Giáo trình Cấu kiện điện tử

KHOA ÂIÃÛN TÆÍ - VIÃÙN THÄNG 
BÄÜ MÄN ÂIÃÛN TÆÍ 
CÁÚU KIÃÛN ÂIÃÛN TÆÍ 
 Biãn soaûn: Dæ Quang Bçnh 
ÂAÌ NÀÔNG — 1998
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
CHƯƠNG 1. VẬT LÝ BÁN DẪN 
1.1 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ : 
Các vật liệu điện tử thường được phân chia thành ba loại: Các vật liệu cách điện, dẫn điện và vật 
liệu bán dẫn. 
Chất cách điện là loại vật liệu thường có độ dẫn điện rất kém dưới tác dụng của một nguồn 
điện áp đặt vào nó. 
Chất dẫn điện là loại vật liệu có thể tạo ra dòng điện tích khi có nguồn điện áp đặt ngang qua 
hai đầu vật liệu. 
Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện ở khoảng giữa của chất dẫn điện và chất cách 
điện 
Thông số chính được dùng để phân biệt 3 loại vật liệu là điện trở suất ρ , có đơn vị là Ω.cm. 
Như chỉ rỏ ở bảng 1.1, các chất cách điện có điện trở suất lớn hơn cm.105Ω . ví dụ: kim cương 
[diamond] là một trong những chất cách điện tuyệt vời, nó có điện trở suất rất lớn: .cm1016Ω . 
Ngược lại, đồng đỏ nguyên chất [pure copper] là một chất dẫn điện tốt, có điện trở suất chỉ là 
.cm103 6Ω−x . 
Các vật liệu bán dẫn chiếm toàn bộ khoảng điện trở suất giữa chất cách điện và chất dẫn điện; 
ngoài ra, điện trở suất của vật liệu bán dẫn có thể được điều chỉnh bằng cách bổ sung thêm các 
nguyên tử tạp chất khác vào tinh thể bán dẫn. 
Bảng 1.1, cũng cho biết các giá trị điện trở suất điển hình của 3 loại vật liệu cơ bản. Mặc dù 
trong thực tế chúng ta đã làm quen với tính dẫn điện của đồng đỏ (đồng nguyên chất) và tính 
cách điện của mica, nhưng các đặc tính điện của các vật liệu bán dẫn như Gemanium (Ge) và 
Silicon (Si) có thể còn mới lạ, dĩ nhiên, vật liệu bán dẫn không chỉ có hai loại vật liệu này, 
nhưng đây là 2 loại vật liệu được sử dụng nhiều nhất trong sự phát triển của dụng cụ bán dẫn. 
BẢNG 1.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của các vật liệu bằng chất rắn 
 Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện 
 cm.10 3Ω−<ρ cm.1010 53 Ω<<− ρ ρ<.cm105Ω 
 Giá trị điện trở suất của các chất điển hình 
 cm.103 6Ω−= xρ cm.50 Ω=ρ (germanium) cm.1012Ω=ρ (mica) 
 (đồng đỏ ng. chất) .cm1050 3Ωx=ρ (silicon) cm.1016Ω=ρ (kim cương) 
Các chất bán dẫn được tạo thành từ hai loại: Các chất bán dẫn đơn chất là các nguyên tố thuộc 
nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, (bảng 1.2). Mặt khác, các chất bán dẫn hợp 
chất có thể được hình thành từ các nguyên tố nhóm III và nhóm IV (thường gọi là hợp chất 3-5), 
hay nhóm II và nhóm VI (gọi là hợp chất 2-6). Chất bán dẫn hợp chất cũng bao gồm 3 nguyên 
tố, chẳng hạn như: Thủy ngân-Cadimi-telurit [mercury- cadmium-telluride]; Ga-Al-As [gallium-
aluminum-arsenic]; Ga-In-Ar [gallium-indium-arsenic]; và Ga-In-P [gallium-indium-
phosphide]. Theo lịch sử chế tạo các linh kiện bán dẫn thì Ge là một trong những chất bán dẫn 
đầu tiên được sử dụng. Tuy nhiên, Ge đã được thay thế một cách nhanh chóng bới Si dùng để 
chế tạo các dụng cụ bán dẫn quan trọng nhất hiện nay. 
Silicon có mức năng lượng độ rộng vùng cấm (Eg) lớn hơn so với Ge (xem bảng 1.3) nên cho 
phép sử dụng các linh kiện bán dẫn được chế tạo từ Si ở nhiệt độ cao hơn và sự dễ ôxi hóa để 
hình thành nên một lớp ôxit cách điện ổn định trên bán dẫn Silicon làm cho việc gia công, xử lý 
trên Si khi chế tạo các vi mạch (ICs) dể dàng hơn nhiều so với Ge. Tuy vậy, Ge vẫn có trong 
các cấu kiện bán dẫn hiện đại nhưng hạn chế hơn nhiều so với Si và một số chất bán dẫn khác. 
