Các linh kiện điện tử bán dẫn rời rạc và ứng dụng

Các linh kiện điện tử bán dẫn rời rạc ứng dụng Chất bán dẫn điện Mặt ghép p – n Diode Transistor công nghệ lưỡng cực (BJT - Bipolar Junction Transistor) Các cách mắc chế độ làm việc Transistor BJT Phân cực cho Transistor BJT Transistor BJT làm việc chế độ khóa Transistor cơng nghệ đơn cực (FET) Thực hành, tập 10 Câu hỏi ôn tập tập LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÁN DẪN RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG Mã chương: MH18 – 02 Mục tiêu: - Trình bày kiến thức cấu tạo, đặc tính vật liệu bán dẫn, cấu tạo, nguyên lý làm việc, tính chất, qui cách vỏ ghi nhãn số linh kiện bán dẫn rời rạc số ứng dụng - Có lịng u nghề, say mê tìm hiểu kiến thức lĩnh vực điện tử CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN: 1.1 Chất bán dẫn khiết: 1.1.1 Cấu trúc vùng lượng chất rắn tinh thể: Cấu trúc lượng nguyên tử đứng cô lập có dạng mức rời rạc Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức bị suy biến thành dải gồm nhiều mức sát gọi vùng lượng Đây dạng cấu trúc lượng điển hình vật rắn tinh thể Tùy theo tình trạng mức lượng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt loại vùng lượng khác - Vùng hóa trị (hay cịn gọi vùng đầy): Là vùng mà tất mức lượng bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) lượng tự - Vùng dẫn (vùng trống): vùng mà mức lượng bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần - Vùng cấm: Là vùng mà khơng cịn tồn mức lượng để điện tử chiếm chỗ hay nói xác suất tìm hạt Tùy theo vị trí tương đổi loại vùng kể xét theo tính chất dẫn điện mình, chất rắn cấu trúc tinh thể chia thành loại (xét 0K) - Chất cách điện - Chất dẫn điện - Chất bán dẫn điện Hình 2.1 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng lượng a) Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện < Eg ≤ 2eV; c) Chất dẫn điện Muốn tạo dòng điện vật rắn cần hai trình đồng thời: - Quá trình tạo hạt dẫn tự nhờ kích thích lượng - Q trình chuyển động có hướng hạt dẫn điện tác dụng lượng trường Dưới ta xét tới cách dẫn điện chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác chủ yếu liên quan tới trình sinh (tạo ra) hạt dẫn tự mạng tinh thể 1.1.2 Chất bán dẫn thuần: Hai chất bán dẫn điển hình Gemanium (Ge) Silicium (Si) có cấu trúc vùng lượng với Eg = 0,72eV Eg = 1,12eV, thuộc nhóm bốn bảng tuần hồn Mendeleep Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể chúng có dạng liên kết ghép đơi điện tử hóa trị vịng Ở 0K chúng chất cách điện Khi nguồn lượng ngồi kích thích, xảy tượng ion hóa nguyên tử nút mạng sinh cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Trên đồ thị vùng lượng, tương ứng với chuyển điện tử từ mức lượng vùng hóa trị lên mức vùng dẫn để lại mức tự (trống) vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự tác dụng lượng trường ngồi chúng có khả dịch chuyển có hướng lịng tinh thể tạo nên dịng điện Hình 2.2: (a) Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn Si (b) Đồ thị vùng lượng với chế phát sinh cặp hạt dẫn tự Kết là: 1) Muốn tạo hạt dẫn tự chất bán dẫn cần có lượng kích thích đủ lớn Ekt ≥ Eg 2) Dòng điện chất bán dẫn gồm hai thành phần tương đương trình phát sinh cặp hạt dẫn tạo (ni = pi) 1.2 Chất bán dẫn tạp: 1.2.1 Chất bán dẫn tạp loại n: Pha lượng nhỏ chất có hố trị Phospho (P) vào chất bán dẫn Si nguyên tử P liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho có điện tử tham gia liên kết dư điện tử trở thành điện tử tự (mang điện âm) => Chất bán dẫn lúc trở thành thừa điện tử gọi bán dẫn N ( Negative : âm ) Hình 2.3: Mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại N - Si Vậy, chất bán dẫn tạp loại n chất bán dẫn có thành phần dẫn điện - thành phần dẫn điện đa số điện tử mang điện tích âm, cịn thành phần dẫn điện không - thành phần dẫn điện thiểu số lỗ trống mang điện tích dương 1.2.2 Chất bán dẫn tạp loại p: Pha lượng nhỏ chất có có hố trị Indium (In) vào chất bán dẫn Si nguyên tử Indium liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, liên kết bị thiếu điện tử trở thành lỗ trống (mang điện dương) => Chất bán dẫn lúc trở thành thừa lỗ trống gọi chất bán dẫn P (Positive - dương) Hình 2.4: Mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại P-Si Vậy, chất bán dẫn tạp loại p chất bán dẫn có thành phần dẫn điện - thành phần dẫn điện đa số lỗ trống mang điện tích dương, cịn thành phần dẫn điện không - thành phần dẫn điện thiểu số điện tử mang điện tích âm MẶT GHÉP P – N: 2.1 Mặt ghép p-n chưa có điện áp ngồi: Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n loại p tiếp giáp với nhau, tượng vật lí xảy nơi tiếp giáp sở cho hầu hết dụng cụ bán dẫn điện đại Hình vẽ biểu diễn mơ hình lí tưởng hóa mặt ghép p - n chưa có điện áp đặt vào Với giả thiết nhiệt độ phòng, nguyên tử tạp chất bị ion hóa hồn tồn Các tượng xảy vùng tiếp giáp mơ tả tóm tắt sau: Hình 2.5: Mặt ghép p- n chưa có điện áp ngồi Do có chênh lệch lớn nồng độ của hạt dẫn điện vùng tiếp giáp, có tượng khuếch tán hạt đa số qua nơi tiếp giáp, tức xuất dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ P sang N Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp giáp, xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, lớp nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn (lớn nhiều so với vùng lại), làm xuất điện trường nội hướng từ vùng N (lớp ion dương) sang vùng P (lớp ion âm) gọi điện trường tiếp xúc Etx Hay nói xuất hàng rào điện hay hiệu tiếp xúc Utx Điện trường Etx cản trở chuyển động dòng khuếch tán gây chuyển động gia tốc hạt thiểu số qua miền tiếp xúc (dịng trơi - I tr) , có chiều ngược lại với dịng khuếch tán Q trình tiếp diễn dẫn tới trạng thái cân động Ikt = Itr khơng có dịng điện qua tiếp xúc p - n Với điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ phòng, U tx vùng tiếp giáp p - n có giá trị khoảng 0,3V với loại làm từ Ge 0,6V với loại làm từ Si 2.2 Mặt ghép p-n có điện áp ngồi đặt vào: 2.2.1 Điện áp ngồi phân cực thuận: Hình 2.6: Mặt ghép p - n có điện áp phân cực thuận Khi điện trường Eng ngược chiều với Etx (tức có cực tính dương đặt vào P, âm đặt vào N) E ng chủ yếu đặt lên vùng nghèo xếp chồng với Etx nên cường độ trường tổng cộng vùng tiếp giáp giảm làm gia tăng chuyển động khuếch tán Ikt, người ta gọi tượng phun hạt đa số qua miền tiếp giáp p - n Còn dòng điện trôi E xt gây gần giảm không đáng kể nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp gọi phân cực thuận cho tiếp giáp p - n Khi bề rộng vùng nghèo giảm 2.2.2 Điện áp ngồi phân cực ngược: Hình 2.7: Mặt ghép p - n có điện áp phân cực ngược Khi Eng chiều với Etx (nguồn có cực dương đặt vào N âm đặt vào P), tác dụng xếp chồng điện trường vùng nghèo, dịng I kt giảm tới khơng, dịng Itr có tăng chút nhanh đến giá trị bão hịa gọi dòng điện ngược bão hòa tiếp giáp p - n Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân Người ta gọi phân cực ngược cho tiến giáp p - n 2.2.3 Tính dẫn dịng mắt ghép p – n: Kết mặt ghép p - n đặt điện trường ngồi có tính chất van- tính chất dẫn điện khơng đối xứng theo chiều hay nói dẫn điện theo chiều Người ta gọi hiệu ứng chỉnh lưu tiếp giáp p - n - Theo chiều phân cực thuận, dịng có giá trị lớn tạo dịng hạt đa số phun qua tiếp giáp p - n mở - Theo chiều phân cực ngược, dịng có giá trị nhỏ hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p - n khóa DIODE: 3.1 Cấu tạo phân loại Diode: 3.1.1 Tiếp giáp p - n cấu tạo Diode bán dẫn: a Cấu tạo diode: Hai khối bán dẫn P N ghép với hai bề mặt khối để tạo thành tiếp giáp p - n, hai đầu gắn điện cực để đưa ta có cấu trúc Diode Điện cực nối với bán dẫn P gọi cực Anot (A), điện cực nối với khối bán dẫn N gọi cực Katot (K) Tiếp giáp p - n có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp giáp, điện tử dư thừa bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào lỗ trống => tạo thành lớp Ion trung hoà điện => lớp Ion tạo thành miền cách điện hai chất bán dẫn Hình 2.8: Cấu tạo Diode bán dẫn Hình 2.9: Ký hiệu hình dáng Diode bán dẫn b Phân cực thuận cho Diode: Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) điện áp âm (-) vào Katôt (vùng bán dẫn N) , tác dụng tương tác điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si ) 0,2V ( với Diode loại Ge ) diện tích miền cách điện giảm không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dịng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V ) c Phân cực ngược cho Diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp, Diode chiu điện áp ngược lớn khoảng 1000V diode bị đánh thủng 3.1.2 Phân loại diode: Người ta phân loại diode theo nhiều quan điểm khác a Theo vật liệu bán dẫn sử dụng có diode Si, diode Ge b Theo đặc điểm cấu tạo có diode tiếp điểm, diode tiếp mặt + Diode tiếp điểm (thường gọi diode tách sóng): diode có cấu tạo diện tích tiếp giáp p - n nhỏ, điểm Dòng qua diode loại nhỏ khoảng vài chục mA, điện áp ngược không vượt vài chục Volt thích ứng làm việc tần số cao + Diode tiếp mặt (gọi diode nắn điện): diode có cấu tạo diện tích tiếp giáp p - n rộng, mặt rộng hai khối bán dẫn Dòng qua diode loại lớn, cỡ khoảng vài chục đến hàng trăm Ampere, điện áp ngược đạt tới vài trăm Volt bị giới hạn tần số làm việc, làm việc vùng tần số thấp c Theo cơng suất chịu đựng (PAcf) có diode cơng suất lớn, diode cơng trung bình diode cơng suất suất nhỏ (IAcf < 300mA) d Theo nguyên lý làm việc hay phạm vi ứng dụng: + Diode chỉnh lưu: Là loại diode tiếp mặt dùng để biến đổi dòng, áp xoay chiều (tần số thấp) thành dòng, áp chiều + Diode tách sóng: Là loại diode tiếp điểm dùng để biến đổi dòng, áp xoay chiều tần số cao thành dòng, áp chiều + Diode ổn áp (Zener): Là loại diode có cấu tạo đặc biệt chịu đựng dịng điện ngược có giá trị lớn phạm vi cho phép khoảng thời gian dài mà tiếp giáp p - n khơng bị phá hủy Diode zener sử dụng mạch chế độ điện áp phân cực ngược nhằm tạo giá trị điện áp cố định theo mục đích sử dụng + Diode biến dung (Varicap): Cũng loại diode có cấu tạo đặc biệt sử diện dung tiếp giáp p - n tụ điện Varicap sử dụng mạch chế độ điện áp phân cực ngược có giá trị điện dung thay đổi theo giá trị điện áp phân cực ngược đặt vào + Diode phát quang (LED): Sử dụng vật liệu bán dẫn có tính chất hiệu ứng điện quang, tức có lượng điện trường ngồi kích thích, điện tử chuyển mức lượng từ mức cao xuống mức thấp giải phóng lượng dạng photon ánh sáng vùng ánh sáng nhìn thấy Hình 2.10: Ký hiệu số Diode thông dụng + Diode thu quang (Photodiode): Sử dụng vật liệu bán dẫn có tính chất hiệu ứng quang điện, tức có lượng chùm photon ánh sáng chiếu vào, điện tử hấp thu lượng để bứt khỏi mối liên kết mạng tinh thể để trở thành điện tử tự di chuyển theo chiều điện trường ngồi tạo thành dịng điện 3.2 Đặc tuyến Volt-ampere thông số Diode: 3.2.1 Đặc tuyến Volt - Ampere: Diode bán dẫn có cấu tạo chuyển tiếp p - n với hai điện cực nối phía miền p anốt, phía miền n katốt Hình 2.9: Mạch khảo sát đặc tuyến Volt - Ampere diode bán dẫn Nối tiếp điốt bán dẫn với nguồn điện áp qua điện trở hạn chế dòng, biến đổi cường độ chiều điện áp ngoài, người ta thu đặc tuyến Von-Ampe điốt có dạng hình 2.9 Đây đường cong có dạng phức tạp, chia làm vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược vùng (3) gọi vùng đánh thủng tiếp xúc p - n Qua việc phân tích đặc tính Von - Ampe lí thuyết thực tế người ta rút kết luận chủ yếu sau: - Tại vùng mở (phân cực thuận) + Dòng điện thuận (Ith) tăng theo điện áp thuận UAK Khi UAK nhỏ, dòng qua diode tăng chậm tượng phun hạt đa số qua tiếp giáp p - n cịn nhỏ Khi UAK có giá trị lớn, dòng qua diode tăng nhanh + Dòng điện ngược (Ing) bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ giữ cho dịng điện thuận qua diode khơng đổi, điện áp thuận giảm tỉ lệ theo nhiệt độ - Tại vùng khóa (phân cực ngược) + Dịng điện qua tiếp giáp p - n dòng điện ngược nên có giá trị nhỏ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, dòng điện ngược tăng theo gần tăng gấp gia số nhiệt độ tăng 100C + Các kết luận vừa nêu rõ hoạt động điôt bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thực tế mạch điện tử có sử dụng tới điốt bán dẫn tranzito sau này, người ta cần có nhiều biện pháp nghiêm ngặt để trì ổn định chúng làm việc với môi trường gia tăng nhiệt độ - Tại vùng đánh thủng (khi UAK < có trị số đủ lớn) dịng điện ngược tăng đột ngột điện áp anốt katốt không tăng Tính chất van điốt bị phá hoại Tồn hai dạng đánh thủng chính: + Đánh thủng nhiệt tiếp xúc p - n bị nung nóng cục bộ, va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh Điều dẫn tới q trình sinh hạt ạt (ion hóa ngun tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp tục tăng Dòng điện ngược tăng