giao trinh linh kien dien tu

J.Millman - Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems - Mc.Graw.Hill. Book Company - 1979.[r]

(1)

Lời nói đầu

*********

Linh kiện điện tử kiến thức bước đầu ngành điện tử

Giáo trình biên soạn từ giảng tác giả nhiều năm qua Khoa Công Nghệ Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại học Cần Thơ Trung Tâm Giáo dục thường xuyên ởđồng sơng Cửu Long sau q trình sửa chữa cập nhật

Giáo trình chủ yếu dùng cho sinh viên chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông TựĐộng Hóa Các sinh viên khối Kỹ thuật ham thích điện tử tìm thấy ởđây nhiều điều bổ ích

Giáo trình bao gồm chương:

Từ chương đến chương 3: Nhắc lại số kiến thức vật lý vi mô, mức năng lượng dải lượng cấu trúc kim loại chất bán dẫn điện dùng như

chìa khóa để khảo sát linh kiện điện tử

Từ chương đến chương 8: Đây đối tượng giáo trình Trong chương này, ta khảo sát cấu tạo, chế hoạt động đặc tính chủ yếu linh kiện điện tử thơng dụng Các linh kiện đặc biệt thông dụng giới thiệu ngắn gọn mà không vào phân giải

Chương 9: Giới thiệu hình thành phát triển vi mạch

Người viết chân thành cảm ơn anh Nguyễn Trung Lập, Giảng viên Bộ mơn Viễn Thơng TựĐộng Hóa, Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin, Trường Đại học Cần Thơđã đọc kỹ thảo cho nhiều ý kiến quý báu.

Cần Thơ, tháng 12 năm 2003

Trương Văn Tám

(2)

Mục lục

-

Chương I 4

MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG 4

I KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG:

II PHÂN BỐĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG:

III DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS)

Chương II 12

SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI 12

I ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT: 12

II PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: 14

III THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: 15

IV SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: 18

V CÔNG RA (HÀM CÔNG): 20

VI ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ): 21

Chương III 22

CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN 22

I CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM: 22

II CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CÓ CHẤT PHA: 24

1 Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) 24

2 Chất bán dẫn loại P: 25

3 Chất bán dẫn hỗn hợp: 26

III DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN: 27

IV CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: 29

V PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC: 30

Chương IV 32

NỐI P-N VÀ DIODE 32

I CẤU TẠO CỦA NỐI P-N: 32

II DÒNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: 34

1 Nối P-N phân cực thuận: 35

2 Nối P-N phân cực nghịch: 38

III ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N: 40

IV NỘI TRỞ CỦA NỐI P-N .41

1 Nội trở tĩnh: (Static resistance) .41

2 Nội trởđộng nối P-N: (Dynamic Resistance) 42

V ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N .44

1 Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối) 44

2 Điện dung khuếch tán (Difusion capacitance) 45

VI CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG 45

1 Diode chỉnh lưu: 45

2 Diode tách sóng .53

3 Diode schottky: 53

4 Diode ổn áp (diode Zenner): 54

5 Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode) 57

6 Diode hầm (Tunnel diode) 58

Bài tập cuối chương 59

Chương V 61

TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 61

I CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT 61

II TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC .61

III CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC .63

IV CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DÒNG ĐIỆN .64

V DÒNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR .66

VI ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR .67

1 Mắc theo kiểu cực chung: 68

2 Mắc theo kiểu cực phát chung .69

3 Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến BJT .72

VII ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU 73

VIII KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT .78

(3)

IX BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU 80

1 Mơ hình BJT: 80

2 Điện dẫn truyền (transconductance) 82

3 Tổng trở vào transistor: 83

4 Hiệu ứng Early (Early effect) 85

5 Mạch tương đương xoay chiều BJT: 86

CHƯƠNG 91

TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG 91

I CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET: 91

II CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA JFET: 93

III ĐẶC TUYẾN TRUYỀN CỦA JFET .99

IV ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET .100

V MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE MOSFET) 102

VI MOSFET LOẠI TĂNG (ENHANCEMENT MOSFET: E-MOSFET) 107

VII XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH: 111

VIII FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ 113

IX ĐIỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA JFET VÀ DEMOSFET .117

X ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET .118

XI TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET .119

XII CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS) 120

XIII MOSFET CÔNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS 122

1 V-MOS: 122

2 D-MOS: 123

CHƯƠNG VII 126

LINH KIỆN CÓ BỐN LỚP BÁN DẪN PNPN VÀ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC 126

I SCR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 126

1 Cấu tạo đặc tính: 126

2 Đặc tuyến Volt-Ampere SCR: 128

3 Các thông số SCR: 129

4 SCR hoạt động ởđiện xoay chiều 130

5 Vài ứng dụng đơn giản: 131

II TRIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH) 133

III SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH) .135

IV DIAC 136

V DIOD SHOCKLEY 137

VI GTO (GATE TURN – OFF SWITCH) .138

VII UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐỘC NỐI) .140

1 Cấu tạo đặc tính UJT: 140

2 Các thông số kỹ thuật UJT vấn đềổn định nhiệt cho đỉnh: 143

3 Ứng dụng đơn giản UJT: 144

VIII PUT (Programmable Unijunction Transistor) 145

CHƯƠNG VIII 148

LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 148

I ÁNH SÁNG .148

II QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE) 149

III QUANG DIOD (PHOTODIODE) 151

IV QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR) .152

V DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE) 154

VI NỐI QUANG 155

CHƯƠNG IX 157

SƠ LƯỢC VỀ IC 157

I KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 157

II CÁC LOẠI IC .159

1 IC màng (film IC): 159

2 IC đơn tính thể (Monolithic IC): 159

3 IC lai (hibrid IC) .160

III SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ .160

IV IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG) .162

1 IC Digital: 162

2 IC analog: 163

Tài liệu tham khảo 163

(4)

Chương I

MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG

Trong chương chủ yếu nhắc lại kiến thức học nguyên lượng, phân bố điện tử ngun tử theo lượng, từ hình thành dải lượng tinh thể chất bán dẫn Để học chương này, sinh viên cần có kiến thức tương đối vật lý hóa học đại cương Mục tiêu cần đạt hiểu ý nghĩa dải dẫn

điện, dải hóa trị dải cấm, từđó phân biệt chất dẫn điện, bán dẫn điện cách

điện

I KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG:

Ta biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử (đó thành phần nhỏ nguyên tố mà giữ ngun tính chất ngun tốđó) Theo mơ hình nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có nhân mang điện tích dương (Proton mang điện tích dương Neutron trung hoà vềđiện) sốđiện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân chịu tác động lực hút nhân Nguyên tử ln ln trung hịa điện tích, số electron quay chung quanh nhân số

proton chứa nhân - điện tích proton điện tích electron trái dấu) Điện tích electron -1,602.10-19Coulomb, điều có nghĩa để có Coulomb điện tích phải có 6,242.1018 electron điện tích của điện tử có thểđo được trực

tiếp khối lượng điện tử đo trực tiếp Tuy nhiên, người ta đo tỉ số điện tích khối lượng (e/m), từ suy khối lượng

điện tử là:

mo=9,1.10-31Kg

Đó khối lượng điện tử chuyển động với vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s) Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng điện tử tính theo công thức Lorentz-Einstein:

2 o

c v

m

− = e

m

Mỗi điện tử chuyển động đường tròn chịu gia tốc xuyên tâm Theo thuyết điện từ chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát lượng Sự lượng làm cho quỹ đạo điện tử nhỏ dần sau thời gian ngắn, điện tử

sẽ rơi vào nhân Nhưng thực tế, hệ thống hệ thống bền theo thời gian Do đó, giả thuyết Rutherford không đứng vững

Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) bổ túc giả thuyết sau:

(5)

Có quỹ đạo đặt biệt, điện tử di chuyển mà khơng phát lượng Tương ứng với quỹđạo có mức lượng định Ta có quỹđạo dừng

Khi điện tử di chuyển từ quỹ đạo tương ứng với mức lượng w1 sang quỹ

đạo khác tương ứng với mức lượng w2 có tượng xạ hay hấp thu

lượng Tần số xạ (hay hấp thu) là:

h w w f = −

Trong đó, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck)

Trong quỹđạo dừng, moment động lượng điện tử bội số =h

π

2 h

Moment động lượng: nh

2 h n r v

m =

π =

r +e

-e v

Hình

Với giả thuyết trên, người ta dự đoán mức lượng nguyên tử

hydro giải thích quang phổ vạch Hydro, khơng giải thích nguyên tử có nhiều điện tử Nhận thấy đối tính sóng hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho liên kết hạt điện khối lượng m, chuyển

động với vận tốc v bước sóng

mv h

=

λ

Tổng hợp tất giả thuyết môn học nguyên lượng, giải thích

được tượng quan sát cấp nguyên tử

Phương trình môn học nguyên lượng phương trình Schrodinger

được viết sau:

0 ) U E ( m

2

= ϕ − + ϕ ∇ − h

∇ toán tử Laplacien

(6)

2 2 2

z y

x δ

ϕ δ + δ

ϕ δ = ϕ ∇

E: lượng toàn phần

U:

(E-U): động

ϕ hàm số gọi hàm số sóng Hàm số xác định xác suất tìm thấy hạt điện miền không gian khảo sát

Trong giải phương trình Schrodinger để tìm lượng điện tử nguyên tử nhất, người ta thấy trạng thái lượng electron phụ

thuộc vào số nguyên gọi số nguyên lượng:

Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính)

Xác định kích thước quỹđạo n=1,2,3,…7

Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ)

Xác định hình thể quỹđạo l=1,2,3,…,n-1

Số nguyên lượng từ:

Xác định phương hướng quỹđạo ml=0,±1, …, m l

Số nguyên lượng Spin:

Xác định chiều quay electron

2 - ms =+

Trong hệ thống gồm nhiều nguyên tử, số nguyên lượng tuân theo nguyên lý ngoại trừ Pauli Nguyên lý cho rằng: hệ thống khơng thể có trạng thái ngun lượng giống nhau, nghĩa khơng thể có hai điện tử có số ngun lượng hồn tồn giống

II PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO

NĂNG LƯỢNG:

Tất ngun tử có số ngn lượng hợp thành tầng có tên K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7

Ở tầng, điện tử có số l tạo thành phụ tầng có tên s,p,d,f tương ứng với l=0,1,2,3

Tầng K (n=1) có phụ tầng s có tối đa điện tử

Tầng L (n=2) có phụ tầng s có tối đa điện tử phụ tầng p có tối đa điện tử Tầng M (n=3) có phụ tầng s (tối đa điện tử), phụ tầng p (tối đa điện tử)

phụ tầng d (tối đa 10 điện tử)

Tầng N (n=4) có phụ tầng s (tối đa điện tử), phụ tầng p (tối đa điện tử), phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) phụ tầng f (tối đa 14 điện tử) Như vậy: Tầng K có tối đa điện tử

(7)

Tầng L có tối đa điện tử Tầng M có tối đa 18 điện tử Tầng N có tối đa 32 điện tử

Các tầng O,P,Q có phụ tầng có tối đa 32 điện tử

Ứng với phụ tầng có mức lượng mức lượng xếp theo thứ tự sau:

1

1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s

2p 3p 4p 5p

6d

7p

3d 4d

5f

6p

7d

4f

5d

6f 7f Hình

Khi khơng bị kích thích, trạng thái lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần nhân hơn) hết chỗ sang mức cao (xa nhân hơn) Thí dụ: ngun tử Na có số điện tử z=11, có phụ tầng 1s,2s,2p bị điện tử chiếm hồn tồn có

điện tử chiếm phụ tầng 3s Cách biểu diễn:

Theo mẫu Bohr Theo mức lượng

NATRI Na11 1s2 2s2 2p6 3s1

Na 2-8-1

Na +11

(8)

SILICIUM Si14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Si 2-8-4

Si +14

GERMANIUM Ge32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2

Ge 2-8-18-4

Ge +32

Hình

Lớp bảo hòa: Một phụ tầng bảo hòa có đủ sốđiện tử tối đa

Một tầng bảo hòa phụ tầng bảo hòa Một tầng bảo hịa bền, khơng nhận thêm khó điện tử

Tầng cùng: Trong nguyên tử, tầng ngồi khơng chứa q

điện tử Nguyên tử có điện tửở tầng ngồi bền vững (trường hợp khí trơ) Các điện tửở tầng định hầu hết tính chất hóa học ngun tố

III DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS)

Những cơng trình khảo cứu tia X chứng tỏ hầu hết chất bán dẫn

dạng kết tinh

(9)

Ta xét mạng tinh thể gồm N ngun tử thuộc nhóm 4A, thí dụ C6 Ta tưởng tượng thay đổi khoảng cách nguyên tử mà không thay đổi cấu tạo tinh thể Nếu nguyên tử cách khoảng d1 cho tác động

lẫn khơng đáng kể mức lượng chúng trùng với mức lượng ngun tử độc Hai phụ tầng ngồi có điện tử s điện tử p (C6=1s22s22p2) Do đó, ta khơng để ý đến tầng trong, ta có 2N điện tử chiếm tất 2N trạng thái s có mức lượng; Ta có 2N điện tử p chiếm 2N trạng thái p Vậy có 4N trạng thái p chưa bị chiếm Giả sử khoảng cách nguyên tử thu nhỏ thành d2, tác dụng nguyên tử lên nguyên tử lân cận

trở thành quan trọng

Năng lượng E

4N trạng thái 6N trạng thái p

chưa bị chiếm Dải dẫn điện (2N trạng thái bị chiếm)

