Hướng dẫn ôn thi lý thuyết phần dụng cụ bán dẫn

ĐHBK TP HCM–KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ GV: Hồ Trung Mỹ Hướng dẫn ôn thi LT môn Dụng cụ bán dẫn HK – Năm học: 2011-2012 Chú ý:  Đề thi trắc nghiệm khoảng 50 câu  Số đề: đến  Đề thi không cho sử dụng tài liệu Trọng tâm ôn thi chương sau: Chương BJT (TRANSISTOR TIẾP XÚC LƯỠNG CỰC)  Tại có tên gọi lưỡng cực? tiếp xúc (hay chuyển tiếp hay mối nối)?  Cấu tạo BJT loại NPN loại PNP.Ký hiệu jE, jC Nồng độ tạp chất miền?   Hình 5.1 Ký hiệu hai loại BJT: (a) PNP (b) NPN Ở ký hiệu BJT mũi tên cực E có ý nghĩa gì? Các dòng điện BJT chế độ tích cực [thuận]: HD ơn thi-DCBD–Trang 1/15   Dòng điện rĩ (rò) ICBO (dòng từ C đến B với E hở mạch) ICEO (dòng từ C đến E với B hở mạch) BJT (nhiệt độ tăng dẫn đến dòng rĩ tăng) o cấu hình CB: IC = IE + ICBO o cấu hình CE: IC = IB + ICEO với ICEO = ICBO/(1-) Hệ số vận chuyển miền B, hiệu suất cực phát E? Chúng phụ thuộc với tham số BJT (nồng độ tạp chất, bề rộng miền nền)? BJT tốt có B, E tiến gần tới o Hiệu suất cực phát E  e  1 p D W I EP   e0 E B I EN nb DB LE pe0 = ni2/NDE ; nb0 = ni2/NAB ; WB = bề rộng miền DE = hệ số khuếch tán hạt dẫn thiểu số E = Dp DB = hệ số khuếch tán hạt dẫn thiểu số B = Dn LE = chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số E= Lp Thay biểu thức vào e , ta có dạng biểu diễn khác e sau: với  e  1 N AB D p WB N DE Dn L p o Hệ số vận chuyển miền B W  B    Bn   LB  WBn= bề rộng miền phần trung hòa  WB LB = chiều dài khuếch tán hạt dẫn thiểu số B = Ln độ lợi dòng điện cực chung  = B.E = IC/IE độ lợi dòng điện cực phát chung  =  / (1–  ) = IC/IB o  cao cần: tốc độ tái hợp thấp miền thời gian chuyển tiếp (đi qua) ngắn miền o  phụ thuộc vào IC nhiệt độ o  DC : dc = IC/IB với IC, IB dòng DC o  AC: ac = IC/IB với IC, IB thay đổi IC, IB dòng tín hiệu AC với    Các chế độ làm việc (chế độ hoạt động) BJT đặc điểm chúng: Chú ý: o Với BJT NPN Si VON = 0.7V, VBEsat = 0.7–0.8V, VCEsat  0.2V o R chế độ tích cực ngược o SV tự suy cách nhận biết với BJT PNP HD ôn thi-DCBD–Trang 2/15  Mơ hình tín hiệu lớn BJT (TD: xét BJT Si loại NPN)  a) Tích cực b) Bão hòa c) Tắt (hay Tích cực thuận) (VBE,sat=0.7V  0.8V) Hình 5.2 Mơ hình tín hiệu lớn BJT SI loại NPN chế độ hoạt động khác Các cấu hình mắc BJT: (Như mạng cực với: Bên trái mạch vào Bên phải mạch ra) a) CB = Common Base =B chung b) CE=Common Emitter=E chung c) CC=Common collector=C chung Hình 5.3 Các cách mắc BJT NPN mạch Hãy nêu đặc điểm cách mắc với ứng dụng khóa điện tử mạch khuếch đại?  Phương trình dòng điện BJT NPN chế độ tích cực thuận: Dòng [điện cực] IB Dòng [điện cực] phát IE Dòng [điện cực] thu IC VBE V VBE VBE  V  I C I S VT I C I S VBET IE VT T IB  IE   e   e     1 I B I C  I S  e  1  I S e   I B   I E      1     qA D n với IS dòng bão hòa: I S  E n i N AWBn AE diện tích mặt cắt ngang miền phát, NA nồng độ tạp chất Acceptor miền WBn bề rộng phần trung hòa miền  Các Đặc tuyến Volt-Ampere BJT (còn gọi đặc tuyến I-V) a) Đặc tuyến vào b) Đặc tuyến