đột biến mặt ghép p - n bị phá hỏng + Đánh thủng điện hiệu ứng ion hóa va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh cỡ 105V/cm với nguyên tử chất bán dẫn; tượng nhảy mức trực tiếp điện tử hóa trị bên bán dẫn P xuyên qua rào tiếp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn N 3.2.2 Các thông số diode: - Điện áp ngược cực đại - Ungmax (V): Là giá trị điện áp ngược lớn cho phép đặt cực diode mà diode chưa bị đánh thủng - Dòng cho phép cực đại qua diode mở - IAcf (A) - Công suất tiêu hao cực đại cho phép diode để chưa bị hỏng nhiệt - PAcf - Tần số giới hạn điện áp (dịng điện) đặt lên diode để cịn tính chất van - fmax (Hz) - Điện trở chiều diode (Ω): Rđ = UAK/IA - Điện trở vi phân xoay chiều diode (Ω): rđ = dUAK/dIA - Điện dung tiếp giáp p-n: Cấu trúc diode gồm hai khối bán dẫn N P tiếp xúc với nhau, cấu trúc tương đương với cấu trúc tụ điện có điện dung mặt ghép p - n Cp-n = Ckt + Cvào Trong đó: + Cvào thành phần điện dung phụ thuộc vào điện áp ngược đặt lên tiếp giáp có giá trị khoảng vài chục pF + Ckt thành phần phụ thuộc vào điện áp thuận có giá trị vài pF Ở tần số làm việc cao, cần phải ý đến ảnh hưởng C p-n tới tính chất mạch điện sử dụng diode để đóng mở tần số nhịp cao, diode cần thời gian q độ để hồi phục lại tính chất van lúc chuyển từ mở sang khóa 3.3 Các ứng dụng thực tế: 3.3.1 Diode nắn điện: Hình 2.25: Sơ đồ mắc theo kiểu CC họ đặc tuyến vào b Đặc tuyến vào: Biểu thị mối quan hệ dòng điện vào I B với điện áp vào UCB điện áp UCE khơng đổi Nó có dạng khác hẳn so với đặc tuyến vào hai cách mắc EC BC xét trước Đó kiểu mắc mạch điện áp vào U CB phụ thuộc nhiều vào điện áp UCE (khi làm việc chế độ khuyếch đại, điện áp UCB transistor Silic ln giữ khoảng 0.7V, cịn transistor Gecmani vào khoảng 0.3V điện áp UCE biến đổi khoảng rộng ) b Đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt: Đặc tuyến tranzito mắc CC mơ tả quan hệ dịng I E điện áp UCE dịng vào IB khơng đổi Đặc tuyến truyền đạt trường hợp mô tả quan hệ dòng IE dòng vào IB điện áp UCE khơng đổi Trong thực tế coi IC ≈ IE đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt trường hợp mắc chung colectơ tương tự trường hợp mắc chung emitơ Hình 26: Đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt mạch mắc CC 5.2 Các chế độ làm việc: 5.2.1 Khái quát chung: Các chế độ hoạt động mạch khuyếch đại phụ thuộc vào chế độ phân cực cho Transistor, tuỳ theo mục đích sử dụng mà mạch khuyếch đại phân cực để KĐ chế độ A, chế độ B, chế độ AB chế độ C 5.2.2 Mạch khuyếch đại chế độ A: - Là mạch khuyếch đại cần lấy tín hiệu hồn tồn giống với tín hiệu ngõ vào Hình 2.27: Mạch khuếch đại chế độ A với dạng tín hiệu vào/ra * Để Transistor hoạt động chế độ A, ta phải tính tốn thơng số mạch cho điện áp UCE ≈ 60% ÷ 70% Vcc * Mạch khuyếch đại chế độ A sử dụng mạch trung gian khuyếch đại cao tần, khuyếch đại trung tần, tiền khuyếch đại v v 5.2.3 Mạch khuyếch đại chế độ B, AB: - Mạch khuyếch đại chế độ B mạch khuyếch đại nửa chu kỳ tín hiệu, khuyếch đại bán kỳ dương ta dùng transistor N – P - N, khuyếch đại bán kỳ âm ta dùng transistor P – N - P, mạch khuyếch đại chế độ B khơng có điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp JBE từ nguồn chiều cố định mà điện áp phân cực thuận cho tiếp giáp JBE lấy từ điện áp tín hiệu đầu vào Hình 2.28: Mạch khuếch đại chế độ B với dạng tín hiệu vào/ra - Mạch khuyếch đại chế độ B thường sử dụng mạch khuếch đại công xuất đẩy kéo công xuất âm tần, công xuất mành Ti vi, mạch công xuất đẩy kéo, người ta dùng hai đèn N – P - N P – N - P mắc nối tiếp, đèn khuyếch đại bán chu kỳ tín hiệu, hai đèn mạch khuyếch đại đẩy kéo phải có thơng số kỹ thuật - Mạch khuyếch đại chế độ AB: Mạch khuyếch đại chế độ AB mạch khuyếch đại mà tín hiệu đầu tồn khoảng thời gian lớn nửa chu kỳ tín hiệu vào Mạch khắc phục tượng méo giao điểm mạch khuyếch đại chế độ B, mạch sử dụng mạch cơng xuất đẩy kéo Hình 2.9: Dạng sóng chế độ AB lớn nửa chu kỳ tín hiệu vào 5.2.4 Mạch khuyếch đại chế độ C: - Mạch khuyếch đại chế độ C mạch khuyếch đại mà tín hiệu đầu tồn khoảng thời gian nhỏ nửa chu kỳ tín hiệu vào Mạch thường sử dụng mạch tách tín hiệu: Thí dụ mạch tách xung đồng ti vi mầu - Mạch có điện áp UBE phân