2p

Dải cấm EG Dải cấm

4N trạng thái bị chiếm 2s

2N trạng thái s

Dải hóa trị bị chiếm

d0 d4 d3 d2 d1

Hình

Ta có hệ thống gồm N nguyên tử, nguyên tử phải tuân theo ngun lý Pauli 2N điện tử s khơng thể có mức lượng mà phải có 2N mức lượng khác nhau; khoảng cách hai mức kượng nhỏ N lớn nên khoảng cách mức lượng cao thấp lớn, ta có dải lượng 2N trạng thái dải lượng bị 2N điện tử chiếm Tương tự, bên dải lượng ta có dải gồm 6N trạng thái p có 2N trạng thái p bị chiếm chỗ

Ta để ý rằng, hai dải lượng mà điện tử chiếm-được có dải cấm Điện tử khơng thể có lượng nằm dải cấm, khoảng cách (dải cấm) thu hẹp khoảng cách d nhỏ (xem hình) Khi khoảng cách d=d3, dải lượng chồng

lên nhau, 6N trạng thái dải hoà với 2N trạng thái dải cho ta 8N trạng thái, có 4N trạng thái bị chiếm Ở khoảng cách này, nguyên tử có điện tử

tầng ngồi ta khơng thể phân biệt điện tử điện tử s điện tử

điện tử p, khoảng cách từ đó, tác dụng nguyên tử lên mạnh Sự phân

(10)

bố dải lượng tuỳ thuộc vào dạng tinh thể nguyên tử số Người ta xác định

phân bố cách giải phương trình Schrodinger có kết hình vẽ Ta có dải hố trị (valence band) gồm 4N trạng thái hồn tồn bị chiếm dải dẫn điện (conduction band) gồm 4N trạng thái chưa bị chiếm Giữa hai dải lượng này, có dải lượng cấm có lượng khoảng 6eV (eV: ElectronVolt)

1 volt hiệu điện hai điểm mạch điện lượng cung cấp Joule để chuyển điện tích Coloumb từđiểm đến điểm

Vậy,

Joule

Coloumb

Q W V volt

→

= ←

Vậy lượng mà điện tử tiếp nhận vượt hiệu điện volt là:

Q W

V=

19

-10 602 ,

W V

1 =

⇒

Joule 10

602 ,

W= −19

⇒

Năng lượng gọi 1eV (1eV=1,602.10-19J)

Ta khảo sát trường hợp đặc biệt tinh thể Cacbon Nếu ta khảo sát tinh thể

bất kỳ, lượng điện tử chia thành dải Dải lượng cao bị

chiếm gọi dải hóa trị, dải lượng thấp chưa bị chiếm gọi dải dẫn điện Ta

đặc biệt ý đến hai dải lượng

E Năng lượng

Dải dẫn điện (Dải lượng

thấp chưa bị chiếm)

EG Dải cấm

Dải hoá trị (Dải lượng

cao bị chiếm)

Hình

* Ta có trường hợp:

(11)

Dải cấm có độ cao lớn (EG>5eV) Đây trường hợp chất cách điện Thí

dụ kim cương có EG=7eV, SiO2 EG=9eV

Dải cấm có độ cao nhỏ (EG<5eV) Đây trường hợp chất bán dẫn điện

Thí dụ: Germanium có EG=0,75eV

Silicium có EG=1,12eV

Galium Arsenic có EG=1,4eV

Dải hóa trị dải dẫn điện chồng lên nhau, trường hợp chất dẫn điện Thí dụ nhưđồng, nhôm…

E (Năng lượng)

Dải dẫn điện

EG>5eV Dải cấm Dải dẫn điện

EG<5eV

Dải hoá trị Dải hoá trị

(a) (b) (c)

Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dẫn điện

Hình

Giả sử ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhờ cung cấp nhiệt năng, điện tử dải hóa trị tăng lượng Trong trường hợp (a), EG lớn, điện tử không đủ lượng

vượt dải cấm để vào dải dẫn điện Nếu ta cho tác dụng điện trường vào tinh thể, tất trạng thái dải hóa trị điều bị chiếm nên điện tử di chuyển cách đổi chỗ cho Do đó, sốđiện tửđi, chiều với sốđiện tửđi, theo chiều ngược lại, dòng điện trung bình triệt tiêu Ta có chất cách điện

Trong trường hợp (b), sốđiện tử có đủ lượng vượt dải cấm vào dải dẫn

điện Dưới tác dụng điện trường, điện tử thay đổi lượng dễ dàng dải dẫn điện có nhiều mức lượng trống để tiếp nhận chúng Vậy điện tử có lượng dải dẫn điện di chuyển theo chiều tác dụng điện trường, ta có chất bán dẫn điện

Trong trường hợp (c) giống trường hợp (b) sốđiện tử dải dẫn

điện nhiều làm cho di chuyển mạnh hơn, ta có kim loại hay chất dẫn điện

(12)

Chương II

SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI

Nội dung chương ôn lại khái niệm vềđộ linh động điện tử, dẫn suất kim loại, từđó đưa phương pháp khảo sát chuyển động hạt tử lượng Mục tiêu cần đạt hiểu rõ điện tử kim loại, phân bố điện tử theo lượng, công kim loại tiếp

I ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT:

Trong chương I, hình ảnh dải lượng kim loại trình bày Theo khảo sát trên, dải lượng điện tử chiếm chưa đầy khơng có dải cấm cho lượng cao Nghĩa điện tử di chuyển tự kim loại tác dụng điện trường

Na

Hình

+ + + +

→ E

Hình vẽ phân bốđiện tích tinh thể Na Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho điện tửở dải hóa trị có lượng thấp nhất, chỗ trắng chứa điện tử

có lượng cao nằm dải dẫn điện Chính điện tử điện tử

không thể nói thuộc hẳn vào nguyên tử định di chuyển tự từ

nguyên tử sang nguyên tử khác Vậy kim loại coi nơi ion kết hợp chặt chẽ với xếp đặn chiều đám mây điện tử mà điện tử di chuyển tự

Hình ảnh mơ tả kim loại chất khí điện tử Theo thuyết chất khí điện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi lần va chạm với ion dương nặng, xem nhưđứng yên Khoảng cách trung bình hai lần va chạm gọi đoạn đường tự trung bình Vì chuyển động tán loạn, nên

một thời điểm đó, số điện tử trung bình qua đơn vị diện tích theo chiều sốđiện tử qua đơn vị diện tích theo chiều ngược lại Như , dịng điện trung bình triệt tiêu

(13)

Giả sử, điện trường E thiết lập mạng tinh thể kim loại, ta thử khảo sát chuyển động điện tử từ trường nầy

en

e1 e2

x Hình

Hình mô tả chuyển động điện tử tácdụng điện trường E Quỹđạo điện tử đường gấp khúc điện tử chạm vào ion dương đổi hướng chuyển động Trong thời gian t=n lần thời gian tự trung bình, điện tử di chuyển đoạn đường x Vận tốc

t x

v= gọi vận tốc trung bình Vận tốc tỉ lệ với điện trường E v=µE

Hằng số tỉ lệµ gọi độ linh động điện tử, tính m2/Vsec

Điện tích qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian gọi mật độ dòng

điện J

Ta có: J = n.e.v

Trong đó, n: mật độđiện tử, e: điện tích electron

Bây giờ, ta xét điện tích vi cấp S đặt thẳng góc với chiều di chuyển điện tử Những điện tử tới mặt S thời điểm t=0 (t=0 chọn làm thời điểm gốc)

điện tử mặt S’ cách S khoảng v (vận tốc trung bình điện tủ) thời điểm t=-1 Ở thời điểm t=+1, điện tử qua mặt S điện tử chứa hình trụ giới hạn mặt S S’ Điện tích sốđiện tử q=n.e.v.s, với n mật

độđiện tử di chuyển Vậy điện tích ngang qua đơn vị diện tích đơn vị

thời gian là: J=n.e.v t = -1 t =

S’ S

v

Hình

Nhưng v=µEnên J=n.e.µ.E

Người ta đặt σ=n.e.µ (đọc Sigma) Nên J=σE σgọi dẫn xuất kim loại Và

σ =

ρ gọi điện trở suất kim loại

Điện trở suất tính Ωm dẫn suất tính mho/m

(14)

II PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG:

K A 5cm

v0

M(x)

EC = 2eV -

10V

+

Hình

Phương pháp khảo sát định luật bảo toàn lượng Để dễ hiểu, ta xét thí dụ sau đây:

Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song kim loại cách Cm Anod A có hiệu điện –10V so với Catod K Một điện tử rời Catod K với lượng ban đầu Ec=2eV Tính khoảng cách tối đa mà điện tử rời Catod

Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M có hoành độ x Điện điểm M tỉ lệ

với hồnh độ x điện trường Anod Catod

Điện điểm có hồnh độ x là:

β + α

= x

V

Khi x=0, (tại Catod) ⇒ V=0⇒β=0 Nên V=αx

Tại x=5 Cm (tại Anod A) V=-10volt ⇒α=−2 Vậy V=-2x (volt) với x tính Cm

Suy điểm M là: (Joule)

x e QV

U= =+ với e điện tích điện tử Ta viết U=2.x(eV)

Năng lượng tồn phần điểm M là: U

mv

T= +

(15)

Năng lượng không thay đổi Trên đồ thị, T biểu diễn đường thẳng song song với trục x

Hiệu mv2

2 U

T− = động điện tử Động tối đa điểm O (Catod) giảm dần triệt tiêu điểm P có hồnh độ x0 Nghĩa điểm x0, điện tử

dừng lại di chuyển trở catod K Vậy x0 khoảng cách tối đa mà điện tử rời

xa Catod

eV (Năng lượng)

P

T

0

v m

x0 = 1cm cm x (cm)

Hình

Tại điểm M (x=x0) ta có:

T-U=0

Mà T=+Ec (năng lượng ban đầu)

T=2.e.V

Vậy, U=2.x0 (eV)

=> 2-2.x0=0 => x0=1Cm

Về phương diện lượng, ta nói với lượng tồn phần có sẵn T,

điện tử vượt qua rào U để vào phần có gạch chéo

Ta thấy biết lượng toàn phần hạt điện phân bố môi trường hạt điện, ta xác định đường di chuyển hạt điện

Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp để khảo sát chuyển động điện tử

trong kim loại

III THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI:

Nếu ta có nguyên tử α điện điểm cách α khoảng r là:

(16)

C r k V= +

Nếu chọn điện điểm xa làm điện Zero C=0 Vậy điện tử

có điện tích –e cách nhân α đoạn r là:

r ke eV U=− =−

-e U -e

α r

r

Hình

Hình đồ thị U theo khoảng cách r Phần đồ thị không liên tục

ứng với điện tửở bên trái nhân α Nếu ta có hai nhân α β vùng hai nhân điện tử tổng α β tạo Trong kim loại, nhân xếp đặn theo chiều Vậy, ta khảo sát phân bố cách xét phân bố dọc theo dải α, β γ

(17)

Hình biểu diễn phân bốđó

U Điện tử tự

α β γ ε

EB

U0

Điện tử buộc

V0 = EB

Hình

+

Ta thấy có vùng đẳng rộng nằm xen kẻ với vùng điện

thay đổi nhanh Mặt ngồi kim loại khơng xác định hoàn toàn cách nhân cuối khoảng cách nhỏ Vì bên phải nhân ε khơng cịn nhân nên

năng tiến tới Zero khơng giữ tính tuần hồn bên kim loại Do đó, ta có rào mặt kim loại

Ta xét điện tử nhân β có lượng nhỏ U0, điện tử

di chuyển vùng nhỏ cạnh nhân hai rào tương ứng Đó điện tử

buộc không tham gia vào dẫn điện kim loại Trái lại, điện tử có lượng lớn U0 di chuyển từ nguyên tử qua nguyên tử khác khối kim loại

nhưng vượt ngồi khối kim loại đến mặt phân cách, điện tử đụng vào rào Các điện tử có lượng lớn U0 gọi điện tử tự

do Trong chương sau, ta đặt biệt ý đến điện tử

Vì hầu hết khối kim loại có điện V0 tương ứng với U0=-eV0

nên ta giả sử khối kim loại khối đẳng V0 Nhưng điện tùy thuộc vào

một số cộng nên ta chọn V0 làm điện gốc (V0=0V) Gọi EB chiều cao

của rào bên bên kim loại Một điện tử bên khối kim loại muốn vượt phải có lượng U=EB, ta cần phải biết

phân bố điện tử theo lượng

(18)

III SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG:

