Bài giảng "Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 1)" cung cấp cho người học các kiến thức: Giới thiệu BJT, các hiệu ứng thứ cấp, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của BJT, đặc tính tĩnh của BJT. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương BJT Transistors (Transfer Resistor) Transistors Bipolar transistors NPN,PNP Field Effect Transistors Junction-FETs (JFETS) N-channel, P-channel Insulated Gate FET’s MOSFETs Enhancement, Depletion N-channel, P-channel BJT • • • • • • • • • • Giới thiệu Bức tranh ý niệm Đặc tính tĩnh BJT Các tham sớ Các hiệu ứng thứ cấp Các đặc tuyến BJT Mơ hình tín hiệu nhỏ BJT – TD: Các mạch KĐ BJT tần số cao Các loại BJT khác Các ứng dụng BJT: Gương dòng điện, … Giới thiệu • BJT phát minh vào năm 1947 William Shockley, John Bardeen Walter Brittain Bell Labs (Mỹ) • BJT=Bipolar Junction Transistor • Transistor = Transfer resistor • BJT dụng cụ tích cực có cực • BJT dụng cụ cực dụng cụ bán dẫn tiếp tục dụng cụ chọn cho nhiều ứng dụng số vi ba (microwave) Một thập niên sau BJT phát minh, giữ dụng cụ cực ứng dụng thương mại Tuy nhiên giao tiếp Si-SiO2 cải tiến, MOSFET trở nên thắng Hiện HBT (Heterojunction Bipolar Transistor=transistor lưỡng cực chuyển tiếp dị thể) có hiệu cao tần số độ lợi • Các ứng dụng BJT: KĐ, mạch CS, mạch logic,… • BJT ưa chuộng số ứng dụng mạch số analog tốc độ nhanh độ lợi lớn Tuy nhiên khuyết điểm có tiêu tán CS lớn tích hợp nhỏ IC BJT Original point-contact transistor (1947) Inventors of the transistor: William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain First grown transistor (1950) Có loại BJT: NPN PNP Ký hiệu: • E = Emitter=Phát, B=Base=Nền, C=Collector=Thu • JE : chuyển tiếp PN B E • JC : chuyển tiếp PN B C VEB = VE – VB VCB = VC – VB VEC = VE – VC = VEB - VCB VBE = VB – VE VBC = VB – VC VCE = VC – VE = VCB - VEB IE = IB + IC Transistor Outlines (TO) For some transistors, the pin function can be identified from packaging: Types of transistors • Discrete (double-diffused) p+np transistor Emitter Base m 200 m Collector • Integrated-circuit n+pn transistor m 200 m BJT Structure - Planar The “Planar Structure” developed by Fairchild in the late 50s shaped the basic structure of the BJT, even up to the present day • In the planar process, all steps are performed from the surface of the wafer • BJTs are usually constructed vertically – Controlling depth of the emitter’s n doping sets the base width 10 Bức tranh ý niệm So sánh BJT FET BJT Dụng cụ dựa diode mà thường bị chặn, trừ cực điều khiển (Base Emitter) phân cực thuận FET Sự dẫn điện điều khiển điện trường tạo điện áp đưa vào cực điều khiển Vì điều khiển dòng điện, BJT chất mạch khuếch đại dòng Vì điều khiển khơng có dòng điện FET dụng cụ điều khiển điện áp 11 BJT FET (1/2) Điều khiển luồng [nước] thay đổi Luồng chất lỏng Tăng làm dừng luồng chất lỏng Trạng thái OFF Điều khiển luồng [nước] thay đổi độ rộng kênh Luồng chất lỏng miền bị giới hạn Độ rộng điều khiển “cổng” Trạng thái OFF 12 BJT FET (2/2) Giảm cho phép luồng chất lỏng chảy BJT, HBT Thế điều khiển điện áp nền-phát Tăng độ rộng kênh làm cho chất lỏng chảy FET Độ rộng kênh dẫn điều khiển phân cực cổng 13 5.1 Cấu tạo nguyên tắc hoạt động BJT 14 Giản đồ lượng BJT NPN chưa phân cực (ở đkcb) • Nồng độ ND Emitter >> ND Collector • Khơng có dòng điện • diode đấu ngược 15 Giản đồ lượng BJT phân cực chế độ tích cực thuận, JE phân cực thuận JC phân cực ngược Phát (Emitter) Nền (Base) Thu (Collector) Dòng điện tử JE phân cực thuận: • Điện tử bơm từ E vào B • Điện tử ngang miền vào miền thu Độ rộng miền nhỏ chiều dài khuếch tán LNđể điện tử tới JC JC phân cực ngược: • Điện tử kéo vào miền thu điện trường ngược Dòng lỗ = dòng 16 • Các yêu cầu quan trọng dụng cụ điện tử: – Hệ số KĐ cao fanout lớn – Ngõ vào nên cách ly với ngõ • Nhắc lại tiếp xúc PN với phân cực thuận phân cực ngược: – Dòng ngược tiếp xúc PN tạo hạt dẫn thiểu số – Dòng thuận tiếp xúc PN phụ thuộc vào phun hạt dẫn 17 Hệ số vận chuyển miền B hiệu suất phát e • IC = B IEn • hiệu suất phát e • Tỉ số truyền đạt dòng điện 18 Độ lợi dòng • Dòng tạo dòng lỗ phun vào E (IEp) dòng lỗ tái hợp miền với điện tử phun vào từ E (= (1−B)IEn) Như IB = IEp + (1 − B)IEn • Độ lợi dòng E chung (có giá trị 50 200) 19 Sự thay đổi dòng điện làm ảnh hưởng cường độ bơm hạt dẫn đa số dòng thu BJT Collector (Thu) Base (Nền) Emitter (Phát) Dòng thu IC Dòng IB (dẫn đến thay đổi điện tích miền nền) 20 10 5.2 Đặc tính tĩnh BJT 21 Nếu ta giả sử miền phát rộng dùng phân tích chiều để hiểu dụng cụ Ta sử dụng giả thiết đơn giản hóa sau Điện tử bơm từ miền phát tiếp tục khuếch tán qua miền điện trường miền đủ nhỏ để khơng có tượng trôi Điện trường khác zero miền nghèo zero vật liệu khối Dòng bơm collector bỏ qua BJT phân cực ngược Qui ước ký hiệu mô tả điện áp: VBE= VB – VE, với VB VE điện đo cực B E TD: VBE > nghĩa VB > VE, Tổng qt, có dòng điện sau BJT: • Dòng [điện] IB: tạo từ lỗ kết hợp với điện tử bơm vào từ miền phát (Thành phần I) lỗ bơm qua tiếp xúc JE vào miền phát (Thành phần II) Một lần ta bỏ qua JC với chế độ tích cực thuận • Dòng [điện] phát IE: gồm dòng điện tử tái hợp với lỗ miền (III), dòng điện tử bơm vào miền thu (IV), dòng lỗ bơm vào 22 miền phát (II) 11 Thành phần dòng điện Dòng phát bơm vào miền Dòng bơm vào miền phát Dòng tái hợp miền Dòng lỗ bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử đến từ miền phát Để có dụng cụ hiệu cao, ta cần gì? • Hiệu suất phát cao • Hệ số vận chuyển miền cao 23 Các dòng điện BJT N+PN • EBJ (JE)：Khuếch tán đa số −IEN −IEP c • CBJ(JC)：Trôi thiểu số −ICBO ICN JC thu thập điện tử từ E tạo nên dòng ICN ICBO Dòng b −Dòng tái hợp IBN IBN Rb EB Rc EC Maj IEP IEN e 24 12 Các chế độ làm việc BJT Common-emitter output characteristics (IC vs VCE) Chế độ (Mode) Tiếp xúc emitter JE Tiếp xúc collector JC TẮT (CUTOFF) p/c ngược p/c ngược TÍCH CỰC thuận Forward ACTIVE p/c thuận p/c ngược TÍCH CỰC ngược Reverse ACTIVE p/c ngược p/c thuận BÃO HÒA (SATURATION) p/c thuận p/c thuận 25 Tóm tắt chế độ làm việc BJT Tích cực thuận Tích cực ngược I C = FI B IE = RIB Bão hòa Tắt Chú ý: • F = độ lợi dòng thuận (đầu vào B, đầu C, JE p/c thuận JC p/c ngược) • R = độ lợi dòng ngược (đầu vào B, đầu E, JE p/c ngược JC p/c thuận) 26 13 BT lớp 27 BJT NPN chế độ tích cực thuận (a) nồng độ hạt dẫn cân điện tử lỗ miền nghèo chuyển tiếp BJT NPN (b) phân bố hạt dẫn thiểu số miền phát, nền, thu 28 14 Giản đồ lượng phân bố điện tích thiểu số BJT chế độ bão hòa, tích cực thuận tắt 29 Sự phân bố nồng độ hạt dẫn thiểu số • Dòng điện điện tử từ miền phát vào miền (do thiết kế) phân cực thuận khuếch tán hạt dẫn thiểu số qua miền Có tái hợp (trong miền nền) làm giảm nồng độ điện tử Miền thiết kế ngắn (nhằm tối thiểu hóa tái hợp) Miền phát pha tạp chất nhiều (đôi trở thành suy biến) miền pha tạp chất (NDE >> NAB) • Những dòng điện trơi thường nhỏ bỏ qua 30 15 Dòng khuếch tán qua miền • Khuếch tán điện tử qua miền xác định nồng độ JE • Dòng khuếch tán điện tử qua miền (giả sử đường thẳng lý tưởng): AE=A=diện tích mặt cắt ngang dụng cụ • Do tái hợp miền nền, dòng điện JE dòng điện JC khơng hiệu chúng dòng 31 Dòng [điện cực] thu • Điện tử khuếch tán qua miền vào JC lại kéo qua miền nghèo JC vào miền thu phân cực ngược JC làm cho có điện cao C với dòng bão hòa ta viết lại dòng bão hòa sau: • • Chú ý lý tưởng iC độc lập với vCB (điện áp phân cực JC) Dòng bão hòa – tỉ lệ nghịch với W tỉ lệ thuận với AE • Ta muốn có bề rộng miền ngắn diện tích miền phát lớn để có dòng điện cao – Phụ thuộc vào nhiệt độ có số hạng ni2 32 16 Dòng [điện] • Dòng iB tạo nên từ thành phần – Lỗ bơm từ miền vào miền phát ( iB1=IpBE) – Lỗ tái hợp với điện tử khuếch tán (từ E) vào miền phụ thuộc vào thời gian sống hạt dẫn thiểu số b ( iB2=IBER) điện tích Q miền Do iB2 có trị • Dòng tổng cộng 33 Hoạt động BJT NPN chế độ tích cực v BE Dòng thu iC I S e VT v BE Dòng iB iC IS e VT Dòng phát iE iC iB 1 iC vBE VT 1 i I IS e E C Chú ý: Với BJT-PNP, ta cần thay VBE VEB 1 34 17 Mơ hình tín hiệu lớn BJT – NPN (chế độ KĐ) Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the active mode 35 The pnp Transistor Current flow in an pnp transistor biased to operate in the active mode 36 18 The pnp Transistor Two large-signal models for the pnp transistor operating in the active mode 37 Summary of the BJT I-V Relationships in the Active Mode vBE iC IS e VT vBE iB iC IS e vBE VT iE iC IS e VT Note : for pnp transitor, replace vBE for vEB iC iE iB iE iC iB iE 1 iB iE 1 iE 1 VT 25mV 38 19 Ba cấu hình mắc BJT mạch (a) Three possible configurations under which a BJT can be used in circuits (b) A schematic of the current-voltage characteristics of a BJT in the common-base and commonemitter configuration 39 Common-emitter It is called the common-emitter configuration because (ignoring the power supply battery) both the signal source and the load share the emitter lead as a common connection point 40 20 Common-collector It is called the common-collector configuration because both the signal source and the load share the collector lead as a common connection point Also called an emitter follower since its output is taken from the emitter resistor, is useful as an impedance matching device since its input impedance is much higher than its output impedance 41 Common-base This configuration is more complex than the other two, and is less common due to its strange operating characteristics Used for high frequency applications because the base separates the input and output, minimizing oscillations at high frequency It has a high voltage gain, relatively low input impedance and high output impedance compared to the common collector 42 21 Dòng-áp: Mơ hình Ebers-Moll The Ebers-Moll equivalent circuit of a bipolar transistor looks at the device as made up of two coupled diodes 43 Dòng-áp: Mơ hình Ebers-Moll 44 22 ... resistor • BJT dụng cụ tích cực có cực • BJT dụng cụ cực dụng cụ bán dẫn tiếp tục dụng cụ chọn cho nhiều ứng dụng số vi ba (microwave) Một thập niên sau BJT phát minh, giữ dụng cụ cực ứng dụng thương... collector 42 21 Dòng-áp: Mơ hình Ebers-Moll The Ebers-Moll equivalent circuit of a bipolar transistor looks at the device as made up of two coupled diodes 43 Dòng-áp: Mơ hình Ebers-Moll 44 22 ... Chú ý: Với BJT-PNP, ta cần thay VBE VEB 1 34 17 Mơ hình tín hiệu lớn BJT – NPN (chế độ KĐ) Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the active mode 35 The pnp Transistor