cực ngược Hình 2.30: Dạng sóng chế độ C nhỏ nửa chu kỳ tín hiệu vào PHÂN CỰC CHO TRANSISTOR BJT: 6.1 Phương pháp chung: Muốn tranzito làm việc phần tử tích cực phần tử transistor phải thỏa mãn điều kiện thích hợp Những tham số transistor mục trước biết, phụ thuộc nhiều vào điện áp phân cực chuyển tiếp colectơ emitơ Nói cách khác giá trị tham số phụ thuộc vào điểm công tác transistor Một cách tổng quát, dù transistor mắc mạch theo kiểu nào, muốn làm việc chế độ khuyếch đại cần có điều kiện sau: - Chuyển tiếp emitơ - bazơ phân cực thuận - Chuyển tiếp bazơ - colectơ ln phân cực ngược Có thể minh họa điều qua ví dụ xét transistor loại p – n - p Nếu gọi UE, UB, UC điện emitơ, bazơ, colectơ, vào điều kiện phân cực kể điện phải thảo mãn điều kiện: UE > UB >UC Hãy xét điều kiện phân cực cho loại mạch -Từ mạch chung bazơ với chiều mũi tên hướng dương điện áp dịng điện, xác định cực tính điện áp dịng điện cực tranzito mắc CB sau: UEB = UE - UB > IE > UCB = UC - UB > IC < Căn vào đẳng thức điều kiện, điện áp U CB âm, dịng IC âm có nghĩa hướng thực tế điện áp dòng điện ngược với hướng mũi tên hình - Từ mạch chung emitơ hình, lý luận tương tự trên, xác định cực tính điện áp dịng điện cực sau: UBE = UB - UE < IB < UCE = UC - UE < IC < - Với mạch chung colectơ, vào chiều qui định sơ đồ đẳng thức điều kiện viết: UB - UC > IB < UCE = UC - UE < IE < Đối với tranzito n – p - n điều kiện phân cực để làm việc chế độ khuyếch đại là: UE < UB < UC 6.2 Phương pháp định dòng bazơ: Nếu transistor mắc hình vẽ, dịng I B từ nguồn chiều cung cấp cho transistor không đổi, người ta gọi điều kiện phân cực phân cực dịng khơng đổi Có thể có hai cách tạo dòng cố định - Trường hợp thứ hình 2.31a dùng nguồn chiều Ecc Dòng IB cố định Ecc RB Từ hình vẽ, ta tính được: IB = (ECC - UBE)/RB Với UBE IB ≈ Ecc / RB - Sơ đồ phần cực tranzito dòng cố định có hệ số ổn định nhiệt S phụ thuộc vào hệ số khuếch đại dòng tĩnh, nghĩa dùng loại mạch muốn thay đổi độ ổn định nhiệt có cách thay đổi tranzito thường lớn hệ số S loại mạch lớn ổn định nhiệt kém.Trong thực tế cách phân cực cho tranzito hình dùng yêu cầu ổn định nhiệt không cao 6.3 Phương pháp định áp bazơ: - Để khuếch đại nhiều nguồn tín hiệu mạnh yếu khác nhau, mạch định thiên sử dụng R1 R2 cầu phân áp mắc vào nguồn Ecc, phần sụt áp điện trở R2 đưa vào phân cực cho cực B transistor Hình 2.32: Mạch định thiên định áp Bazơ - Điện áp định thiên cho tiếp giáp BE transistor: UBE = IR2.R2 mà IR2 = IP - IB ; dịng IB IP = 20IB + Ta có: IP = 20.IC / β (β hệ số khuếch đại dòng điện, tra sổ tay đèn) + Do ta có: (R1 + R2 ) = Ecc.β / 20IC + Mặt khác ta có: R2 / (R1 + R2 ) = UBE / Ecc + Suy ra: R2 = β.UBE / 20IC R1 = β.(Ecc - UBE)/20Ic * Mạch định thiên có hồi tiếp: Là mạch có sử dụng cách lấy hồi tiếp âm từ đầu quay trở đầu vào có tác dụng tăng độ ổn định nhiệt cho transistor làm việc Hình 2.33: Mạch định thiên kiểu có hồi tiếp a)Hồi tiếp âm điện áp; b)Hồi tiếp âm dòng điện - Với mạch sử dụng hồi tiếp âm điện áp, điện trở R không mắc +Vcc mà mắc cực C transistor nhằm lấy điện áp đầu đèn quay trở để cung cấp nguồn cho cầu phân áp - Với mạch sử dụng hồi tiếp âm dòng điện, người ta mắc thêm điện trở R E chân E transistor - Cả hai mạch có tác dụng ổn định nhiệt cho transistor Khi làm việc, nhiệt độ transistor biến thiên khiến dịng I C khơng ổn định Thơng qua tham chiếu dịng IC này, lượng điện áp sụt R C (mạch a) sụt RE (mạch b) quay bù trừ cho điện áp phân cực U BE transistor có tác dụng điều chỉnh độ mở transistor ngược với tăng giảm dịng I C ln giữ cho IC giá trị ổn định TRANSISTOR BJT LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ KHÓA: 7.1 Khái quát chung: - Khóa Transistor phần tử kỹ thuật xung - số Transistor dùng làm khóa Transistor lưỡng cực (BJT) Transistor trường MOS Khi sử dụng, Transistor khóa đóng /cắt, tùy theo tín hiệu điều khiển đầu vào, Transistor làm việc hai chế độ: - Chế độ dẫn bão hòa, dòng qua Transistor đạt tới giá trị lớn cho phép, ta nói Transistor mở (dẫn) - Chế độ khóa, dịng qua Transistor coi 0, ta nói Transistor khóa 7.2 Nguyên lý làm việc: - Mạch điện: Hình 2.34: Mạch transistor chế độ khóa đồ thị quan hệ dịng áp vào/ra - UV điện áp điều khiển đầu vào - Sơ đồ sử dụng transistor loại Si có dịng cực góp chế độ khóa nhỏ ic = Ico ≈ Trong IC0 dịng ngược miền tiếp giáp gốc - phát - Điện áp khóa transistor: UBE = UKhóa ≈ (0.6 -: 0.7) V đủ lớn - Tại thời điểm t0 , UV mức cao (H) cho điện áp UBE lớn điện áp khóa Ukhóa = UK transistor chuyển từ chế độ khóa với I C ≈ sang chế độ dẫn bão hòa - Ở chế độ bào hòa, hai miền tiếp giáp transistor thiên áp thuận điện áp cực là: UBE ≈ 0.7V ; UBC ≈ 0.5V ; UCE ≈ 0.1V - Dịng cực góp đạt giá trị giới hạn: iC = IC =(UCC - UCE) / RC ≈ UCC / RC - Dòng cực gốc iB đạt tới giá trị tương ứng với điểm giới hạn bão hòa: iB = IB = IC / β = UCC / β.RC Trong β hệ số khuếch đại dòng tĩnh transistor Để bảo đảm transistor làm việc chế độ bão hòa sâu, tính tốn ta chọn dịng cực gốc i B chế độ bão hịa lớn giá trị IB tính theo biểu thức - Điện áp điện áp cực góp UC Khi bão hịa thì: UC = UCE = 0.1 V ≈ - Từ biểu đồ thời gian, cần thiết phải có thời gian độ t m để transistor chuyển từ trạng thái bão khóa sang trạng thái mở ( dẫn bão hòa) Tại thời điểm t1, UV mức thấp (L) cho UBE < UK ≈ 0.6 V, transistor chuyển sang trạng thái khóa với: iC = IC0 ≈ uC = UCC - iC.RC ≈ +UCC - Để chuyển từ trái khóa sang trạng thái mở cần thời gian độ t k Thời gian cần thiết để triệt tiêu hạt mang điện miền tiếp giáp pn transistor để tụ ký sinh C ce nạp đầy Thời gian khóa t k lớn thời gian mở tm chúng thường khoảng từ vài chục ns đến 100ns (1ns=10-9s) 7.3 Tăng tốc độ chuyển trạng thái khóa Transistor BJT: Để tăng tốc độ chuyển trạng thái cho khóa transistor, người ta thường sử dụng hai phương pháp: - Nối song song với điện trở cực gốc RB điện dung C Nó làm ngắn mạch cho dòng iB thời điểm đầu U V xuất nhảy từ mức thấp lên mức cao, làm cho dịng i B tăng đột biến để kích mở nhanh cho transistor, sau giảm vè giá trị làm việc ổn định Tức làm giảm thời gian t m Mặt khác UV chuyển từ mức H xuống mức L, tụ C phóng điện qua nguồn tín hiệu điều khiển qua tiếp giáp phát-gốc transistor, có tác dụng triệt tiêu nhanh dòng cực gốc dòng cực góp, làm giảm thời gian độ tk transistor chuyển từ dẫn bão hịa sang khóa - Đặt diode schottky phân cực ngược nối cực C với cực B transistor để dẫn dịng gốc-góp cho transistor transistor chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái khóa, giúp làm giảm thời gian tk TRANSISTOR CÔNG NGHỆ ĐƠN CỰC (FET): 8.1 Khái quát chung: Khác với tranzito lưỡng cực xét phần có đặc điểm chủ yếu dịng điện chúng hai loại hạt dẫn (điện tử lỗ trống tự do) tạo nên qua hệ thống gồm hai mặt ghép p - n Tranzito trường (còn gọi tranzito đơn cực FET) hoạt động dựa nguyên lý ứng trường, điều khiển độ dẫn điện đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng điện trường ngồi Dịng điện FET loại hạt dẫn tạo Công nghệ bán dẫn, vi điện tử tiến bộ, FET tỏ rõ nhiều ưu điểm quang trọng hai mặt xử lý gia cơng tín hiệu với độ tin cậy cao mức tiêu hao lượng cực bé Phần trình bày tóm tắt đặc điểm quang trọng FET cấu tạo, nguyên lý hoạt động tham số đặc trưng hai nhóm chủng loại: FET có cực cửa tiếp giáp p - n (JFET) FET có cực cửa cách li (MOSFET hay IGFET) 8.2 Transistor trường có cực cửa tiếp giáp – JFET: 8.2.1 Cấu tạo ký hiệu qui ước: Trên đế tinh thể bán dẫn Si - n người ta tạo xung quanh lớp bán dẫn p (có tạp chất nồng độ cao so với đế) đưa điện cực cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain) cực cửa G (Gate) Như hình thành kênh dẫn điện loại n nối hai cực D S, cách li với cực cửa G (dùng làm điện cực điều khiển) lớp tiếp xúc p - n bao quanh kênh dẫn Hoàn toàn tương tự, xuất phát từ đế bán dẫn loại p, ta có loại JFET kênh p với ký hiệu quy ước phân biệt Hình 2.35: Cấu tạo JFET ký hiệu qui ước 8.2.2 Nguyên lý làm việc: Để phân cực JFET, người ta dùng hai nguồn điện áp U DS > UGS < hình vẽ (với kênh P, chiều điện áp phân cực ngược lại, cho tiếp giáp p-n bao quanh kênh dẫn phân cực ngược) Do tác dụng điện trường này, kênh dẫn xuất dòng điện (là dòng điện tử với kênh n) hướng từ cực D tới cực S gọi dòng điện cực máng I D Dịng ID có độ lớn tuỳ thuộc vào giá trị UDS UGS độ dẫn điện kênh phụ thuộc mạnh hai điện trường Xét đường đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt JFET để tìm hiểu nguyên lý làm việc Đường biểu diễn