khiển. Khi đặt một điện áp phân cực ngợc vào cực cửa sẽ làm thay đổi bề dày của vùng diện tích không gian lớp tiếp giáp. Tiết diện của kênh dẫn n sẽ hẹp đi làm dòng qua kênh dẫn giảm. Do đó khi thay đổi điện áp đặt vào G sẽ điều khiển đợc dòng điện qua transistor trờng. np 115 Kết quả là dòng máng sẽ phụ thuộc vào điện áp giữa cực máng và cực nguồn (U DS ) và phụ thuộc cả vào điện áp điều khiển giữa cực cửa và cực nguồn (U GS ): . () DSGSD UUfI ,= a): Cấu trúc của JFET kênh n. c) Cách mắc nguồn điện. b) Ký hiệu của JFET kênh N. Hình 6.1: Vẽ transistor JFET kênh n. 1.2.2/ Các đặc trng của JFET Đặc trng ; gọi là đặc tuyến truyền đạt )( GSD UfI = Đờng đặc trng dòng máng phụ thuộc vào điện áp giữa cực cửa và cực nguồn khi U DS = const đợc trình bày trên hình 6.2. Đờng đặc trng trên đợc xác lập từ thực nghiệm. ),( GSDSD UUfI = n Go GS DoD U U II = 1 n = 1,5 ữ 2,5 Độ dốc của đờn g đặc trn g : constU dU dI V mA D DS GS D = = constU dI dU r DS D DS D = = Hình 6.2 116 a) V GS = 0V b) V GS = 2V c) V GS = 3V Hình 6.3 Trên hình 6.3 trình bày các hình ảnh minh họa sự thay đổi độ rộng kênh dẫn theo điện áp phân cực ngợc đặt vào diode: độ rộng kênh dẫn hẹp đi khi điện áp phân cực ngợc đặt vào cực cửa tăng lên. Đặc trng : )( DSD UfI = Họ các đờng đặc trng dòng máng phụ thuộc vào điện áp giữa cực cửa và cực nguồn ứng với các giá trị điện áp khác nhau của U GS = const đợc trình bày trên hình 6.4. Hình 6.4 Đặc trng : )( GSG UfI = 117 Hình 6.5 biểu diễn đặc trng dòng I G của JFET. Khi điện áp V GS mắc theo chiều phân cực thuận (hình 6.5a) đặc trng có dạng giống nh diode chỉnh lu. (a): Điện áp V GS phân cực thuận. (b): Điện áp V GS phân cực ngợc. Hình 6-5: Đặc trng dòng ở lối vào của JFET kênh n. 1.3. Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của transistor loại MOSFET I.3.1/ Cấu trúc của MOSFET Điểm khác biệt về cấu trúc giữa transistor trờng loại JFET và MOSFET là cực cửa G của MOSFET bằng kim loại không tiếp giáp trực tiếp với bán dẫn, nó đợc cách điện hoàn toàn với chất bán dẫn nhờ một lớp điện môi là lớp ôxit bán dẫn. Tùy theo cấu trúc của MOSFET chúng đợc chia thành hai loại: - Loại có kênh cảm ứng. - Loại có kênh tạo sẵn. 1. Transistor trờng MOSFET loại có kênh cảm ứng. a) Cấu trúc của Transistor trờng có kênh cảm ứng: Cấu trúc và ký hiệu của Transistor trờng MOSFET kênh n cảm ứng đợc trình bày trên hình 6.6. Trên một đế bán dẫn Si loại p có điện trở suất rất cao, ngời ta tạo một lớp điện môi SiO 2 cách điện bằng cách nung nóng ở nhiệt độ cao 1000 o C trong môi trờng ôxy. Bằng phơng pháp quang khắc, ngời ta tạo hai cửa sổ để rồi qua đó bằng phơng pháp khuyếch tán tạo ra hai vùng bán dẫn loại n pha tạp mạnh (n + ). Hai miền này có điện trở suất nhỏ tạo thành cực máng và cực nguồn. 