Transistor trường FET (Field Effect Transistor – FET):phân loại, cấu tạo, đặc tính, đặc tuyến truyền dẫn

Transistor trường FET (Field Effect Transistor) là một loại transistor đặc biệt được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ cao. Chúng được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử, từ máy tính đến điện thoại di động. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về transistor trường FET, cách hoạt động của chúng và những lợi ích mà chúng mang lại cho chúng ta.

Transistor trường FET

Transistor trường FET (Field Effect Transistor) là một loại transistor được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử. Điều đặc biệt về transistor trường FET là chúng được điều khiển bởi điện áp được áp dụng vào cổng, không như transistor bipolơ.

Xem thêm: Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu trúc của transistor trường FET bao gồm ba đầu nối: nguồn (source), xả (drain) và cổng (gate). Khi một điện áp được áp dụng vào cổng, nó tạo ra một trường điện trong kênh dẫn của transistor. Trường điện này có thể điều khiển lượng dòng điện chảy qua kênh dẫn và từ đó điều khiển dòng điện chảy qua các đầu nguồn và xả.

Transistor trường FET được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ bộ khuếch đại, điều khiển tần số, bộ chuyển đổi, bộ dò, đến các mạch điều khiển động cơ và các ứng dụng điện tử khác.

Khác với transistor lưỡng cực (BJT - Bipolar junction transistor) mà dòng điện chảy trong chúng được tạo ra bởi cả điện tử và lỗ trống, transistor trường FET (Field Effect Transistor - FET) hoạt động dựa trên hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của tinh thể bán dẫn thông qua điện trường ngoài. Dòng điện trong FET chỉ do một loại điện tích tạo nên.

Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và vi điện tử, transistor trường FET ngày càng được sử dụng rộng rãi với những ưu điểm quan trọng như độ tin cậy cao và tiêu hao năng lượng cực thấp, đặc biệt trong việc xử lý tín hiệu.

Cấu tạo của Transistor trường FET

Transistor trường FET (Field Effect Transistor - FET) được tạo thành bởi một tấm bán dẫn có ba miền: source, drain và gate. Cấu trúc của FET bao gồm:

• Source: là miền ở đầu của tấm bán dẫn. Nó là nơi mà dòng điện bắt đầu chảy ra khỏi transistor.

• Drain: là miền ở đầu còn lại của tấm bán dẫn. Nó là nơi mà dòng điện kết thúc sau khi đã đi qua tấm bán dẫn.

• Gate: là miền ở giữa của tấm bán dẫn, tách ra từ hai miền source và drain bởi một lớp oxide mỏng, được gọi là oxide gate.

• Vùng kênh: là phần của tấm bán dẫn nằm giữa source và drain. Khi áp dụng điện trường đến miền gate, điện trường này sẽ tạo ra một vùng dư điện trong oxide gate, tác động lên một phần của miền trung tâm bên dưới nó. Khi miền trung tâm này bị tác động bởi điện trường, nó sẽ tạo ra một vùng dư điện trong tấm bán dẫn ở dưới nó, được gọi là vùng kênh. Vùng kênh này cho phép dòng điện chạy từ source đến drain thông qua miền trung tâm.

• Substrate: là miền bán dẫn chứa cấu trúc FET. Nó được đặt giữa các miền source và drain.

Cấu trúc của FET được thiết kế để cho phép điều khiển độ dẫn điện của tấm bán dẫn thông qua điện trường được áp dụng đến miền gate. Do đó, FET là một thành phần quan trọng trong vi mạch điện tử và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại.

Đặc tính của Transistor trường FET

Transistor trường FET là một thành phần quan trọng trong vi mạch điện tử và được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử hiện đại do có những đặc tính đáng chú ý như điện trở vào lớn, khả năng cô lập tốt, độ phân giải tín hiệu cao, khả năng hoạt động ở tần số cao và tiêu thụ điện năng thấp. 