Ngoài chất bán dẫn bằng Silicon được dùng nhiều, còn có các chất bán dẫn như: GaAr [gallium-
arsenic] và InP [Indium-phosphide] là những chất bán dẫn thông dụng hiện nay, đó là những vật 
liệu quan trọng nhất trong việc chế tạo các cấu kiện quang điện tử như: diode phát quang (LED), 
công nghệ Laser và các bộ tách sóng quang . v. v. . . 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
Bảng 1.3 Giới thiệu một số chất bán dẫn thường được sử dụng nhiều nhất để chế tạo các linh 
kiện bán dẫn. 
BẢNG 1.3 Các vật liệu bán dẫn 
 Chất bán dẫn GE (eV) Chất bán dẫn GE (e
V) 
Kim cương (diamond) 5,47 Gallium arsenide 1,42 
Silicon 1,12 Indium phosphide 1,45 
Germanium 0,66 Boron nitride 7,50 
Thiếc (tin) 0,082 Silicon carbide 3,00 
 Cadimium selenide 1,70 
Kim cương và Boron Nitride là những chất cách điện tuyệt vời ở nhiệt độ phòng, nhưng chúng 
cũng như Silicon Carbide có thể được dùng như những chất bán dẫn ở nhiệt độ rất cao ( Co600 ). 
Việc bổ sung một tỷ lệ nhỏ ( < 10 % ) Ge vào Si sẽ làm cho đặc tính của các dụng cụ bán dẫn 
thông thường được cải thiện. 
1.2 MÔ HÌNH LIÊN KẾT ĐỒNG HÓA TRỊ 
Trong các chất, các nguyên tử có thể liên kết với nhau dưới 3 dạng cấu trúc như: Vô định hình 
[amorphous]; đa tinh thể [polycrystalline] và đơn tinh thể [single-crystal]. 
Các vật liệu vô định hình có cấu trúc hoàn toàn không có trật tự (hổn độn), ngược với vật liệu đa 
tinh thể bao gồm một số lượng lớn các tinh thể không hoàn chỉnh nhỏ kết hợp lại. 
Một loại vật liệu bất kỳ chỉ có duy nhất các cấu trúc tinh thể lặp lại (tuần hoàn) của cùng một 
loại nguyên tử được gọi là cấu trúc đơn tinh thể. Nhiều đặc tính rất hữu ích của các chất bán dẫn 
đều được tìm thấy ở các vật liệu đơn tinh thể ở dạng nguyên chất cao, chẳng hạn như: Silicon 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
thuộc nhóm IV của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, có bốn điện tử (electron) ở lớp ngoài 
cùng, gọi là 4 điện tử hóa trị. 
Vật liệu đơn tinh thể được hình thành bằng liên kết đồng hóa trị của mỗi nguyên tử Silicon với 4 
nguyên tử Si lân cận gần nhất dưới dạng khối không gian ba chiều rất đều đặn như ở hình 1.1. 
Để đơn giản, ta chỉ xét các mô hình liên kết đồng hóa trị ở dạng hai chiều như hình 1.2. 
Sự liên kết bền vững giữa các nguyên tử bằng các điện tử hóa trị góp chung được gọi là liên kết 
đồng hóa trị. 
Mặc dù liên kết đồng hóa trị là lọai liên kết mạnh giữa các điện tử hóa trị và nguyên tử gốc của 
chúng nhưng các điện tử hóa trị vẫn có thể hấp thụ năng lượng đáng kể từ tự nhiên để bẽ gảy các 
liên kết đồng hóa trị và tạo ra các điện tử ở trạng thái tự do. Thuật ngữ “tự do” nói lên rằng sự di 
chuyển của các điện tử là rất nhạy cảm dưới tác dụng của điện trường do một nguồn điện áp hay 
sự chênh lệch nào đó về thế hiệu; các ảnh hưởng của năng lượng ánh sáng dưới dạng các 
photon; năng lượng nhiệt từ môi trường xung quanh. Ở nhiệt độ phòng, trong một cm3 vật liệu 
bán dẫn Si nguyên chất có khoảng 1010 hạt tải điện tự do [free carrier]. Các điện tử tự do trong vật 
liệu bán dẫn do bản chất tương tự như các hạt tải điện cơ bản. Cững tại nhiệt độ phòng, trong 
một cm3 vật liệu Ge nguyên chất có khoảng 13105,2 x hạt tải điện tự do. Tỷ lệ về số lượng các 
hạt tải điện tự do của Ge đối với Si lớn hơn 310 lần, điều này sẽ nói lên rằng Ge có độ dẫn điện 
tốt hơn ở nhiệt độ phòng, mặc dù vậy cả hai loại Ge và Si đều có độ dẫn điện rất kém ở trạng 
thái cơ bản. Lưu ý ở bảng 1.1, điện trở suất của Si và Ge cũng chênh lệch một tỷ lệ 1000:1, trong 
đó Si có điện trở suất lớn hơn, điều này là tất nhiên, vì điện trở suất tỷ lệ nghịch với độ dẫn điện. 