Hình 5.4 Các đặc tuyến vào BJT NPN mắc CE HD ôn thi-DCBD–Trang 3/15  Ảnh hưởng nhiệt độ đến đặc tuyến BJT (TD với BJT NPN)  Điều chế miền nền: Xét BJT NPN phân cực chế độ tích cực [thuận] (khuếch đại), VCE tăng  bề rộng hiệu dụng miền giảm  dòng IC tăng Nghĩa bề rộng miền bị thay đổi (điều chế) điện áp VCE thay đổi Điện áp Early VA: giá trị điện áp điểm nằm trục hoành mà đường cong IC theo VCE (ở phần khuếch đại) qua điểm Độ dốc điểm làm việc Q: dIC ICQ ICQ (nếu VA >> VCEQ)   dVCE VCEQ  VA VA  Khi dòng IC: IC  I S e   VBE VT  VCE  1   V A   Điện áp đánh thủng BVCBO , BVCEO o CB: BVCBO không bị ảnh hưởng IE o CE: BVCEO bị ảnh hưởng IB (IB tăng BVCEO giảm) Hình 5.5 Một thí dụ đánh thủng BJT Khóa điện tử dùng BJT : Khóa mở với BJT tắt (OFF) – Khóa đóng với BJT bão hòa (ON) a) Khóa điện tử dùng BJT NPN b) Khóa điện tử dùng BJT PNP HD ơn thi-DCBD–Trang 4/15    Do điện tích chứa JC bão hòa nên giảm tốc độ chuyển mạch BJT chuyển từ bão hòa sang tắt VP Transistor Schottky: Cấu tạo Mạch tương đương Ký hiệu Đặc điểm  Giảm điện tích chứa JC BJT bão hòa diode Schottky có VON nhỏ VON chuyển tiếp PN  Tăng tốc độ chuyển mạch Mơ hình tín hiệu nhỏ BJT (tần số trung bình) (a) Mơ hình  (mắc CE)  (b) Mơ hình T (nếu khơng bỏ qua ro có điện trở ro nối từ C đến E) Mơ hình tần số cao BJT chế độ tích cực: (C=Cbe, C=Cbc) Tần số cắt fT (khi ac =1) f T  f  2 ec  0 f   gm 2  C  C  Với  ec thời gian điện tử từ E đến C với BJT NPN mắc CB chế độ tích cực, f f  tần số mà ac ac giảm so với trị số tần số thấp,  (dc=hFE) giá trị ac tần số thấp  Mơ hình tham số h Các tham số h cho BJT cấu hình CE: v V V vBE hie  r  rbe   be   ac re'   T   T iB VCE ib vCE 0 I EQ I CQ HD ôn thi-DCBD–Trang 5/15 i iC  c  g m hie iB VCE ib vCE 0 I g m  CQ  ' VT re h fe   ac  V V v V vCE   ce  A CEQ  A (nếu VA >> VCEQ) hoe iC IB ic iB 0 I CQ I CQ Chú ý: dc = hFE = IC/IB ; ac = hfe = ic/ib (ở tần số thấp trung bình: ac  dc=) Gương dòng điện (Current mirror) Mạch Điều kiện để nguồn dòng Phương trình rc  rO   Q1 Q2 có đặc tính giống Q1 (được mắc diode) Q2 ln chế độ tích cực thuận (dẫn đến có giới hạn với điện trở tải RL) Dòng qua tải: I OUT  IR 1  với dòng chuẩn IR: IR   VCC  VEE  VBE R Thyristor: dụng cụ công suất quan trọng mà thiết kế để xử lý điện áp cao dòng điện lớn o Diode lớp p-n-p-n Cấu tạo Đặc tuyến dòng-áp diode p-n-p-n o SCR (Silicon Controlled Rectifier) Cấu tạo SCR Ký hiệu Đặc tuyến dòng-áp SCR HD ôn thi-DCBD–Trang 6/15 Chương JFET FET transistor hiệu ứng trường, có cực cổng G cách ly với kênh dẫn qua chuyển tiếp PN (JFET) qua chất cách điện (MOSFET) FET thuộc dụng cụ đơn cực  Cấu tạo JFET kênh N (S = Source = nguồn; G = Gate =c ổng; D = Drain = máng) Ký hiệu JFET kênh N Ký hiệu JFET kênh P Cấu tạo JFET kênh N Nguyên tắc hoạt động JFET kênh N  MESFET: dùng chuyển tiếp M-S để cách ly cực cổng kênh dẫn Cấu tạo MESFET kênh N Bề rộng miền nghèo cực cổng HD ôn thi-DCBD–Trang 7/15 Đặc tuyến I-V JFET kênh N (TD: VTH = –3V) Đặc tuyến I-V MESFET kênh N  Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến JFET: Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến N-JFET (TD: IDSS = 8mA VTH = –4V) Vùng điện trở điều khiển điện áp JFET (TD: N-JFET J308) Qui ước ký hiệu dòng áp đặc tuyến JFET: o IDSS = dòng điện từ nguồn sang máng ngắn mạch cổng (VGS=0) o Vp = điện áp nghẹt (hay nghẽn) (pinch-off voltage), có giá trị > với N-JFET < với P-JFET o VTH =VGS,off = điện áp làm tắt JFET (điện áp ngưỡng) = –Vp (khi ID=0) o VDS,sat = VGS – VTH = sụt áp D S JFET bắt đầu nghẹt (vào miền bão hòa)  Các phương trình dòng điện máng ID N-JFET o VGS  VTH : miền tắt  ID=0 o VGS > VTH :  VDS < VDS,sat : miền tuyến tính (còn gọi miền Ohm, miền điện trở hay miền triode)   V  V  VDS   GS DS I D  I DSS  1        VTH  VTH  VTH   2I  VTH2    I D  DSS V V V    GS TH DS  VTH2   Nếu VDS  VGS  VTH  ID hàm tuyến tính theo VDS: (có thể hốn đổi D S) ID  I DSS VGS  VTH VDS VTH2 HD ơn thi-DCBD–Trang 8/15 Khi JFET tương đương với điện trở RDS (còn gọi điện trở ON hay RDS,ON): VTH2 RDS  I DSS VGS  VTH   VDS  VDS,sat : miền bão hòa (còn gọi miền tích cực)  V  I I D  DSS V  VTH   I DSS   GS   GS VTH  VTH  Người ta thường ứng dụng miền tắt tuyến tính cho JFET làm khóa điện tử, miền bão hòa cho JFET làm phần tử khuếch đại tín hiệu làm nguồn dòng Tóm tắt đặc tuyến phương trình dòng điện N-JFET P-JFET  Các hiệu ứng thứ cấp JFET o Điều chế chiều dài kênh dẫn: Xét N-JFET miền bão hòa, tăng VDS ID tăng, tăng VDS dẫn đến L giảm (chiều dài hiệu dụng kênh dẫn N)  điện trở kênh dẫn giảm hay ID tăng Hiệu ứng tương tự với điều chế miền BJT Do tất đặc tuyến miền bão hòa kéo dài đến trục hồnh giao điểm trục hoành, ứng với điện áp Early VA (VDS = –VA) VA thực tế có trị từ 30V đến 200V Dòng ID phụ thuộc vào VDS có dạng JFET kênh P JFET kênh N   V  I D  I DSS 1  GS  1  VDS  với   VA  VTH  HD ôn thi-DCBD–Trang 9/15 o Đánh thủng: Đánh thủng thác lũ xảy JFET phân cực ngược chuyển tiếp cổng-kênh dẫn (chỗ đầu cực máng kênh) điện áp đánh thủng chuyển tiếp, để VBR = VD - VG - Vbi với Vbi độ lớn điện áp đánh thủng xác định tính chất vật lý chuyển tiếp o Sự thay đổi độ linh động: Khi điện trường có giá trị lớn vận trơi không tăng nữa, dẫn đến độ linh động giảm Trong JFET kênh dẫn ngắn với điện áp máng cố định, tăng điện trường cổng làm giảm độ linh động hay làm giảm dòng ID so với giả thiết ban đầu độ linh động số o Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ tăng làm độ linh động giảm  dòng ID giảm nhiệt độ tăng  Mơ hình tín hiệu nhỏ N-JFET (khi N-JFET làm việc miền bão hòa vgs  0.2 VGS  VTH  ) Tần số thấp trung bình Tần số cao ro  VA /IDQ 2I  V  g m  DSS 1  GS  VTH  VTH  Tần số cắt fT  gm 2  Cgs  Cgd  Với điện trở ro: V V V v V ro  DS  ds  A DSQ  A I D Q id I DQ I DQ Hỗ dẫn gm: gm  gm  I V  VTH  id  DSS GS2 vgs VTH dI D dVGS Q I DSS VTH  VGS 1   VTH  với g m    VGS  ID   g m 1    gm0 V I   TH  DSS 2I  DSS (hỗ dẫn VGS=0) VTH Các cách mắc JFET: CS (nguồn chung), CD (máng chung) CG (cổng chung) CS (Common Source) CD (Common Drain) CG (Common Gate) HD