Giáo trình Kỹ thuật điện tử - chương 2

Giáo trình Kỹ thuật điện tử được biên soạn dựa theo nhiều tài liệu của những tác giả đã được xuất bản, cập nhật thông tin trên mạng sau đó chọn lọc, tổng hợp mà đặc biệt là bài giảng m

Chương - Các linh kiện bán dẫn Chương CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Thiết bị điện tử bao gồm nhiều loại linh kiện Đóng vai trò nhất, định hoạt động chất lượng máy móc điện tử nói chung linh kiện chế tạo từ chất bán dẫn, ví dụ diode, transistor, transistor trường (JFET, MOSFET,…), vi mạch (I.C) v.v … chúng thay cách hiệu cho phân tử hệ trước (đèn hai cực chân không, đèn ba cực, v.v…) Vì vậy, trước nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật mạch khuếch đại, mạch tạo dao động hình sin, tạo biến đổi dạng xung v.v…, chương tìm hiểu cấu tạo, nguyên tắc hoạt động linh kiện 2.1 CHẤT BÁN DẪN VÀ CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN: 2.1.1.Mạng tinh thể liên kết hoá trị: Các chất bán dẫn điển Gecmanium (Ge), Silicium (Si), … thuộc nhóm bảng tuần hoàn nguyên tố Chúng cấu tạo từ tinh thể có hình dạng xác định, nguyên tử xếp theo trật tự chặt chẽ, tuần hoàn, tạo nên mạng lưới, gọi mạng tinh thể Chẳng hạn mạng tinh thể Ge (hoặc Si) có hình tứ diện Để đơn giản, ta hình dung cấu trúc tinh thể bán dẫn mô hình phẳng h.21-1a Xung quanh nguyên tử bán dẫn (ví dụ Si) luôn có nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử Mối liên kết biểu thị hai gạch song song Mỗi nguyên tử có điện tử hoá trị lớp vỏ Do khoảng cách nguyên tử gần, điện tử chịu ảnh hưởng nguyên tử xung quanh Vì điện tử hoá trị hai nguyên tử cạnh có quỹ đạo chung biểu thị h.2-1-1b Quỹ đạo chung ràng buộc nguyên tử với nguyên tử khác, tạo nên mối liên kết hoá trị (còn gọi liên kết đôi điện tử) Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Quỹ đạo chung Si Si Si Si Si Hình 2-1-1 Cấu trúc tinh thể (a) liên kết hoá trị (b) Như thấy rõ từ hình vẽ, liên kết với bốn nguyên tử xung quanh, lớp vỏ nguyên tử Si bổ sung thêm điện tử, nghóa đủ số điện tử tối đa lớp vỏ (8 điện tử) đó, lớp trởû thành bền vững (ít có khả nhận thêm bớt điện tử) Trong trạng thái vậy, chất bán dẫn điện tích tự không dẫn điện Bài giảng Kỹ thuật điện tử 11 Chương - Các linh kiện bán dẫn 2.1.2 Điện tử tự lỗ trống - bán dẫn loại i: Tình trạng xảy chất bán dẫn khiết (không lẫn tạp chất) có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh có nhiệt độ thấp (T = 00K) Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao (hoặc cung cấp lượng dạng khác: chiếu ánh sáng, bị bắn phá chùm tia v.v…), số điện tử hoá trị nhận thêm lượng thoát khỏi mối liên kết với nguyên tử, trởû thành tự do, chúng mang điện âm (q = 1,6.10-19 C) sẳn sàng chuyển động có hướng có tác dụng điện trưòng Ta gọi điện tử Khi điện tử xuất hiện, mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi thiếu điện tích âm –q, nghóa dư điện tích dương +q Ta gọi lỗ trống (hoặc: lỗ) Như vậy, chất bán dẫn khiết vừa xét (gọi bán dẫn i) có hai loại điện tích tự xuất cung cấp lượng: điện tử lỗ trống Mật độ chúng (nồng độ đơn vị thể tích) thường ký hiệu ni, pi ni = pi (2-1-1) Điện tử lỗ trống hai loại hạt mang điện, chuyển động có hướng tạo nên dòng điện, thường dược gọi chung hạt dẫn 2.1.3 Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Chất bán dẫn khiết (Si Ge) pha thêm tạp chất thuộc nhóm (ví dụ Asenic Ge Si Si Si Phosphore Si) với hàm lượng thích đáng cho nguyên tử Si Si Si tạp chất chiếm chỗ nút mạng tinh thể thể dẫn điện thay đổi Thật khác với chất Si P Si (ví dụ Si h 2-1-2), nguyên tử tạp chất (chẳng hạn Phosphore) vỏ Si Si Si Điện tử có điện tử, điện tử thứ tham gia liên kết hóa trị với nguyên tử lân cận (tương tự liên kết Hình 2-1-2 Mạng tinh thể bán dẫn N mạng Si khiết) Điện tử thứ liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử xung quanh, cần cung cấp lượng nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng v.v…), điện tử thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trởû thành hạt dẫn tự Nguyên tử tạp chất bị ion hoá trởû thành ion dương Nếu có điện trường đặt vào, hạt dẫn tự nói chuyển động có hướng, tạo nên dòng điện Như vậy, tạp chất nhóm cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên gọi tạp chất cho (hoặc tạp donor) Chất bán dẫn có pha tạp donor gọi bán dẫn loại N (hoặc bán dẫn điện tử) Nếu gọi Nd nồng độ tạp donor (chứa đơn vị thể tích chất bản) cung cấp lượng đầy đủ (chẳng hạn đặt chất bán dẫn môi trường có nhiệt độ cao 00K ví dụ –300C), toàn nguyên tử tạp chất đều bị ion hoá Nồng độ điện tử tự do tạp chất cung cấp tương ứng là: nd = N d 12 Bài giảng Kỹ thuật điện tử (2-1-2) Chương - Các linh kiện bán dẫn Ngoài tượng giải phóng điện tử tự nhờ tạp donor vừa nêu, riêng chất có trình sản sinh cặp điện tử - lỗ trống tác động nhiệt độ (hoặc ánh sáng,…), giống bán dẫn Vì tổng nồng độ điện tử tự chất bán dẫn loại N (ký hiệu nn) baèng : nn = N d + p n Si Si Si Si (2-1-3) Si pn nồng độ lỗ trống bán dẫn N Như bán dẫn naøy: nn >> pn Si Si Si B Si Si Si Lỗ trống (2-1-4) Hình 2-1-3 Mạng tinh thể bán dẫn P Ta gọi điện tử hạt dẫn đa số, lỗ trống hạt dẫn thiểu số Thông thường, người ta bỏ qua vai trò hạt dẫn thiểu số, lấy gần bán dẫn N: nn ≈ N d (2-1-5) Trường hợp tạp chất pha vào thuộc nhóm bảng tuần hoàn nguyên tố (chẳng hạn Bore Si, Indium Ge), lớp vỏ nguyên tử tạp chất có điện tử, tham gia vào mạng tinh thể chất (ví dụ Si h.2-1-3) tạo nên mối liên kết hoàn chỉnh, mối liên kết thứ tự bị bỏ hở Chỉ cần kích thích nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng,…) điện tử mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh đến vào liên kết bỏ hở nói Nguyên tử tạp chất lúc trởû thành ion âm Tại mối liên kết mà điện tử vừa khỏi dư điện tích dương, nghóa xuất lỗ trống Nếu có điện trường đặt vào, lỗ trống tham gia dẫn điện Như vậy, tạp chất nhóm tiếp nhận điện tử từ chất để làm sản sinh lỗ trống nên gọi tạp chất nhận (hoặc tạp acceptor) Chất bán dẫn có pha tạp nhóm gọi bán dẫn loại P (hoặc bán dẫn lỗ trống) Cũng trường hợp trên, gọi Na nồng độ tạp acceptor, điều kiện ion hoá toàn (ví dụ chất bán dẫn nhiệt độ từ –300C trởû lên), nồng độ lỗ trống tạp chất gây là: pa = Na (2-1-6) Ngoài số lỗ trống kể trên, chất tồn điện tử lỗ trống (số lượng nhau) tác động nhiệt độ ánh sáng gây nên, giống bán dẫn Vì vậy, ký hiệu nồng độ tổng lỗ trống điện tử chất bán dẫn loại P xét pp np thì: pp = Na + np rõ ràng (2-1-7) pp >> np (2-1-8) Lỗ trống hạt dẫn đa số, điện tử hạt dẫn thiểu số Thông thường, nồng độ hạt dẫn thiểu số không đáng kể, bán dẫn P, người ta lấy gần đúng: pp ≈Na Bài giảng Kỹ thuật điện tử (2-1-9) 13 Chương - Các linh kiện bán dẫn Tóm lại, tùy theo tạp chất pha vào thuộc nhóm hay nhóm mà chất bán dẫn (bán dẫn i) trởû thành bán dẫn P hay bán dẫn N Hạt dẫn đa số tương ứng lỗ trống điện tử Các nguyên tử tạp chất kích thích (nhời nhiệt độ ánh sáng…) trởû thành ion âm acceptor ion dương donor Định nghóa mang tính lý tưởng hoá Trên thực tế, nhiều chất bán dẫn có chứa hai loại tạp acceptor Khi Nd > Na chất bán dẫn thể bán dẫn loại N Tương tự Na > Nd: bán dẫn loại P Còn Nd ≈ Na: coi bán dẫn i Cũng cần lưu ý thêm trạng thái cân bằng, chất bán dẫn trung hòa điện, nghóa tổng điện tích dương trị số tổng điện tích âm thể tích 2.1.4 Giải thích chế dẫn điện theo lý thuyết vùng lượng Trên giải thích cách định tính dẫn điện ba loại bán dẫn dựa cấu tạo nguyên tử Để tính toán định lượng độ dẫn điện chất rắn nói chung, phù thuộc điện trởû xuất vật liệu vào tham số khác, người ta phải dùng lý thuyết vùng lượng mà đề cập sơ lược – Giản độ lượng điện tử chất rắn Như biết, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện dương lớp vỏ điện tử mang điện âm (gọi lớp K, L, M … đánh số số lượng tử n = 1, 2, 3…) Mỗi lớp lại phân thành số lớp nhỏ (ký hiệu 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 3d…) số lượng điện tử tối đa lớp số xác định Ví dụ lớp s (1s, 2s 3s,…) lớp có tối đa điện tử, lớp p (2p, 3p, 4p,…) lớp có tối đa điện tử Điện tử lớp nhỏ có lượng W định Các giá trị lượng rời rạc, xếp thành nhiều mức khác Đồ thị biễu diễn mức lượng điện tử điện tử cô lập (cách xa nguyên tử khác) h.2-1-4 (con số ghi mức số điện tử tối đa mức đó) Ta thấy lớp vỏ gần hạt nhân có lượng bé Càng xa hạt nhân, lượng tăng, đồng thời khoảng cách mức giảm dần Các mức phía sít nhau, gần liên tục Điện tử có xu hướng “chiếm” mức lượng bé trước, tức xếp lớp vỏ phía trước Sau đó, lớp bên đầy “chiếm” dẫn Vì lớp phía có đủ số điện tử tối đa (gọi lớp đầy mức đầy), lớp phía thường chưa đầy trống Chỉ điện tử lớp vỏ chưa đầy có khả thoát khỏi trạng thái ràng buộc trởû thành tự Trong mạng tinh thể chất rắn, nguyên tử không đứng đơn độc mà xếp gần Vì trạng thái lượng điện tử bị thay đổi Mỗi mức lượng, đặc trưng cho lớp nhỏ nguyên tử cô lập trước đây, bị phân ly thành nhiều mức khác nhau, kế cận nhau, tạo thành vùng lượng Số lượng mức vùng lớn (bằng số lượng nguyên tử tạo nên mạng tinh thể), khoảng cách mức bé, coi vùng lượng liên tục Tuỳ theo cự ly nguyên tử, tức tuỳ theo “hằng số mạng tinh thể” nguyên tố, mà đồ thị vùng lượng nguyên tố khác nhau: vùng lượng cho phép (tương ứng với mức rời rạc trước đây) gối nhau, tách rời nhau, cách vùng mức cho phép (vùng cấm) W 4d 3d 4p 4s 3p 10 10 6 3s 2p 2s 1s Hình 2.1.4 Các mức lượng điện tử nguyên tử cô lập Hình 2-1-5a minh hoạ trình phân ly mức lượng thành vùng lượng khoảng cách nguyên tử d giảm dần đồi vời trường hợp Berium Tương ứng với cự ly d0 mạng tinh thể Berium (Be), giản đồ vùng lượng (còn gọi cấu trúc vùng lượng ) có dạng h.2-1-5b 14 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Ta thấy mức đầy 2s mức trống W W 2p phân ly thành hai vùng gối lên nhau, tạo thành vùng chung chưa đầy Khi kích thích, điện tử vùng dễ dàng nhận thêm lượng để nhảy lên chiếm mức trống phía trước, nghóa trởû thành Vùng trống 2p điện tử tự chúng sẵn sàng chuyển (vùng dẫn) động có hướng tạo nên dòng điện có điện trường tác dụng 2s Vùng lượng tương ứng với Vùng đầy mức có đủ số điện tử tối đa chiếm (vùng hoá trị) giữ gọi vùng đầy Vùng lượng ứng với mức trống gọi vùng trống Phạm vi hai vùng, Vùng cấm không chứa mức lượng cho phép điện tử, gọi vùng 1s Vùng đầy cấm Thông thường, người ta quan tâm đến điện tử có khả dẫn điện, O tức điện tử lớp vỏ b) a) Vùng lượng ứng với chúng gọi vùng hoá trị Vùng trống phía (kề Hình 2.1.5 Phân ly mức thành vùng lượng sát cách ly vùng cấm) gọi vùng dẫn điện (hoặc vùng dẫn) Người ta ý đến vùng này, vùng cấm vùng đầy tương ứng với lớp điện tử phía trong, để ý 2- Sự dẫn điện kim loại, điện môi bán dẫn Giản đồ vùng lượng 00K sở để phân tích ba loại ba loại vật rắn điển hình: kim loại, điện môi bán dẫn Đối với kim loại, giản đồ vùng lượng có dạng hình 2-1-6a Ở đây, tương tự trường hợp Berium vừa giới thiệu trên, vùng dẫn vùng hoá trị gối lên nhau, vùng cấm xen vào Vì vậy, nhiệt độ xấp xỉ 00K, điện tử nhảy lên chiếm mức trống vùng dẫn, trởû thành tự tham gia dẫn điện Đối với chất điện môi (chất cách điện), vùng dẫn cách vùng hoá trị bề rộng vùng cấm Wg tương đối lớn (H.2-16b) Ở 00K vùng dẫn hoàn toàn trống, điện tử, chất điện môi không dẫn điện Trong vùng hoá trị mức trống điện tử thay đổi lượng Muốn trởû thành tự để tham Vùng dẫn Vùng dẫn Wg Vùng hoá trị Wg WC WV Vùng hoá trị a) b) c) Hình 2.1.6 Giản đồ vùng lượng kim loại (a), điện môi (b) bán dẫn (c) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 15 Chương - Các linh kiện bán dẫn gia dẫn điện, điện tử vùng hoá trị phải cung cấp lượng lớn, đủ sức vượt bề rộng vùng rộng để chiếm mức trống vùng dẫn Nhưng Wg lớn, khả khó xảy Vì điều kiện bình thường, dù có điện áp đặt vào, chất điện môi chất cách điện Trường hợp chất bán dẫn (H.2-1-6c) bề rộng vùng cấm hẹp nhiều so với chất điện môi (ví dụ Si có Wg = 1,1 eV, Ge có Wg = 0,7 eV) Vì vậy, cung cấp lượng, số điện tử vùng hoá trị vượt qua vùng cấm, nhảy lên chiếm mức phía vùng dẫn để tham gia dẫn điện Quá trình tường ứng với tượng xảy cấu trúc nguyên tử nói tới 2-1-2: điện tử hoá thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trởû thành tự Mức lượng vùng hoá trị mà điện tử vừa rời khỏi, trước đặc trưng lỗ trống Khả dẫn điện chất bán dẫn tốt hay xấu tuỳ thuộc vào số lượng điện tử tự vùng dẫn số lượng lỗ trống vùng hoá trị Con số lại phụ thuộc hai yếu tố : - Số lượng mức lượng vùng dẫn vùng hoá trị (hoặc nói cách khác: mật độ phân bố mức lượng hai vùng đó) - Tình trạng có hay điện tử mức vùng dẫn, có hay lỗ trống mức vùng hoá trị (Nói cách khác: xác suất chiếm mức lượng điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hoá trị) Vật lý thống kê học lượng tử xác định hàm phân bố xác suất nói Từ tính nồng độ hạt dẫn chất bán daãn: ⎛ W − WF ⎞ n = N c exp⎜ − c ⎟ kT ⎠ ⎝ ⎛ W − Wv ⎞ p = N v exp⎜ − F ⎟ kT ⎠ ⎝ (2-1-10) (2-1-11) đó: Wc mức lượng thấp (đáy) vùng dẫn; Wv mức lượng cao (đỉnh) vùng hoá trị (xem h.2-1-6c); k số Bolzman; T : nhiệt độ tuyệt đối chất bán dẫn; WF lượng Fecmi (còn gọi: mức fecmi) đại diện cho lượng lớn mà điện tử có 00K (hoặc lượng mà xác suất điện tử có giá trị 50% nhiệt độ lớn 00K) Vị trí mức Fecmi giản đồ lượng tuỳ thuộc vào loại tạp chất nồng độ chúng Nc, Nv mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn vùng hoá trị Giá trị chúng tăng theo nhiệt độ (tỷ lệ với T3/2) Lấy tích số (2-1-10) (2-1-11), lưu ý rằng: Wc - Wv = Wg (bề rộng vùng cấm) Ta đến : ⎛ W ⎞ np = N c N v exp⎜ − g ⎟ ⎜ kT ⎟ ⎠ ⎝ (2-1-12) vậy, tích số nồng độ hạt dẫn da số thiểu số chất bán dẫn phụ thuộc nhiệt độ bề rộng vùng cấm, không phụ thuộc vị trí mức Fecmi, nghóa không phụ thuộc vào nồng độ tạp pha vào Đối với chất bán dẫn : ⎛ − wg ⎞ n i = p i = N c N v exp⎜ ⎜ 2kT ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ (2-1-13) ta thấy nồng độ hạt dẫn (và độ dẫn điện) bán dẫn tăng nhanh theo nhiệt độ tỉ lệ ⎡ với ⎢T ⎣ 3/ ⎛ − w g ⎞⎤ exp⎜ ⎟ ⎜ 2kT ⎟⎥ ⎠⎦ ⎝ Do tích np không phụ thuộc nồng độ tạp chất, hệ thúc (2-1-12) thường viết lại dạng: np = ni2 (2-1-14) Biểu thức đặc trưng cho chất bán dẫn trạng thái cân 16 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Bán dẫn loại N bán dẫn loại P Trên hình 2-1-7 giản đồ lượng điện tử bán dẫn N Tạp chất donor có mức lượng Wd nằm vùng cấm, gần sát đáy Wc vùng dẫn Vì cần nhận lượng bé điện tử hoá trị tạp nhảy từ mức Wd lên vùng dẫn, trởû thành tự do, nguyên tử donor trởû thành ion dương (Quá trình “nhảy mức” tương ứng với tượng mô tả cấu trúc nguyên tử trước đây: điện tử thứ liên kết yếu với hạt nhân nguyên tử xung quanh, dễ dàng trởû thành điện tử tự do) Wd - - Wg + + + WC WV Hình 2.1.7 Giản đồ vùng lượng bán dẫn N Ở nhiệt độ bình thường, lượng nhiệt mà điện tử nhận vượt xa giá trị lượng cần thiết nói trên, vùng dẫn luôn có điện tử tự toàn tạp donor bị ion hoá Trong điều kiện đó, nồng độ điện tử tự bán dẫn N xác định theo (2-1-3): nn = Nd + Pn ≈ Nd Còn nồng độ lỗ trống suy từ (2-1-14): n i2 n i2 pn = = n n Nd (2-1-15) ta thấy, nồng độ ni tăng nhiều theo nhiệt độ [xem (2-1-13)] nên nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng nhanh theo nhiệt độ Trên hình 2-1-8 giản đồ lượng điện tử bán dẫn loại P Tạp acceptor có mức lượng Wa nằm vùng cấm, gần với đỉnh Wv vùng hoá trị Khi cung cấp lượng tương đối bé (nhờ nhiệt độ, ánh sáng v.v…), điện tử từ mức phía vùng hoá trị nhảy lên chiếm mức Wa để lại mức trống tức lỗ Còn nguyên tử tạp chất trởû thành ion âm Wa - Wg - WC - - WV Quá trình tương ứng với tượng mối Hình 2.1.8 Giản đồ vùng liên kết tạp chất nhóm bị bỏ hở, điện tử từ nguyên tử bên lượng bán dẫn P cạch đến chỗ làm xuất lỗ trống Trong điều kiện toàn tạp chất bị ion hoá (điều thường xảy ra) nồng độ lỗ trống bán dẫn P xác định theo (2-1-7): pa = Na + np ≈ Na Còn nồng độ hạt dẫn thiễu số xác định dựa vào (2-1-14): n2 n2 np = i = i pp Na (2-1-16) Cuõng trường hợp rõ ràng nồng độ tăng nhanh theo nhiệt độ 2.2 CHUYỂN ĐỘNG TRÔI VÀ KHUẾCH TÁN CỦA HẠT DẪN 2-2-1 Chuyển động trôi Như biết, đặt điện tử lỗ trống vào môi trường chân không có điện trường tác dụng, hạt dẫn chuyển động có gia tốc (nhanh dần chậm dần đều) Ở mạng tinh thể chất rắn, tình hình xảy không hoàn toàn Mạng tinh thể chứa Bài giảng Kỹ thuật điện tử 17 Chương - Các linh kiện bán dẫn nhiều nguyên tử (kể tạp chất), chúng luôn dao động nhiệt Vì chịu tác dụng điện trường, hạt dẫn đường chuyển động có gia tốc va chạm với nguyên tử mạng tinh thể Mỗi lần va chạm làm thay đổi trị số chiều vận tốc nghóa làm tán xạ chúng Chuyển động hạt dẫn mạng tinh thể chất rắn tác dụng điện trường gọi chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn) Trong chuyển động trôi, vận tốc trung bình điện tử lỗ trống tỷ lệ với cường độ điện trường (hoặc gradien điện thế) gây chuyển động đó: dϕ (2-2-1) v n = −µ n E = µ n dx dϕ (2-2-2) v p = µ p E = −µ p dx Hệ số tỷ lệ hai hệ thức gọi độ linh động điện tử (µn) lỗ trống (µp) Về ý nghóa, chúng vận tốc trôi trung bình hạt dẫn điện trường đơn vị (1 V/cm) Trị số µ phụ thuộc vào nhiệt độ, vào nồng độ tạp chất Ngoài ra, điện trường lớn, phụ thuộc vào cường độ điện trường Ở nhiệt độ thường (3000K), giá trị điển hình chúng sau: Trong Ge : µn = 3800cm2/V.S, µp = 1800cm2/V.S V + Trong Si : µn = 1300cm2/V.S, µp = 500cm2/V.S Dòng điện chuyển động trôi hạt dẫn gây nên gọi dòng điện trôi Để xác định dòng này, ta giả thiết đặt chất bán dẫn (có nồng độ điện tử lỗ trống n, p) vào điện trường cường độ E h 2-2-1 (E dương trùng với chiều dương trục x) E I + vp - l x Số lượng điện tích qua đơn vị tiết diện, đơn vị thời gian (tức mật độ dòng trôi) là: Hình 2-2-1 Chuyển động trôi (2-2-3) (jn)tr = (-q)nvn = qnµnE (2-2-4) hạt dẫn tác dụng điên trường (jp)tr = qnvp = qnµpE (vn có dấu âm điện tử chạy ngược trục x) Hai dòng chiều Vì mật độ trôi tổng hợp 2-2-5) Jtr = (jp)tr + (jn)tr = q(pµn + pµp)E Mặt khác gọi ρ điện trở xuất (hoặc σ = 1/ρ điện dẫn suất) chất bán dẫn xét điện trởû khối bán dẫn vẽ H.2-2-1 xác định bởi: 1 l (2-2-6) R =ρ = S σS l chiều dài, S tiết diện khối bán dẫn Khi có điện áp V đặt vào, mật độ dòng điện trôi qua chất bán dẫn xác định theo định luật Ohm: I V (2-2-7) jtr = = s SR Thay R theo (2-2-6), đồng thời giả thiết điện trường khối bán dẫn đều: E = V/I ta đến : (2-2 8) jtr = σE So sánh (2-2-8) với (2-2-5), ta xác định điện dẫn suất bán dẫn: 18 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn σ = q(pµp + nµn) (2-2-9) Rõ ràng nồng độ hạt dẫn lớn, độ linh động hạt dẫn cao điện dẫn suất chất bán dẫn lớn (hoặc điện trởû suất nhỏ) Trường hợp bán dẫn (ni = pi): σi = qni(µp + µn) (2-2-9a) σn = qnnµn (2-2-9b) σp ≈ qppµp (2-2-9c) Bán dẫn loại N (nn >> pn): bán dẫn loại P (pp >> np) 2.2.2 Chuyển động khuếch tán Trong chất rắn, hình thức chuyển động trôi tác dụng điện trường, hạt dẫn chuyển động khuếch tán Dạng chuyển động xảy cho phần tử vật chất có phân bố không đồng thể tích (Nói cách khác: gradien nồng độ khác không) Đối với chất bán dẫn, nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đồng đều, Chúng khuếch tán từ nơi nồng độ cao nơi nồng độ thấp Dòng điện chuyển động có hướng gây gọi dòng điện khuếch tán Để đơn giản, giả thiết nồng độ điện tử lỗ trống phân bố không đồng theo phương x (h2.2.2) Số lượng hạt dẫn khuếch tán qua đơn vị tiết diện thời gian dt tỷ lệ với dp dn mức chênh lệch nồng độ ( ; , gọi: gradien dx dx nồng độ) tỷ lệ với thời gian dt: dp (2-2-10) dP = − D p dt dx dn dN = − D n dt dx (dấu trừ khuếch tán phía nồng độ giảm) p n dN + dP p(x) O n(x) x (jp)kt (jn)kt Hình 2-2-2 Phân bố không hạt dẫn gây nên chuyển động khuếch tán (2-2-11) Hệ số tỷ lệ Dp, Dn gọi hệ số khuếch tán lỗ trống điện tử Mật độ dòng điện khuếch tán chuyển động gây (chiều dương quy ước chiều trục x) là: dP dN jkt = ( jp ) kt + ( jn ) kt = q + ( −q ) dt dt dp dn dn dp ⎞ ⎛ (2-2-12) = −qD p + qD n = q⎜ D n − Dp ⎟ dx dx dx dx ⎠ ⎝ Trong ví dụ nêu H.2-2-2, theo chiều trục x, nồng độ p giảm dần, nồng độ n tăng dp dn dần, nghóa âm, dương Vì hai số hạng (2-2-12) dấu, nói cách dx dx Bài giảng Kỹ thuật điện tử 19 Chương - Các linh kiện bán dẫn khác: dòng điện khuếch tán điện tử lỗ trống chiều Đây trường hợp chuyển tiếp P-N (hoặc diode bán dẫn) mà ta đề cập phần sau Hệ số khuếch tán Dp, Dn phụ thuộc vào nhiệt độ độ linh động hạt dẫn Người ta có hệ thức Einstein sau đây: Dp =ϕTµp (2-2-13a) Dn =ϕTµn (2-2-13b) Trong ϕT số, phụ thuộc nhiệt độ có thứ nguyên điện thế, gọi điện nhiệt: kt ϕT = (2-2-14) q k: số bolzman q: điện tích điện tử T: nhiệt độ tuyệt đối chất bán dẫn Ở nhiệt độ thường (T = 3000K), thay giá trị k q vào có: ϕT = 0,025V =25mV (2-2-15) 2-3 CHUYỂN TIẾP P-N VÀ ĐẶC TÍNH CHỈNH LƯU Sau có khái niệm chế dẫn điện loại bán dẫn phương thức chuyển động hạt dẫn chúng, khảo sát tượng xảy tiếp xúc hai bán dẫn khác loại a + + + - 2.3.1 Chuyển tiếp P-N trạng thái cân Giả sữ có hai khối bán dẫn loại P loại N tiếp xúc theo tiết diện phẳng h.2-3-1a Trước tiếp xúc, khối bán dẫn nằm trạng thái cần (tổng điện tích cần với tổng điện tích âm thể tích) đồng thời giả thiết nồng độ hạt dẫn nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều, tiếp xúc nhau, chênh lệch nồng độ (pp >> pn; nn >>np) xảy tượng khuếch tán hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ P sang N) mà mật độ dòng tổng hợp xác định (2-2-12): Trên đường khuếch tán, điện tích khác dấu tái hợp với nhau, làm cho vùng hẹp hai bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống thấp (hình 2-3-1b) Tại vùng (vùng có bề dày l0 hình 2-3-1a), Bên bán dẫn P lại ion âm acceptor, bên bán dẫn N lại ion donor, nghóa hình thành hai lớp điện tích không gian khác dấu đối diện (h.2-31c) Giữa hai lớp điện tích có chênh lệch 20 p,n P N - + - - - + + + + - + - - - + + + + - + - - - + + + + lo pp nn pn np b O lp Q c ϕ d) ln + O x x Etx Vtx O x lp + ln Hình 2-3-1 Sự hình thành chuyển tiếp P-N; (a) phân bố nồng độ hạt dẫn; (b) mật độ diện tích; (c) phân bố điện thế; (d) theo phương x Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn tăng lên, khiến α giảm Điều làm cho đặc tuyến vùng dòng điện lớn ngày lêïch khỏi quy luật tuyến tính Mạch emitter chung (E.C) Tương tự mạch B.C, mạch có họ đặc tuyến thông dụng a) Đặc tuyến vào IB(µA) IB = f(VBE) VCE = const phản ánh quan hệ dòng áp chuyển tiếp JE ngõ vào (h 2-5-11) Thực chất nhánh thuận đặc tuyến diode b) Đặc tuyến IC = f(VCE) I B = const (h 2-5-12) 300 200 VCE= 5v VCE= 10v 100 VBE(V) So với đặc tuyến mạch B.C, họ đặc tuyến 0.5 mạch E.C có vài khác biệt: - Đường thấp (ứng với IB = 0) phản ánh giá trị Hình 2.5.11 Họ đặc tuyến vào dòng điện ngược collector mạch E.C (ICEO) Dòng tónh BJT mắc E-C lớn dòng ICBO mạch B.C (hệ thức 2-5-7), khoảng cách đặc tuyến trục hoành lớn Phạm vi phía đặc tuyến gọi miền tắt (hoặc miền khóa), ứng với trạng thái JE JC phân cực nghịch - Các đặc tuyến phía (ứng với IB ≠ 0) bao gồm ba đoạn Đoạn chếch xiên (ứng với trạng thái dẫn bão hòa BJT) lúc nằm bên phải trục tung (trong phạm vi VCE từ 0V đến cỡ 1,2V) Khi VCE = 0, dòng IC giảm không, đặc tuyến qua gốc toạ độ – Đoạn nằm ngang (ứng với trạng thái khuếch đại BJT) có độ dốc lớn so với đặc tuyến mạch B.C – Còn đoạn dốc đứng (vẽ chấm chấm bên phải) ứng với trình đánh thủng Giải thích điều cần dựa vào đặc điểm mạch E.C Ở nguồn E2 (và điện áp VCE) không gây phân cực nghịch chuyển tiếp JC mà có phân lượng nhỏ hạ chuyển tiếp JE, khiến JE phân cực thuận Vì VCE tăng (bằng cách tăng nguồn E2) tình trạng phân cực thuận JE tăng, khiến dòng IC tăng nhanh Ngoài hiệu ứng Early: VCE tăng, chiều dày thực tế miền base thu hẹp, số hạt dẫn hao hụt đường giảm bớt số tới collector nhiều lên Hai lý làm cho đặc tuyến có độ dốc lớn Mặt khác : VCB = VCE - VBE JE phân cực thuận nên VBE thay đổi, VCB giảm dần theo trình VCE Khi VCE giảm đến giá trị bé (tương ứng với điểm uốn đặc tuyến – ranh giới đoạn chếch xiên đoạn nằm ngang) VCB trởû nên không Sau đó, VCE tiếp tục giảm VCB đổi dấu, nghóa JC trởû nên phân cực thuận Lúc này, qua miền base có thêm dòng điện thuận JC (chạy ngược chiều dòng IC) làm dòng tổng hợp giảm Quá trình tương ứng với trạng thái dẫn bão hoà BJT (đoạn đặc tuyến chếch xiên cạnh trục tung) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 45 Chương - Các linh kiện bán dẫn IC(mA) Khi tăng VCE lên lớn đánh thũng Miền IB5 chuyển tiếp JC - Quá trình tương tự Miền đánh IB4 dẫn thủng mạch B.C giá trị VCE tương bão9 ứng thường nhỏ điện áp đánh thủng IB3 hoà VCB mạch B.C Điều bắt nguồn từ IB2 tượng phận nhỏ VCE hạ IB1 JE làm phân cực thuận chuyển tiếp nhận xét Khi VCE lớn, IB = 0v dòng hạt dẫn từ emiter phun vào miền 12 VCE(V) base lớn, tạo tiền đề trình đánh ICEO thủng (thác lũ tunen) xảy sớm Hình 2.5.12 Họ đặc tuyến tónh BJT mắc E-C Ở transistor tần số cao, bề dày miền base mỏng, đánh thủng dạng khác: VCE lớn, vùng nghèo JC mở rộng tới mức choán hết thể tích miền base, gây nối tắt IC(mA) hai miền C-E VCE= 10v c) Đặc tuyến truyền đạt dòng điện 15 IC = f(IB) (xem h 2-5-13) VCE = const VCE= 5v 10 Quan hệ này, cách lý thuyết, suy từ hệ thức (2-5-5) Độ dốc đặc tuyến hệ số khuếch đại dòng điện β Trong phạm vi dòng điện lớn, giá trị β giảm, đặc tuyến không tuyến tính IB(µA) Để vẽ đặc tuyến (cũng mạch B.C) không 300 100 200 thiết phải tiến hành đo cặp trị giá tương ứng IC, IB (hoặc IC , IE mạch B.C) mà ngoại suy từ họ Hình 2.5.13 Họ đặc tuyến truyền đặc tuyến đạt dòng điện BJT mắc E-C Mạch collector chung (C.C) - Họ đặc tuyến vào tính chất lý thuyết mạch C.C IB = f(VBC) VCE = const thực tế dùng Còn đặc tuyến IE = f(VEC) I B = const đặc tuyến truyền đạt dòng điện IE = f(IB) VEC = const Thì gần giống đặc tuyến tương ứng mạch E.C, IE ≈ IC 2-5-5 Tham số xoay chiều mạch tương đương BJT Tham số xoay chiều Các họ đặc tuyến tónh giới thiệu biểu thị quan hệ giữ dòng áp chiều điện cực Chúng giúp ta hình dung rõ ràng hoạt động BJT dòng điện 46 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn (hoặc điện áp) thay đổi Điều đặc biệt tiện lợi lựa chọn vị trí điểm làm việc ban đầu (điểm làm việc tónh) BJT BJT làm việc với tín hiệu lớn (điện áp vào điện áp tăng giảm phạm vi rộng điểm làm việc tức thời BJT di chuyển khoảng dài đặc tuyến) Trên thực tế, nhiều BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, có nghóa sở điểm áp chiều phân cực cho hai chuyển tiếp JE, JC (xác định điểm làm việc tónh BJT) có thêm điện áp xoay chiều eS biên độ nhỏ đưa đến ngõ vào để BJT khuếch đại thành tín hiệu xoay chiều đáng kể tải ngõ Trong trạng thái đó, (gọi trạng thái động tín hiệu nhỏ), cách gần đúng, coi BJT phần tử tuyến tính, tức phân tử mà quan hệ dòng áp thể hàm bậc Điều hoàn toàn cho phép vì, thấy rõ từ đồ thị phần phạm vi hẹp điện áp dòng điện, đặc tuyến vôn-ampe BJT coi đoạn thẳng với độ dốc không đổi Với quan niệm vậy, thay BJT trạng thái động tín hiệu nhỏ mạng bốn cực tuyến tính h.2-5-14 Ở đây, I1 I2 cách tổng quát, ký hiệu điện áp dòng điện ngõ vào V1, I1 (hoặc Vi , Ii) ngõ V2, V2 I2 (hoặc Vo , Io) với chiều quy ước hình vẽ V1 BJT Sau này, áp dụng cho sơ đồ cụ thể (B.C, E.C hay C.C) đại lượng kể điện áp hay dòng điện cực Hình 2.5.14 Mạng bốn cực thay cho BJT tương ứng transistor, đồng thời tùy theo loại BJT (N-P-N hay P-N-P) mà chúng có dấu (hoặc chiều) thích hợp Khi diễn tả quan hệ V1, I1, V2, I2 có sáu cách chọn biến số ghi bảng sau: Biến số I1, I2 V1, V2 I1, V2 V1, I2 V2, I2 V1, I1 Hàm số V1, V2 I1, I2 V1, I2 I1, V2 V1, I1 V2, I2 Trên thực tế thông dụng cách đầu tương ứng với chúng có hệ tham số đặc trưng cho BJT: hệ tham số z, y h Dưới trình bày loại thông dụng nhất: hệ tham số h Thật vạây, chọn I1, V2 làm hai biến độc lập, V1, I2 hàm chúng hoạt động tính BJT (cũng mạng cực tương đương) diễn tả hai quan hệ hàm sau đây: V1 = f1 (I1 , V2 )⎫ (2-5-8) ⎬ I = f (I1 , V2 ) ⎭ Áp dụng cách tính vi phân toàn phần hàm hai biến ta có: ∂V ∂V (2-5-8) dV1 = dI1 + dV2 ∂I1 ∂V2 ∂I ∂I (2-5-10) dI = dI1 + dV2 ∂I1 ∂V2 ∂V1 Goïi (2-5-11) = h11 (hoaëc hi) ∂I1 ∂V1 (2-5-12) = h 12 (hoaëc hr) ∂V2 ∂I (2-5-13) = h 21 (hoaëc hf) ∂I1 Bài giảng Kỹ thuật điện tử 47 Chương - Các linh kiện bán dẫn ∂I = h 22 (hoặc ho) ∂V2 (2-5-14) đồng thời ký hiệu lượng biến thiên dV1, dV2, dI1, dI2 chữ thường v1, v2, i1, i2 (chúng đại diện cho điện áp dòng điện xoay chiều nguồn tín hiệu eS gây cực BJT trạng thái động), hệ phương trình trởû thành: ⎧v1 = h11i1 + h12 v (2-5-15) , (2-5-16) ⎨ ⎩i = h 21i1 + h 22 v Ta gọi hệ phương trình dùng tham số h Nó diễn tả quan hệ dòng áp ngõ vào ngõ mạng cực (đại diện cho transistor) nói cách khác: gián tiếp phản ánh mối quan hệ tiềm ẩn bên transistor làm việc trạng thái động tín hiệu nhỏ Từ hệ phương trình dùng tham số h, ta rút ý nghóa tham số: v h 11 = hi i1 v = điện trởû vào (tổng quát hơn: trởû kháng vào) BJT điện áp xoay chiều ngõ bị ngắn mạch i h 21 = hf i1 v = hệ số khuếch đại dòng điện (hoặc: độ lợi dòng) BJT ngõ bị ngắn mạch tín hiệu xoay chiều i h 22 = ho v i1 = điện dẫn (tổng quát hơn: dẫn nạp ra) BJT dòng xoay chiều ngõ vào bị hở mạch v h12 = hr v i1 = hệ số truyền ngược điện áp (còn gọi: hệ số hồi tiếp điện áp) BJT hở mạch ngõ vào tín hiệu xoay chiều Như vậy, phẩm chất, tính transistor thể qua giá trị tham số hij chúng Các hij gọi tham số xoay chiều (hoặc tham số vi phân) BJT Về mặt đơn vị đo, h11 (hoặc hi) có thứ nguyên điện trởû (Ω, KΩ), h22 (hoặc ho) có thứ nguyên điện dẫn (mho siement), h12 (hoặc hr) h21 (hoặc hf) hệ số, không thứ nguyên Vì lý này, h dược gọi tham số hỗn hợp (hybrid) Sau áp dụng cho sơ đồ cụ thể, tùy theo BJT mắc kiểu (B.C, E.C hay C.C) mà tham số có thêm số tương ứng Ví dụ h11B (hoặc hiB) điện trởû vào mạch E.C, v.v…) Bên cạnh tham số h21 (hoặc hf) nhiều người ta dùng tham số “hỗ dẫn”: i gm = v1 v = gm neâu ảnh hưởng điện áp vào dòng điện Dễ dàng chứng minh được: h h hay (2-5-21) g m = 21 gm = f h11 hi h Áp dụng cho mạch E.C g m = fE hay hfE = gmhiE (2-5-22) h iE 48 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Ngoài hệ tham số h, người ta dùng tham số khác: tham số z (hay tham số trởû kháng), tham số y (hay tham số dẫn nạp) Quá trình hệ phương lập hệ phương trình tham số tương tự (chỉ khác cách chọn biến hàm) Ý nghóa thám số zij; yij suy luận cách tương tự v Chẳng hạn z11 = điện trởû vào BJT hở mạch xoay chiều ngõ i1 i = y 22 = i2 điện dẫn BJT ngõ vào bị ngắn mạch điện áp xoay chiều v.v… v v1 = Giữa tham số z, y, h có liên hệ chặn chẽ với Biết hệ tham số, tính giá trị hệ tham số khác i1 i2 Cũng cần lưu ý mặt toán học, tham số xoay chiều giới thiệu thực chất đạo hàm h11 h12.i2 riêng Chúng biểu thị cho độ dốc (hoặc nghịch đảo v2 v1 độ dốc) đặc tuyến tónh tương ứng Vì trị h22 số tham số hij (hoặc zij, yij) thay đổi theo điểm h12.v2 làm việc BJT Mặt khác, tham số xoay chiều có ý nghóa BJT làm việc với tín hiệu nhỏ (a) Mạch tương đương BJT i1(ii) i2(io) Dựa vào hệ phương trình (2-5-15), (2-5-16), ta vẽ mạch tương đương dùng tham số h BJT (đối với h11 tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp) h 2-5h12.i2 v2 v1 15a Trong mạch vào, điện trởû vào h11 (hoặc hi) (Vo) (Vi) có nguồn điện áp h12v2 (hoặc hrvo) Nó thể ảnh hưởng ngõ ngõ vào, tức thể truyền điện áp theo chiều ngược (hiện tượng hồi tiếp nội (b) BJT) Trên thực tế, BJT thường có h12 (hay ii=iB io=iC C B hr) bé (cỡ 10-3 ÷ 10-4), nguồn điện áp hồi tiếp h12v2 (hay hrvo) bỏ qua Ở mạch ra, nguồn dòng điện h21i1 (hoặc hfii) phản ánh khả khuếch đại dòng hfE.iB vi=VBE h vo=VCE BJT (hễ ngõ vào có dòng i1 ngõ có dòng iE tương ứng h21i1; nguồn dòng có nội trở vô E lớn) Điện dẫn h22 (hoặc ho) độ dốc đặc tuyến BJT Thông thường h22 bé (tức điện (c) lớn) nên bỏ qua nhánh Như Hình 2.5.15 Mạch tương đương dùng trởû h 22 tham số h BJT (a) dạng đơn giản sơ đồ tương đương đơn giản hóa (dùng tham số h) hoá (b) dạng đơn giản hoá áp dụng h.2-5-15b Khi áp dụng cho BJT mắc E.C có sơ cho BJT mắc E.C (c) đồ h 2-5-15c, thông dụng sau Ở nguồn dòng hfE iB viết dạng khác lợi dụng quan hệ (2-5-22): V (2-5-15b) h fE i B = h fE BE = g m v BE h iE bên cạch sơ đồ tương đương (gọi sơ đồ toán học), người ta dùng sơ đồ vật lý gọi sơ đồ phản ánh cấu trúc vật lý thực transistor) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 49 Chương - Các linh kiện bán dẫn iE αiE rE B’ E iB riB iE C rC rE E ICBO rB B iC iB iC C rB B (a) rmiE rC B’ (b) Hình 2.5.16 Sơ đồ tương đương vật lý dùng nguồn dòng (a) dùng nguồn áp (b) BJT mắc B.C Chẳng hạn BJT mắc B.C (nền chung), mô theo cấu trúc thực transistor ta có sơ đồ tương đương h 2-5-16a Ở rE điện trởû tương đương vùng nghèo rE = dVEB' dVEB ≈ dI E dI E (2-5-24b) rE nghịc đảo độ dốc đặc tuyến vào (h.2-5-8) va, theo (2-4-3b), nhiệt độ 25[mV ] thường tính rE = (2-5-24b) I E [mA ] rB điện trởû thân miền base dòng điện IB Thông thường BJT công suất nhỏ có rB = 100 ÷ 300Ω rC điện trởû tương đương vùng nghèo collector dV dV ≈ CB rC = CB' dI C I E = const dI C I E = const Do JC phân cực nghịch rC thường lớn (hàng MΩ) Nó nghịch đảo độ dốc đặc tuyến (h.2-5-9) Do rC lớn nên đặc tuyến gần song song với trục hoành (độ dốc nhỏ) Trên thực tế hiệu ứng Early đặc tuyến có độ dốc Nói cách khác giá trị rC vô lớn Nguồn dòng αiE phản ánh khả khuếch đại dòng điện (chính xác hớn khả truyền đạt dòng điện) BJT mắc B.C (khi ngõ vào có dòng iE ngõ có dòng tương ứng αiE) Nguồn điện áp hồi tiếp nội mạch vào bỏ qua không vẽ iB βiB rB B’ B riE iE rCE ICEO rE B (a) iC C B iC C iB riE = ICEO rB+(β+1)rE βiB iC B rCE E (b) Hình 2.5.17 Sơ đồ tương đương vật lý BJT mắc E.C iB riE C βiB E (c) Cũng biến đổi thành dạng sơ đồ tương đương dùng nguồn áp h 2-5-16b, với: (2-5-26) rm = αrC Hệ số α chứa nguồn dòng nguồn áp h 2-5-16 hệ số truyền đạt dòng điện xoay chiều mạch B.C, tương ứng với tham số hfB Nó không đồng với khái niệm “hệ số truyền đạt dòng điện tónh” (dòng chiều) định nghóa (2-5-1) Tuy vậy, giá trị hai tham số thường xấp xỉ nhau, người ta dùng 50 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn chung ký hiệu α Cũng với lý tương tự, mạch E.C (h.2-5-17) nguồn dòng điện hfE iB người ta quen ký hiệu βiB Khi BJT mắc EC (phát chung), sơ đồ tương đương vật lý có dạng h.2-5-17a Ở đây: dV dV ≈ CE rCE = CB' (2-5-27) dI C I B = const dI C I B = const Nó nghịch đảo độ dốc đặc tuyến BJT mắc E.C (h 2-5-12) Như nói phần trước, đặc tuyến có độ dốc lớn hớn so với đặc tuyến mạch B.C trị số rCE lớn nhỏ rC Ở mạch vào h 2-5-17a, ta nhận thấy: vBE = vBB’ + vB’E = iBrB + IErE = iB[rB + (β + 1)rE] = iBriE (2-5-28) đó: riE = rB + (β+1)rE (2-5-29) điện trởû vào transistor mắc E.C (cũng h11E hiE) Mặt khác, mạch có: rCE >> rE Do biến đổi h.2-5-17a thành mạch tương đương đơn giản h.2-5-17b, 2-517c (khi coi rCE lớn) Tóm lại, làm việc chế độ tín hiệu nhỏ, thay BJT hai sơ đồ tương đương nó: sơ đồ toán học (dùng hệ tham số h, y, z) sơ đồ vật lý (dùng tham số rE, rB, rC, rCE, α, β, …) Việc thay giúp có phân tích toán loại lượng đơn giản tiện lợi Ta ứng dụng sơ đồ tương đương này, kết hợp với nguồn tín hiệu ngõ vào, điện trởû tải ngõ ra, điện trởû phân cực để khảo sát tham số tầng khuếch đại dùng BJT phần 4-5 sau Cũng cần lưu ý sơ đồ tương đương chưa kể đến điện dung chuyển tiếp P-N, quan hệ phụ thuộc tần số than số α, β, … chúng dùng cho BJT làm việc tần số thấp trung bình Khi làm việc tần số cao mạch tương đương BJT tạp 2-5-5 Các tham số giới hạn BJT Ngoài tham số chiều xoay chiều (đặc trưng cho chế độ làm việc thông thường BJT) giới thiệu trên, sử dụng, để tránh hư hỏng ta cần lưu ý tham số giới hạn sau đây: Dòng cực đại cho phép Tùy theo diện tích mặt tiếp xúc, vật liệu công nghệ chế tạo, điều kiện tỏa nhiệt v.v… BJT có phép dòng điện tối đa điện cực Ta thường ký hiệu giới hạn IEmax, IBmax, ICmax Điện áp cực đại cho phép VCBmax, VCEmax, VBEmax Đó điện áp không vượt để không gây đánh thủng chuyển tiếp P-N tương ứng Công suất tiếu tán cực đại cho phép Tùy theo kết cấu công nghệ chế tạo, đặc biệt tùy theo điều kiện tỏa nhiệt chuyển tiếp collector mà transistor có công suất tiêu tán cực đại cho phép, ký hiệu PCmax Giá trị thường cho cẩm nang, kèm theo điều kiện cụ thể nhiệt độ môi trường chế độ tỏa nhiệt Khi làm việc tầng khuếch đại đó, để không phá hỏng BJT, công suất tức thời tiêu tán transistor thiết không vượt giá trị PC.max Điều thường thể họ đặc tuyến (ví dụ BJT mắc E.C) đường giới haïn (daïng hyperbol, xem h 2-5-18): P (2-5-30) I C max = C max VCE Bài giảng Kỹ thuật điện tử 51 Chương - Các linh kiện bán dẫn Như phạm vi làm việc cho phép IC BJT bị hạn chế tham số vừa (ICmax, VCEmax, PCmax) Ngoài miền ICmax PCmax IB3 “dòng điện nhỏ” nằm sát trục hoành IC < ICmax= VCE ICEO (ứng với trạng khái khóa BJT) IB2 Miền Miền cho phép hai miền không dùng cho chế độ áp nhỏ làm việc IB1 khuếch đại Tóm lại, loại trừ hạn chế, miền làm việc cho phép minh IB=0 ICmin họa h.2-5-18 Sau này, khảo sát VCE vị trí điểm làm tónh, vị trí đường tải cho VCEmax VCEmin Miền dòng nhỏ phép, công suất tối đa mà tầng khuếch đại đưa tải v.v… ta gặp Hình 2.5.18 Minh hoạ miền làm việc lại giới hạn hai phía dòng điện cho phép họ đặc tuyến BJT điện áp vừa nêu Tần số giới hạn Thông thường BJT làm việc cách hiệu đến tần số định Khi tần số tín hiệu tăng cao, vai trò điện dung chuyển tiếp P-N trởû nên đáng kể Mặt khác, chuyển động hạt dẫn qua chiều dày miền base coi tức thời chiếm thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu Vì vậy, hệ số truyền đạt dòng điện β bị giảm theo tần số; dòng điện dòng điện vào (hoặc điện áp vào) bị lệch pha v.v…, gây nên gọi “méo tần số”, “méo pha” v.v… Giả sử tần số thấp, BJT có hệ số truyền đạt dòng điện α0 (mạch base chung) β0 (mạch emitter chung) Người ta chứng minh rằng, làm việc tần số cao, hệ số α, β trởû thành số phức phụ thuộc vào tần số dạng: αo (2-5-31) α= f 1+ j fα βo β= (2-5-32) f 1+ j fβ fα, fβ số, phụ thuộc vào điện dung chuyển tiếp (CEB, CBC), vào bề dày miền base hệ số khuếch tán hạt dẫn qua miền Dể dàng thấy tần số f = fα modul α bị giảm lần (hoặc dB) so với giá trị α0 Cũng tương tự β f = fβ Theo thứ tự fα, fβ gọi tần số giới hạn (hoặc tần số cắt) mạch B.C mạch E.C Ngoài ra, tần số mà modul β giảm xuống 1, gọi tần số dao động cực đại BJT, ký hiệu fT Người ta chứng minh quan hệ tần số nói sau: fα = (β+1)fβ hay fβ = (1-α)fα (2-5-33) fT = βfβ (2-5-34) Như loại BJT, mắc theo sơ đồ B.C có khả làm việc đến tần số cao so với sơ đồ E.C (Mạch C.C có tần số cắt xấp xỉ mạch E.C) Bảng giới thiệu tham số điển hình vài loại BJT 52 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Bảng 2-5: Tham số điển hình vài loại BJT β Tên gọi Loại ICBO fα VCEOmax VCBOmax 2N930 2N3053 2N3055 45V 40V 90V 45V 60V 100V NPN 60-350 NPN 50-250 NPN 15-120 >50MHz 100MHz 0,8MHz 10Na 0,25µA lCmax 100A 0,7A 15A PCmax (T=25oC) 0,3W 4W 115W 2-6 TRANSISTOR TRƯỜNG (F.E.T- field effect transitor) Khác với BJT vừa nghiên cứu phần (cấu tạo chuyển tiếp P-N, sử dụng hai loại hạt dẫn đa số thiểu số nên thuộc loại lưỡng cực tính hay lưỡng hạt), transistor trường (thường gọi tắt F.E.T) hoạt động dựa điều khiển độ dẫn điện phiến bán dẫn điện trường ngoài, đồng thời dùng loại hạt dẫn (hạt đa số), thuộc loại đơn cực tính (unipolar) Tuy đời muộn BJT, tính có nhiều ưu việt (điện trởû vào lớn , hệ số khuếch đại cao, tiêu thu lượng bé, thuận tiện phát triển theo xu hướng vi điện tử hóa v.v…) ngày ứng dụng rộng rãi Transistor trường bao gồm nhóm: transistor thường dùng chuyển tiếp P-N, gọi tắt J.F.E.T (junction field effect transistor) transistor trường có cực cửa cách ly, gọi tắt IGFET (isolated gate field effect transistor) Hoaëc MOSFET (metal - oxide - semiconductor field S G D SiO effect transistor) Nhoùm IGFET lại chia thành loại: loại kênh có sẵn P+ N+ N+ loại kênh cảm ứng Dưới ta khảo sát cấu Vùng Si-N nghèo tạo hoạt động nhóm 2-6-1 Transistor trường dùng chuyển tiếp P-N đế Si-P (J.F.E.T) Cấu tạo Hình 2.6.2 Cấu trúc JFET chế tạo Cấu tạo đơn giản hoá JFET theo công nghệ planar mạch hoạt động h 2-6-1a C2 ID Thỏi bán dẫn Si loại N hình trụ có điện trởû Vùng nghèo + suất lớn (tức nồng độ tạp donor D tương đối thấp), gắn với hai sợi kim C1 I =0 P G G RD loại đáy đáy (tiếp xúc không chỉnh lưu) Đáy gọi cực VDS RL Rs RG N máng ký hiệu D (từ chữ drain) đáy S gọi cực nguồn ký hiệu S VGS ED EG (source) - vòng theo chu vi thỏi bán es dẫn loại N người ta tạo lớp loại P, + ranh giới hai bán dẫn hình thành chuyển tiếp P-N (vùng (a) nghèo) có điện trởû suất lớn Phần thể D D tích lại thỏi Si (không bị vùng nghèo choán chỗ) gọi kênh dẫn G G Lớp bán dẫn loại P tạo tiếp xúc S S (b) (c) không chỉnh lưu với sợi kim loại, dùng làm cực cửa, ký hiệu G (gate), gọi Hình 2.6.1 Mạch khuếch đại dùng JFET kênh N (a) cực điều khiển Toàn hệ thống ký hiệu (b) ký hiệu loại JFET kênh P (c) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 53 Chương - Các linh kiện bán dẫn đặt vỏ kim loại nhựa gắn kín, có điện cực D, S, G thò Ta gọi JFET kênh N với ký hiệu quy ước h 2-6-1b Một cấu trúc tương tự dùng thỏi bán dẫn bán đầu loại P lớp bao quang chu vi loại N có JFET kênh P - ký hiệu quy ước h.2-6-1c Thật cấu trúc thực tế JFET phức tạp chẳng hạn với công nghệ planar - epitaxy, cấu trúc JFET kênh N h 2-6-2 Các điện cực S, G, D lấy từ bề mặt phiến bán dẫn, vùng N+ dùng để tạo tiếp xúc không chỉnh lưu cực nguồn, cực máng với kênh dẫn loại N Miền P+ đóng vai trò cực cửa Lớp cách điện SiO2 bảo vệ bề mặt Nguyên tắc hoạt động Hãy xét trường hợp JFET kênh N làm ví dụ Nối JFET với nguồn điện áp phân cực EG, ED h 2-6-1a Nguồn ED, thông qua điện trởû RD, đặt điện áp VDS cực máng cực nguồn, gây dòng chuyển động qua kênh dẫn điện tử (hạt đa số thỏi bán dẫn N), tạo nên dòng điện máng ID Mặt khác, nguồn EG tạo điện áp cực cửa cực nguồn, làm cho chuyển tiếp P-N (hình thành cửa kênh dẫn) bị phân cực nghịch, nghóa làm cho bề dày nghèo tăng lên thu hẹp tiết diện kênh dẫn Thật điện trởû suất kênh dẫn lớn nên chạy qua kênh dẫn, dòng ID gây phân bố điện dọc theo chiều dài kênh Các điểm kênh có vị trí gần cực D (tức xa cực S) có điện cao, tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P-N tăng dần theo hướng từ cực S đến cực D Nói cách khác: kênh dẫn có tiến diện giảm dần: gần cực máng, kênh dẫn hẹp Nếu giữ ED không đổi tăng dần giá trị EG, tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P-N tăng: vùng nghèo mở rộng, kênh dẫn thu hẹp Do điện trởû kênh dẫn tăng dòng máng ID giảm Còn dòng cực G cực S dòng ngược chuyển tiếp P-N, thường nhỏ, không đáng kể IG ≈ Nếu điện áp phân cực EG có thêm tín hiệu xoay chiều eS đặt vào cực G cực S (h 2-6-1a) rõ ràng tùy trị số dấu eS mà tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P-N thay đổi Từ đó, điện trởû kênh dẫn bị biến đổi dòng máng bị biến đổi theo Nếu eS tăng giảm theo quy luật hình sin ID tăng giảm theo hình sin Dòng hạ RD thành điện áp, biến thiên dạng với eS biên độ lớn hơn, nghóa JFET khuếch đại tín hiệu Nguyên lý hoạt động JFET kênh P hoàn toàn tương tự, lưu ý có điện áp EG, ED có cực tính ngược lại (h 2-6-3) Tạo nên dòng máng lỗ trống, hạt dẫn đa số kênh P Đặc tuyến vôn-ampe (xét loại JFET kênh N) a) Đặc tuyến (còn gọi: đặc tuyến máng) ID = f(VDS) VGS = const Trước hết xét trường hợp VGS = (ngắn mạch G-S) Tăng dần VDS từ giá trị không trởû đi, quan hệ ID theo VDS có dạng h 2-6-4 (đường cao nhất) Đặc tuyến bao gồm đoạn Đoạn bên trái gần tuyến tính, với độ dốc lớn (đoạn OA) Ở phạm vi này, điện áp VDS nhỏ, phân bố điện VDS gây điện trởû kênh dẫn ảnh hưởng chưa đáng kể đến chiều dày vùng nghèo đến tiết điện kênh, kênh dẫn đóng vai trò điện trởû thông thường với giá trị không đổi: điện áp tăng khiến dòng điện tăng theo Nhưng VDS lớn dần, ảnh hưởng nói ngày thể rõ Vùng - 54 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn nghèo ngày mở rộng, lấn sâu vào kênh dẫn, thu hẹp tiết diện kênh làm cho điện trởû kênh tăng dòng ID tăng chậm lại Khi đạt tới giá trị VDS = VP (điểm A h 2-6-4), vùng nghèo mở rộng tới mức choán kết tiết diện kênh vùng gần cực máng, nghóa kênh dẫn bị thắt lại phía cực máng (h.2-6-5a) Người ta gọi VP điện áp thắt Điểm A điểm bắt đầu thắt kênh hay điểm bắt đầu bão hòa Vùng đặc tuyến nằm bên trái điểm A gọi vùng điện trởû (hàm ý: kênh dẫn thể điện trởû) Nếu tiếp tục tăng VDS lớn VP, đặc tuyến chuyển sang đoạn thứ hai, gần nằm ngang (đoạn AB hình 2-6-4) Lúc vùng nghèo tiếp tục mở rộng, miền kênh bị thắt trải dài phía cực nguồn, làm cho điện trởû kênh dẫn tăng (h 2-6-5b) Vì VDS tăng dòng ID thay đổi Vùng đặc tuyến gọi vùng thắt kênh (hoặc vùng bão hòa) Sau JFET sử dụng phần tử khuếch đại, làm việc vùng Đoạn đặc tuyến thứ ba (phía bên phải h.2-6-4) tương ứng với tượng đánh thủng chuyển tiếp P-N, xảy VDS lớn Vùng đặc tuyến gọi vùng đánh thủng - Trường hợp VGS ≠ 0, ví dụ VGS lấy giá trị âm tăng dần biểu thị h 26-4 (cho JFET kênh N) Mỗi đặc tuyến bao gồm đoạn trên, khác có thêm tác dụng VGS chuyển tiếp P-N bị phân cực nghịch nhiều hơn, điện trởû kênh dẫn tăng giá trị dòng ID nhỏ Trị số tuyệt đối VGS tăng, dòng ID giảm, đặc tuyến dịch phía Mặt khác, điểm bắt đầu thắt kênh đặc tuyến (điểm A, A1, A2, … h.2-6-4) xê dịch phía trái Điều dễ hiểu ý trường hợp chuyển tiếp P-N bị phân cực nghịch tổng hai điện áp: VDS + VSG = VDS + |VGS| … Điểm bắt đầu thắt kênh (điểm A, A1, A2, …) tương ứng với trạng thái tổng hai điện áp nói giá trị VP Vì số hạng |VGS| lớn giá trị số lượng thứ hai VDS nhỏ Điểm bắt đầu xảy đánh thủng đặc tuyến (điểm B, B1, B2, v.v…) dịch dần bên trái với lý tương tự b) Đặc tuyến truyền đạt ID = f(VGS) VDS = const (h.2-6-6) Đặc tuyến xây dựng thực nghiệm ngoại suy từ họ đặc tuyến Dạng phản ánh trình điện trường điều khiển dòng điện máng: trị số tuyệt đối VGS tăng, vùng nghèo mở rộng, điện trởû kênh dẫn tăng dòng máng giảm Khi VGS đạt tới giá trị điện áp thắt VP dòng máng giảm xuống không Có thể mô đặc tuyến truyền đạt hệ thức gần đúng: ⎛ V ⎞ (2-6-1) I D (VGS ) = I DSS ⎜1 − GS ⎟ ⎜ VP ⎟ ⎠ ⎝ Trong điện áp VGS VP lấy giá trị tuyết đối (không kể dấu) IDSS giá trị dòng máng VGS = 0, thường gọi dòng máng bão hòa Tham số đặc trưng cho JFET a) Điện trởû vi phân ngõ (còn gọi: điện trởû kênh dẫn) ∂V rD = DS (2-6-2) ∂I D VGS = const Đây nghịch đảo độ dốc đặc tuyến Khi làm việc vùng bão hòa (vùng thắt kênh), giá trị rD thường lớn (cỡ 500 kΩ) b) Hỗ dẫn (hay độ dốc đặc tuyến truyền đạt) Bài giảng Kỹ thuật điện tử 55 Chương - Các linh kiện bán dẫn gm = ∂I D ∂VGS VDS = const (2-6-3) Trị số gm phản ánh mức độ ảnh hưởng điện áp điều khiển VGS tới dòng máng Các JFET thường có gm = (7 ÷ 10) mA/V Dựa vào đặc tuyến truyền đạt (h 2-6-6), ta nhận thấy: VGS ≈ 0, độ dốc đặc tuyến lớn thường lấy: I gm max = DSS (2-6-4) VP Còn giá trị VGS khác, xác định: ⎛ V ⎞ gm = gm max ⎜1 − GS ⎟ ⎜ VP ⎟ ⎝ ⎠ (2-6-5) c) Điện trởû vi phân ngõ vào (còn gọi: điện trởû vào) ri = ∂VGS ∂I G VDS = const (2-6-6) Ngõ vào JFET chuyển tiếp P-N phân cực nghịch, dòng IG bé (thường cỡ 0,1 µA 25oC) điện trở ri thường lớn (cỡ 10 ÷ 100 MΩ 250C) d) Hệ số khuếch đại tónh ∂V µ = GS (2-6-7) ∂VDS I D = const Hệ số so sánh mức độ ảnh hưởng dòng máng điện áp VGS VDS µ lớn thể tác dụng diều khiển VGS dòng ID nhạy (so với VDS) Dễ dàng suy quan hệ: µ = gmrD (2-6-8) e) Điện dung liên cực CGS, CDS CGD Đây điện dung ký sinh, hình thành điện cực với Thường cỡ (3 ÷ 10)pF Khi JFET làm việc số thấp, điện dung bỏ qua Ngoài tham số trên, người ta quan tâm đến số tham số giới hạn như: dòng máng cực đại cho phép IDmax, điện áp cực đại cho phép VDSmax, VGSmax, công suất tiêu tán cực đại PDmax, điện áp thắt kênh VP, dòng máng bão hoà IDSS v.v… Sơ đồ tương đương Dựa vào nguyên tắc hoạt động tham số đặc trưng cho JFET vừa xét, ta có sơ đồ tương đương (đối với tín hiệu xoay chiều biên độ nhỏ, tần số thấp) JFET h 2-6-7a Giữa hai cực vào G-S có điện trởû rào ri, hai cực D-S có điện trởû kênh dẫn rd nguồn dòng gm vGS (đại diện cho khả điều khiển dòng điện máng điện áp vào vGS) Như có tải mắc vào hai cực D-S dòng điện tải (cũng dòng điện máng) là: v i D = g m v GS + DS rD Thay gm theo (2-6-8) đến: (2-6-10) vDS = - µvDS + iDrD Hệ thức tương ứng với sơ đồ tương đương h 2-6-7b, µvDS nguồn điện áp, tương đương cho khả khuếch đại tín hiệu JFET 56 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn Tóm lại, làm việc với tín hiệu xoay chiều tần số thấp thay JFET hai sơ đồ tương đương giới thiệu h 2-6-7 2-6-2 Transistor trường có cực cửa cách ly (MOSFET IGFET) Cấu tạo hoạt động MOSFET kênh có sẵn (h.2-6-8) Từ phiến Si loại P, người ta tạo bề mặt lớp loại N dùng làm kênh dẫn Ở hai đầu khuếch tán hai miền N+ dùng làm cực nguồn (S) cực máng (D) Trên mặt phiến Si phủ màng SiO2 bảo vệ Phía màng này, đối diện với kênh dẫn, gắn băng kim loại, dùng làm cực cửa (G) Thông qua “cửa sổ” khoát xuyên qua màng SiO2 vùng thích hợp, người ta phun kim loại, tạo tiếp xúc tuyến tính với hai vùng N+, dùng làm đầu dẫn cho cực S cực D Đáy phiến Si gắn với sợi kim loại, dùng làm cực đế SUB (substrate) Thông thường cực đế nối với cực nguồn Như hình thành cấu trúc MOSFET kênh có sẵn loại N Ký hiệu quy ước h 2-6-8b Tương tự, phiến Si ban đầu thuộc loại N, kênh dẫn loại P có MOSFET kênh P, ký hiệu quy ước h 2-6-8c Hãy xét hoạt động MOSFET kênh N mạch điện h 2-6-9 Ban đầu, tác dụng điện áp VDS (do nguồn ED tạo ra), qua kênh dẫn cực máng có dòng điện ID, tạo hạt dẫn đa số kênh (điện tử) Nếu có thêm điện áp VGS (do EG tạo nên) với cực tính hình vẽ giống trình xảy tụ điện, điện tích âm tích tụ cực G, điện tích dương tích tụ cực đối diện, tức kênh dẫn (lớp SiO2 đóng vai trò điện môi tụ) Các điện tích dương tái hợp với điện tử, làm giảm nồng độ hạt dẫn vốn có kênh, khiến điện trởû kênh tăng dòng máng ID giảm Càng tăng trị số VGS, dòng ID giảm Chế độ làm việc gọi chế độ làm nghèo hạt dẫn (gọi tắt chế độ nghèo - depletion) Nếu đổi cực tính nguồn EG (VGS trởû thành điện áp dương) tình hình diễn trái lại: tăng trị số VGS, nồng độ hạt dẫn kênh tăng thêm, điện trởû kênh giảm dòng ID tăng Chế độ làm việc với cực tính VGS gọi chế độ giàu (enhancement) Như VGS = 0, MOSFET kênh có sẵn có dòng máng ban đầu ID ≠ Tùy cực tính VGS mà MOSFET hoạt động chế độ giàu hay chế độ nghèo, dùng giá trị VGS để điều khiển dòng ID tăng hay giảm Trên sở đó, có tín hiệu xoay chiều eS đưa đến ngõ vào hiển nhiên dòng ID biến đổi theo eS tải ngõ nhận tín hiệu khuếch đại Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến MOSFET kênh có sẵn loại N (h 2-6-10) hoàn toàn phản ánh trình Mỗi đặc tuyến (h 2-6-10b) bao gồm đoạn, tương tự JFET: đoạn ID tăng gần tuyến tính theo VDS, đoạn ID bão hòa (trạng thái thắt kênh) đoạn đánh thủng Ở đây, chuyển tiếp P-N hình thành kênh dẫn phiến Si ban đầu Do VDS gây phân bố điện dọc chiều dài kênh dẫn, tình trạng phân cực nghịch chuyển tiếp P-N không đồng đều, dẫn tới hậu tiết diện kênh dẫn giảm dần phía cực máng Điểm uốn A đặc tuyến tương ứng với trạng thái bắt đầu thắt kênh Phạm vi AB (vùng thắt kênh) miền làm việc chủ yếu MOSFET khuếch đại tín hiệu Mạch hoạt động đặc tuyến MOSFET kênh có sẵn loại P giới thiệu H.2-6-11 Cấu tạo hoạt động MOSFET kênh cảm ứng Cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng loại N tương tự h 2-6-8a, chưa có kênh dẫn ban đầu (xem h 2-6-12a) Giữa miền máng (loại N+) phiến Si loại P hình thành chuyển tiếp P-N (cực đế thường nối với cực nguồn nên chuyển tiếp nguồn đế bị nối tắt) Vì Bài giảng Kỹ thuật điện tử 57 Chương - Các linh kiện bán dẫn có điện áp VDS đặt vào, mạch máng có dòng điện nhỏ chạy qua chuyển tiếp P-N phân cực ngược Điện trởû tương đương S D coi vô lớn Khi có thêm điện áp dương VGS (h 2-6-12b), điện tích dương tích tụ cực G, điện tích âm tích tụ vùng đối diện, phía bên màng SiO2 (vùng nằm hai miền N+) Tuy vậy, VGS nhỏ, lượng điện tích cảm ứng không lớn, chúng bị lỗ trống phiến loại P tái hợp Chỉ VGS vượt điểm áp ngưỡng VT đó, lượng điện tích âm cảm ứng nói trởû nên đáng kể Chúng tạo thành lớp bán dẫn N bề mặt biến Si loại P (do có tên lớp đảo), đóng vai trò kênh dẫn nối liền hai miền N+ cực nguồn cực máng Do xuất kênh dẫn, điện trởû tương đương S D giảm xuống dòng máng ID tăng lên Trị số VGS tăng, nồng độ điện tích âm kênh dẫn nhiều, dòng ID lớn Chế độ làm việc VGS > VT gọi chế độ làm giàu điện tích (gọi tắt: chế độ giàu) Ký hiệu quy ước với sơ đồ khuếch đại MOSFET kênh cảm ứng loại N giới thiệu h.2-6-13 Ta thấy rõ: điện áp tín hiệu xoay chiều eS (xếp chồng lên điện áp chiều VGS nguồn EG tạo ra) điều khiển nồng độ điện tích âm cảm ứng kênh dẫn điều khiển dòng ID tăng giảm Trên điện trởû RD tải RL có điện áp khuếch đại eS Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng loại N giới thiêïu hình 26-14 Ta thấy rõ VGS > VT có dòng máng ID MOSFET kênh cảm ứng làm việc chế độ giàu Nếu phiến Si ban đầu thuộc loại N, miền nguồn máng thuộc loại P+ có MOSFET kênh cảm ứng loại P Ký hiệu h 2-6-15 Nguyên lý làm việc tương tự, điện áp VGS VDS có cực tính ngược lại Tham số đặc trưng cho MOSFET gần giống JFET: điện trởû vi phân ngõ rD, điện trởû vi phân ngõ vào ri, hỗ dẫn gm, điện dung liên cực, tham số giới hạn v.v… đáng ý có lớp cách điện SiO2, điện trởû ngõ vào MOSFET vô lớn Lớp SiO2 mỏng nên gm lớn, điện áp đánh thủng G-S G-D thường tương đối thấp 2-6-3 Nhận xét chung JFET MOSFET 1) JFET MOSFET hoạt động dựa điều khiển điện trởû kênh dẫn điện trường (điện trường điện áp hai ngõ vào sinh ra, dòng điện vào luôn xấp xỉ không) Từ khống chế dòng điện Do đặc điểm này, người ta xếp transistor trường vào loại linh kiện điều khiển điện áp (tương tự dèn điện tử), BJT thuộc loại điều khiển dòng điện (BJT có ngõ vào chuyển tiếp P-N phân cực thuận, dòng điện vào biến đổi nhiều theo tín hiệu, điện áp vào thay đổi ít) 2) Dòng điện máng ID tạo nên loại hạt dẫn (hạt đa số kênh), transistor trường thuộc loại đơn cực tính Do vai trò hạt dẫn thiểu số, trình sản sinh tái hợp hai loại hạt dẫn tham số FET chịu ảnh hưởng nhiệt độ Tạp âm nội bé BJT 3) Ngõ vào FET có điện trởû lớn, dòng điện vào gần không nên mạch vào không tiêu thụ lượng Điều đặc biệt thích hợp cho việc khuếch đại nguồn tín hiệu yếu, nguồn có nội trở lớn 4) Vai trò cực nguồn cực máng đổi lẫn cho tham số FET không thay đổi đáng kể 5) Kích thước điện cực S, G, D giảm xuống bé (dựa công nghệ MOS), thu nhỏ thể tích transistor cách đáng kể nhờ transistor trường thông dụng vi mạch có mật độ thích hợp cao 58 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương - Các linh kiện bán dẫn 6) Cuối cùng, BJT, FET Có thể mắc theo ba sơ đồ bản: mạch nguồn chung (viết tắt: S.C), máng chung (D.C) cửa chung (G.C) Các mạch giới thiệu thuộc loại S.C Mạch máng chung (có sơ đồ dặc điểm tương tự mạch collector chung BJT: điện trởû vào lớn, điện trởû nhỏ, điện áp đồng pha xấp xỉ trị số với điện áp vào) Còn mạch cửa chung thực tế dùng Bài giảng Kỹ thuật điện tử 59 ... theo ( 2- 2 -6 ), đồng thời giả thiết điện trường khối bán dẫn đều: E = V/I ta đến : ( 2- 2 8) jtr = σE So sánh ( 2- 2 -8 ) với ( 2- 2 -5 ), ta xác định điện dẫn suất bán dẫn: 18 Bài giảng Kỹ thuật điện tử Chương. .. (hoặc hi) ∂I1 ∂V1 ( 2- 5 - 12) = h 12 (hoaëc hr) ∂V2 ∂I ( 2- 5 -1 3) = h 21 (hoặc hf) ∂I1 Bài giảng Kỹ thuật điện tử 47 Chương - Các linh kiện bán dẫn ∂I = h 22 (hoặc ho) ∂V2 ( 2- 5 -1 4) đồng thời ký hiệu... Hình 2. 5.4 Mạch base chung đơn giản hoá Bài giảng Kỹ thuật điện tử 41 Chương - Các linh kiện bán dẫn 2- 5 -4 (vẽ cho loại N-P-N) Trên hình ghi tham số dòng áp thường dùng Các hệ thức ( 2- 5 -2 ) , ( 2- 5 -3 )