Các Loại FET Khác Nhau Là Gì?

Transistor hiệu ứng trường (FETs) là những công cụ chính trong logic số ngày nay, nhưng chúng còn được ứng dụng rộng rãi ngoài mạch tích hợp số, từ bộ điều khiển động cơ đến bộ điều chỉnh điện áp và các bộ khuếch đại chuyên biệt có thể sử dụng các loại FET khác nhau, và có một số ưu điểm hữu ích làm cho FET rời trở nên đáng mong muốn hơn so với các anh em transistor nối ba cực (BJT) của chúng.

Mặc dù các thành phần và ứng dụng tiên tiến liên tục tập trung vào việc cơ bản thay đổi và tối ưu hóa kiến trúc FET, BJT và FET rời vẫn sẽ tồn tại. Mỗi loại FET khác nhau có chỗ đứng trong các hệ thống khác nhau, và các nhà thiết kế có thể tìm thấy chính xác FET họ cần với bộ công cụ chuỗi cung ứng tốt nhất. Nếu bạn không chắc chắn loại FET nào bạn nên sử dụng, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi để tìm hiểu thêm về các loại FET khác nhau và các thông số kỹ thuật quan trọng nhất.

Các loại FET và Ứng dụng của Chúng

Transistor hiệu ứng trường, hay đơn giản là FETs, tạo nên cơ sở của các mạch tích hợp số hiện đại. Giống như BJT trước đây, FETs là các công tắc ba cực (bốn nếu bạn bao gồm cực thân trong MOSFET), nơi một điện áp được áp dụng vào cổng để kiểm soát dòng điện chảy giữa nguồn và cống. Một khi điện áp được áp dụng vào khu vực cổng, điện trở kênh chuyển trạng thái tùy thuộc vào điện áp đầu vào. Đây là những kiến thức cơ bản nhất về các loại FET khác nhau.

FETs được chia thành ba loại khác nhau: FET cổng cách điện (được biết đến nhiều hơn là MOSFETs), FET nối (JFETs), và FET kim loại-bán dẫn (MESFET). Sơ đồ dưới đây tóm tắt ngắn gọn ba loại FET này và các loại phụ của chúng. Trong số các loại MOSFET khác nhau, sự lựa chọn giữa loại FET tăng cường hoặc loại FET suy giảm cho phép các nhà thiết kế có sự linh hoạt nhất định trong cách họ triển khai chuyển mạch trong hệ thống của mình (ví dụ, trong các bộ điều chỉnh điện áp).

Với rất nhiều loại FET khác nhau để lựa chọn, loại nào là tốt nhất và chúng so sánh như thế nào với BJT? Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn để xem các loại FET nào quan trọng cho các ứng dụng khác nhau.

Ứng dụng của MESFET

MESFET thường được sử dụng làm bộ điều khiển hoặc công tắc trong các ứng dụng RF yêu cầu công suất đầu ra cao. Các thành phần MESFET thương mại có sẵn trong một loạt các gói; các thành phần được đóng gói SO/SOIC/SOP có sẵn với băng thông đạt tới ~8 GHz, trong khi các tần số cao đạt tới ~30 GHz có thể được truy cập trong các gói QFN. MESFET tần số cao thường được làm từ SiGe (công suất đầu ra trung bình thấp) hoặc GaAs (đối với công suất đầu ra cao), và bạn sẽ tìm thấy các cấu trúc này được tích hợp vào SoCs tần số cao.

Ứng dụng của MOSFET

Trong số các loại FET khác nhau, MOSFET có lẽ được ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Các linh kiện này được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử công suất vì chúng có thể xử lý công suất chuyển mạch lên đến mức kW. Và tất nhiên, bất kỳ ai quen thuộc với mạch logic CMOS hiện đại đều biết rằng MOSFET tạo nên cơ sở cho các thiết bị CMOS.

Nếu bạn cần chọn một MOSFET rời cho ứng dụng chuyển mạch, thì cách thiết bị được chuyển mạch là rất quan trọng vì bạn sẽ cần chọn đúng cực điện áp được áp dụng vào khu vực cổng. Loại NMOS tăng cường thường được sử dụng làm phần tử chuyển mạch trong các ứng dụng như điều chỉnh và điều kiện công suất ở điện áp/dòng điện cao; tôi thấy nó làm cho việc nối đất và bố trí mạch dễ dàng hơn vì bạn chỉ cần cung cấp điện áp dương xung quanh bảng mạch.