ôn thi-DCBD–Trang 10/15  Các ứng dụng tiêu biểu JFET khóa analog, điện trở điều khiển áp, nguồn dòng phần tử khuếch đại tín hiệu mạch khuếch đại Khóa điện tử (Khóa analog = Analog switch) Điện trở điều khiển áp (Voltage controlled resistor) TD1: Mạch suy giảm tín hiệu Nếu phân cực cho JFET miền tuyến tính RDS VOUT  VIN R  RDS TD2: Mạch điều khiển độ lợi tự động (AGC) Nguồn dòng Mạch khuếch đại TD: Mạch KĐ CS HD ôn thi-DCBD–Trang 11/15 Chương MOSFET MOSFET có cách lý cổng kênh dẫn lớp cách điện, thành phần kim loại (M=Metal), lớp cách điện SiO2 (O=Oxide), bán dẫn (S=semiconductor) Các tên gọi khác MOSFET MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor), IGFET (Insulated Gate FET) Nguyên tắc hoạt động FET dòng hạt dẫn từ nguồn điện máng điều khiển điện áp cổng hay điện trường cổng Điện trường làm cảm ứng điện tích bán dẫn giao tiếp bán dẫn-oxide  Cấu trúc MOSFET MOSFET loại giàu (còn gọi MOSFET kênh dẫn chưa lắp sẵn) MOSFET loại nghèo (còn gọi MOSFET kênh dẫn lắp sẵn) Ký hiệu EMOS N-EMOS  P-EMOS Mô tả định tính hoạt động N-EMOS HD ơn thi-DCBD–Trang 12/15  Các chế độ phân cực cho tụ MOS N-EMOS Có chế độ phân cực quan trọng cho tụ MOS: o Tích lũy lỗ (Hole Accumulation): phân cực âm kim loại bán dẫn (VGS < VFB < 0, VFB điện áp dải phẳng), giao tiếp bán dẫn cách điện có tích lũy lỗ o Nghèo (Depletion): phân cực dương kim loại bán dẫn (VFB < VGS < VTN, VTN > 0), giao tiếp bán dẫn cách điện lỗ bị đẩy xuống hình thành miền nghèo o Đảo ngược (Inversion): phân cực dương giá trị đủ lớn kim loại bán dẫn (VGS > VTN), điện tử hút vào miền gần giao tiếp bán dẫn chất cách điện, hình thành nên kênh dẫn điện tử (kênh N) bán dẫn P  Cấu trúc N-EMOS Vật liệu dùng cho cực dẫn điện thường dùng Silicon đa tinh thể pha tạp chất nhiều (còn gọi polysilicon hay polySi hay poly) Vật liệu cách điện thông thường SiO2 Để tối thiểu hóa dòng điện miền thân miền S(source)/D(drain) người ta thường nối miền thân với cực nguồn  Sự tạo thành kênh dẫn N-EMOS Sự tạo thành kênh dẫn N Sự ảnh hưởng chiều dài kênh dẫn L chiều rộng kênh dẫn W   MOSFET gọi MOSFET kênh ngắn L < 1m, IC người ta thường dùng MOSFET kênh ngắn MOSFET gọi MOSFET kênh dài L > 1m  Các miền hoạt động N-EMOS với VGS > VTN Miền tuyến tính (miền Ohm hay miền triode) (VDS < VDS,sat=VGS–VTN)  Miền bão hòa (hay miền tích cực) (VDS  VDS,sat=VGS–VTN) Ở cạnh miền bão hòa VDS=VDS,sat HD ơn thi-DCBD–Trang 13/15  Khi VDS nhỏ (có thể hốn đổi D S) xem điện trở điều khiển áp (VGS3> VGS2> VGS1>VTN) Ở miền bão hòa VDS  VDS,sat Khi VDS tăng, điểm nghẹt di chuyển phía cực nguồn  Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến N-EMOS Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến BVDSS= điện áp đánh thủng DS ngắn mạch cổng Các phương trình dòng điện máng ID N-EMOS  VGS  VTN : miền tắt  ID=0  VGS > VTN : (VDS,sat = VGS – VTN ) o VDS < VDS,sat : miền tuyến tính (còn gọi miền Ohm, miền điện trở hay miền triode)  VDS W I D  n Cox VGS  VTN  VDS   L  với n độ linh động điện tử Cox điện dung lớp cách điện Nếu VDS  VGS  VTN  ID hàm tuyến tính theo VDS: (có thể hoán đổi D S) W VGS  VTN VDS L Khi MOSFET tương đương với điện trở RDS (còn gọi điện trở ON hay RDS,ON): RDS  W nCox VGS  VTN  L o VDS  VDS,sat : miền bão hòa (còn gọi miền tích cực) với W I D  n Cox VGS  VTN  L Người ta thường ứng dụng miền tắt tuyến tính cho MOSFET làm khóa điện tử, miền bão hòa cho MOSFET làm phần tử khuếch đại tín hiệu làm nguồn dòng I D  nCox  Một số đặc tính khơng lý tưởng MOSFET (Xét N-EMOS miền bão hòa) o Điều chế chiều dài kênh dẫn: tương tự hiệu ứng Early BJT, tăng VDS điểm nghẹt dịch chuyển miền nguồn, dẫn đến chiều dài kênh dẫn hiệu dụng nhỏ hay dòng ID tăng lên Khi phương trình dòng điện máng có dạng W VA điện áp Early I D  n Cox VGS  VTN  1  VDS  với   L VA o Hiệu ứng thân: tăng VSB làm điện áp ngưỡng VTN tăng  ảnh hưởng đặc tuyến I-V o Ảnh hưởng nhiệt độ: T tăng  VTN độ linh động giảm  dòng ID giảm HD ơn thi-DCBD–Trang 14/15  o Sự bão hòa vận tốc: kích thước transistor giảm, độ dày làm oxide mỏng  vận tốc điện tử W  bão hòa lúc phương trình dòng ID: I D  nCox VGS  VTN  với =1 2, tùy theo công nghệ L Mơ hình tín hiệu lớn N-EMOS (dùng để phân tích tổng quát hay tính điểm tĩnh)  Mơ hình tín hiệu nhỏ N-EMOS (khi N-EMOS làm việc miền bão hòa vgs  0.2 VGS  VTN  ) Mơ hình  Mơ hình T Hỗ dẫn gm: i dI W g m  D  d  nCox VGS  VTN  dVGS Q vgs L Tần số cao Tần số cắt fT  Điện trở ro: V V V v V ro  DS  ds  A DSQ  A I D Q id I DQ I DQ gm 2  Cgs  Cgd  o Các cách mắc MOSFET: CS, CD CG o Các ứng dụng tiêu biểu MOSFET khóa analog, điện trở điều khiển áp, nguồn dòng phần tử khuếch đại tín hiệu mạch khuếch đại  Tóm tắt quan hệ dòng-áp MOSFET NMOS PMOS Miền tắt (VGS  VTN): ID = Miền tắt (VGS  VTP): ID = Miền triode (VGS > VTN  VDS < VDS,sat) Miền triode (VGS < VTP  VDS > VDS,sat)   V  W V2  W I D  K n VGS  VTN  VDS  DS  với K n  nCox I D  K p VGS  VTP  VDS  DS  với K p   p Cox  L  L   Miền bão hòa (VGS > VTN VDS  VDS,sat) K I D  n VGS  VTN  g m  K n VGSQ  VTN   K n I DQ Miền bão hòa (VGS < VTP VDS  VDS,sat) K I D  p VGS  VTP  g m   K p VGSQ  VTP   K p I DQ Điểm chuyển tiếp VDS,sat = VGS – VTN Điểm chuyển tiếp VDS,sat = VGS – VTP Loại giàu: VTN > Loại giàu: VTP < Loại nghèo: VTN < Loại nghèo: VTP > Chú ý: SV tự xem thêm đặc tuyến P-EMOS, N-DMOS P-DMOS Với EMOS đặc tuyến có chế độ giàu, với DMOS đặc tuyến có phần chế độ giàu chế độ nghèo HD ôn thi-DCBD–Trang 15/15 ... loại bán dẫn (VGS < VFB < 0, VFB điện áp dải phẳng), giao tiếp bán dẫn cách điện có tích lũy lỗ o Nghèo (Depletion): phân cực dương kim loại bán dẫn (VFB < VGS < VTN, VTN > 0), giao tiếp bán dẫn. .. lớn kim loại bán dẫn (VGS > VTN), điện tử hút vào miền gần giao tiếp bán dẫn chất cách điện, hình thành nên kênh dẫn điện tử (kênh N) bán dẫn P  Cấu trúc N-EMOS Vật liệu dùng cho cực dẫn điện thường... đại TD: Mạch KĐ CS HD ôn thi- DCBD–Trang 11/15 Chương MOSFET MOSFET có cách lý cổng kênh dẫn lớp cách điện, thành phần kim loại (M=Metal), lớp cách điện SiO2 (O=Oxide), bán dẫn (S=semiconductor)