Gọi ∆nE= số điện tử đơn vị thể tích có lượng từ E đến E+∆E

Theo định nghĩa, mật độ điện tử trung bình có lượng từ E đến E+∆E tỉ số

E nE

∆ ∆

Giới hạn tỉ số ∆E→0 gọi mật độđiện tử có lượng E

Ta có: (1)

dE dn E n lim ) E

( E E

0

E ∆ =

∆ = ρ

→ ∆

Vậy, dnE =ρ(E).dE (2)

Do đó, ta biết hàm số ρ(E)ta suy sốđiện tử có lượng khoảng từ E đến E+dE biểu thức (2) Ta thấy ρ(E) số trạng thái lượng E bị điện tử chiếm Nếu gọi n(E) số trạng thái lượng có lượng E mà điện tử chiếm Người ta chứng minh rằng: tỉ số

) E ( n ) E ( ρ

hàm số f(E), có dạng:

KT E E F e 1 ) E ( n ) E ( ) E ( f − + = ρ =

Trong đó, K=1,381.10-23 J/0K (hằng số Boltzman)

K) (V/ 10 62 , e 10 381 ,

K = −23 = −5

EF lượng Fermi, tùy thuộc vào chất kim loại

Mức lượng nằm dải cấm

Ở nhiệt độ thấp (T≈00K) Nếu E<EF, ta có f(E)=1

Nếu E>EF, ta có f(E)=0

Vậy f(E) xác suất để tìm thấy điện tử có lượng E nhiệt độ T Hình sau đồ thị f(E) theo E T≈00K T=2.5000K

Trang 18 Biên soạn: Trương Văn Tám

f(E) T=00K

½

T=25000K

EF E

Hình

+

ρ(E)

T=00K

T=25000K

(19)

Ta chấp nhận rằng:

2

E ) E (

N =γ γ hằng số tỉ lệ

Lúc đó, mật độđiện tử có lượng E là: )

E ( f E ) E ( N ) E ( f ) E

( = =γ

ρ

Hình đồ thị ρ(E) theo E tương ứng với nhiệt độ T=00K T=2.5000K Ta thấy hàm ρ(E) biến đổi theo nhiệt độ biến đổi vùng cận lượng EF Do đó, nhiệt độ cao (T=2.5000K) có số điện tử có

lượng lớn EF, hầu hết điện tửđều có lượng nhỏ EF Diện tích giới hạn

bởi đường biểu diễn ρ(E) trục E cho ta số điện tử tự n chứa đơn vị

thể tích

∫

∫ρ = γ = γ

= F F

E

0

2 F

1 E

0

E dE E dE ) E ( n

(Để ý f(E)=1 T=00K)

Từđây ta suy lượng Fermi EF

3

F

n

E ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

γ =

Nếu ta dùng đơn vị thể tích m3 đơn vị lượng eV γ có trị số là: γ = 6,8.1027

Do đó,

2 19 F 3,64.10 n

E = −

Nếu biết khối lượng riêng kim loại số điện tử tự mà ngun tử

có thể nhả ra, ta tính n từđó suy EF Thơng thường EF < 10eV

Thí dụ, khối lượng riêng Tungsten d = 18,8g/cm3, nguyên tử khối A = 184, biết nguyên tử cho v = điện tử tự Tính lượng Fermi

Giải: Khối lượng cm3 d, mỗt cm3 ta có số nguyên tử khối d/A Vậy cm3, ta có số nguyên tử thực là:

(20)

0

A A

d

với A0 số Avogadro (A0 = 6,023.1023)

Mỗi nguyên tử cho v = điện tử tự do, sốđiện tử tự m3 là:

6 0.v.10

A A

d n=

Với Tungsten, ta có:

10 23 , 10 10 203 , 184

8 , 18

n= 23 ≈ 29 điện tử/m3 ( )3

2 29 19

F 3,64.10 1,23.10

E = −

⇒

eV 95 ,

EF ≈

⇒

IV CÔNG RA (HÀM CÔNG):

Ta thấy nhiệt độ thấp (T #00K), lượng tối đa điện tử EF

(E<EF<EB), đó, khơng có điện tử có lượng lớn rào EB, nghĩa

khơng có điện tử vượt ngồi khối kim loại Muốn cho điện tử vượt ngoài, ta phải cung cấp cho điện tử nhanh lượng là:

EW = EB-EF

EW gọi công kim loại

E 25000K U

EB EW

EF EF EB

00K

0 ρ(E)

Hình

Nếu ta nung nóng khối kim loại tới nhiệt độ T=2.5000K, có số điện tử có lượng lớn EB, điện tử vượt kim loại Người ta

chứng minh rằng, số điện tử vượt qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian là:

(21)

KT E th

w

e T A J

−

= Trong đó, A0 = 6,023.1023 K = 1,38.10-23 J/0K

Đây phương trình Dushman-Richardson

Người ta dùng phương trình để đo EW ta có thểđo dịng điện Jth; dịng

điện dòng điện bảo hòa đèn hai cực chân khơng có tim làm kim loại muốn khảo sát

V ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ):

Xét nối C hai kim loại I II Nếu ta dùng Volt kế nhạy để đo hiệu

điện hai đầu nối (A B), ta thấy hiệu số điện không triệt tiêu, theo

định nghĩa, hiệu điện gọi tiếp Ta giải thích tiếp sau:

A B I II

I II A B

V V

Hình 10

→

i

E

EW1 EW2 Ew1 < Ew2

A > VB

+ -

+ + + + + + + + + + + + + +

-Giả sử kim loại I có công EW1 nhỏ công EW2 kim loại II Khi ta nối hai

kim loại với nhau, điện tử di chuyển từ (I) sang (II) làm cho có tụ tập điện tử bên (II) có xuất Ion dương bên (I) Cách phân bốđiện tích tạo

điện trường Ei hướng từ (I) sang (II) làm ngăn trở di chuyển điện tử Khi Ei đủ

mạnh, điện tử không di chuyển nữa, ta có cân nhiệt động học hệ thống hai kim loại nối với Sự hữu điện trường Ei chứng tỏ có hiệu điện

giữa hai kim loại

(22)

Chương III

CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN

(SEMICONDUCTOR)

Trong chương nội dung tìm hiểu kỹ cấu trúc đặc điểm chất bán dẫn điện, chất bán dẫn loại N, chất bán dẫn loại P chất bán dẫn tổng hợp Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên chất bán dẫn, từđó hiểu chế dẫn điện chất bán dẫn

Đây vật liệu dùng công nghệ chế tạo linh kiện điện tử, sinh viên cần nắm vững để học tốt chương sau

I CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM:

(Pure semiconductor or intrinsic semiconductor)

Hầu hết chất bán dẫn có nguyên tử xếp theo cấu tạo tinh thể Hai chất bán dẫn dùng nhiều kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử Silicium Germanium Mỗi nguyên tử hai chất có điện tửở kết hợp với

điện tử nguyên tử kế cận tạo thành liên kết hóa trị Vì tinh thể Ge Si

nhiệt độ thấp chất cách điện

Điện tử dải hóa trị

Nối hóa trị

Hình 1: Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ thấp (T = 00K)

Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt làm tăng lượng sốđiện tử làm gãy số nối hóa trị Các điện tửở nối bị gãy rời xa di chuyển dễ dàng mạng tinh thể tác dụng điện trường Tại nối hóa trị bị gãy ta có lỗ trống (hole) Về phương diện lượng, ta nói nhiệt làm tăng lượng điện tử dải hóa trị

(23)

Điện tử tự dải dẫn điện

Nối hóa trị

bị gãy

Lỗ trống dải hóa trị

Hình 2: Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ cao (T = 3000K)

Khi lượng lớn lượng dải cấm (0,7eV Ge 1,12eV

đối với Si), điện tử vượt dải cấm vào dải dẫn điện chừa lại lỗ trống (trạng thái lượng trống) dải hóa trị) Ta nhận thấy sốđiện tử dải dẫn điện số lỗ trống dải hóa trị

Nếu ta gọi n mật độ điện tử có lượng dải dẫn điện p mật độ lỗ

trống có lượng dải hóa trị Ta có:n=p=ni

Người ta chứng minh rằng:

ni2 = A0.T3 exp(-EG/KT)

Trong đó: A0 : Số Avogadro=6,203.1023

T : Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin)

K : Hằng số Bolzman=8,62.10-5 eV/0K

EG : Chiều cao dải cấm

E

Dải dẫn điện Điện tử

dải dẫn điện

Mức fermi

Dải hóa trị Lỗ trống

Dải hóa trị

Ở nhiệt độ thấp (00K) Ở nhiệt độ cao (3000K)

Hình

Ta gọi chất bán dẫn có tính chất n=p chất bán dẫn nội bẩm hay chất bán dẫn Thơng thường người ta gặp nhiều khó khăn để chế tạo chất bán dẫn loại

(24)

II CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CÓ CHẤT PHA:

(Doped/Extrinsic Semiconductor)

1 Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor)

Giả sử ta pha vào Si nguyên tử thuộc nhóm V bảng phân loại tuần hồn As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb) Bán kính nguyên tử As gần bán kính nguyên tử Si nên thay nguyên tử Si mạng tinh thể Bốn điện tử As kết hợp với điện tử Si lân cận tạo thành nối hóa trị, Cịn dư lại điện tử As Ở nhiệt độ thấp, tất điện tử nối hóa trị có lượng dải hóa trị, trừ điện tử thừa As khơng tạo nối hóa trị có lượng ED nằm dải cấm cách dẫy dẫn điện khỏang lượng nhỏ chừng

0,05eV

dải cấm

0,05eV

Điện tử thừa As

Hình 4: Tinh thể chất bán dẫn nhiệt độ cao (T = 300

Giả sử ta tăng nhiệt độ tinh thể, số nối hóa trị bị gãy, ta có lỗ trống dải hóa trị điện tử dải dẫn điện giống trường hợp chất bán dẫn Ngoài ra, điện tử As có lượng ED nhận nhiệt

để trở thành điện tử có lượng dải dẫn điện Vì ta coi hầu hết ngun tử As bị Ion hóa (vì khỏang lượng ED dải dẫn điện

nhỏ), nghĩa tất điện tử lúc đầu có lượng ED tăng lượng để

trở thành điện tử tự

Điện tử thừa As E

1,12eV Mức fermi tăng

0K) Ở nhiệt độ T = 00K

Si Si Si

Si As Si

Si Si Si

Dải hóa trị

E Dải dẫn điện

Dải hóa trị

Hình

(25)

Nếu ta gọi ND mật độ nguyên tử As pha vào (còn gọi nguyên tử

cho donor atom) Ta có: n = p + ND

Với n: mật độđiện tử dải dẫn điện

P: mật độ lỗ trống dải hóa trị

Người ta chứng minh được: n.p = ni2 (n<p)

ni: mật độđiện tử lỗ trống chất bán dẫn trước pha

Chất bán dẫn có số điện tử dải dẫn điện nhiều số lỗ trống dải hóa trị gọi chất bán dẫn loại N

2 Chất bán dẫn loại P:

Thay pha vào Si nguyên tố thuộc nhóm V, ta pha vào nguyên tố

thuộc nhóm III Indium (In), Galium (Ga), nhơm (Al), Bán kính nguyên tử In gần bán kính ngun tử Si nên thay nguyên tử Si mạng tinh thể Ba điện tử nguyên tử In kết hợp với ba điện tử ba nguyên tử Si kế cận tạo thành nối hóa trị, cịn điện tử Si có lượng dải hóa trị khơng tạo nối với Indium Giữa In Si ta có trang thái lượng trống có lượng EA nằm

trong dải cấm cách dải hóa trị khoảng lượng nhỏ chừng 0,08eV

Lỗ trống

Nối hóa trị

khơng

thành lập

Hình

ể ấ ẫ

Si Si Si

Si In

Si Si Si

Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất điện tửđều có lượng dải hóa trị Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể có số điện tử dải hóa trị nhận lượng vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời có điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ lỗ trống có lượng EA

E

(26)

Nếu ta gọi NA mật độ nguyên tử In pha vào (còn gọi nguyên tử

nhận), ta có:

p = n + NA

p: mật độ lỗ trống dải hóa trị n: mật độđiện tử dải dẫn điện Người ta chứng minh được:

n.p = ni2 (p>n)

ni mật độđiện tử lỗ trống chất bán dẫn trước pha

Chất bán dẫn có số lỗ trống dải hóa trị nhiều sốđiện tử dải dẫn điện gọi chất bán dẫn loại P

Như vậy, chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số lỗ trống hạt tải điện thiểu số điện tử

3 Chất bán dẫn hỗn hợp:

Ta pha vào Si nguyên tử cho nguyên tử nhận để

có chất bán dẫn hỗn hợp Hình sau sơđồ lượng chất bán dẫn hỗn hợp

Dải dẫn điện

ED ND ED

EA NA EA

Dãi hóa trị

Ở nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ cao

(T = 00K) (T = 3000K)

(27)

Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có:

n+NA = p+ND

n.p = ni2

Nếu ND > NA => n>p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N

Nếu ND < NA => n<p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại P III DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN:

Dưới tác dụng điện truờng, điện tử có lượng dải dẫn điện di chuyển tạo nên dòng điện In, có điện tử di chuyển từ nối hóa trị

bị gãy đến chiếm chỗ trống nối hóa trịđã bị gãy Những điện tử tạo dòng điện tương đương với dịng điện lỗ trống mang điện tích dương di chuyển ngược chiều, ta gọi dòng điện Ip Hình sau mơ tả di chuyển điện tử (hay lỗ trống) dải hóa trịở nhiệt độ cao