Ứng dụng của JFET

JFET cũng có các loại kênh n và p, nơi kênh n thường được sử dụng vì electron có khả năng di chuyển lớn hơn so với lỗ. JFET cũng có một khu vực đánh thủng khi điện áp nguồn-drain đủ cao (tương tự như đánh thủng của diode pn). So với MOSFET, JEFT có các đặc điểm sau:

• Chỉ có chế độ kiệt

• Drift tần số thấp hơn

• Trở kháng đầu vào thấp hơn

• Điện trở drain cao mang lại đường cong chuyển đổi phẳng hơn

• Dung lượng đầu vào cao hơn

Drift tần số thấp hơn làm cho chúng trở nên mong muốn hơn trong các mạch dao động hoặc mạch thời gian chính xác. Dung lượng đầu vào cao hơn dẫn đến thời gian bật hơi dài hơn khi được sử dụng làm công tắc. Mặc dù chúng có thể hữu ích cho các mạch dao động, khi được sử dụng trong các bộ khuếch đại, chúng có xu hướng có sản phẩm tăng cường băng thông tương đối thấp so với MOSFET và thấp hơn nhiều so với MESFET tương đương.

Ứng dụng của HEMT

Transistor di động electron cao (HEMTs) ám chỉ một cái gì đó gần với vật liệu được sử dụng trong FET, chứ không phải là một cấu trúc hoàn toàn khác biệt hoặc loại mạch khác. HEMT có thể được sử dụng trong các thiết bị RF cần cung cấp công suất ở tần số cao, hoặc chuyển đổi với tốc độ cạnh nhanh. Các vật liệu điển hình được sử dụng trong các thiết bị này là GaAs và GaN, cả hai đều được sử dụng trong các linh kiện có sẵn trên thị trường. Các thiết bị này được thiết kế để cung cấp công suất cao ở các tần số đạt vào phạm vi mmWave. Các vật liệu III-V khác như InP đã được nghiên cứu để sử dụng trong HEMT. Tuy nhiên, các vật liệu này chưa thể sản xuất theo quy trình linh kiện tiêu chuẩn với quy mô lớn.

Vì ứng dụng HEMT chồng lấn với MESFET, nên việc hỏi sự khác biệt giữa các vật liệu này là hợp lý. Sự khác biệt xuất hiện ở lớp epitaxial của transistor. HEMT là các thiết bị hỗn hợp sử dụng các lớp vật liệu khác biệt về thành phần được xếp chồng lên nhau với khả năng di động electron cao hơn so với vật liệu khối trong thiết bị. Trong HEMT GaAs, vật liệu thường được sử dụng trong lớp epitaxial là AlGaAs không stoichiometric. Chúng ta không thấy những cấu trúc hoặc vật liệu tương tự trong MESFET.

Một cách tiếp cận tương tự với lớp không stoichiometric được sử dụng trong GaN HEMTs, nơi mà lớp epitaxial là AlGaN. Một ví dụ về cấu trúc HEMT trên nền SiC được hiển thị dưới đây. Trong cấu trúc này, lớp AlGaN có thể là một cấu trúc đa lớp đã được doped, và kênh dẫn sẽ được hình thành trong phần này của thiết bị.

Khả năng di chuyển electron cao trong kênh dẫn cung cấp khả năng cung cấp điện năng hiệu quả hơn ở tần số GHz cao. Những hệ thống này cung cấp khả năng xử lý công suất cao hơn, tần số cao hơn và khả năng tản nhiệt lớn hơn (đặc biệt là với SiC) so với các MOSFET Si được điều chỉnh hoạt động trong băng tần mmWave. Vì những lý do này, GaN HEMTs cũng đã được sử dụng trong điện tử công suất như một sự thay thế có khả năng dẫn nhiệt cao cho MOSFET Si.

Thông số quan trọng cho FETs

Dù chúng ta muốn liệt kê mọi thông số được tìm thấy trên bảng dữ liệu, không phải tất cả thông số đều liên quan đến mọi ứng dụng. Có một số thông số là phổ quát cho hầu như mọi ứng dụng:

• Điện trở trạng thái on: Đây là một trong những thông số quan trọng nhất vì nó quyết định hiệu quả của FET trong việc cung cấp và chuyển mạch điện năng.