f1 ứng với vài giá trị không đổi UGS ta thu họ đặc tuyến JFET Đường biểu diễn f2 ứng với giá trị không đổi U DS cho ta họ đặc tuyến truyền đạt JFET Dạng điển hình họ đặc tuyến cho hình 2.36 Hình 2.36: Họ đặc tuyến ra(a) đặc tuyến truyền đạt (b) JFET Đặc tuyến JFET chia làm vùng rõ rệt: - Vùng gần gốc, U DS nhỏ, ID tăng mạnh tuyến tính theo U DS phụ thuộc vào UGS Đây vùng làm việc JFET giống điện trở lúc đường cong bị uốn mạnh (điểm A hình 2.36 a ứng với đường UGS = 0V) - Vùng điểm A gọi vùng thắt (vùng bão hoà) U DS đủ lớn, ID phụ thuộc yếu vào UDS mà phụ thuộc mạnh vào UGS Đây vùng JFET làm việc phần tử khuếch đại, dòng I D điều khiển điện áp UGS Quan hệ điểm B - Vùng điểm B gọi vùng đánh thủng, UDS có giá trị lớn, ID tăng đột biến tiếp giáp p-n bị đánh thủng thác lũ xảy khu vực gần cực D điện áp ngược đặt lên tiếp giáp p-n vùng lớn Qua đồ thị đặc tuyến ra, ta rút nhận xét sau: - Khi đặt trị số UGS âm dần, điểm uốn A xác định ranh giới hai vùng tuyến tính bão hồ dịch gần phía gốc toạ độ Hoành độ điểm A (ứng với trị số định UGS) cho xác định giá trị điện áp gọi điện áp bão hòa cực máng UDS0 (còn gọi điện áp thắt kênh) Khi │UGS│ tăng, UDS0 giảm - Tương tự với điểm B: ứng với giá trị U GS âm hơn, việc đánh thủng tiếp giáp p-n xảy sớm hơn, với giá trị UDS nhỏ - Đặc tuyến truyền đạt JFET xuất phát từ giá trị U GS0, ID = 0, gọi điện áp khố (cịn ký hiệu UP) Độ lớn U GS0 UDS0 ứng với đường UGS = họ đặc tuyến - Khi tăng UGS, ID tăng tỉ lệ độ dẫn điện kênh tăng theo mức độ giảm phân cực ngược tiếp giáp p - n Lúc U GS = 0, ID = ID0 Giá trị ID0 dịng tĩnh cực máng khơng có điện áp cực cửa Khi có U GS < 0, ID < ID0 xác định ID = ID0 (1- UGS / UGS0) 8.2.3 Các tham số JFET: Các tham số chủ yếu JFET gồm hai nhóm: * Tham số giới hạn gồm có: - Dòng cực máng cực đại cho phép I Dmax dòng điện ứng với điểm B đặc tuyến (đường ứng với giá trị UGS = 0) ; Giá trị IDmax khoảng < 50mA; - Điện áp máng - nguồn cực đại cho phép điện áp nguồn UGSmax UDSmax = UB / (1,2 -:- l,5) (cỡ vài chục Vôn) UB điện áp máng nguồn ứng với điểm B - Điện áp khóa UGSO (hay Up) (bằng giá trị UDSO ứng với đường UGS = 0) * Tham số làm việc gồm có: - Điện trở hay điện trở vi phần đầu r i = ∂UDS/∂ID |UGS = const (cỡ 0,5 MΩ) ri thể độ dốc đặc tuyến vùng bão hòa - Hỗ dẫn đặc tuyến truyền đạt (S): cho biết tác dụng điều khiển điện áp cực cửa tới dòng cực máng, giá trị điển hình với JFET S = (7 - 10)mA/V - Cần ý giá trị hỗ dẫn S đạt cực đại S = So lúc giá trị điện áp U GS lân cận điểm (xem dạng đặc tuyến truyền đạt JFET hình 2.36b) tính So = 2IDO/UGSO - Điện trở vi phân đầu vào: r vào tiếp giáp p-n định, có giá trị khoảng 109Ω - Ở tần số làm việc cao, người ta quan tâm tới điện dung cực CDS CGD (cỡ pF) 8.3 Transistor trường có cực cửa cách ly – MOSFET: 8.3.1 Cấu tạo ký hiệu qui ước: Đặc điểm cấu tạo MOSFET có hai loại thể hình vẽ Hình 2.37: Cấu tạo MOSFET a) Loại kênh đặt sẵn; b) Loại kênh cảm ứng Kí hiệu quy ước MOSFET mạch điện tử cho hình Hình 2.38: Ký hiệu qui ước MOSFET Trên đế đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại p (Si - p), người ta pha tạp chất phương pháp công nghệ đặc biệt (Epitaxi hay khuếch tán ion) để tạo vùng bán dẫn loại n+ (nồng độ pha tạp cao so với đế) lấy hai điện cực D S Hai vùng nối thông với nhờ kênh dẫn điện loại n hình thành trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn) hay hình thành sau có điện trường (lúc làm việc mạch điện) tác động (loại kênh cảm ứng) Tại phần đối diện với kênh dẫn, người ta tạo điện cực thứ ba cực cửa G sau phủ lên bề mặt kênh lớp cách điện mỏng SiO2 Từ MOSFET cịn có tên loại FET có cực cửa cách li (IGFET) Kênh dẫn cách li với đế nhờ tiếp giáp p - n thường phân cực ngược nhờ điện áp phụ đưa tới cực thứ cực đế 8.3.2 Nguyên lý làm việc: Để phân cực MOSFET người ta đặt điện áp U DS > Cần phân biệt hai trường hợp: - Với loại kênh đặt sẵn, xuất dòng điện tử kênh dẫn nối S D mạch ngồi có dịng cực máng I D (chiều vào cực D), chưa có điện áp đặt vào cực cửa (UGS = 0) + Nếu đặt lên cực cửa điện áp U GS > 0, điện tử tự có vùng đế (là hạt thiểu số) hút vào vùng kênh dẫn đối diện với cực cửa làm giầu hạt dẫn cho kênh, tức làm giảm điện trở kênh, lám tăng dòng cực máng I D Chế độ làm việc gọi chế độ giầu MOSFET Nếu đặt tới cực cửa điện áp U GS < 0, trình ngược lại, làm kênh dẫn bị nghèo hạt dẫn (là điện tử) bị đẩy xa khỏi kênh Điện trở kênh dẫn tăng tùy theo mức độ tăng U GS theo chiều âm làm giảm dòng ID Đây chế độ nghèo MOSFET + Nếu xác định quan hệ hàm số I D = f3(UDS) lấy với giá trị khác UGS lí thuyết thay thực nghiệm, ta thu họ đặc tuyến MOSFET loại kênh n đặt sẵn hình vẽ Hình 2.39: Đặc tuyến MOSFET - Với loại kênh cảm ứng, đặt tới cực cửa điện áp UGS < 0, khơng có dịng cực máng (ID = 0) tồn hai tiếp giáp p-n mắc đối vùng máng - đế nguồn - đế, không tồn kênh dẫn nối máng - nguồn + Khi đặt UGS > 0, vùng đế đối diện cực cửa xuất điện tử tự (do cảm ứng tĩnh điện) hình thành kênh dẫn điện nối liền hai cực máng nguồn Độ dẫn kênh tăng theo giá trị U GS dịng điện cực máng ID tăng Như MOSFET loại kênh cảm ứng làm việc với loại cực tính UGS chế độ làm giầu kênh + Biểu diễn quan hệ hàm I D= f4(UDS), lấy với giá trị UGS khác nhau, ta có họ đặc tuyến MOSFET kênh n cảm ứng hình - Từ họ đặc tuyến MOSFET với hai loại kênh đặt sẵn kênh cảm ứng giống đặc tuyến JFET xét, thấy rõ có vùng phân biệt : vùng gần gốc ID tăng tuyến tính theo UDS phụ thuộc vào UGS, vùng bão hịa (vùng thắt) lúc ID phụ thuộc mạnh vào UGS, phụ thuộc yếu vào UDS vùng đánh thủng lúc UDS có giá trị lớn - Giải thích vật lí chi tiết q trình điều chế kênh dẫn điện điện áp UGS UDS cho phép dẫn tới kết luận tương tự JFET Bên cạnh tượng điều chế độ dẫn điện kênh tượng mở rộng vùng nghèo tiếp giáp p-n cực máng - đế tăng đần điện áp U DS Điều làm kênh dẫn có tiết diện hẹp dần từ cực nguồn tới cực máng bị thắt lai điểm ứng với điểm uốn ranh giới hai vùng tuyến tính bão hịa đặc tuyến Điện áp tương ứng với điểm gọi điện áp bão hòa U DSO (hay điện áp thắt kênh) THỰC HÀNH, BÀI TẬP: 9.1 Nhận dạng loại Diode bán dẫn thông dụng, đo kiểm tra xác định chất lượng diode 9.2 Nhận dạng loại transistor BJT, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor BJT đặc trưng thường dùng 9.3 Nhận dạng loại transistor FET, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor FET đặc trưng thường dùng 9.4 Nhận dạng loại transistor MOSFET, ký hiệu, qui cách đóng vỏ cách bố trí chân dạng transistor MOSFET đặc trưng thường dùng 10 CÂU HỎI ÔNG TẬP VÀ BAÌ TẬP: 10.1 Hãy phân biệt loại chất bán dẫn điện thường gặp: chất bán dẫn điện khiết, chất bán dẫn điện tạp chất loại N chất bán dẫn điện tạp chất loại P mặt: - Đồ thị vùng lượng - Cấu trúc tinh thể - Tính dẫn điện 10.2 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp cho tiếp xúc miếng bán dẫn khác loại N P tiếp xúc với 10.3 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp mắc điện áp phân cực thuận cho lớp tiếp giáp p - n 10.4 Giải thích tượng vật lý xảy miền tiếp giáp mắc điện áp phân cực ngược cho lớp tiếp giáp p - n Kết luận tính chất van hệ thống mặt ghép p - n 10.5 Vẽ cấu trúc, ký hiệu ốt nắn điện, giải thích nguyên lý làm việc ốt 10.6 Ghi nhớ ký hiệu, chất vật lý loại ốt thông dụng Ghi nhớ hình dạng đặc tuyến V - A ốt đơn vị hệ trục tọa độ 10.7 Các nhận xét quan trọng rút rừ đặc tuyến Von - Ampe ốt gì? Qua cần lưu ý tính chất thực tế để sử dụng tốt 10.8 Trong mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ dùng ốt bán dẫn Giải thích chế độ làm việc ốt có tụ lọc C mắc song song với tải R? Khi giá trị C tăng lên thời gian dẫn dòng điện ốt tăng lên hay giảm đi? Giải thích 10.9 Giải thích nguyên lý mạch ổn áp dùng ốt Zener mắc phối hợp với điện trở đóng vai trị điều chỉnh 10.10 Ghi nhớ cấu trúc bán dẫn bản, ký hiệu loại Transistor BJT p – n - p n – p - n ... thừa điện tử gọi bán dẫn N ( Negative : âm ) Hình 2.3: Mạng tinh thể chất bán dẫn tạp loại N - Si Vậy, chất bán dẫn tạp loại n chất bán dẫn có thành phần dẫn điện - thành phần dẫn điện đa số điện. .. chất bán dẫn Si nguyên tử P liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho có điện tử tham gia liên kết dư điện tử trở thành điện tử tự (mang điện âm) => Chất bán dẫn. ..0K) - Chất cách điện - Chất dẫn điện - Chất bán dẫn điện Hình 2.1 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng lượng a) Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện < Eg ≤ 2eV; c) Chất dẫn điện Muốn