Lỗ trống Điện tử dải hóa trị di chuyển

bên trái tạo lỗ

trống

Nối hóa trị bị gãy

Hình

Lỗ trống

trống

Lỗ

Nối hóa trị bị gãy

(28)

Vậy ta coi dòng điện chất bán dẫn hợp thành dòng điện điện tử dải dẫn điện (đa sốđối với chất bán dẫn loại N thiểu sốđối với chất bán dẫn loại P) lỗ trống dải hóa trị (đa sốđối với chất bán dẫn loại P thiểu sốđối với chất bán dẫn loại N)

Dòng điện tử Dòng điện tử

dải dẫn điện dải dẫn điện

Chất bán dẫn

Dòng điện tử Dòng lỗ trống

dải hóa trị

+ - + -

V V

Hình 11

Tương ứng với dòng điện này, ta có mật độ dịng điện J, Jn, Jp cho: J = Jn+Jp

Ta chứng minh kim loại:

J = n.e.v = n.e.µ.E

Tương tự, chất bán dẫn, ta có:

Jn=n.e.vn=n.e µn.E (Mật độ dịng điện trơi điện tử, µn độ linh động điện tử,

n mật độđiện tử dải dẫn điện)

Jp=p.e.vp=p.e.µp.E (Mật độ dịng điện trơi lỗ trống, µp độ linh động lỗ

trống, p mật độ lỗ trống dải hóa trị) Như vậy: J=e.(n.µn+p.µp).E

Theo định luật Ohm, ta có: J = σ.E

=> σ = e.(n.µn+p.µp)được gọi dẫn suất chất bán dẫn

(29)

Trong chất bán dẫn loại N, ta có n>>p nên σ≅σn = n.µn.e

Trong chất bán dẫn loại P, ta có p>>n nên σ≅σp = n.µp.e

IV CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN:

Dưới tác dụng điện trường, điện tử lỗ trống di chuyển với vận tốc trung bình vn=µn.E vp=µp.E

Sốđiện tử lỗ trống di chuyển thay đổi theo thời điểm, thời điểm có số điện tử lỗ trống sinh tác dụng nhiệt Sốđiện tử sinh đơn vị thời gian gọi tốc độ sinh tạo g Những điện tử có đời sống trung bình τn di chuyển điện tử gặp lỗ trống có lượng tái

hợp với lỗ trống Nếu gọi n mật độđiện tử, đơn vị thời gian sốđiện tử bị

mất tái hợp n/τn Ngoài ra, chất bán dẫn, phân bố mật độ điện tử

và lỗ trống khơng đều, có khuếch tán điện tử từ vùng có nhiều điện tử

sang vùng có điện tử

Xét mẫu bán dẫn khơng có mật độ điện tửđược phân bố hình vẽ Tại điểm M tiết diện A, sốđiện tửđi ngang qua tiết diện (do khuếch tán) tỉ lệ

với dn/dx, với diện tích điện tử với tiết diện A

M vkt

x

Hình 12

Dòng điện khuếch tán điện tửđi qua A là: dxA dn e D

Inkt = n <

Dnđược gọi số khuếch tán điện tử

Suy mật độ dòng điện khuếch tán điện tử là:

dx dn D e Jnkt = n

Tương tự, giây có

p

τ lỗ trống bị đi, với p mật độ lỗ trống τp là đời

sống trung bình lỗ trống

Dòng điện khuếch tán lỗ trống mẫu bán dẫn là:

A dx dp e D

Ipkt =− p >

Và mật độ dòng điện khuếch tán lỗ trống là:

(30)

dx dp D e Jpkt = p

Người ta chứng minh rằng:

600 11 T V e KT D D T n n p

p = = =

µ = µ

Với: K số Boltzman = 1,382.10-23J/0K

T nhiệt độ tuyệt đối

Hệ thức gọi hệ thức Einstein

Ở nhiệt độ bình thường (3000K): VT=0,026V=26mV

V PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC:

Xét hình hộp có tiết diện A, chiều dài dx đặt mẩu bán dẫn có dịng

điện lỗ trống Ip qua Tại điểm có hồnh độ x, cường độ dịng điện Ip Tại mặt có hồnh độ x+dx, cường độ dịng điện Ip+dIp Gọi P mật độ lỗ trống hình hộp, τp đời sống trung bình lỗ trống Trong giây có

p

τ lỗ trống bị

tái hợp Vậy giây, điện tích bên hộp giảm lượng là:

p p dx A e G τ

= (do tái hợp)

Đồng thời điện tích hộp lượng:

G2=dIp (do khuếch tán)

Gọi g mật độ lỗ trống sinh tác dụng nhiệt, giây, điện tích hộp tăng lên lượng là:

dx A

Ip Ip+dIp

x+dx

x x

Ip Hình 13

T1=e.A.dx.g

Vậy điện tích hộp biến thiên lượng là: dIp p dx A e g dx A e ) G G ( T p

1− + = − τ −

Độ biến thiên bằng:

dt dp dx A e

Vậy ta có phương trình:

A e dx dIp p g dt dp p − τ −

= (1)

Nếu mẩu bán dẫn trạng thái cân nhiệt khơng có dịng điện qua, ta có:

(31)

; dt dp =

dIp=0; P=P0=hằng số

Phương trình (1) cho ta:

p p g g τ = ⇒ τ − =

Với P mật độ lỗ trống trạng thái cân nhiệt Thay trị số g vào phương trình

0

P p

0

(1) để ý p IP tùy thuộc vào thời gian khoảng cách x, phương trình (1) trở thành:

eA x t p ∂ − τ − = ∂ I p p

p − ∂ p

∂

(2) Gọi phương trình liên tục

n, ta có:

Tương tự với dòng điện tử I eA I n n

n 0 ∂ n

− − − ∂ (3) x

t = τn ∂

∂

iải phươ tr h liên tục trườ

dòng điện Ip dòng điện khuếch tán c

Ta có:

TD: ta g ng ìn ng hợp p không phụ thuộc vào thời gian

ủa lỗ trống dx dp eA D I p dt dp =

p =−

Do đó, 2

2 p dx p d eA D dIp − = dx

Phương trìng (2) trở thành:

p L D dx p p τ P P P P p

d2 − −

0 = =

Trong đó, ta đặt Lp = Dp.τp

Nghiệm số phương trình (4) là: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎛ − x ⎝ + p p L x L e A e A

ăng nên A1 =

Do đó:

P-P0

P(x0)-P0

x Hình 14

P-P0

P(x0)-P0

x0 x

Hình 15

x

=

−P0 1

P 2

Vì mật độ lỗ trống khơng thể tăng x t ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

− Lp

x

2 A e

P

P x = x0

Mật độ lỗ trống p(x0),

Do đó: ⎟

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

− Lp

x

2

0) P A e

x ( P

Suy ra, nghiệm phương trình (4) là:

[ ] ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛− − − = − p L x x 0

0 P(x ) P e

P ) x ( P

(32)

Chương IV

NỐI P-N VÀ DIODE

(THE P-N JUNCTION AND DIODES)

Nối P-N cấu trúc linh kiện điện tử cấu trúc loại Diode Phần cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ chế hoạt động nối P-N hình thành phân cực Khảo sát việc thiết lập công thức liên quan dòng điện hiệu điện ngang qua nối P-N phân cực Tìm hiểu ảnh hưởng nhiệt độ lên hoạt động nối P-N hình thành điện dung mối nối Sinh viên cần hiểu thấu đáo nối P-N trước học linh kiện điện tử cụ thể Phần sau chương trình bày đặc điểm số Diode thơng dụng, đó, diode chỉnh lưu diode zenner trọng nhiều tính phổ

biến chúng

I CẤU TẠO CỦA NỐI P-N:

Hình sau mơ tả nối P-N phẳng chế tạo kỹ thuật Epitaxi

SiO2

(Lớp cách điện)

(1) (2)

Si-n+ Si-n+

(Thân)

SiO2 Lớp SiO2 SiO2

bị rửa Anod Kim loại SiO2

(3) (4)

P

Si-n+ Si-n+

Catod Kim loại

Hình

Trước tiên, người ta dùng thân Si-n+ (nghĩa pha nhiều nguyên tử cho) Trên thân này, người ta phủ lớp cách điện SiO2 lớp verni nhạy sáng Xong

người ta đặt lên lớp verni mặt nạ có lỗ trống dùng xạ để chiếu lên mặt nạ, vùng verni bị chiếu rửa loại axid chừa phần Si-n+, phần cịn lạivẫn phủ verni Xun qua phần khơng phủ verni, người ta cho khuếch tán nguyên tử nhận vào thân Si-n+ để biến vùng thân thành Si-p Sau

(33)

cùng, người ta phủ kim loại lên vùng p n+ hàn dây nối Ta nối P-N có mặt nối vùng p n+ thẳng

Khi nối PN thành lập, lỗ trống vùng P khuếch tán sang vùng N ngược lại, điện tử vùng N khuếch tán sang vùng P Trong di chuyển,

điện tử lỗ trống tái hợp với Do đó, có xuất vùng hai bên mối nối có ion âm nguyên tử nhận vùng P ion dương nguyên tử cho vùng N ion dương âm tạo

điện trường Ej chống lại khuếch tán hạt điện, nghĩa điện trường Ei tạo

một dịng điện trơi ngược chiều với dịng điện khuếch tán cho dịng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu Lúc đó, ta có trạng thái cân nhiệt Trên phương diện thống kê, ta coi vùng có ion cốđịnh vùng khơng có hạt điện di chuyển (khơng có điện tử tự vùng N lỗ trống vùng P) Ta gọi vùng vùng khiếm khuyết hay vùng (Depletion region) Tương ứng với điện trường Ei, ta có điện V0 hai bên

mặt nối, V0được gọi rào điện

P N V0

- +

x1 Ei x2

V0= Rào điện

Tại mối nối

x1 x2

Hình

-+ +

+ + +

-+ +

Tính V0: ta để ý đến dòng điện khuếch tán lỗ trống:

0 dx D e

Jpkt =− p dp >

và dịng điện trơi c ỗ trống:

, ta có:

ủa l E p e

Jptr = µp i <

Khi cân

Jpkt+Jptr =

(34)

Hay là: p e.p p.Ei dx dp D

e = µ

dx E p dp Dp ⇒ i p = µ e KT V D T Mà p µ p = = Và dx dV Ei − =

Do đó:

p dp V

dV=− T

Lấy tích phân v x1 đến x2 để ý x1 điện thếđược chọn 0volt, mật

độ lỗ g mật độ Ppoở vùng P lúc cân Tại x2, điện V0 mật độ lỗ trống

là Pno n N lúc cân

ế t trốn

ở vù g

∫

∫− = no

o P V P P T p dp V dV

Mà: P A

D i

n vàP N

N P

o

o ≈ ≈

2

n

Nên: ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = o o n P T P P log V V

Hoặc: ⎟

⎠ ⎜

⎝ 2i n e ⎟ ⎞ ⎜ ⎛

= KTlog NDNA

V

Tương tự trên, ta tìm V0 từ dòng điện khuếch tán điện tử

dòng điện trôi điện tử

n +en n Ei =

dx D

e µ

Thơn V ≈0,7volt

dn

g thường nối P-N Si

volt nối P-N Ge

Với hợp chất Gallium GaAs (Gallium Arsenide), GaP (Gallium Phos

II DÒNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN

cách:

0

3 ,

V0 ≈

pho), GaAsP (Gallium Arsenide Phospho), V0 thay đổi từ 1,2 volt đến 1,8 volt

Thường người ta lấy trị trung bình 1,6 volt

CỰC:

Ta phân cực nối P-N theo hai

(35)

- Tác dụng hiệu điện hai cực nối cho điện vùng P lớn vùng N trị số V Trường hợp ta nói nối P-N phân cực thuận (Forward Bias)

Nếu điện vùng N lớn điện vùng P, ta nói nối P-N phân cưc nghịch (Reverse Bias)

1 Nối P-N phân cực thuận:

ạo dòng điện Ip Điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P tạo dòng điện In Dòng điện I qua nối

P-N

ào thời gian vị trí tiết diện A ta có trạng thái thường xuyên điện In Ip phụ thuộc vào vị trí tiết diện

Trong vùng P xa vùng hiếm, lỗ trống trôi tác dụng điện trường tạo nên

dòng c điện tử từ

vùng ng vùng

+ V0

R I

(Giới hạn dòng

điện) -

- V +

Dòng điện tử

N Vùng P

- VS +

V V

P

VB Jnp Jnn

N

Jpp Jnn

V V0

x1 x x1 x2 x

Hình

Khi chưa phân cực, ngang mối nối ta có rào điện V0 Khi phân cực

thuận hiệu điện V rào điện giảm lượng V trở thành VB = V0-V,

đó nối P-N thăng Lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N t : I=Ip +In