118 Để tạo cực cửa, ngời ta phủ lớp kim loại lên lớp oxide nằm giữa hai miền S và D. Lối ra lấy trên điện cực kim loại này gọi là cực cửa G. b) Kí hiệu MOSFET - n a) Cấu trúc của MOSFET kênh n. Hình 6.6: Cấu trúc và ký hiệu của transistor MOSFET Nh vậy ta thấy giữa cực cửa và đế bán dẫn có một lớp điện môi rất mỏng là SiO 2 . Hình 6.7 là hình ảnh minh họa tạo thành kênh cảm ứng khi có điện áp phân cực đặt vào cực cửa G. b) Nguyên tắc hoạt động của Transistor trờng MOSFET kênh cảm ứng. Sơ đồ mắc nguồn điện phân cực cho Transistor trờng MOSFET kênh cảm ứng đợc trình bày trên hình 6.7. Khi cha có điện áp đặt vào cực cửa, cực đế và cực nguồn thì kênh dẫn giữa S và D cha đợc hình thành. Khi ta nối cực cửa với cực dơng và nối đế và cực S với cực âm của nguồn điện V GS . Do cách cấu tạo nh trên mà giữa cực cửa và cực đế hình thành một tụ điện với khoảng cách giữa hai bản tụ là chiều dầy lớp điện môi SiO 2 . Do đó phần bên trong đế, ngay sát bề mặt cực cửa sẽ hình thành một lớp điện tích âm trái dấu. Lớp điện tích này sẽ tạo thành một kênh dẫn loại n nối liền hai cực nguồn S và cực máng D. Điện trờng giữa hai cực cửa và đế càng lớn thì tiết diện của kênh cảm ứng càng lớn, do đó dòng điện giữa cực S và cực D càng lớn. Vì vậy thay đổi điện áp điều khiển tác dụng lên cực cửa ta có thể điều khiển dòng qua transistor. 119 Hình 6.7: Sự hình thành kênh cảm ứng khi có điện áp phân cực. Trên hình 6.8 trình bày đặc trng Von - Ampe biểu diễn sự phụ thuộc của dòng máng vào điện thế giữa cực máng và cực nguồn Transistor trờng MOSFET kênh cảm ứng. Hình 6.8 Transistor trờng MOSFET kênh cảm ứng đợc dùng rất phổ biến trong các mạch vi điện tử lôgic. Đoạn sau chúng ta sẽ khảo sát các mạch vi điện tử số họ CMOS trong đó ngời ta đã sử dụng phối hợp hai loại Transistor trờng MOSFET kênh n và kênh p. 120 2. Transistor trờng MOSFET loại có kênh tạo sẵn. Quy trình chế tạo MOSFET có kênh đợc tạo sẵn cũng trải qua các bớc tơng tự nh chế tạo MOSFET có kênh cảm ứng. Trên hình 6.9 trình bày cấu trúc của MOSFET kênh n đợc tạo sẵn. b) Kí hiệu MOSFET - n a) Cấu trúc của MOSFET kênh n đợc tạo sẵn. Hình 6.9 Kênh dẫn điện loại n nối liền giữa cực nguồn S và cực máng D cũng đợc tạo ra bằng phơng pháp khuếch tán nh cực nguồn và cực máng nhng với nồng độ tạp chất ít hơn. Sau khi hoàn thành công đoạn tạo đợc kênh dẫn n ở cực cửa ngời ta lại nung nóng ở nhiệt độ cao trong môi trờng ôxy để tạo đợc một lớp cách điện mỏng SiO 2 , và ngời ta dùng phơng pháp phun kim loại trong chân không để phủ một lớp kim loại ở trên lớp ôxit nằm trên kênh dẫn n để tạo thành cực cửa G. Nguyên tắc hoạt động của transistorMOSFET có kênh tạo sẵn. Hình 6.10 là sơ đồ mắc nguồn nuôi cho Transistor MOSFET có kênh tạo sẵn. Khi nối cực cửa với nguồn điện thế âm (Hình 6-10b), trong kênh n sẽ hình thành lớp nghèo phần tử tải điện. Do đó, nó làm giảm tiết diện của kênh và làm tăng điện trở của kênh dẫn và làm cho dòng I DS giảm. Đặt điện thế dơng vào cực cửa (Hình 6.10a), tiết diện của kênh dẫn tăng lên, điện trở của kênh dẫn giảm làm cho dòng I DS tăng lên. Nh vậy, thay đổi thế phân cực đặt vào cực cửa ta sẽ thay đổi đợc tiết diện của kênh dẫn, và do đó thay đổi đợc dòng điện giữa D và S. 121 (a) (b) Hình 6.10: Sơ đồ mắc nguồn nuôi cho transistor MOSFET có kênh tạo sẵn Đặc trng Von-Ampe )( DSD UfI = của MOSFET kênh tạo sẵn đợc trình bày trên hình 6.11. Hình 6.11: Họ đặc trng Von-ampe )( DSD UfI = Hình 6.11 là đặc trng )( DSD UfI = ứng với các giá trị điện áp khác nhau giữa cực cửa và cực nguồn U DS . Dựa vào các đờng đặc trng ta có thể xác định điểm làm việc ban đầu cho các tầng khuếch đại dùng MOSFET kênh tạo sẵn. Đặc trng hình 6.12 cho chúng ta thấy khi đế và cực nguồn nối tắt với nhau U DS =0) đờng đặc trng có dạng tuyến tính và độ dốc tốt nhất nên trong thực tế ngời ta hay nối cực đế với cực nguồn S. 122 Hình 6.12 Vi mạch lôgic họ MOS Transistor trờng MOSFET đợc dùng để tạo các mạch lôgic. Các mạch lôgic thuộc họ MOS có công suất tiêu thụ nhỏ, ngày nay các mạch vi điện tử cỡ lớn LSI thờng dùng MOSFET. Các kí hiệu khác nhau của transistor trờng MOSFET thờng gặp trong các tài liệu nớc ngoài đợc nêu trên hình 6.13. Hình 6.13: Kí hiệu Transistor trờng MOSFET 2.Đặc tính cơ bản và tham số của transistor hiệu ứng trờng Phân loại và các đặc điểm cơ bản. Transistor hiệu ứng trờng thờng đợc phân loại theo sơ đồ sau: 123 FET (field effect transistor) FET có cửa cách điện MOSSFET (Metal - oxide - Semi conduetor field effect transistor) FET có lớp chuyển tiếp p - n (Junction FET) JFET Kênh n Kênh p Kênh tạo sẵn Kênh cảm ứn g Kênh n Kênh p Kênh n Kênh p Nh vậy transistor hiệu ứng trờng có 6 loại: Ký hiệu, cách phân cực và đặc tuyến nh hình sau: Loại JFET Kí hiệu Đặc trng truyền đạt Đặc trng ra D S Kênh n o o o U DS U GS G U GS I D U P U GS0 I DSS I D U P U DS U GS0 U GSU = 0 S Kênh p o G o Do U GS I D U P U DS I D U P I DSS = 0 U GSU 124 [...]... lối vào IN/A Nối kênh 2 dao động ký vào lối ra OUT/ C của sơ đồ A 6- 4a 4.1.7 Thay đổi biên độ tín hiệu vào từ 20mV đến 500mV Đo biên độ tín hiệu ra tơng ứng Ghi các kết quả vào bảng A 6- 6 Bảng A 6- 6 Uvào (IN) 10mV 100mV 200mV Biên độ Ura K 1 36 300mV 400mV 500mV 4.1.8 Tính hệ số khuếch đại thế K = U ra U vo Ghi các kết quả vào bảng A 6- 6 Vẽ dạng tín hiệu vào và ra 4.1.9 Đổi chế độ phát của thiết bị chính... Uvào K Uvào Ro o o K o Ura o b) Khoá song song a) Khoá nối tiếp Hình 6. 14: Mô hình chế độ khoá Việc khảo sát khoá nối tiếp đợc thực hiện trên sơ đồ ở hình A 6- 2 (phần thực nghiệm) Với khoá song song ta dùng sơ đồ hình A 6- 3 Các kết quả khi thế Uvào là các giá trị một chiều đợc đo và ghi vào các bảng 6- 4 (với khoá nối tiếp) và bảng 6- 5 (cho khoá song song) Khi Uvào là các giá trị xoay chiều thì các kết... phần thực nghiệm và ghi kết quả vào bảng 6- 1 3.2 Mạch khuếch đại xoay chiều dùng JFET: (kênh n) Để mạch làm việc đợc với tín hiệu lối vào là xoay chiều ta phải xác lập chế độ mạch khuếch đại ở chế độ điều khiển đợc, tức là phân áp cho cực G phải âm và điểm làm việc của transistor ở vùng tuyến tính Tín hiệu xung lối vào đợc đa qua tụ Sơ đồ thực nghiệm vẫn là hình A 6- 1 (phần thực nghiệm) Việc 1 26 khảo... Các sơ đồ thực nghiệm này đợc trình bày trên các hình A6.4a, hình A6.4b và hình A6.4c Việc khảo sát chủ yếu là khảo sát quan hệ Ura = f (Uvào) và tính hệ số khuếch đại Ngoài ra, với sơ đồ kiểu emitter chung ta còn khảo sát đặc trng tần số (sự phụ thuộc của K vào tần số f ) 128 Phần thực nghiệm A Thiết bị sử dụng: 1 Thiết bị chính cho thực tập tơng tự (Khối đế nguồn) 2 Panel thí nghiệm AE - 106N