Khi tăng nhiệt độ ở một chất bán dẫn lên trên độ không tuyệt đối (0K) thì số lượng các điện tử 
hóa trị do hấp thụ năng lượng nhiệt đáng kể để bẻ gãy các liên kết đồng hóa trị tăng lên, làm 
tăng độ dẫn điện và chất bán dẫn có điện trở thấp. Do vậy, các vật liệu bán dẫn như Ge và Si sẽ 
có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng tức là có hệ số nhiệt độ âm. Điều náy khác với các chất dẫn 
điện vì điện trở của nhiều chất dẫn điện tăng theo nhiệt độ do số lượng các hạt tải điện trong chất 
dẫn điện là không tăng đáng kể theo nhiệt độ, nhưng chúng sẽ dao động xung quanh vị trí cố 
định làm cản trở sự di chuyển của các điện tử khác, tức là làm cho điện trở tăng lên nên đối với 
các chất dẫn điện có hệ số nhiệt độ dương. Như vậy, Ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối, toàn bộ các 
điện tử định vị trong các mối liên kết đồng hóa trị góp chung giữa các nguyên tử theo dạng 
mãng và không có điện tử tự do để tham gia vào quá trình dẫn điện. Lớp ngoài cùng của nguyên 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 4 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
tử là đầy đủ và vật liệu giống như một chất cách điện. 
Khi tăng nhiệt độ, thì năng lượng nhiệt sẽ được bổ sung vào tinh thể, lúc này một vài liên kết sẽ 
bị bẻ gãy, giải phóng một lượng nhỏ điện tử cung cấp cho việc dẫn điện, như ở hình 1.3. 
 Mật độ các điện tử tự do này được gọi là: mật độ các hạt tải điện cơ bản in [intrinsic carrier 
density] ( 3cm− ) và được xác định tùy theo đặc tính của vật liệu và nhiệt độ như sau: 
 ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=
kT
EBTn G32i exp cm
-6 (1.1) 
trong đó: GE là mức năng lượng độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn, đơn vị đo là eV; k là hằng 
số Boltzmann, 510x628 −, (eV/ K); T là nhiệt độ tuyệt đối (oK); B là thông số tùy thuộc vật liệu, 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 5 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
chẳng hạn, đối với Si thì B = 3110x081, (K-3. cm- 6). 
Mức năng lượng vùng cấm GE [bandgap energy] là mức năng lượng tối thiểu cần thiết để bẻ gãy 
một mối liên kết trong tinh thể bán dẫn để giải phóng một điện tử cho quá trình dẫn điện. Bảng 
1.3 ở trên đã liệt kê các giá trị mức năng lượng vùng cấm của một số chất bán dẫn khác nhau. 
Mật độ các điện tử tự do được biểu diển bằng ký hiệu n ( số electron / cm3), và đối với vật liệu 
nguyên chất inn = . Mặc dù in là một đặc tính cơ bản của mỗi chất bán dẫn nhưng nó phụ thuộc 
rất nhiều vào nhiệt độ đối với tất cả các vật liệu. Hình 1.4 chỉ rõ sự thay đổi mạnh của mật độ hạt 
tải điện cơ bản theo nhiệt độ của Gemanium, Silicon, và Gallium Arsenide, tính từ biểu thức 
(1.2) với 6330 cm.K1031,2 −−= xB cho Ge và 6329 cm.K1027,1 −−= xB cho GaAr. 
 Ví dụ 1.1: Hãy xác đinh giá trị của in của Si ở nhiệt độ phòng (300K) ? 
 ( )( ) ( )( ) 6195363312i cm/1052,4K300K/eV1062,8 12,1expK300cm.K1008,1 xxxn =⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −= −− 
 hay 39i cm/1073,6 xn = 
Để đơn giản trong tính toán, ta lấy giá trị 310 cm/10≈in ở nhiệt độ phòng đối với Si. 
Mật độ các nguyên tử silicon trong mạng tinh thể vào khoảng 322 /105 cmx , so sánh với kết quả 
ở ví dụ 1.1, trên, suy ra rằng: ở nhiệt độ phòng, trong số xấp xỉ 1310 nguyên tử Si, thì chỉ có một 
mối liên kết bị bẻ gãy. 
Một loại hạt tải điện khác thực tế cũng được tạo ra khi liên kết đồng hóa trị bị bẻ gãy như ở hình 
1.3. Khi một điện tử mang điện tích âm C10602,1 19−−= xq , di chuyển ra khỏi liên kết đồng hóa 
trị, thì nó sẽ để lại một khoảng trống [vacancy] trong cấu trúc liên kết bên cạnh nguyên tử silicon 
gốc. Khoảng trống phải có điện tích hiệu dụng dương: +q . Một điện tử từ liên kết lân cận có thể 
điền vào khoảng trống này và sẽ tạo ra một khoảng trống mới ở vị trị khác. Quá trình này làm 
cho khoảng trống di chuyển qua khắp các mối liên kết trong mạng tinh thể bán dẫn. Khoảng 
trống di chuyển giống như hạt tích điện có điện tích +q nên được gọi là lổ trống [hole]. Mật độ 
lỗ trống được ký hiệu là p (lỗ trống / cm3). 
Như vậy, có hai loại hạt tích điện được tạo ra đồng thời khi mỗi liên kết bị bẽ gảy: một điện tử 
và một lỗ trống, do đó đối với bán dẫn silicon nguyên chất ta có: 
 pnn i == (1.2) 
 2innp =⇒ (1.3) 
Tích pn cho ở (1.3) chỉ đúng với điều kiện một chất bán dẫn ở điều kiện cân bằng nhiệt, mà 
trong đó, các đặc tính của vật liệu bán dẫn chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T, mà không có các dạng 
kích thích khác. Phương trình (1.3) sẽ không đúng đối với các chất bán dẫn khi có các kích thích 
ngoài như: điện áp, dòng điện hay kích thích bằng ánh sáng. 