Dịng điện I khơng phụ thuộc v ng dịng

Jpp Khi lỗ trống đến gần vùng hiếm, số bị tái hợp với cá

N khuếch tán sang Vì vùng mỏng khơng có điện tử nên tro

(36)

các lỗ trống k ng bị tiếp tục khuếch tán sang vùng N bị lần có tái hợp với điện tử vùng

Tương tự, khuếch tán điện tử từ vùng N sang vùng P tuân theo qui chế

trên Ta để ý đồ thị nhận m ục đối xứng tổng số dịng điện lỗ trống dòng điện tử phải số

n nn

J = Jpp(x1) + Jnp (x1) = Jpn(x2) + Jnn(x2)

Dòng điện Jpn dòng khuếch tán lỗ trống, nên có trị số tiết diện x là:

huếch tán thẳng ngang qua mà khô

ột tr Ta có: Jpp (x1) = Jpn(x2)

J p (x) = J (x )

Dòng điện J tiết diện số Vậy x1 x2 ta có:

dx ) x ( dP D e ) x (

J =− n

p pn

h Pn(x)

Trong đó, Pn(x) mật độ lỗ trống vùng N điểm x Ta tín

Ta dùng phương trình liên tục:

A e x I P P Pn n n0

t p ∂

p ∂ −

Vì dịng đ n Jpn khơng phụ thuộc vào thời gian nên phương trình trở thành:

τ ∂ − − = ∂ iệ p n n n L P P dx P

d = − Trong đó

p p p D

L = τ

[ ] Lp

x x n n

n

n x P P x P e

P

2

0 ( )

) ( 2 − − − = −

Và có nghiệm số là:

[ 0]

2 n n p p x x n p

pn P (x ) P

L D e dx dP D e ) x (

J =− = −

= Suy ra,

p dp V

dv=− T

Ta chấp nhận có dịng điện qua m i nố ối, ta có biểu thức:

tr

Lấy tích phân hai vế từ x1đến x2 ta được:

ường hợp nối cân

∫ ∫ ≈ − = p p T p ) x ( p p V dv ) x ( p V n B dp

Ta được:

Mà: V

P P log V V V V n ⎠ ⎝ p T

B ⎟⎟−

⎞ ⎜ ⎜ ⎛ = − =

Suy ra: ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = n n T P ) x ( P log V V

(37)

V T V n

n(x ) P e

P =

Nên:

[ n0]

pn

J

p p

2 P(x ) P

L D e ) x ( = −

Do đó:

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎡ D V ⎢⎣ L p ⎢ − =e .P e )

x (

J VT

n p

pn

Tương tự, ta có:

[ p p0]

n n

np n (x ) n

L D e ) x (

J = −

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = n e

L D e ) x ( J T V V p n n np

Suy ra, mật độ dòng điện J mối nối P-N là: ) x ( J ) x ( J

J= pn + np

⎥ ⎥ ⎤ ⎢ ⎡ − ⎥ ⎤ ⎢ ⎡ +

=e D p D n e

J VT

V po n no P ⎦ ⎢⎣ ⎦ ⎣LP Ln

Như vậy, dòng điện qua mối nối P-N là:

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎡ + = A.e D p D

I P no

⎣L L n e

T V V po n n P

Đặt: ⎥

⎦ ⎤

⎡D D

⎢ ⎣ = P P L e A I

Ta đượ

+ po n n no n

L p c: ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣e ⎡ −1 T V V

hương trình ọi phương trình Schockley

=

I I

P g

Trong đó:

n D D

kT p n

p e VT µ = µ = =

là số Boltzman

VT=0,026 volt Khi mối nối chuyển vận bình

thườ đổi từ 0,3 V đến 0,7 V tùy theo mối Ge hay Si,

Với k=1,381.10−23J/0K

coulomb 10 602 ,

e=− , điện tích electron

T nhiệt độ tuyệt đối

19

−

Ở nhiệt độ bình thường, T=2730K,

1 e

10 V

V VT

V

T

>> ⇒

>

ng, V thay

T

V V

Vậy, 0

Ghi chú: Công thức trường hợp dòng điện qua mối nối lớn (vùng đặc tuyến V-I thẳng, xem phần sau); với dòng điện I tương đối nhỏ (vài mA trở

xuống), người ta chứng minh dòng điện qua mối nối là: e

I

I≈

(38)

⎥ ⎥ ⎤ ⎢

⎢ ⎡

− =I eη 1

I VT

V

0

⎦ ⎣

Với η = mối nối Ge

η = mối nối Si

2 N c phân cực nghịch:

ối P-N phân cực nghịch, rào điện tăng lượng V Lỗ trống điện tử khuếch tán ngang qua mối nối Tuy nhiên, tác dụng nhiệt, số

điện t l ều từ vùng N

sang t nhỏ, thường chừng

vài c

rong trường hợp nối P-N phân cực nghịch với hiệu

điện V<0, dòng đ ối P-N đượ

-+

Khi n

ử ỗ trống sinh vùng tạo dịng điện có chi vùng P Vì điện tử lỗ trống sinh nên dịng điện ngược rấ

hục µA hay nhỏ Để ý dòng điện ngược hàm số nhiệt độ Người ta chứng minh t

iện qua nối là:

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎢ ⎣ ⎡

− =I eη 1

I VT

V

0

I0 có trị số:

⎥ ⎦ ⎢

⎣ n po

no

P L

L

.⎡D +D ⎤

= Ae P p n n

I0

Thông thường, eηVT <<1 nên I # I

V

Thí dụ: Xem mạch sau

0

+ + + +

-Ion dương

Dòng electron (khác 0)

P - + N

Rào điện VB=VS

R

V VB

V0

- VS +

Hình Ion âm

(39)

D2 +5V

I + V2 - + V1

-Hình_5

D1

D1 D2 nối P-N Si Tìm điện V1 V2 xuyên qua nối

iải: Dòng điện qua nối P-N Chú ý dòng điện qua D2 dòng

thuận dòng qua D1 dòng nghịch

Vậy: G

0 V

V

0 e I

I

I T =

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎢ ⎣ ⎡

−

= η với η = V

T = 0,026V

2

052 ,

V2

=

e

⇒

V =0,693.0,052=0,036(V)

⇒

o đó, điện ngang qua nối phân cực nghịch là: V1

dòng đ ả đồ thị

sau đ gọ đặc tuyến V-I nối P-N

ệu nhỏ, dòng điện hi hiệu phân cực thuậnđủ lớn, dòng điện I tăng nhanh lúc hiệu điện hai đầu mối nối tăng

hi hiệu th nhỏ, có d chạy qua Khi hiệu

điện phân cực nghịch đủ lớn, nhữn điện sinh tác dụng nhiệt

điện trường vùng tăng vận ó đủ lượng rứt nhiều điện tử khác từ

các nối hóa trị Cơ chế chồng chất, sau ta có dịng điện ngược lớn, ta D

= 5–V2 =5 – 0,036 = 4,964 (V)

I0

ây, i iện bảo hòa ngược Dịng điện nối P-N diễn t Khi hi phân cực thuận I tăng chậm K

ế phân cực nghịch òng điện rỉ I0

g hạt tải tốc c K

nói nối P-N trung vùng phá hủy theo tượng tuyết đổ (avalanche)

(40)

III ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N:

Thông thường ta thấy I0 tăng lên gấp nhiệt độ mối nối tăng lên 100C

I Ge Si

V

0,3V 0,7V

Vài chục µA

n ực nghịch Phân cực thuận

P N P N

- V - V>0 +

I<0 I>0

Hình Si Ge

Phâ c

<0 +

1 Dòng điện bảo hòa ngược I0 tùy thuộc vào nồng độ chất pha, diện tích mối nối

nhất nhiệt độ

10

2 với t nhiệt độ (

0 0

0

25

) 25 ( ) (

− =

t C I

C t

I 0C)

ình sau mơ tả biến g điện bảo hịa c theo nhiệt độ

hanh có dịng bảo hòa ngược I0=25nA 250C

0

H thiên dòn ngượ

I0

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1

V

350C

450C

550C

250C

Hình

Thí dụ: 1N914B diode Si chuyển mạch n

Tìm I 1000C

(41)

Áp dụng:

10 ) C 25 ( I ) C t (

I = t 25

0

−

10 nA

25 100−25

=

181 nA 25

=

( 00 C) 4,525 A

I

0 = µ

⇒

ất c a nối P-N phân cực thuận thay đổi theo nhiệt độ

ệt độ nối P-N tăng, điện thềm mối nố m ( dễ dẫn điện hơn) Người ta thấ

và giảm 2,02mV di nhiệt độ tăng lên 10C

2 Tính ch ủ

Khi nhi c i giả nối

y rằng, nhiệt độ tăng lên 10C điện thế thềm giảm 1,8mV ở diode Si

ode Ge Một cách tổng quát coi nhưđiện thềm giảm 2mV

C / mV t

∆

VD =− ∆

hiệt độ c nối P-N định điện sụp đổ Nếu nhiệt độ tăng lên đến trị iện sụp đổ giảm xuống nhỏ mối nối P-N khơng cịn sử

dụng c Nhiệt độ 1500C Si 850C Ge

IV N

ời ta thường ý đến hai loại nội trở nối

P-1 Nội trở tĩnh: (Static resistance)

Nội trở tĩnh điện trở nội nối P-N mạch điện chiều Người ta định nghĩa

I(mA) 450C

350C

250C

0,66 0,68 0,7 V

Hình

3 N

đ đượ

ỘI TRỞ CỦA NỐI P-N

Ngư N

điện trở chiều điểm phân cực tỉ số V/I ởđiểm I (mA)

V V

(Volt)

Hình

P N

I Q

Trang 41 Biên soạn: Trương Văn Tám V

Rs Vs

(42)

Nội trở ủ c a nối điểm Q là:

I V RD =

Khi nối P-N phân c

ư không

ực thuận mạnh, dòng điện I lớn lúc điện V gần nh đổi nên nội trở nhỏ

2 Nội trởđộng nối P-N: (Dynamic Resistance)

Giả sử dòng dòng điện ngang qua nối P-N IQ tương ứng với điện phân

cực t

h ột lượng ∆V từ trị số VQ I biến thiên lượng tương

ứng ∆I từ trị s Tỉ số

huận VQ

K i V biến thiên m

ố IQ

V

∆

I b

∆

ằng với độ d tiếp tuyến điểm Q vớ uyến nối P-N

ặ

ốc i đặc t

Đ t:

d

r

= ;r I

∆

V

∆ gọi điện ối P-N phân n

ớ tín hiệu u nhỏ, ta có:

d trởđộng n cực thuậ

V i

Q d

dI dV I V

r =

∆ ∆ =

Với

⎥ ⎥ ⎤ ⎢

⎢ ⎡

− =I . eη 1

I VT

V

0

⎦ ⎣

Suy ra:

~

V I

w

P N

Rs Vs

I ω

∆I Q

∆V V

Hình 10

(43)

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ η

= ηV

V

T e

V I dV dI T Ngoài ra, V V

0 e I e I

I

I T = T −

⎥ ⎥ ⎦ ⎢ ⎢ ⎣ − = η η V V ⎤ ⎡

Hay VT

V

0 I e

I

I+ = η

Do đó,

T V I I dV dI η + =

Và điện trởđộng là:

0

I I

dV +

Thông thường, I>>I0nên

T d

V dI

r = = η

I V r T d η =

Ở nhiệt độ bình thường (250C), VT = 26mV, điện trởđộng là:

) mA ( I mV 26

rd =η

Với dịng điện I lớn, η=1, điện trởđộng rd có thểđược tính theo cơng thức:

) mA ( I

Ở nhiệt độ bình thường, I mV

26 rd =

h dẫn P

h được, thơng thường khoảng vài chục Ω

ng kiểu mẫu Diode với tín hiệu nhỏ ũng đị

iện trởđộng phân cực nghịch

Q = 100mA rd = 0,26Ω Trong nối P-N t ực,

có tiếp trở mối nối, điện trở hai vùng bán N nên điện trở động thực lớn nhiều so với trị số tín

Điện trở nối

Đây cũ Người ta c nh nghĩa

đ

=

Điện trở Điện trở vùng N = rb+rd

Hình 11

rac = rp+rn+rd

vùng P

rac=ro

rp rd rn

Q r dI

dV

r =

(44)

Vì độ dốc tiếp tuyến Q nối P-N phân cực nghịch nhỏ nên điện trở động rr lớn, hàng MΩ

V ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N

1 Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối)

Khi nối P-N phân cực nghịch, vùng nới rộng có gia tăng điện tích vùng Với biến thiên ∆V hiệu điện phân cực nghịch, điện tích vùng tăng lượng ∆Q Vùng có tác dụng tụđiện gọi

điện dung chuyển tiếp CT

d

T W

A V Q

C =ε

∆ ∆ =

Trong đó, εlà sốđiện mơi chất bán dẫn, A điện tích nối P-N Wd

là độ rộng vùng

vùng thay đổi nên điện dung chuyển tiếp CT thay đổi Người ta chứng minh CT có trị số:

Khi điện phân cực nghịch thay đổi, độ rộng

( )n

R T

V V C

+

= K

Trong đó, K số tùy thuộc vào chất bán dẫn kỹ thuật chế tạo V0 rào

điện nối P-N (Si 0,7V Ge 0,3V) VR điện phân cực nghịch

3

n= trường hợp nối P-N dốc lài (linearly graded juntion)

n= trường hợp nối P-N thuộc loại dốc đứng (brupt juntion)

Nếu gọi Cj(0) trị số CTđo VR=0, ta có:

n

0 R j T

V V

) ( C C

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

+ =

P - + N

VR # VS

N N

- VS +

Nối P-N phân cực nghịch Dốc lài Dốc đứng

Hình 12

RL P P

-+ + + + +

(45)

Trong ác thường, CT có trị số từ 5pF đến 100pF

2 Điện dung khuếch tán (Difusion capacitance)

Khi nối P-N phân cực thuận, l ợc khuếch tán từ vùng P sang vùng N n tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P Sự phân bố hạt tải điện thiểu sốở hai bên vùng tạo nên điện dung gọi điện dung khuếch tán CD Người ta chứng

minh c điện dung khuếch tán CDtỉ lệ với dòng điện qua nối P-N theo công thức:

c nối P-N thông

ỗ trống đư ệ

đượ

Trang 45 Biên soạn: Trương Văn Tám T

D

V I C

η τ =

rong đó, T

P P P

D

= τ =

τ , đời sống trung bình lỗ trống; η = nối P-N Si, η

hơng thường, CD có trị số từ 2000pF đến 15000pF

VI CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG

iode nối P-N Thế nhưng, tùy theo mật độ chất tạp pha vào chất bán dẫn ban u, tùy theo phân cự diode số yếu tố há a có nhiều loại diode khác tầm ứng d chúng khác nha

iode chỉnh lưu:

à diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường điện 50Hz

đến 60Hz sang điện chiều Diode tùy loại chịu đựng dịng từ vài trăm mA đến loại cơng suất cao chịu đến vài trăm ampere Diode chỉnh lưu chủ y u loại Si Hai đặc tính kỹ thuật Diode chỉnh lưu dòng thuận tối đa p ngược tối đa (Điện áp sụp đổ) Hai đặc tính nhà sản xuất cho biết

P Hình 13

2

L = nối P-N Ge

T

D

đầ c c

ụng

k u

c mà t

1 D

L

ế ện

Anod Catod

A K Ký hiệu

N

(46)

Trước xem qua số sơ đồ chỉnh lưu thông dụng, ta xem qua số kiểu mẫu thường dùng diode

al diode)

hông đáng kể

Kiểu mẫu chiều diode Diode lý tưởng (Ide

Trong trường hợp này, người ta xem điện ngang qua diode phân cực thuận không nội trở khơng đáng kể Khi phân cực nghịch, dòng rỉ xem k

Như vậy, diode lý tưởng xem ngắt (switch): ngắt điện đóng mạch diode phân cực thuận ngắt điện hở mạch diode phân cực nghịch

ID

Diode lý tưởng

⇒

VD

Hình 14

+ -

VSW

ISW ISW

VSW = 0V

+ -

0 VSW

ISW ISW =

0 VSW

Hình 15

+ VS

-

R

≅ VS +

-R

+ 0V

R V

I S

D=

⇒ VD

ID

0

Đặc tuyến V-I

-Phân cực thuận

(47)

Kiểu mẫu điện ngưỡng (Knee-Voltage model)

Trong kiểu mẫu này, điện ngang qua diode phân cực thuận số c gọi điện ngưỡng VK (khoảng 0,3V diode Ge 0,7 volt

diode Si)

Như vậy, phân cực thuận, diode tương đương với diode lý tưởng nối tiếp với n

Kiểu mẫu diode với điện trởđộng:

hi điện phân cực thuận vượt điện ngưỡng VK, dòng điện qua diode tăng

nhanh lúc điện qua hai đầu diode V tăng (tuy chậm)

hằng hải ý đến độ giảm

thế q

đượ

guồn điện VK, phân cực nghịch tương đương với ngắt điện hở

K

D

số kiểu mẫu Để xác hơn, lúc người ta p ua hai đầu điện trởđộng r0

+ VS

R

≅ VS +

-R

+ VD = -VS

-0 ID = −

⇒ VD

ID

0

Đặc tuyến V-I

Phân cực nghịch

Hình 15

-

≅ ≅

ID

VD≥VK

+ VK -

ID

VD

≅

+ VK -

0

VD<VK ID =

+V -

Hình 16

+

≅ VS

-

R

+ VS

-R

+ VK

- ≅

Diode lý tưởng

Hình 17

R V V

I S K

D

− = +

VS

-R

+

D

VK = V

- VS>VK

(48)

0 điều

hành Q(ID VD) dùng mạch hình bên

+ VD –

Thí dụ:

Từ đặc tuyến V-I diode 1N917(Si), xác định điện trở động r tìm điểm v

Giải:

Bước 1: dùng kiểu điện ngưỡng:

mA V

V

I' S K 15 0,7 =4,77

K R

D

3 Ω − = − =

ID -

≅

I

V V

0

I

Q

V0

0 V

D Diode thực D

K D D

D D

0 I

V

∆ ∆ = =

dốc độ

V0: điện offset

r

+ VD –

ID -

+ VD –

Diode lý tưởng

ID - + r0 - + V0 –

ID

VD= V0+r0ID

Hình 18 - 19

4

5 ID=4,77mA

ID (mA)

Q’ Q ID=4,67mA

Vs=15V R=3K

+ VD=?

-ID=?

0,2 0,4 0,6 0,8 0,9 V (volt)

0 D

Hình 20

Vs=15V R=3K

+ V’D=0

-,7V

I’D=?

Hình 21

(49)

Bước 2: với I’D =4,77mA, ta xác định điểm Q’ (V’D=0,9V)

ước 3: vẽ tiếp tuyến Q’ với đặc tuyến để tìm điện offset V0

V0=0,74V

ước 4: Xác định r từ công thức:

B B Ω ≈ = −

∆V 0,9 0,74 0,16

=

= 32

r D

ước 5: Dùng ki u với điện trởđộng r0

∆DID 4,77 4,77

0

B ểu mẫ

A 00467 , 32 3000 74 , 15 r R V V I 0 S

D + =

− = + − =

ID=4,67mA

à VD=V0+r0ID=0,74+0,00467x32=0,89V

hú ý:

rong trường hợp diode đ ùng với tín hiệu nhỏ, điện trở động r0 điện

trở động rd mà ta thấy phầ ộng với điện trở hai vùng bán N

r0=rac=rp+rn+rd=rB+rd

với rd=η

+

VS=15V

-R

+

VK=0,74V

-Hình 22

r0=32Ω

ID

V C

T ược d

n trước c dẫn P

mA I

mV 26

D

Ví dụ: Xem mạch dùng diode 1N917 với tín hi ỏ VS(t)=50 Sinωt (mV)

ìm điện VD(t) ngang qua diode, biết điện trở rB hai vùng bán dẫn P-N

0Ω

iải:

ệu nh T Vs=15V R=3K Vs(t) + -+ VD(t)?

-Hình 23 50mV

-50mV

G

Theo ví dụ trước, với kiểu mẫu điện ngưỡng ta có VD=0,7V ID=4,77mA

Từđó ta tìm điện trở nối rd: Ω = =

= 5,45

mA 77 , ID r mV 26 mV 26 rd

Mạch tương đương xoay chiều:

ac=10 + 0,45=10,45Ω

(50)

Điện thếđỉnh Vdm ngang qua diode V 15,45 50

R r

V ac

dm = =

3000 45

, 15

rac m +

+

ểu mẫu tín hiệu rộng hiệu ứng tần số

đây mô tả diode dùng với tín hiệu hình sin có biên độ lớn Hình 24

Vdm=0,256 Sinωt (mV)

Vậy điện tổng cộng ngang qua diode là:

VD(t) = 700mV + 0,256 Sin ωt (mV)

VD(t) 0,256mV

t

Ki

Hình sau

+ -Vs(t)

+

-R=3K

700mV

rac Vd(t)

Vs(t)

+

-+

VL(t)

-RL vS(t)

-30V 30V

Vs(t)

+

-+

RL

30V +30V

Bán kỳ dương Diode dẫn

+30V

-30V

+30V Bán kỳ âm

Vs(t)

+

-+

RL

-VL(t)=0

Diode ngưng

vS(t)

vL(t)

0

Diode dẫn Diode ngưng

0 Hình 25

(51)

Khi diode dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hi

ết chu kỳ dương tín h diode dẫn xem ngắt điện

đóng mạch nửa chu kỳ âm kế tiếp, diode bị ân cực nghịch có vai trị ngắt

điện hở mạch Tác dụ g diode g i chỉnh lưu nửa sóng (mạch chỉnh lưu sẽđược khảo sát kỹở giáo trình mạch điện tử)

Đáp ứng tần số nguồn xoay chiều VS(t) thấp-thí dụ điện

50/60Hz, tức chu kỳ T=20m 6,7ms-khi tần số nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ

hàng nano giây) ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm tín hiệu

hi tần số tín hiệu cao, điện ngõ bán kỳ dương (khi diode phân cực thuận), bán kỳ âm tín hiệu c phần có dạng hình vẽ C ú ý tần số nguồn tín hiệu cao thành phần bán kỳ âm xu ngõ lớn

iệu ứng điện dung khuếch tán CD nối P-N lớn phân cực

thuận (CD có trị từ 2000pF đến 15000pF) Tác dụng điện dung làm cho diode

không thể thay đổi tức thời từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn mà phải thời gia ường gọi thời gian hồi ph ểu m ải kể đến tác dụng điện dung củ

vS(t)

ệu nhỏ khơng thể áp dụng vậy, người ta dùng kiểu mẫu chiều tuyến tính

K iệu,

ph

ọ

n

s/1

K

ũng qua

h ất

vS(t)

vL(t) vL(t)

t(ms)

s)

t(ms)

t(ms) t(m

Hình 26

H

n (th ục, ki ẫu diode ph

a nối

rB rd rB rr

CD CT

K K

ực Phân ghịch

Hình 27

A A

(52)

r : Điện trở hai vùng bán dẫn P N

n tiếp

hông thường, giá trị củ hể thay đổ ỏ ây đến xấp xĩ 1µs Hiệu ng tr diode chỉnh lưu (sóng sin ễn tả nh ình sau Người ta nhận

thấy ng, bỏ qua thời gian hồi phục m ỉnh lưu tr<0,1T, với T chu

kỳ củ sóng sin chỉnh lưu

B

rd: Điện trởđộng nối P-N phân cực thuận (rất nhỏ)

CD: Điện dung khuếch tán

rr: Điện trởđộng phân cực nghịch (rất lớn)

CT: Điện dung chuyể

Để thấy rõ thời gian hồi phục, ta xem đáp ứng diode hàm nấc (dạng sóng chữ nhật) mơ tả hình vẽ sau

vS(t)

T a tr có t i từ nh

) di

ạch ch

nano gi

ư h

ứ

rằ

a

+ Vd -Vs(t)

+

-i

RL

vd

id

t

0,7V -vr

vf

-Vr

L

R

f f

V

i =

L r r

i R

V

− =

I0

tr

0

0 ir

Hình 28

(53)

vS(t)

T=2tr t

t id(t)

0

2 Diode tách sóng

Cũng làm nhiệm vụ diod

Hình 29

Tín hiệu tần số cao

vS(t) T=10t

r

t

t id(t)

0

Tín hiệu tần số thấp

e chỉnh lưu thường với tín hiệu có biên độ nhỏ

và tần số cao Diode tách sóng thường chế tạo có dịng thuận nhỏ Ge hay S

của diode schottky

a thấy diode schottky, th ười ta dùng nh ay chất bán dẫn loại P chất bán dẫn loại N Si Do nhôm kim loại nên rào điện diode schottky giảm n ưỡng diode schottky khoảng 0,2V đến 0,3V Để ý diode schott hoà ngược lớn sụp đổ nhỏ h n diode Si

o th i gian hồi phục nhỏ ( đổi trạng n diode schottky dùng phổ biến kỹ thuật số điều khiển

i diode Ge dùng nhiều điện ngưỡng VK nhỏ

3 Diode schottky:

Ta thấy ảnh hưởng thời gian hồi phục (tức thời gian chuyển mạch) lên dạng sóng ngõ mạch chỉnh lưu Để rút ngắn thời gian hồi phục Các hạt tải điện phải di chuyển nhanh, vùng phải hẹp Ngồi ra, cịn phải tạo điều kiện cho tái hợp lỗ trống điện tử dễ dàng nhanh chóng Đó nguyên tắc diode schottky

Mơ hình sau cho biết cấu tạo

P-thân N.Si

Rào điện Schottky

SiO2 Nhôm

Anod Catod

Tiếp xúc Ohm

∫

Anod Catod

Hình 30

T ường ng ôm để th

hỏ nên điện ng

ky có điện bảo diode Si điện

ơ

D thái nhanh) nê

(54)

Hình 31

VD (Volt)

Si Diode

Schottky

Id (mA)

0,2 0,4 0,6 0,7

Diode Schottky Si

ne

Như khảo sát phầ ước, điện phân cực nghịch diode lớn, hạt tả điện sinh tác nhiệt bị điện trường mạnh vùng h ăng vận tốc phá vỡ nối hoá trị chất bán dẫn Cơ chế chồng chất v ta có dịng iện ngược lớn Ta nói diode vùng bị phá huỷ theo tượng tu hư hỏng nối P-N

Ta có loại phá huỷ khác phá huỷ trực tiếp nối hoá trị tác dụng điện trường Sự phá huỷ có tính hồn nghịch, nghĩa kh ường hết tác dụng n lập lại, ta gọi tượng nà r

Hiệu ứng ứng dụng để diode Zener Bằng cách thay đổi nồng

độ ch t pha, người ta chế tạo diode Zener có điện Zener khoảng vài volt đến vài hàng trăm volt Để ý phân cực thuận, đặc tuyến diode Zener giống hệt d yến dùng diode Zener phân cực ngh

4 Diode ổn áp (diode Ze r):

n tr

i dụng iếm t

ầ sau

đ

yết đổ gây

i điện tr

ối hoá trị y hiệu ứng Zene

chế tạo

ấ

iode thường (diode chỉnh lưu) Đặc tu

ịch vùng Zener, điện ngang qua diode gần không thay đôi dịng điện qua biến thiên khoảng rộng

(55)

* Ảnh hưởng nhiệt độ:

Khi nhiệt độ thay đổi, hạt tải điện sinh thay đổi theo:

− Với diode Zener có điện Zener VZ < 5V nhiệt độ tăng, điện Zener

ọi diode tuyết đổ-diode

avalanche) lại có hệ số nhiệt dương (VZ tăng nhiệt độ tăng)

5V gần VZ không thay đổi theo nhiệt

độ

Kiểu mẫu lý t

rong kiểu mẫu lý tưởng, diode Zener d n điện điện phân cực nghịch lớn hay b ng điện VZ Điện ngang qua diode Zener không thay đổi điện

giảm

− Với diode có điện Zener VZ>5V (cịn g

− Với diode Zener có VZ nằm xung quanh

* ưởng diode Zener:

T ẫ

ằ

ID (mA) + VD -

ID

Vùng phân cực nghịch

VD (Volt)

VK=0,7V

Vùng phân cực thuận

I=-ID=IZ

V=-VD=VZ

- +

er VZ=Vzen

0

Hình 32

Hình 33

-4 -3 -2 -1

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45

VD(Volt)

ID (mA)

-40 -30 -20 -10

-5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45

VD(Volt)

A) ID (m

250 600C 600C 250C

) Diode có VZ<5V (b) Diode có VZ>5V

(a C

(56)

VZ VZ, diode Zener không dẫn

điện (ID=0)

4,3V dùng diode zener 1N749 sau:

hi chưa mắc tải vào, thí dụ nguồn VS=15V, dịng qua zener

Khi điện phân cực nghịch nhỏ hay điện

+ V - Z ≅

Do tính chất trên, diode zener thường dùng để chế tạo điện chuẩn Thí dụ: mạch tao điện chuẩn

Hình 34

IZ

V =-V

K :

mA , 22 470

3 , 15 R

V V

I= S − Z = − =

hực tế, vùng zener, dòng điện qua diode tăng, điện qua zener tăng chút khơng phải cốđịnh kiểu mẫu lý tưởng

gười ta định ngh điện trởđộng c a diode là:

* Kiểu mẫu diode zener điện trởđộng: T

N ĩa ủ

ZT

iện

à điện ngang qua hai

ZO ZT Z

I V V Z

r = = −

ron ó: VZO đ nghịch bắt đầu dịng điện tăng

VZT l đầu diode dòng điện sử dụng IZT

T g đ

VS=6→15V

X Tải ≅

R=470Ω

IN749 I 4,3V

Hình 35 VS=6→15V

X Tải

R=470Ω

+ I VZ=4,3V

-D Z

ID=-IZ

Diode lý tưởng

ID

0 VD

-VZ

+ V - Z

(57)

5 Diode biến dung: (Varicap – Varacto

Phần ta thấy, phân bố điện tích dương âm vùng thay đổi đ n phân cực nghịch th đổ iữa diode điện dung:

r diode)

iệ ay i, tạo g i đầu

d

W V

∆

Điện dung chuyển tiếp C

T

A Q

C = ∆ =ε

ột ứng dụng diode dùng n ột tụđiện thay đổi Thí dụ muốn thay

đổi tầ ố cộng hưởng mạch, người ta thay đổi điện phân cực nghịch diode biến dung

Hình 36

T tỉ lệ nghịch với độ rộng vùng hiếm, tức tỉ lệ nghịch

với điện phân cực

Đặc tính ứng dụng để chế tạo diode biến dung mà trị sốđiện dung thay

đổi theo điện phân cực nghịch nên gọi VVC diode (voltage-variable capacitance diode) Điện dung thay đổi từ 5pF đến 100pF điện phân cực nghịch thay đổi từ đến 25V

M hư m

n s

+ VZ -

IZ

ZZ + VZ0 - ≅

Diode lý tưởng

IZT

0 IZ

VZ

VZ0 VZT ⇒

60 40 20 C(pF)

80

VR(Volt)

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 16

Đặc tuyến điện dung theo điện có dạng sau:

Hình 37

(58)

6 Diode hầm (Tunnel diode)

Được chế tạo lần vào năm 1958 Leo-Esaki nên gọi diode Esaki Đây loại diode đặ i nhiều loại diode khác Diode hầm có nồng độ pha chất ngoại lai l ất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N)

Đặ ạng sau:

Khi phân cực nghịch, dòng điện tăng theo điện Khi phân cực thuận, điện ấp, dòng điện tăng theo điện lên đến đỉnh A (VP IP), dòng điện lại tự

ộng giảm điện tăng Sự biến thiên nghịch đến thung lũng B (VV IV)

au đó, dịng điện tăng theo điện diode thường có chất bán dẫn cấu tạo Đặc nh cụ thể diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galium senic), GaSb (galium Atimonic)… Vùng AB vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng đến 500 mV) Diode dùng vùng điện trở âm Vì tạp chất cao nên vùng iếm diode hầm hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng diode

ường), nên hạt tải điện xuyên qua mối nối theo tượng chui hầm nên

đượ

Tỉ số Ip/Iv quan trọng ứ ng Tỉ số khoảng 10:1 Ge 20:1

ối với GaAs

Mạch tương đương diode hầm vùng điện trở âm sau:

c biệt dùng khác vớ ớn diode thường r

c tuyến V-I có d

th

đ

S tí A h th

c gọi diode hầm

ng dụ đ

L L

Ci R

U Diode

biến dung ≅

Hình 38

I(mA)

V(volt)

Anod Catod

IP

IV

VP 0,25 0,5V

B Thung lũng Đỉnh A

Diode thường Diode hầm

0

Hình 39

(59)

Ls: Biểu thịđiện cảm diode, có trị số từ 1nH đến 12nH RD: Điện trở chung vùng P N

CD: Điện dung khuếch tán vùng

Thí dụ, diode hầm Ge 1N2939: Ls=6nH, CD=5pF,Rd=-152Ω, RD=1,5Ω

Diode có vùng hẹp nên thời gian hồi phục nhỏ, dùng tốt tần số cao Nhược

điểm diode hầm vùng điện trở âm phi tuyến, vùng điện trở âm lại điện thấp nên khó dùng với điện cao, nồng độ chất pha cao nên muốn giảm nhỏ phải chế tạo mỏng manh Do đó, diode hầm bị diode schottky thay

Ứng dụng thông dụng diode hầm làm mạch dao động tần số cao

Bài tập cuối chương

1 Dùng kiểu mẫu lý tưởng điện ngưỡng diode để tính dòng điện I1, I2, ID2

mạch điện sau:

2 Tính dịng điện I1 V điện ngưỡng

diode)

VO

D /Si

2

D /Si

R1=1K

-12V

R2=3K

+12V

1

I

I2

RD

Ls

Cd -Rd

Hình 40

O mạch sau (dùng kiểu mẫu lý tưởng

I1 I2

ID2

1

R1=1K

R2=350

D /Si

10V

D /Ge

2

Ω

(60)

ng mạch điện sau R2 = 50Ω R2 = 200Ω Cho biết Zener sử dụng

Z = 8V

3 Tính IZ, VO tro

có VZ = 6V

100Ω

4 Tính I, VO mạch sau, cho biết Zener có V

IZ R2

12V

+20V

R1=1K

I

R2=3K

(61)

Chương V

TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

I CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT

ăm 1947 hai nhà bác học W.H.Britain J.Braden, c ạo mẫu bán dẫn Germ nium hay Silicium

ình sau mơ tả cấu trúc hai loại transistor lưỡng cực PNP NPN

a nhậ vùng phát E pha đậm (n i lai nhiều), vùng B pha vùng thu C lại pha Vùng có kích thước hẹp (nhỏ vùng bán dẫn), vùng phát vùng thu vùng rộng Transistor NPN có đáp ứng tần istor PNP Phần sau tập trung khảo sát transistor NPN transistor PNP, đặc tính tương tự

II TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC

ết pha chất cho (donor) vào bán dẫn tinh khiết, ta chất bán dẫn loại N Các điện tử tự (còn thừa c ất cho) có mức lượng trung bình

gần dải dẫn điện (mức lượng Ferm nâng lên) Tương tự, chất pha chất nhận (acceptor), ta có chất bán dẫn loại P Các lỗ trống chất nhận có mức lượng trung bình nằm gần dải hoá trị (mức lượng Fermi giảm xuống)

(BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR-BJT)

Transistor lưỡng cực gồm có hai mối P-N nối tiếp nhau, phát minh n hế t

a

H

Cực phát E Emitter

B Cực (Base)

n+ p n- C Cực thu

Collecter

E C

B Transistor PNP

Cực E Emitter

B Cực (Base)

n C Cực th

Collec

p- u

ter

E C

B Transistor NPN Hình

phát

p+

T n thấy rằng, ồng độ chất ngoạ

số cao tốt trans

Ta bi

ủa ch i

(62)

Khi nối P-N xác lập, rào điện sẽđược tạo nối Các điện tử tự d vùng N khuếch tán sang vùng P ngược lại, lỗ trống vùng P khuếch tán sang v

o ùng N Kết hai bên mối nối, bên vùng N ion dương, bên vùng P ion âm Chúng

của transistor Quan sát vùng hiếm, ta thấy r

đã tạo rào điện Hiện tượng thấy hai nối

ằng kích thước vùng hàm số theo nồng độ chất pha Nó rộng

vùng chất pha nhẹ hẹp vùng chất pha đậm

Hình sau mô tả vùng transistor NPN, tương quan mức lượng Fermi, dải dẫn điện, dải hoá trị vùng, phát nền, thu transistor

n+ Vùng phát

p Vùng

n- Vùng thu

Mức Fermi tăng cao

Vùng

Mứ ermi giảm Mức ẹ

n+ Vùng phát p Vùng n- Vùng thu

Dải dẫn điện

Dải hoá trị E(eV)

c F Fermi tăng nh

Dải dẫn điện (Conductance band)

Mức Fermi xếp thẳng

Dải hố trị (valence band)

Hình

(63)

III CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC

phân cực thuận lúc nối thu phải phân cực nghịch

n nên vùng hẹp lại Nối thu phân cực nghị

hiều điện tử từ cực âm nguồn VEEđi vào vùng phát khuếch tán sang vùng

nền Như ta biết, vùng pha tạp chất hẹp nên số lỗ trống khơng nhiều, lượng trống khuếch tán sang vùng phát không đáng kể

ạch phân cực sau:

o vùng hẹp lỗ trống nên có điện tử khuếch tán từ vùng phát qua tái hợp với lỗ trống vùng Hầu hết điện tử khuếch tán thẳng qua vùng thu bị út cực dương nguồn VCC

ùng thu chạy cực dương nguồn VCC tạo dòng điện thu IC

chạy vào vùng thu

Mặt khác, số điện tử hạt điện thiểu số c a vùng chạy cực dương nguồn VEE tạo nên dòng điện IB nhỏ chạy vào cực B

Trong ứng dụng thông thường (khuếch đại), nối phát phải

Vì nối phát phân cực thuậ

ch nên vùng rộng N

lỗ

M

D h

Hình n+

Phân cực thuận

p n-

Phân cực nghịch

Dòng điện tử

IB

Dòng điện tử VEE

RE RC

VCC

IC

IE

Các điện tử tự vùng phát tạo nên dòng điện cực phát IE chạy từ cực

phát E Các điện tử từ v

ủ

Như vậy, theo định luật Kirchoff, dòng điện IE tổng dòng điện IC IB

Ta có:IE =IC +IB

(64)

Dịng IB nhỏ (hàng microampere) nên ta coi như: IE # IC

IV CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DÒNG

ĐIỆ

Khi sử dụng, transistor ráp theo cách sau:

áp theo kiểu cực thu chung (3)

ực chung cực nối mass dùng chung cho

hai ngõ vào ngõ

p, người ta định nghĩa độ lợi dòng điện chiều sau:

N

− Ráp theo kiểu cực chung (1)

− Ráp theo kiểu cực phát chung (2)