• Điện trở vào lớn: FET có điện trở vào rất lớn, vì vậy chỉ cần một lượng nhỏ điện tích trên miền gate là đủ để điều khiển dòng điện trong miền kênh.

• Khả năng cô lập tốt: FET có khả năng cô lập tốt giữa miền gate và miền kênh, do đó nó rất ít bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu bên ngoài.

• Độ ổn định nhiệt độ tốt: FET có độ ổn định nhiệt độ tốt, do đó nó có thể hoạt động ở nhiệt độ rộng.

• Tiêu thụ điện năng thấp: FET có tiêu thụ điện năng rất thấp, do đó nó rất thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tiêu thụ năng lượng thấp.

• Độ phân giải tín hiệu cao: FET có độ phân giải tín hiệu cao, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

• Khả năng hoạt động ở tần số cao: FET có khả năng hoạt động ở tần số cao, do đó nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.

Cách hoạt động của Transistor trường FET

Transistor trường FET (Field Effect Transistor - FET) là một loại transistor hoạt động dựa trên hiệu ứng trường. Điều khiển độ dẫn điện của tinh thể bán dẫn thông qua điện trường ngoài.

FET được tạo thành bởi một tấm bán dẫn có hai miền ở hai đầu, được gọi là "source" và "drain", và một miền ở giữa, được gọi là "gate". Miền trung tâm này được tách ra từ hai miền bên còn lại bởi một lớp oxide mỏng, được gọi là "oxide gate".

Khi áp dụng một điện trường đến miền gate, điện trường này sẽ tạo ra một vùng dư điện trong oxide gate, tác động lên một phần của miền trung tâm bên dưới nó. Khi miền trung tâm này bị tác động bởi điện trường, nó sẽ tạo ra một vùng dư điện trong tấm bán dẫn ở dưới nó, được gọi là "vùng kênh". Vùng kênh này cho phép dòng điện chạy từ source đến drain thông qua miền trung tâm.

Điện trường được áp dụng đến miền gate có thể được điều chỉnh để điều khiển độ dẫn điện của tấm bán dẫn. Khi điện trường tăng lên, vùng kênh mở rộng và dòng điện tăng lên. Ngược lại, khi điện trường giảm, vùng kênh co lại và dòng điện giảm đi.

Như vậy, transistor trường FET có thể được sử dụng để điều khiển dòng điện thông qua mức độ dẫn điện của tấm bán dẫn, được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trường áp dụng đến miền gate.

Các loại Transistor trường FET

Transistor trường FET được chia thành hai loại chính: JFET và MOSFET. Ngoài ra, còn có một số loại transistor trường FET khác như MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor), HFET (Heterojunction Field Effect Transistor), và CHFET (Charge-Plasma Field Effect Transistor). Tuy nhiên, các loại transistor này không được sử dụng rộng rãi như JFET và MOSFET.

JFET (Junction Field Effect Transistor):

JFET là transistor trường FET đầu tiên được phát triển. Nó được cấu tạo từ một tinh thể bán dẫn và hai điện cực nhưng không có cổng điều khiển. JFET có thể hoạt động ở các tần số cao hơn so với transistor BJT, có trở kháng đầu vào rất lớn, và không cần dòng điều khiển. Tuy nhiên, JFET có hệ số kết nối chân rất thấp và dễ bị hỏng nếu bị điện tĩnh.

Cấu tạo JFET

JFET được chia thành hai loại chính là JFET kênh N và JFET kênh P, tùy thuộc vào tinh thể bán dẫn được sử dụng là tinh thể N hay tinh thể P.

Cấu trúc của JFET bao gồm:

• Một tinh thể bán dẫn được làm bằng vật liệu N hoặc P.
• Hai điện cực như là kết nối đầu vào và đầu ra, được làm bằng vật liệu đồng vị của tinh thể bán dẫn.
• Vùng không dẫn điện giữa hai điện cực, gọi là vùng khuếch tán, tạo thành một khe hẹp nhỏ giữa hai điện cực.