1.3 ĐIỆN TRỞ SUẤT CỦA BÁN DẪN SILICON NGUYÊN CHẤT. 
a) Dòng trôi trong các chất bán dẫn. 
Điện trở suất: ρ và đại lượng nghích đảo của điện trở suất là điện dẫn suất [conductivity]: σ là 
đặc trưng của dòng điện chảy trong vật liệu khi có điện trường đặt vào. Dưới tác dụng của điện 
trường, các hạt tích điện sẽ di chuyển hoặc trôi [drift] và tạo thành dòng điện được gọi là dòng 
trôi [drift current]. 
Mật độ dòng trôi j được định nghĩa như sau: 
 Qvj = (C/cm3)(cm/s) = A/cm2 (1.4) 
trong đó: Q là mật độ điện tích; v là vận tốc của các điện tích trong điện trường. 
Để tính mật độ điện tích, ta phải khảo sát cấu trúc của tinh thể silicon bằng cách sử dụng cả hai 
mô hình liên kết đồng hóa trị và mô hình vùng năng lượng trong các chất bán dẫn. 
Đối với vận tốc của các hạt tải điện dưới tác dụng của điện trường ta phải xét độ linh động của 
các hạt tải điện. 
b) Độ linh động. [mobility] 
Như trên đã xét, các hạt tải điện trong các chất bán dẫn di chuyển dưới tác dụng của điện trường 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 6 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
đặt vào chất bán dẫn. Sự chuyển động này được gọi là sự trôi và tạo thành dòng điện chảy trong 
chất bán dẫn được hiểu là dòng trôi. Các điện tích dương trôi cùng chiều với chiều của điện 
trường, ngược lại các hạt mang điện tích âm trôi theo hướng ngược với chiều của điện trường. 
Vận tốc trôi của các hạt tải điện vr (cm/s) tỷ lệ với điện trường E
r
(V/cm); hằng số tỷ lệ được gọi 
là độ linh động µ , ta có: 
 Ev
rr
nn µ−= và Ev
rr
pp µ= (1.5) 
trong đó: nv
r là vận tốc của các điện tử (cm/ s); pv
r là vận tốc của các lỗ trống (cm/s); 
nµ là độ linh động của điện tử, và có giá trị bằng 1350 cm2/V.s ở bán dẫn Si nguyên chất. 
pµ là độ linh động của lỗ trống, và có giá trị bằng 500 cm2/V.s ở bán dẫn Si nguyên chất. 
Do quan niệm, các lỗ trống chỉ xuất hiện tại vị trí khi di chuyển qua các mối liên kết đồng hóa 
trị, nhưng các điện tử là tự do di chuyển trong khắp mạng tinh thể, vì vậy, có thể hiểu là độ linh 
động của lỗ trống thấp hơn so với độ linh động của điện tử, như biểu thị ở định nghĩa trong biểu 
thức (1.5). Chú ý rằng: quan hệ ở (1.5) sẽ không đúng tại các mức điện trường cao đối với tất 
các các chất bán dẫn bởi do vận tốc của các hạt tải điện sẽ đạt tới một giới hạn gọi là: vận tốc 
trôi bão hòa satv . Đối với bán dẫn Si, satv vào khoảng 10
7cm/s, khi điện trường vượt quá 
3x104V/cm. 
c) Điện trở suất của bán dẫn Si sạch. 
Để đơn giản cho việc xác định mật độ dòng trôi của điện tử và lổ trống, ta giả sử dòng chảy theo 
một chiều để tránh ký hiệu véc tơ ở phương trình (1.4), ta có: 
EqnEqnvQj nnnn
drift
n ))(( µµ =−−== 
 EqpEqpvQj pppp
drift
p ))(( µµ =++== A/cm2 (1.6) 
trong đó: )( qnQn −= và )( qpQp += là mật độ điện tích của điện tử và lổ trống (C/cm3) tương 
ứng. Tổng mật độ dòng trôi sẽ là: 
 EEpnqjjj .)( pnpn
drift
T σµµ =+=+= A/cm2 (1.7) 
Từ phương trình này sẽ xác định độ dẫn điệnσ : 
 ).( pn µµσ pnq += (Ω.cm)-1 (1.8) 
Đối với bán dẫn Si nguyên chất, thì mật độ điện tích của điện tử được cho bởi iqnQ −=n mặt 
khác mật độ điện tích của các lổ trống là ip qnQ += . 
Thay các giá trị của độ linh động của bán dẫn Si nguyên chất đã cho ở phương trình (1.5), ta có: 
6101019 1096,2)500)(10()1350)(10)[(1060,1( −− =+= xxσ (Ω.cm)-1 
Từ định nghĩa điện trở suất ρ chính là nghịch đảo của điện dẫn suất σ , do vậy đối với bán dẫn 
Si nguyên chất ta có: 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 7 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 1: VẬT LÝ BÁN DẪN 
 5103831 ×== ,σρ (Ω.cm) (1.9) 
Tra theo bảng 1.1, ta thấy rằng bán dẫn Si sạch có thể có đặc tính như một chất cách điện, mặc 
dù gần bằng với mức dưới của khoảng điệ ... ữa hai tín 
hiệu vào và có khả năng loại bỏ các tín hiệu cùng pha ở cả hai lối vào, đặc tính sau được xem 
như sự khử bỏ tín hiệu cùng pha [common-mode rejection]. 
Hình 3.45a, là dạng thông thường của mạch khuyếch đại vi sai thường được dùng ở các tầng vào 
của các bộ khuyếch đại thuật toán. 
Hai mạch khuyếch đại FET được phân chia một điện trở nguồn chung RS, và các điện trở cổng 
và máng của mỗi mạch có các giá trị bằng nhau. Các FET được chọn có đặc tính như nhau để 
mạch có tính đối xứng. Mạch có hai đầu vào v1 và v2, và hai đầu ra v3 và v4. Sơ đồ tương đương 
ở chế độ tín hiệu nhỏ của mạch khuyếch đại vi sai cho ở hình 3.45b. 
Điện áp vào và điện áp ra được đo với điểm tham chiếu chung (đất). Các điện trở cổng thường 
được chọn lớn để ít ảnh hưởng lên hoạt động của mạch và hơn nữa là để thiết lập các điều kiện 
phân cực dc thích hợp cho FET, do vậy các điện trở cổng được bỏ qua trong mạch tương đương 
tín hiệu nhỏ. Với giả thiết rằng các linh kiện trong mạch là đối xứng nhau, để có điện dẫn gm và 
điện trở máng rd của cả hai mạch là bằng nhau. 
Do điện áp vào v1 và v2 được đo đối với đất, nên điện áp đặt ngang qua tiếp giáp cổng-nguồn của 
mỗi FET là: 
 S11GS vvv −= và S22GS vvv −= 
Từ định luật Kirchhoff’s, ta thấy rằng: Tổng các dòng điện chảy vào một nút nào đó của mạch 
bằng 0. 
Áp dụng nguyên tắc trên cho một số điểm trong mạch tương đương, ta có các phương trình đồng 
thời như sau: 
Xét tại điểm P1 ta có: 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 
93
( ) ( ) 0
R
v
r
vvvg
r
vvvg
S
S
d
S4
2GSm
d
S3
1GSm =−−++−+ 
Thay thế vGS1 và vGS2 đã có ở trên, ta có: 
( ) ( ) ( ) ( ) 0
R
v
r
vvvvg
r
vvvvg
S
S
d
S4
S2m
d
S3
S1m =−−+−+−+− (3.82) 
Áp dụng cho điểm P2 ta có: 
0
R
v
R
v
R
v
S
S
D
4
D
3 =++ (3.83) 
Và tại điểm P3 ta có: ( ) ( ) 0vvg
r
vv
R
v
S1m
d
S3
D
3 =−+−+ (3.84) 
Từ các phương trình trên, ta có thể suy ra biểu thức cho các điện áp ra của mạch v3 và v4 theo 
các số hạng của hai đầu vào, nhưng việc giải khá phức tạp. Từ phương trình (3.83), ta giả sử 
rằng số hạng vS/ RS là rất nhỏ vì vậy, ảnh hưởng của số hạng trên có thể bỏ qua; tương đương 
với dòng tín hiệu nhỏ chảy qua điện trở nguồn RS không đổi, tức là làm việc như một nguồn 
dòng hằng. 
Nếu bỏ qua số hạng vS/ RS, thì phương trình (3.83) trở thành: 
0
R
v
R
v
D
4
D
3 =+ (3.85) 
suy ra: v3 = - v4. 
Kết hợp kết quả trên với các phương trình (3.82) và (3.84), ta nhận được biểu thức cho các tín 
hiệu ra: 
( )
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +
−−=−=
Dd
m
2143
R
1
r
12
gvvvv (3.86) 
Như vậy, các tín hiệu ra là bằng nhau và ngược chiều cực tính và giá trị của chúng được xác 
định bằng sự chênh lệch giữa các tín hiệu ở hai lối vào, nên gọi là bộ khuyếch đại vi sai. 
Điện áp ra vi sai của mạch trên vo được cho bằng v3 - v4 và vì v3 và v4 là bằng nhau và ngược 
dấu, nên hệ số khuyếch đại của mạch có dạng đơn giản: 
Hệ số khuyếch đại điện áp vi sai 
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ +
−=−
−==
Dd
m
21
43
i
o
R
1
r
1
g
vv
vv
v
v 
Lưu ý phần đã xét ở trên (mục 3.7a) thấy rằng: rd thường lớn hơn nhiều so với RD nên ta có thể 
đơn giản biểu thức trên: 
Hệ số khuyếch đại điện áp vi sai ≈ - gmRD 
có dạng tương tự biểu thức đơn giản của bộ khuyếch đại FET đã xét ở phần trước. 
d) FET như một nguồn dòng hằng. 
FET có thể xem như một nguồn dòng không đổi với điều kiện là điện áp máng-nguồn lớn hơn 
điện áp thắt, dòng máng của FET sẽ được điều khiển bởi điện áp cổng-nguồn. Do vậy, một 
nguồn dòng hằng rất đơn giản có thể được tạo 
thành dễ dàng khi áp dụng một điện áp không đỗi 
đến cực cổng. Đối với JFET và DE MOSFET, các 
dạng đơn giản nhất của mạch nguồn dòng hằng cho 
ở hình 3.46a và 3.46b. Ở các mạch này, chỉ kết nối 
đơn giản cực cổng với cực nguồn để cho dòng 
máng bằng IDSS, dòng điện tạo thành bởi các mạch 
như vậy được xác định bằng các đặc tính của dụng 
cụ và thường có giá trị trong khoảng 1mA đến 5 
mA. Đã xuất hiện các ‘ nguồn dòng hằng ‘ thường 
là các FET đơn, với chân nguồn và chân cổng của 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 
94
FET được kết nối bên trong để tạo thành các dụng cụ hai chân, có các mức dòng khác nhau. 
Người ta cũng chế tạo các nguồn dòng hằng có khả năng thay đổi mức dòng bằng cách sử dụng 
kỹ thuật phân cực tự động như mạch cho ở hình 3.46c. Dòng điện chảy qua dụng cụ sẽ tạo nên 
một sụt áp trên điện trở, tức là phát sinh một điện áp phân cực giữa cổng và nguồn. Trị số của 
điện trở này được hiệu chỉnh để tạo ra dòng điện hằng tùy yêu cầu của người sử dụng. Các 
nguồn dòng hằng bằng FET thường được dùng để tạo ra nguồn dòng cho các mạch khuyếch đại 
vi sai, chẳng hạn như mạch ở hình 3.47. 
e) FET như một điện trở được điều khiển bằng điện áp. 
Từ họ đặc tuyến ra (đặc tuyến dòng máng) của FET, rõ ràng là: Đối với các giá trị nhỏ của điện 
áp máng-nguồn, các FET có đặc tính được mô tả như một điện trở thuần [ohmic], bởi vì dòng 
máng tăng một cách tuyến tính theo điện áp máng. Giá trị của điện trở hiệu dụng (tương ứng với 
độ dốc của các đặc tuyến ra) được điều khiển bằng điện áp cổng. Điều này cho phép FET được 
sử dụng như một điện trở được điều khiển bằng điện áp (VCR) [voltage controlled resistance]. 
Các giá trị điện trở có thể được tạo ra sẽ thay đỗi từ một vài chục Ω [ohm] (hoặc thấp hơn đối 
với FET công suất) lên đến một vài GΩ (1 GΩ = 1000 MΩ). 
Ứng dụng thông thường của mạch này trong phạm vi các mạch điều khiển hệ số khuyếch đại tự 
động [automatic gain control circuits]. Khi đó điện áp điều khiển điện trở được lấy từ mạch phân 
áp với một điện trở cố định để tạo thành một bộ suy giảm được điều khiển bằng điện áp [voltage 
controlled attenuator] như mạch cho ở hình 3.48. 
Mạch suy giảm được dùng trong đường hồi tiếp âm của 
bộ khuyếch đại để làm thay đổi hệ số khuyếch đại của 
mạch. Điện áp cung cấp cho FET để điều khiển điện trở 
của mạch suy giảm là được trích từ tín hiệu ra của mạch 
khuyếch đại và được bố trí sao cho nếu biên độ điện áp ra 
tăng, thì lượng hồi tiếp âm tăng, dẫn đến làm giảm hệ số 
khuyếch đại của bộ khuyếch đại. Điều này cho phép duy 
trì biên độ ra tại một giá trị không đổi nào đó độc lập với 
biên độ của tín hiệu vào. Kỹ thuật này thường được sử 
dụng, ví dụ như: giữ âm lượng của một máy thu radio 
không đổi, ngay khi cường độ của tín hiệu radio luôn 
thay đổi. 
Một ứng dụng khác của các bộ suy giảm được điều khiển 
bằng điện áp là trong việc chế tạo các bộ dao động, mà 
trong đó mạch điều khiển hệ số khuyếch đại tự động 
dùng để ổn định hệ số khuyếch đại của bộ dao động mà 
không làm méo dạng tín hiệu ra. 
Các mạch suy giảm được điều khiển bằng điện áp có thể được sử dụng với các tín hiệu vào DC 
hay AC, do FET là dụng cụ có tính đối xứng trong nguyên tắc làm việc của nó (mặc dù đặc tính 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 
95
của các FET đối với các tín hiệu vào có cực tính khác nhau thường rất khác nhau), nhưng để 
tránh gây méo dạng thì biên độ của tín hiệu vào cần phải được hạn chế ở một vài chục milivolts. 
g) FET như một chuyển mạch tương tự. 
Bằng cách đặt một điện áp thích hợp đến cực cổng của FET, ta có thể biến đổi điện trở máng-
nguồn hiệu dụng từ vài chục ohm hay thấp hơn (ngắn mạch một cách hiệu dụng trong nhiều ứng 
dụng) đến một giá trị cao, tức là có thể xem mạch hầu như là hở mạch. Điện trở của FET ở hai 
trạng thái như trên được gọi là điện trở dẫn [ON resistance] và điện trở ngưng [OFF resistance]. 