• Dòng rò: Ngay cả khi ở trạng thái tắt, vẫn có một lượng nhỏ dòng điện chảy giữa nguồn và cống, dẫn đến một số mất mát công suất ở trạng thái TẮT.

• Điện dung cực: Những giá trị này cho điện dung sẽ giới hạn thời gian chuyển mạch trong thiết bị. Điều này không thường quan trọng trừ khi bạn đang thiết kế một sản phẩm tương tự tần số cao.

• Nhiệt độ tối đa tuyệt đối: FETs sẽ hỏng nếu nhiệt độ kênh đạt đến giá trị đánh giá tối đa của nó. Thông thường có một yếu tố an toàn nhỏ ở đây, nhưng những linh kiện này cần được chọn khi xem xét môi trường nơi chúng sẽ được triển khai.

• Đánh giá điện áp/dòng điện: Cặp giá trị này được chỉ định cho một phương pháp điều khiển cụ thể (DC, xung, hoặc hài hòa) và sẽ xác định khu vực hoạt động an toàn của một FET. Một khi những thông số này vượt quá cho một FET cụ thể, thiết bị có thể trải qua sự hỏng và sẽ hỏng.

Điểm cuối cùng này quan trọng vì nó liên quan đến khu vực hoạt động an toàn của một FET. Tất cả FETs có một sự kết hợp của điện áp nguồn-đến-cống (V(DS)) và dòng cống (I(D)) trong đó một FET có thể được vận hành mà không hỏng. Sự kết hợp của điện áp, dòng điện, và phương pháp điều khiển hình thành khu vực hoạt động an toàn cho một MOSFET, có thể được vẽ ra trên một đồ thị.

Một ví dụ về khu vực hoạt động an toàn của một MOSFET (FDD7N25LZTM từ ON Semiconductor) được hiển thị dưới đây. Trong đồ thị này, việc điều khiển DC được so sánh với điều khiển AC ở các điều kiện khác nhau (trong trường hợp này, điều khiển xung). Đối với điều khiển DC, ranh giới khu vực hoạt động an toàn sẽ gần với gốc so với điều khiển bằng xung ngắn hơn. Lý do khu vực hoạt động an toàn mở rộng khi thời gian xung ngắn hơn là vì dòng điện trung bình sẽ thấp hơn, giả sử cùng một tần số lặp lại xung.

Tổng cộng, có ba yếu tố chính quyết định khu vực hoạt động an toàn của một FET:

• Nhiệt độ ổn định của điểm nối

• Điện trở trạng thái ON

• Phương pháp điều khiển (DC, AC, v.v.)

Nói chung, bất kỳ điều khiển AC nào phù hợp với dòng điện trung bình của một bộ điều khiển DC sẽ có khu vực hoạt động an toàn tương tự. Khi dòng điện trung bình trong điều khiển AC giảm, khu vực hoạt động an toàn sẽ mở rộng. Điều này có thể được sử dụng như một chỉ số đơn giản để chọn một MOSFET cho ứng dụng cung cấp điện: chỉ cần so sánh dòng điện trung bình dưới điều khiển AC với dòng điện điều khiển DC dưới các thông số hoạt động tương tự (V(DS) và I(D)) để xác định liệu MOSFET có đáng tin cậy dưới điều khiển AC hay không.

Yếu tố khác khó giải quyết hơn là nhiệt độ của MOSFET, cụ thể là nhiệt độ điểm nối. Nếu nhiệt độ điểm nối quá cao, thì MOSFET có nguy cơ hỏng. Để so sánh chính xác với khu vực hoạt động an toàn, cần xác định mất mát công suất trong trạng thái ON và sử dụng điện trở nhiệt của linh kiện để dự đoán nhiệt độ cân bằng. Nói chung, nhiệt độ điểm nối cao hơn dẫn đến khu vực hoạt động an toàn nhỏ hơn.

Dù bạn cần loại FET nào cho sản phẩm mới của mình, bạn có thể sử dụng các tính năng tìm kiếm và lọc tiên tiến trên Octopart để tìm các bộ phận bạn cần. Khi bạn sử dụng công cụ tìm kiếm điện tử của Octopart, bạn sẽ có quyền truy cập vào dữ liệu của nhà phân phối và thông số kỹ thuật của bộ phận, tất cả đều dễ dàng truy cập trong một giao diện thân thiện với người dùng. Hãy xem trang mạch tích hợp tuyến tính của chúng tôi để tìm các linh kiện bạn cần.

Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi.