Tìm hiểu về MOSFET

Mosfet là gì

MOSFET (viết tắt tiếng Anh của Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là thiết bị bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu điện tử trong các thiết bị điện tử. MOSFET là lõi của mạch tích hợp (IC) và nó có thể được chế tạo trong chip đơn vì có kích thước rất nhỏ. MOSFET là một thiết bị 4 cực là cực nguồn (S), cực cổng (G), cực máng (D) và cực thân (B). Cực thân của MOSFET thường được nối với cực nguồn để trở thành thiết bị 3 cực như transistor hiệu ứng trường (FET). MOSFET có thể được sử dụng trong cả mạch analog và digital.

Mosfet có ký hiệu là gì

Bởi vì MOSFET được chia làm nhiều loại nên ký hiệu của chúng phải khác nhau.

Như hình bên dưới là ký hiệu MOSFET kênh n và MOSFET kênh p ở kiểu tăng cường (enhancement mode)

Và ở kiểu khuyết lập (depletion mode) như hình dưới

Các loại MOSFET thông dụng

Từ kí hiệu trên của MOSFET ta có thể thấy MOSFET được chia làm 4 loại

MOSFET kênh p kiểu tăng cường

MOSFET kênh n kiểu tăng cường

MOSFET kênh p kiểu khuyết lập

MOSFET kênh n kiểu khuyết lập

Cấu tạo và nguyên lý làm việc của từng loại MOSFET

MOSFET kênh p kiểu tăng cường

Tên viết tắt của nó là PMOS. Phần thân chính của thiết bị được tạo thành từ chất bán dẫn loại n có ít tạp chất như chất bán dẫn silicon hoặc gallium arsenide. Có 2 phần là chất bán dẫn loại p nằm cách nhau một khoảng L như hình bên dưới.

Một lớp mỏng oxit silic (SiO2) nằm phía trên lớp cơ chất (substrate). Người ta cũng có thể sử dụng Al2O3 nhưng SiO2 được sử dụng phổ biến hơn. Lớp mỏng này có tác dụng như một lớp điện môi. Phía trên lớp SiO2 là một lá nhôm.

Lá nhôm, chất điện môi và cơ chất là chất bán dẫn tạo thành một tụ điện trong thiết bị.

Các cực gắn vào 2 phần chất bán dẫn loại p là cực nguồn và cực máng. Cực gắn với lá nhôm là cực cổng. Cực nguồn và thân của MOSFET được nối đất để dễ bổ sung hoặc rút các electron tự do theo yêu cầu trong quá trình làm việc của MOSFET.

Khi đặt một điện áp âm lên cực cổng. Nó sẽ tạo một điện thế âm tĩnh ở lá nhôm của tụ điện. Do tính điện dung, điện tích dương sẽ tích lũy bên dưới lớp điện môi. Các electron tự do của chất nền loại n sẽ bị dịch chuyển do lực đẩy của tấm âm và một lớp ion dương sẽ xuất hiện. Nếu chúng ta tiếp tục tăng điện áp âm tại cực cổng đến điện áp ngưỡng, do lực tĩnh điện, liên kết hóa trị của tinh thể bên dưới lớp SiO2 bắt đầu bị phá vỡ. Các cặp electron - lỗ trống (electron-hole pairs) được tạo ra ở đó. Các lỗ trống bị hút và electron bị đẩy bởi điện tích âm của cực cổng. Mật độ lỗ trống tăng lên tạo nên một vùng lỗ trống từ khu vực cực nguồn đến cực máng. Do sự tập trung của lỗ trống, vùng này có tính dẫn điện và dòng điện có thể đi qua.

Khi đặt một điện áp âm tại cực máng, điện áp này làm giảm sự chênh áp giữa cực cổng và cực máng làm cho phạm vi của kênh dẫn điện giảm ở cực cổng như hình bên dưới. Đồng thời dòng điện sẽ đi từ cực nguồn đến cực máng thể hiện bằng hình mũi tên bên dưới.

Kênh tạo ra ở MOSFET cung cấp một điện trở từ cực nguồn đến cực máng. Điện trở của kênh phụ thuộc vào tiết diện (cross-section) của kênh, tiết diện của kênh lại tùy thuộc vào điện áp âm ở cực cổng. Như vậy chúng ta có thể điều khiển dòng điện từ cực nguồn đến cực máng bằng điện áp ở cực cổng. Bởi vì mật độ lỗ trống tạo thành kênh và dòng điện đi qua kênh được tăng cường khi tăng điện áp âm ở cực cổng nên ta gọi MOSFET này là MOSFET kênh p kiểu tăng cường.

MOSFET kênh n kiểu tăng cường

Về nguyên lý thì hoạt động thì MOSFET kênh n kiểu tăng cường gần giống như MOSFET kênh p kiểu tăng cường cả hai chỉ khác nhau về mặt cấu tạo. Phần thân của MOSFET kênh n kiểu tăng cường được tạo bởi chất bán dẫn loại p pha tạp nhẹ, còn khu vực cực nguồn và cực máng pha tạp nhiều với tạp chất loại n. Ở đây ta cũng nối phần thân và cực nguồn với đất.

Khi đặt một điện áp dương ở cực cổng. Do điện tích dương ở cực cổng và hiệu ứng điện dung tương ứng, các electron của cơ chất loại p bị hút về phía cực cổng và tạo thành một lớp ion âm ngay bên dưới lớp điện môi bằng cách tái kết hợp electron tự do với lỗ trống.

Nếu tiếp tục tăng điện áp dương ở cực cổng đến điện áp ngưỡng, quá trình tái kết hợp sẽ bão hòa, các electron tự do sẽ bắt đầu tích lũy và tạo thành một kênh dẫn điện của các electron tự do.

Các electron tự do cũng đến từ khu vực pha tạp nhiều loại n của cực nguồn và cực máng.

Bây giờ nếu đặt một điện áp dương tại cực máng, dòng điện sẽ bắt đầu chạy qua kênh. Điện trở của kênh phụ thuộc vào số electron tự do trong kênh, số electron tự do lại phụ thuộc vào tiềm năng của cực cổng. Vì mật độ electron tự do tạo nên kênh, và dòng điện qua kênh được tăng cường khi tăng điện áp ở cực cổng, chúng ta gọi MOSFET loại này là MOSFET kênh n kiểu tăng cường.

MOSFET kênh n kiểu khuyết lập

Nguyên lý hoạt động của MOSFET khuyết lập có hơi khác so với MOSFET tăng cường . Cơ chất của MOSFET kênh n kiểu khuyết lập là chất bán dẫn loại p. Khu vực ở cực nguồn và cực máng là chất bán dẫn loại n pha tạp.

Nếu chúng ta đặt một hiệu điện thế giữa cực nguồn và cực máng sẽ có một dòng điện chạy qua toàn bộ vùng n của cơ chất.

Khi đặt một điện áp âm ở cực cổng, do hiệu ứng điện dung, các electron tự do bị đẩy và di chuyển xuống vùng n bên dưới lớp điện môi SiO2. Kết quả là sẽ có các lớp ion điện tích dương bên dưới lớp SiO2. Bằng cách này sẽ tạo ra sự khuyết lập (depletion) các phần tử mang điện tích trong kênh và làm cho độ dẫn điện tổng thể của kênh bị suy giảm. Trong tình huống này dòng điện ở cực máng sẽ giảm với cùng một điện áp ở cực máng. Có nghĩa là chúng ta có thể kiểm soát dòng điện ở cực máng bằng cách thay đổi sự khuyết lập các hạt mang điện trong kênh, do đó chúng ta gọi nó là MOSFET khuyết lập. Ở đây cực máng đang có điện thế dương, cực cổng điện thế âm và cực nguồn điện thế bằng 0. Vì vậy hiệu số điện áp giữa cực máng và cực cổng lớn hơn giữa cực nguồn và cực cổng. Chiều rộng của lớp khuyết lập về phía cực máng sẽ lớn hơn về phía cực nguồn.

MOSFET kênh p kiểu khuyết lập

MOSFET kênh p kiểu khuyết lập thì ngược lại với MOSFET kênh n kiểu khuyết lập. Ở đây kênh dẫn điện được tạo thành từ tạp chất loại p ở giữa khu vực cực nguồn và cực máng pha tạp nhiều chất bán dẫn loại p.

Khi đặt một điện áp dương ở cực cổng, các electron tự do của vùng loại p bị hút và tạo thành các ion âm tĩnh. Một vùng khuyết lập được tạo thành trong kênh và độ dẫn điện của kênh bị giảm. Bằng cách này, khi đặt một điện áp dương ở cực cổng chúng ta có thể điều khiển dòng điện ở cực máng.