Cấu trúc của JFET được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường khuếch tán mạnh ở vùng giữa hai điện cực. Khi áp dụng điện áp đầu vào, điện trường này sẽ điều khiển độ dẫn điện của tinh thể bán dẫn trong vùng khuếch tán, làm thay đổi trở kháng đầu ra của JFET. Khi không có điện áp đầu vào, tinh thể bán dẫn sẽ có trở kháng đầu vào rất lớn, gần như là một mạch mở.

Do không có cổng điều khiển như transistor MOSFET, JFET có ưu điểm là đơn giản hơn và có thể hoạt động ở tần số cao hơn. Tuy nhiên, nó cũng có một số hạn chế như hệ số kết nối chân thấp và dễ bị hỏng nếu bị điện tĩnh.

Đặc tính của JFET

JFET là loại transistor trường FET có đặc tính quan trọng đó là khả năng kiểm soát dòng điện thông qua một điện trường ngoài. Dòng điện trong JFET được tạo ra bởi sự di chuyển của các điện tử trong kênh dẫn.

Điểm đặc biệt của JFET là khả năng tạo ra một đường cong đầu ra hầu như là một đường thẳng. Nghĩa là, khi mức điện áp đầu vào thay đổi, dòng điện đầu ra chỉ thay đổi rất ít, điều này có nghĩa là JFET có độ nhạy thấp hơn so với các loại transistor khác.

JFET cũng có đặc tính độ ổn định nhiệt tốt, do không có dòng điện chạy qua cổng điều khiển nên không có sự biến đổi nhiệt độ làm ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của nó. Tuy nhiên, JFET cũng có một số hạn chế như độ chính xác kém trong việc kiểm soát dòng điện và độ ổn định trong điều kiện môi trường có thể bị ảnh hưởng.

Trong tổng quát, JFET được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như mạch khuếch đại tín hiệu âm thanh, mạch khuếch đại tín hiệu video và các ứng dụng mạch khuếch đại tín hiệu RF.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor):

MOSFET là loại transistor trường FET phổ biến nhất hiện nay. Nó được cấu tạo từ một lớp oxit kim loại và hai điện cực, cùng với một cổng điều khiển bằng tinh thể bán dẫn. MOSFET có hệ số kết nối chân cao hơn JFET, có thể hoạt động ở tần số cao, có độ ổn định cao hơn và dễ dàng kiểm soát dòng điện và điện áp đầu ra. MOSFET được sử dụng rộng rãi trong các mạch xử lý tín hiệu và mạch khuếch đại.

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một loại transistor trường FET. MOSFET được sử dụng rộng rãi trong công nghệ điện tử như làm bộ khuếch đại, công tắc và bộ đếm. Điểm mạnh của MOSFET là khả năng khuếch đại tín hiệu với độ nhiễu thấp, đáp ứng nhanh và tiêu hao công suất thấp.

Cấu tạo của MOSFET bao gồm ba lớp chính: đó là lớp cátốt (Source), lớp kết (Drain) và cổng điều khiển (Gate). Lớp cátốt và lớp kết được phân biệt bởi một vùng không dẫn điện gọi là vùng khuếch đại. Vùng khuếch đại của MOSFET được bao phủ bởi một lớp ôxit kim loại (Metal Oxide) dày và điện cách điện, đó là lớp cổng điều khiển.

Khi áp dụng một điện áp đến cổng điều khiển, điện trường được tạo ra, làm thay đổi độ dẫn điện của vùng khuếch đại và do đó tác động đến dòng điện chạy từ lớp cátốt đến lớp kết. MOSFET được phân loại thành hai loại chính: MOSFET kênh N (n-channel MOSFET) và MOSFET kênh P (p-channel MOSFET), dựa trên loại bán dẫn được sử dụng trong vùng khuếch đại.

MOSFET có những đặc tính nổi bật như độ nhạy cao, khả năng đóng cắt tốt và độ ổn định nhiệt tốt. Ngoài ra, MOSFET cũng có khả năng ổn định tốt trong quá trình hoạt động.

Sự khác nhau cơ bản giữa BJT và FET 

BJT (Bipolar Junction Transistor) và FET (Field Effect Transistor) là hai loại transistor phổ biến trong điện tử. Sự khác biệt cơ bản giữa chúng là cách thức điều khiển dòng điện.

BJT hoạt động bằng cách điều khiển dòng điện qua đoạn nối hai lớp phủ của nó. Điều này được thực hiện bằng cách điều khiển dòng điện chạy qua điểm nút (base) của BJT, từ đó điều khiển dòng chảy giữa hai đầu của nó. Điểm nút của BJT cần được bảo vệ để tránh bị phá hủy.

Trong khi đó, FET hoạt động bằng cách điều khiển dòng điện bằng một điện trường được tạo ra bởi một điện cực cảm ứng (gate). Khi điện trường được áp dụng, nó ảnh hưởng đến điện trường của lớp phủ trên kênh dẫn của FET, điều khiển dòng điện chảy giữa hai đầu của nó.

Vì vậy, sự khác biệt cơ bản giữa BJT và FET là cách thức điều khiển dòng điện, với BJT điều khiển bằng dòng điện và FET điều khiển bằng điện trường.

Ứng dụng của FET

Transistor trường FET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử, bao gồm vi mạch khuếch đại và định thời, các thiết bị lọc tín hiệu, các ứng dụng điều khiển và chuyển mạch.  Transistor trường FET là một loại transistor quan trọng trong các ứng dụng điện tử. Chúng có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu, định thời, lọc tín hiệu, điều khiển và chuyển mạch.

Một số ứng dụng chính của Transistor trường FET bao gồm:

1. Khuếch đại tín hiệu: Transistor trường FET được sử dụng như một bộ khuếch đại tín hiệu trong các ứng dụng điện tử. Nó có thể được sử dụng để khuếch đại tín hiệu âm thanh và tín hiệu radio.

2. Định thời: Transistor trường FET có thể được sử dụng để tạo ra các tín hiệu xung đơn giản hoặc phức tạp. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng định thời và xử lý tín hiệu số.

3. Thiết bị lọc tín hiệu: Transistor trường FET có thể được sử dụng để tạo ra các bộ lọc tín hiệu. Chúng có thể được sử dụng để loại bỏ các tín hiệu không mong muốn và tạo ra các tín hiệu thuần khiết.

4. Ứng dụng điều khiển: Transistor trường FET có thể được sử dụng để điều khiển độ sáng của các đèn LED, hoặc điều khiển mạch động cơ và các thiết bị điện tử khác.

5. Chuyển mạch: Transistor trường FET có thể được sử dụng như một bộ chuyển mạch trong các ứng dụng điện tử. Chúng có thể được sử dụng để chuyển đổi các tín hiệu từ dạng analog sang dạng kỹ thuật số hoặc ngược lại.

Lời Kết

Kết thúc bài viết này, hy vọng rằng bạn đã có được cái nhìn tổng quan về Transistor trường FET. Như chúng ta đã thấy, Transistor trường FET là một linh kiện điện tử quan trọng và có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ hiện đại.

Việc hiểu rõ về Transistor trường FET sẽ giúp bạn nắm được cách nó hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất của nó trong các mạch điện tử. Bên cạnh đó, việc tìm hiểu về Transistor trường FET cũng là bước đầu tiên để khám phá thêm về các linh kiện điện tử khác và thúc đẩy sự phát triển của bạn trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử.

Chúc bạn thành công trong việc áp dụng kiến thức này vào thực tế và tiếp tục khám phá thêm về các linh kiện điện tử khác!