Khả năng chuyển dụng cụ từ ‘ Dẫn’ [ON] sang ‘Ngưng’ [OFF] theo phương pháp này sẽ cho 
phép FET được sử dụng như một chuyển 
mạch, như hình 3.49. 
Hình 3.49a là chuyển mạch nối tiếp 
dùng JFET. MOSFET có thể được sử 
dụng theo cách tương tự. Khi FET được 
chuyển sang Dẫn [ON] thì điện trở giữa 
lối vào và lối ra của mạch rất nhỏ, bằng 
điện trở ON của FET, dụng cụ được xem 
như ngắn mạch. Khi FET chuyển sang 
Ngưng [OFF] thì điện trở giữa lối vào và 
lối ra của mạch sẽ bằng với điện trở OFF 
của FET. 
Do có nhiều khoảng giá trị khác nhau giữa điện trở ON và OFF, nên FET thường được dùng như 
một chuyển mạch rất hiệu quả. 
Hình 3.49b mô tả FET được sử dụng ở mạch song song. Ở đây điện trở nối tiếp R được chọn lớn 
so với RON , và nhỏ so với ROFF. Bộ phân áp sẽ tạo nên một điện áp ra gần bằng Vi khi dụng cụ 
chuyển sang OFF, và gần bằng không khi dụng cụ chuyển sang ON. 
Khi dùng FET như các chuyển mạch tương tự, cần phải đảm bảo các điều kiện làm việc thích 
hợp cho dụng cụ. Chủ yếu đảm bảo không được vượt quá điện áp đánh thủng của cổng, nhưng 
cũng cần phải đảm bảo điện áp thích hợp ở cổng để dụng cụ làm việc theo cả hai trạng thái: Dẫn 
hoàn toàn hoặc Ngưng hoàn toàn. Đối với MOSFET kênh-n, thì cổng có thể lấy điện áp dương 
lớn hơn để chuyển dụng cụ sang Dẫn [ON], và phải có điện áp 
âm so với điện áp vào để chuyển dụng cụ sang Ngưng [OFF]. 
Đối với JFET trạng thái hơi khác với MOSFET, đặc biệt khi sử 
dụng ở các mạch nối tiếp, vì tiếp giáp cổng của JFET cần phải 
không được phân cực thuận. Mạch dùng cho JFET cho ở hình 
3.50. Khi điện áp chuyển mạch VS dương hơn so với điện áp 
vào Vi thì diode sẽ được phân cực ngược và điện áp cổng sẽ 
bằng với Vi do điện trở R, sẽ chuyển FET sang ON. Nếu VS có 
giá trị âm thì diode sẽ dẫn và đưa điện áp âm vào cổng so với 
nguồn và chuyển FET về OFF. 
h) FET như một chuyển mạch số. 
Ngoài ứng dụng FET làm chuyển mạch tương tự, các FET 
(riêng các MOSFET) được sử dụng rộng rãi trong các ứng 
dụng số. Trong đó, các mạch thường theo hai trạng thái hay 
nhị phân [binary], trong các mạch số, tất cả các tín hiệu đều 
được quy về một trong hai dải điện áp, một dải điện áp biểu diễn trạng thái thứ nhất (ví dụ trạng 
thái ON), và dải điện áp khác biểu diễn trạng thái thứ hai (ví dụ trạng thái OFF). Các khoảng 
điện áp này thường được xem như mức ‘logic 1’ và ‘logic 0’. Trong các mạch dùng MOSFET 
thì thường đối với các mức điện áp gần bằng 0 sẽ tương đương với một mức logic 0, và đối với 
các điện áp gần bằng điện áp dương của nguồn cung cấp sẽ tương đương với mức logic 1. 
Một mạch logic đơn giản nhất là bộ đảo logic [logical inverter] cần cho việc tạo ra một điện áp 
tương ứng với mức logic 1 nếu đầu vào tương ứng với mức logic 0, và ngược lại. Mạch đảo đơn 
giản để thực hiện chức năng này cho ở hình 3.51a. Mạch sử dụng một MOSFET tăng cường 
kênh-n và một điện trở. Khi được dùng như một mạch đảo logic, thì điện áp vào sẽ thay đổi theo 
cả hai hướng: gần bằng 0 (mức logic 0) hoặc gần bằng điện áp nguồn VDD (mức logic 1). Khi 
điện áp vào gần bằng 0 V, thì MOSFET tăng cường sẽ được chuyển về ngưng dẫn [OFF] (vì 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 
96
dụng cụ cần phải có điện áp dương đặt trên cổng để tạo ra kênh dẫn giữa vùng máng và vùng 
nguồn), vì vậy dòng máng là không đáng kể, tức là không có sụt áp trên điện trở R, do đó điện 
áp ra gần bằng với điện áp nguồn cung cấp 
VDD (mức logic 1). Khi điện áp vào gần 
bằng với điện áp nguồn cung cấp, thì 
MOSFET sẽ được chuyển sang dẫn [ON] 
và có dòng chảy qua điện trở R, điện áp ra 
giảm gần bằng với mức đất chung (mức 
logic 0). Như vậy, khi điện áp lối vào cao 
thì sẽ có điện áp lối ra thấp và ngược lại 
nên mạch có chức năng của một bộ đảo. 
Mạch ở hình 3.51a hoàn toàn có thể thực 
hiện với các linh kiện rời nhưng ít được 
dùng trong các vi mạch (IC). Một trong 
những lý do giải thích tại sao các MOSFET được sử dụng rộng rải trong các vi mạch số là do 
mỗi MOSFET chỉ cần một diện tích rất nhỏ trên phiến Silicon, nên cho phép chế tạo một số 
lượng lớn các dụng cụ trên một chíp đơn. Ngược lại các điện trở thường chiếm một tỷ lệ diện 
tích lớn hơn nhiều. Do vậy, khi chế tạo các mạch đảo logic bằng MOSFET người ta thường sử 
dụng mạch như ở hình 3.51b. Trong đó, một MOSFET thứ hai được dùng như một tải tích cực, 
làm giảm nhiều diện tích vùng Silicon cần thiết để chế tạo các mạch đảo trong các vi mạch. 
Tương tự, cũng có thể chế tạo các mạch đảo bằng MOSFET tăng cường kênh-p ở cả dạng rời và 
dạng vi mạch như trên. 
i) Các mạch CMOS. 
Trong các mạch NMOS và PMOS được giới thiệu ở trên, giá trị của điện trở tải R (hoặc điện trở 
hiệu dụng của MOSFET được dùng thay vào vị trí của điện trở) sẽ ảnh hưởng đến điện trở ra của 
mạch khi lối ra ở mức cao, và có sự tiêu tán công suất của cổng khi lối ra ở mức thấp. 
Khi điện áp lối vào thấp , thì chuyển mạch MOSFET chuyển về ngưng dẫn [OFF] và lối ra được 
đẩy lên cao bởi điện trở tải R. để nhận được điện trở ra thấp thì R cần phải nhỏ. 
Khi lối vào ở mức cao, thì chuyển mạch MOSFET sẽ được chuyển sang dẫn [ON] và lối ra được 
đẩy xuống thấp. Do sự chuyển mạch MOSFET có điện trở ON thấp nên điện trở ra thấp, làm cho 
mạch hút mức dòng cao từ tải ngoài. Trong trường hợp này hầu như toàn bộ điện áp nguồn cung 
cấp được đặt trên điện trở tải R tạo ra một dòng lớn và vì vậy sẽ tiêu tán công suất lớn. Để tối 
thiểu hóa công suất tiêu tán này thì điện trở tải cần phải lớn. 
Rõ ràng là các đòi hỏi điện trở ra thấp và tiêu tán công suất thấp là các yêu cầu đối lập nhau trên 
giá trị của R. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng mạch như ở hình 3.52. 
Trong đó cả hai transistor NMOS và PMOS được ghép thành một mạch mà bây giờ được mô tả 
như mạch MOSFET bổ phụ [Complementary MOS] hay mạch logic CMOS. Khi điện áp vào 
gần bằng 0, thì dụng cụ kênh-n T2 sẽ được chuyển về ngưng dẫn [OFF] nhưng dụng cụ kênh-p 
T1 được chuyển sang dẫn [ON]. Khi điện áp lối vào gần bằng với mức điện áp nguồn cung cấp 
thì vị trí được đảo ngược, với T1 ngưng [OFF] và T2 dẫn [ON]. Như vậy, với cả hai trạng thái ở 
lối vào thì một trong hai transistor sẽ dẫn [ON] và transistor kia ngưng [OFF]. 
Mạch ở hình 3.52a có thể được tương đương bởi mạch hình 3.52b. Với chuyển mạch T1 kín và 
T2 hở, thì lối ra sẽ được đẩy lên mức cao và điện trở lối ra thấp, được xác định bởi điện trở mở-
điện trở ON của T1. Với T2 kín và T1 hở, thì lối ra sẽ được đẩy xuống thấp và điện trở ra cũng 
xuống thấp mà bây giờ được xác định bởi điện trở ON của T2. Trong cả hai trường hợp, vì một 
trong hai chuyển mạch được chuyển về ngắt [OFF] nên chỉ có sự cung cấp dòng là dòng là dòng 
kéo về bởi tải. Nếu tải là một MOSFET khác loại thì dòng kéo về sẽ không đáng kể vì điện trở 
vào cao của các MOSFET. Vì vậy, cả hai trạng thái điện trở ra của mạch CMOS là rất thấp và sự 
tiêu tán công suất là cực nhỏ. Trên thực tế, khi ở trạng thái tĩnh, thì sự tiêu tán công suất thường 
không đáng kế. Ở các mạch ứng dụng thì công suất được tiêu thụ bởi một mạch CMOS được xác 
định bằng một lượng nhỏ dòng điện chảy qua khi các dụng cụ chuyển mạch từ trạng thái này 
sang trạng thái khác. Trong một khoảng thời gian ngắn, cả hai transistor đều dẫn, tạo ra một 
ngắn mạch đột ngột từ nguồn cung cấp đến đất chung. Do tiêu thụ công suất thấp, nên các mạch 
CMOS được sử dụng rộng rải trong các ứng dụng làm việc bởi nguồn cung cấp bằng pin. Vấn đề 
này sẽ được thảo luận trong các giáo trình khác. 
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG 
97