bài giảng điện tử công nghiệp, chương 7 pdf

1 Chương 7: PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp công nghệ p-n g ầ n nhau thì ta được một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là tranzito bipolar, có khả n ă ng khuếch đại tín hiệu điện. Nguyên lí làm việc của tranzito dựa trên đặc tính điện c ủ a từng tiếp giáp p-n và tác dụng tương hỗ giữa chúng. 2.2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tranzito bipolar a) Cấu tạo: tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu tạo điển hình là pnp và npn nh ư trên hình 2.16. Để tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, ph ươ ng pháp epitaxi p n p E C J E J C n p n E C J E J C B B a) b) Hình 2.16 : Mô hình lí tưởng hóa cùng kí hiệu của tranzito pnp (a) và npn (b) Miền bán dẫn thứ nhất của tranzito là miền emitơ với đặc điểm là có nồng độ t ạ p chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emitơ. Miền thứ hai là miền baz ơ với nồng độ tạp chất nhỏ 2 và độ dày của nó nhỏ cỡ µm, điện cực nối với miền này g ọ i là cực bazơ. Miền còn lại là miền colectơ với nồng độ tạp chất trung hình và điện c ự c tương ứng là colectơ. Tiếp giáp p-n giữa miền emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp emi t ơ (J E ) tiếp giáp pn giữa miền bazơ và miền colectơ là tiếp giáp colectơ (J C ) Về kí hi ệ u tranzito cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực emitơ và bazơ có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n. Về mặt cấu trúc, có thể coi tranzito như 2 điôt mắc đối nhau như hình 2.17. (Điều này hoàn toàn không có nghĩa là cứ mắc 2 đốt như hình 2-17 là có t h ể thực hiện được chức năng của tranzito. Bởi vì khi đó không có tác dụng tương hỗ l ẫ n nhau của 2 tiếp p-n. Hiệu ứng tranzito ch ỉ xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp nh ỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt d ẫ n) . 3 n p n E C B Hình 2.17: Phân tích cấu tạo tranzito thành hai điốt và mạch tương h ỗ b) Nguyên lí làm việc: Để tranzito làm việc, người ta phải đưa điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho tranzito. Đối với chế độ khuếch đại thì J E phân cực thuận và J C phân cực ngược như hình 2-18. Hình 2.18: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đ ạ i Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ. Do J E phân cực t hu ậ n các hạt đa số (lỗ trống) từ miền p phun qua J E tạo nên dòng emitơ (I E ). Chúng t ớ i vùng bazơ trở thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ hướng t ớ i J C . Trên đường khuếch tán một phần nhỏ b ị tái hợp với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I B ). Do cấu tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các h ạ t khuếch tán tới được bờ của J C và b ị trường gia tốc (do J C phân cực ngược) cuộn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (I C ) Qua việc phân tích trên rút ra được hệ thức cơ bản về các dòng điện trong tranzito (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng ngược của J C ) I E = I B + I C (2-37) 4 Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta đ ị nh nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của tranzito. α = I C / I E (2-38) hệ số α xác đ ị nh chất lượng của tranzito và có giá tr ị càng gần 1 với các tranzito lo ạ i t ố t. 40 Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I B tới dòng colectơ I C người ta đ ị nh nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện β của tranzito. β = I C / I B (2:39) β thường có giá tr ị trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các biểu thức (2-37), (2- 38), (2-39) có thể suy ra vài hệ thức hay được sử dụng đối với tranzito: I E = I B (1 + β) (240) α = β / (1+ β) (2-41) c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế đố tín hiệu nh ỏ Khi sử dụng, về nguyên tắc có thể lấy 2 trong số 3 cực của tranzito là đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Như vậy có tất cả 6 cách m ắ c mạch khác nhau. Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Trong số 6 cách mắc ấy ch ỉ có 3 cách là tranzito có thể khuếch đại công suất đó là cách mắc chung emitơ (E C ), chung bazơ (B C ), chung colectơ (C C ) như hình 2.19. Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực t ế . U 1 (vao) U 2 (ra) U 1 (vao) U 2 (ra) U 1 (vao) U 2 (ra) E chung Bchu ng Cchung Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito trong thực t ế Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ, chung colec t ơ Từ cách mắc được dùng trong thực tế của tranzito về mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một phần tử 4 cực gần tuyến tính có 2 đầu vào và 2 đầu ra (h.2.20). U 1 (vao) T U 2 (ra) 41 Hình 2.20: Tranzito như mạng bốn c ự c Có thể viết ra 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa đầu vào và đầu ra c ủ a mạng 4 cực trong đó dòng điện và điện áp là những biến số độc lập. Nhưng trong thực tế tính toán thường dùng nhất là 3 cặp phương trình tuyến tính sau: Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là biến có dạng sau: U 1 = f(I 1 , I 2 ) = r 11 I 1 + r 12 I 2 U 2 = f(I 1 , I 2 ) = r 21 I 1 + r 22 I 2 42 ∂ I Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp I 1 = f(U 1 , U 2 ) = g 11 . U 1 + g 12 . U 2 I 2 = f(U 1 , U 2 ) = g 21 . U 1 + g 22 . U 2 Cặp phương trình hỗn h ợ p U 1 = f ( I 1 , U 2 ) h 1 1 I 1 U 2 = f(I 1 , U 2 ) h 2 1 U 2 trong đó r ij , g ij , và h ij tương ứng là các tham số trở kháng dẫn nạp và hỗn hợp c ủ a tranzito. Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trình trên, ta sẽ xác đ ị nh đ ượ c các tham số vi phân tương ứng của tranzito. Ví dụ : r 22 ∂ U = 2 ∂ I 2 ∂I 2 I 1 =co nst 1 = h 2 2 1 gọi là điện trở ra vi phân (2-42) g 22 = ∂U 2 U 2 = cons t = r 1 2 = S được gọi là hỗ dẫn truyền đạt (2-43) r 11 h ∂ U = 1 ∂ I 1 ∂I = 2 I 2 =const = h 11 = β là điện trở vào vi phân (2-44) là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân (2-45) 21 U 2 = cons t 2 Khi xác đ ị nh đặc tuyến tĩnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới) của tranzito, dùng hệ phương trình hỗn hợp là thuận tiện vì khi đó dễ dàng xác đ ị nh các tham số của h ệ phương trình này. d) Đặc tuyến tĩnh dựa vào các hệ phương trình nêu trên có thể đưa ra các họ đ ặ c tuyến tĩnh của tranzito khi coi một đại lượng là hàm 1 biến còn đại lượng thứ 3 coi như một tham số. Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh: Đ ặ c tu y ế n v à o U 1 = f ( I 1 ) |U 2 = c on st Đ ặ c tu y ế n p h ả n U 1 = f ( U 2 ) | I 1 = c on st ( 2 - 43 Đ ặ c tu y ế n t r u y ề n I 2 2 = f ( I 1 ) │ U 2 = c on st Đặc tuyến ra I 2 = f(U 2 ) │I 1 =const Tùy theo cách mắc tranzito mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể dòng điện và đ i ệ n áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc E C : đặc tuyến vào là quan hệ I B = f(U BE )│U CE = const hay đặc tuyến ra là quan hệ I C = f(U CE )│I B = const … Bảng (2.1) dưới đây cho các phương trình của họ đặc tuyến tương ứng suy ra t ừ hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, EC và CC. 44 Bảng 2.1. Quan hệ hàm xác đ ị nh họ đặc tuyến t ĩ nh của tranzito Tổng quát B C EC CC U 1 = f(I 1 )│U 2 =con st U 1 = f ( U 2 ) │ I 1 = c on U E B = f(I E )│U CB U EB = f(U CB )│I E U B E = f(I B )│U CE U BE = f(U CE )│I B U B C = f(I B )│U EC U BC = f(U EC )│I B Có thể xây dựng sơ đồ tương đương xoay chiều tín hiệu nhỏ của tranzito theo hệ phương trình tham số hỗn h ợ p ∆U 1 = h 11 ∆I 1 + h 22 ∆U 2 (2-47) ∆I 2 = h 2 ∆I 1 + h 22 ∆U 2 Dạng như trên hình 2.21. Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạng 4 cực theo tham số h Chú ý: đối với các sơ đồ EC, BC, CC các đại lượng ∆I 1 , ∆U 1 , ∆I 2 , ∆U 2 t ươ ng đương với các dòng vào (ra), điện áp vào (ra) của từng cách mắc. Ngoài ra còn có t h ể biểu th ị sơ đồ tương đương của tranzito theo các tham số vật lý. Ví dụ với các ki ể u mắc BC có sơ đồ 2.22 Hình 2.22: Sơ đồ tương đương mạch BC 45 Ở đ ây : - r E là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và chất bán dẫn làm cực E. - r B điện trở khối của vùng baz ơ . - r C (B) điện trở vi phân của tiếp giáp colec t ơ . - C C (B) điện dung tiếp giáp colec t ơ . - αI E nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới colec t ơ . Mối liên hệ giữa các tham số của hai cách biểu diễn trên như sau khi ∆U 2 = 0 v ớ i mạch đầu vào ta có : ∆U 1 = ∆I 1 [r E + (1- α ) r B ] hay h 11 = ∆U 1 /∆I 1 = [r E + (1- α ) r B ] với mạch đầu ra : ∆I 2 = α.∆I 1 do đó α = h 21 khi ∆I 1 = 0 Dòng mạch ra ∆I 2 = ∆U 2 /(r C(B) + r B ) ≈ ∆U 2 / τ C(B) do đ ó h 22 = 1/r c(B) và ∆U 1 = ∆I 2 .r B nên ta có h 12 = r B / r C(B) ∆U 2 = ∆ I 2 . r C(B) 2.2.2. Các dạng mắc mạch c ơ bản của tranzito a - Mạch chung emitơ (EC) Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực bazơ và cực emitơ, còn điện áp ra lấy từ cực colectơ và cực emitơ. Dòng vào, điên áp vào và dòng điện ra được đo bằng các miliampe kế và vôn kế mắc như hình 2.23. Từ mạch hình 2.23, có thể vẽ được các họ đặc tuyến tĩnh quan trọng nhất của mạch EC : [...]... trị điện áp là giá trị tuyệt đối) làm cho miền điện tích không gian của chuyến tiếp colectơ rộng ra chủ yếu về phía miền bazơ pha tạp yếu Diện áp UCB càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ và đến cực bazơ để tạo thành dòng bazơ càng ít, do đó dòng bazơ nhỏ đi Để vẽ đặc tuyến ra của tranzito mắc EC, cần giữ dòng IB ở một trị số cố định nào đó, thay đổi điện. .. ngược của điốt, khi UCE tăng quá lớn tức là điện áp phân cực ngược UCB lớn lớn tới một giá trị nào đó, tại chuyển tiếp colectơ sẽ sảy ra hiện tương đánh thủng do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng đột ngột ) Bởi vì khi tranzito làm việc ở điện áp UCE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng IC để phồng tránh tranzito bị hủy bởi dòng IC quả lớn 47 UCE = 6V IC mA IB =60µA UCE = 2V IB =40µA... miền colectơ nhiều hơn nên dòng IC tăng lên Khi UCE giảm xuống 0 thì IC cũng giảm xuống 0 (các đặc tuyến đều qua gốc tọa độ) Sở dĩ như vậy vì điện áp ghi trên trục hoành là UCE= UCB + UBE và nếu tiếp tục giảm UCE sẽ làm cho chuyển tiếp colectơ phân cực thuận Điện áp phân cực này đẩy những hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ, kết quả khi UCE = 0 thì IC cũng bằng 0 ngược lại...IB µA UCE (ra) UBE (vao) E Hình 2.23: Sơ đồ Ec Ec 10 UCE = 2V UCE = 6V 1 UBE V Hình 2.24: Họ đặc tuyến vào 46 Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UCE, thay đổi trị số điện áp UBE ghi các trị số IB tương ứng sau đó dựng đồ thị quan hệ này, sẽ thu được kết quả như hình 2.24 Thay đổi UEC đến một giá trị cố định khác và làm lại tương tự sẽ được đường cong . 1 Chương 7: PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp công nghệ p-n g ầ n nhau thì ta được một dụng cụ. BC 45 Ở đ ây : - r E là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và chất bán dẫn làm cực E. - r B điện trở khối của vùng baz ơ . - r C (B) điện trở vi phân của tiếp giáp colec t ơ . - C C (B) điện dung tiếp. nên dòng điện colectơ (I C ) Qua việc phân tích trên rút ra được hệ thức cơ bản về các dòng điện trong tranzito (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng ngược của J C ) I E = I B + I C (2- 37) 4 Để đánh