về transistor... Khi thực tập, cần nối dây từ các chốt cấp nguồn của khối đế tới trạm nguồn của mảng sơ đồ cần khảo sát (Chú ý: Cắm đúng phân cực của nguồn và đồng hồ đo) C Các bài thực tập 1 Sơ đồ transitor trờng nối kiểu source chung 1.1 Khuếch đại một chiều (DC) Nhiệm vụ: Sinh viên hiểu đợc nguyên tắc khuếch đại của transistor trờng, sơ đồ mắc kiểu source chung và đo hệ số khuếch đại của transistor trờng Các bớc thực. .. đồ A 6- 4b 4.2.2 Ghi giá trị dòng ban đầu qua T2 4.2.3 Nối lối ra của máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN/A của 137 sơ đồ A 6- 4b 4.2.4 Nối kênh 1 dao động ký với điểm lối vào IN/A Nối kênh 2 dao động ký vào lối ra OUT/ C của sơ đồ A 6- 4b 4.2.5 Thay đổi biên độ tín hiệu vào từ 100mV đến 5V Đo biên độ tín hiệu ra tơng ứng Tính hệ số khuếch đại thế K = U ra U vo Ghi các kết quả vào bảng A 6- . .. Bảng A 6- 8 Uvào (IN) 10mV 100mV 200mV 300mV 400mV 500mV Biên độ Ura K 4.2 .6 Vẽ dạng tín hiệu vào và ra 4.3 Sơ đồ Gate chung 4.3.1 Mắc các đồng hồ đo với sơ đồ A 6- 4c 4.3.2 Ghi giá trị dòng ban đầu qua T3 4.3.3 Nối lối ra của máy phát xung của thiết bị chính với lối vào IN của sơ đồ A 6- 4c 4.3.4 Nối kênh 1 dao động ký với điểm lối vào A/D Nối kênh 2 dao động ký với điểm lối ra C/D của sơ đồ A 6- 4c 138... số máy phát của khối đế) 131 Đo biên độ xung vào và xung ra ở mỗi tần số Tính hệ số khuếch đại thế K = U ra U vo cho mỗi bớc dịch tần số Ghi các kết quả vào bảng A 6- 3 Bảng A 6- 3 f Biên độ Ura K 1.2.9 Biểu diễn kết quả sự phụ thuộc hệ số khuếch đại vào tần số 1.2.10 Đo biên độ tín hiệu vào tại lối vào IN(A) / A 6- 1 Sau đó tháo dây tín hiệu khỏi chân IN Đo biên độ tín hiệu từ lối ra máy phát xung (không... (transistor trờng mắc nối tiếp với nguồn tín hiệu) Các bớc thực hiện: 2.1 Chế độ 1 chiều (DC) 2.1.1 Nối lối vào IN/A sơ đồ A 6- 2 với nguồn điều chỉnh 0 ữ +15V cho thiết bị chính 132 2.1.2 Nối chốt V với nguồn 12V để cấm transistor trờng T1 Thay đổi thế nguồn V - IN/A theo các giá trị cho trong bảng A 6- 4 Đo giá trị thế ra DC tại OUT/C Ghi kết quả vào bảng A 6- 4 2.1.3 Ngắt chốt V khỏi nguồn 12V Nối J1 Thay đổi... biến trở chỉnh tinh FREQUENCY) - Biên độ ra cực đại (chỉnh biến trở biên độ AMPLITUDE) 2.2 Sử dụng dây có chốt cắm để nối sơ đồ hình A 6- 2 Cấp nguồn AC 9V qua biến trở cho lối vào sơ đồ: - Nối chốt ~9V của nguồn AC SOURCE với chốt rìa trái của biến trở 10K (khối đế) Chốt ~0V nối đất Chốt rìa phải biến trở nối đất - Nối điểm giữa của biến trở với lối vào IN/A sơ đồ A 6- 2 Nối lối vào điều khiển (CTRL) . vào bảng A 6- 2 . Bảng A 6- 2 U vào (IN) 10mV 100mV 200mV 300mV 400mV 500mV Biên độ U ra K 1.2 .6. Tính hệ số khuếch đại thế vora UUK = cho mỗi bớc. Ghi các kết quả vào bảng A 6- 2 . 1.2.7 song song Hình 6. 14: Mô hình chế độ khoá Việc khảo sát khoá nối tiếp đợc thực hiện trên sơ đồ ở hình A 6- 2 (phần thực nghiệm). Với khoá song song ta dùng sơ đồ hình A 6- 3 . Các kết quả khi. vùng tuyến tính. Tín hiệu xung lối vào đợc đa qua tụ. Sơ đồ thực nghiệm vẫn là hình A 6- 1 (phần thực nghiệm). Việc 1 26 khảo sát mạch này đợc tiến hành từng bớc và gồm 2 nội dung chính là: -