− R

I

Trong cách ráp trên, c

Trong cách rá

vào ngỏ điện Dòng

ra ngỏ điện Dòng đ ên

øng i =

lợi Độ

Độ lợi dòng điện transistor thường dùng độ lợi cách ráp cực phát chung cực chung Độ lợi dòng điện cách ráp cực phát chung cho bởi:

E IC

vào ra

Kiểu cực chung

IE IB

vào ra

Kiểu cực thu chung

IB

IC

vào ra

Kiểu cực phát chung

Hình

(65)

B C DC FE I I

h ≈β =

Như v

Độ lợi dòng điện cách ráp cực chung cho bởi:

ậy: y: IC = IC = ββDC.IB DC.IB Nhưng: IE = IC + IB = βDC.IB+IB

⇒ IE = (βDC + 1).IB

Nhưng: IE = IC + IB = βDC.IB+IB

⇒ IE = (βDC + 1).IB

E C DC FB I I

h ≈α =

βDC có trị số từ vài chục đến vài trăm, chí lên đến hàng ngàn αDC có trị

từ 0, đến 0,999… tuỳ theo loại transistor Hai thông số βDC αDCđược nhà sản xuất

cho biết

ừ phương trình bản: IE = IC + IB

Ta có: IC = IE – IB

Chia hai vế đượ

95 T

cả cho IC, ta c:

B C E C C B C E I I I I I I I I

1= − = −

Như vậy:

DC DC 1 β − α =

Giải phương trình để tìm βDC hay αDC, ta được:

DC DC DC

1−α

α =

β

DC DC DC

1+β

β = α

* Ghi chú: côn ức tổng quát, ngh stor PNP

điện ực chạy hai transistor PNP NPN có chiều sau:

hí dụ:

ột transistor NPN, Si phân cực sau cho IC = 1mA IB = 10µA

g th ĩa với transi

Ta ý dòng th

IE IC IE IB NPN IC IB PNP Hình T M

Tính βDC, IE, αDC

ừ

Giải: t phương trình:

B I C DC I =

β , Ta có: 100

A 10

dc µ

phương trình:

mA

1 =

= β

Từ

(66)

IE = IC + IB, ta có: IE = 1mA + 0,01mA = 1,01mA

99 , mA 01 ,

mA

Và từ phương trình:

IE

DC

IC

=

α = =

r Si PNP có βDC = 50 IE = 1,5mA Xác định IC

Giải:

Một transisto

9 ,

DC

α

50

1 DC

DC =

+ = β +

β =

IC = βDC.IE = 0,98 x 1,5 = 1,47mA

V D RANSISTOR

dịng điện rỉ ngược

(bảo hồ ngh c phân cực nghịch

Dòng điện rỉ ệu ICBO, nhà sản xuất cho biết, mô tả

bằng

ở Hình vẽ sau cho dịng điện ICBO

ỊNG ĐIỆN RỈ TRONG T

Vì nối thu hường phân cực nghịch nên có i qua m t ối nối trường hợp diode đượ ịch) đ

ngược ký hi hình vẽ sau:

Đây dịng điện từ cực thu qua cực cực phát để h ta thấy thành phần dòng điện chạy transistor bao gồm

IE =

ICBO

VCC

RC

để hở

Current Base ( Opene

Collector (cực thu) (dịng điện)

Hình

cực nền)

mitter (cực phát hở) Cực E

n+ p n-

Hình IE

IC = αDCIE + ICBO

VEE VCC

E C

αDCIE

ICBO

IE

IB

R R

(67)

Như vậy, ta có: IC = αDCIE + ICBO

Nếu I xấp xỉ 0, xem không đáng kể

Suy ra, IC = αDC(IC + IB) + ICBO

Ta tìm thấy:

CBO

Ta có: IC≅αDCIE

Đó cơng thức lý tưởng mà ta thấy phần Ngồi ta, từ phương trình dòng điện bản:

IE = IB + IC

IC = αDCIC + αDC IB + ICBO

DC CBO B DC DC α C I I I α − + α − =

Nhưng:

DC DC DC

1−α

α =

β ⇒

1 DC

D DC −α +

α =

1+ β C

DC DC DC DC DC 1 1 α − α − α − + α = β +

hay vào phương trình trên, ta tìm đ

IC = βDCIB + (βDC + 1)ICBO

gười ta đặt: ICEO = (βDC + 1)ICBO ph h viết lại:

IC = βDCIB + ICEO

CEO dòng điện chạy từ cực C qua cực E

của t nhà sản xuất cho biết

ác t t nhạy ệt

VI. C TUYẾN V-I CỦA TRANSISTO

Người ta thường ý đến loại đặc tuyến transistor:

ến ngõ vào

ến ngõ

−

Mạch n

1

=

T ược:

N ương trìn

Như vậy, ta hiểu dịng điện rỉ I ransistor cực B để hở Trị số ICEO

C hông sốβDC, αDC, ICBO, ICEO rấ với nhi độ

ĐẶ R

− Đặc

Đặc tuyến truyền

tổ g quát để xác định đặc tuyến biểu diễn mơ hình sau:

RC

Hình ICEO

VCC

ực hở

ICEO

Current (dòng điện) Emitter (cực phát)

Openbase (cực hở) Collector (cực thu IB =

) C

I1 BJT I2

V2

V1 Ngõ V

22

V11 Ngõ vào

R1 R2

(68)

Điểm cần ý: tuỳ theo loại transistor cách ráp mà nguồn V11, V22 phải mắc

đúng cực (sao cho nối thu phân nối phát phân cực thuận) Các Ampe k c volt kế V1 V2 cũ úng chiều

Chúng ta khảo sát hai cách mắc bản:L

1 Mắc theo kiểu cực chung:

Mạch đ sau:

Đặc tuyến ngõ vào (input curves)

Là đặc tuyến biểu diễn thay đổi dòng điện I theo điện ngõ vào V với VCB

Đặc tuyến có dạng sau:

hận xét:

cực nghịch ng phải mắc đ ế I1, I2, cá

iện nh

I1 I2

V2

V1

VEE

RE RC

E BE

được chọn làm thơng số

N

VCC

Hình 10

IE IC

+

VBE VCB

+

VCB = 01V

VCB = 00V

V để hở +

VCB = 20V

VCB = 10V

CB

0,6 VBE (Volt)

0,4 0,2

0

IE (mA)

(69)

− Khi nối thu để hở, đặc tuyến có dạng nhưđặc tuyến diode phân cực thuận

− Điện ngưỡng (knee voltage) đặc tuyến giảm VCB tăng

Đặc tuyến ngõ (output curves)

Là đặc tuyến biểu diễn thay đổi dòng điện cực thu IC theo điện thu

VCB i dòng điện cực phát IE làm thông số

sau: Ta ý đến ba vùng hoạt động transistor

ờng thẳng song song cách Trong ứng dụng thông thường, transistor phân cực vùng tác động

ùng ngưng: nối phát phân cực nghịch (IE=0), nối thu phân cực nghịch

Trong vùng transistor không hoạt động

Vùng bảo hoà: nối phát phân cực thuận, nối thu phân cực thuận Trong

ứng d ng đặc biệt, transistor phân cực vùng

2 Mắc theo kiểu cực phát chung

ây cách mắc thông dụng ứng dụng transistor Mạch điện sau:

vớ

Đặc tuyến có dạng

Vùng tác động: Nối phát phân cực thuận, nối thu phân cực nghịch Trong vùng đặc tuyến đư

V

ụ

Đ

0 1 2 3 4 5

2

I = 0mA 1 mA

2 mA 3 mA

A 5 mA 6 mA

VCB (V)

IC (mA)

Vùng ngưng

động Vùng tác

4 m

Vùng bão hịa

Hình 12

ICBO E

(70)

+ I1

I2

V2

V1 VCC

VBB

RB

RC

Hình 13 IB

IC

+

VBE VCB

+ +

Đặc tuyến ngõ vào:

iểu diễn thay đổi dòng điện IB theo điện ngõ vào VBE Trong hiệu

thu phát VCE chọn làm thông số

Đặc tuyến sau:

ặc tuyến ngõ ra:

iểu diễn dòng điện cực thu IC theo điện ngõ VCE với dòng điện ngõ vào IB

được chọn làm thông số Dạng đặc tuyến sau: B

IB (µA)

Đ

B

0

VBE (V)

0,2 0,4 0,6 0,8

VCE = 0V

VCE = 10V

VCE = 1V

100

40 80 60

20

Hình 14

(71)

ảo hoà, vùng tác động

điện rĩ ICEO Đặc tuyến truyền: (Transfer characteristic curve)

Từ đ đặc tuyến truyền

transistor ngõ vào VBE

Đặc tuyế

− Ta thấy có vùng hoạt động transistor: vùng b

vùng ngưng

− Khi nối tắt VBE (tức IB=0) dòng điện cực thu xấp xĩ dòng

ặc tuyến ngõ vào đặc tuyến ngõ Ta suy

Đặc tuyến truyền biểu diễn thay đổi dòng điện ngõ IC theo điện

với điện ngõ VCE làm thông số

n có dạng sau:

0 2 4 6 8

1

I = µA

20 µA

B

40 µA

60 µA

80 µA

100 µA

120 µA

IC (mA)

Vùng tác động

VCE (V)

Vùng ngưng

Vùng bão hịa

Hình 15

ICEO

(72)

IC(mA)

0

VBE (V)

VCE =10(V)

ICES = ICBO

.1

6

Vùng ngưng Vùng

tác động

Vùng bảo hồ VBE(sat)

cut-in Hình 16

Đối với transistor Si, vùng hoạt động có VBE nằm khoảng 0,5-0,8V Trong

vùng này, đặc tuyến truyền có dạng hàm mũ Ở vùng bão hồ, dịng I tăng nhanh

VBE t ng

xấp x ICBO

y vùng t động, VBE thay đổi lư ỏ (từ dòng IB thạy đổi)

thì dịng IC thay đổi lượng lớn Vì thế, ứng dụng, người ta dùng điện

thế cực VB điện thếđi ển cực B gọi cực

3 nh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến BJT

hư ta thấy, tính chất điện chất bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ Do

đó, đặc tuyến BJT thay đổi nhiệt độ thay đổi

− Khi nhiệt độ tăng, dòng cực thu (ICBO,Iceo, ICES) tăng

− Khi nhiệt độ tăng, độ lợi điện thếαDC, βDC tăng

− Khi nhiệt độ tăng, điện phân cực thuận (điện ngưỡng) nối phát VBE

n rỉ ICBO tăng gấp nhiệt độ tăng C transistor Si

C

hay đổi Ở vùng ngưng, VBE nhỏ, dòng rỉ qua transistor ICES nhỏ, thườ

ĩ

ợng nh

Nga hoạ

E làm ều ển

Ả

N

điện rỉ c

giảm Thông thường, VBE giảm 2,2mV nhiệt độ tăng 10C

− Dòng điệ

⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ =

−

8 25 t CBO

CBO(t C

I ) I (25 C)

Tác động nhiệt độ ảnh h ởng quan trọng đến điểm điều hành transistor Nó ngun nhân làm cho thơng số transistor thay đổi kết tín hiệu bị

biến

ư

dạng

(73)

VII ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG ĐIỆN

MỘ ỀU

a xem mạch dùng transistor BJT NPN mơ hình cực nề hư sau:

ể xác ỉnh điều hành Q đường thẳng lấy điện m u, người ta thường dùng bước:

IC (mA)

500C

250C

250µA IB (µA)

500C

250C

(2,2mV/ C)

200µA 150µA 100µA

0

LẤY T CHI

T n chung n

Đ định điểm t ột chiề

VBE (mV)

0

IB =0µA

50µA

645 700 VCE (Volt)

VBE (mV)

0

IC (mA)

645 700

50 C 250C (2,2mV/0C)

10

VCE =15V

Hình 17

VEE VCC

VBE VCB

+

IE IC

RE RC

Vào Ra

Hình 18

(74)

1 Mạch ngõ vào:

Ta có: VBE + REIE - VEE =

E BE EE E

R V V

I = −

⇒

Chú ý VBE = 0,7V với BJT Si VBE = 0,3V BJT Ge

2 Từ công thức IC αDCIE ≅ IE

uy dòng điện cực thu IC

Mạch ngõ ra:

a c VCB - VCC + RCIC =

= S

3 T ó:

C CC

C CB C =

R V R V

I − +

ây phương trình đường thẳng lấy điện chiều (đường thẳng lấy điện tỉnh) Trên ặc tuyến ra, giao điểm đường thẳng lấy điện IE tương ứng (thông số)

đặc t

Ta ý rằng:

− Khi VCB =

⇒ Đ

đ với

uyến r a điểm tỉnh điều hành Q

C CC

V

SH C

R I

I = =

⇒ (Dịng điện bảo hồ)

− Khi IC = (dịng ngưng), ta có: VCB = VCC = VOC

ột ận xét:

Để th ảnh hưởng tương đối RC,VCC, IE n điểm điều hành, ta xem ví dụ sau đây:

VCB(Volt)

0

IC (mA)

IE = 6mA

IE = 5mA

IE = 4mA

IE = 3mA

IE = 2mA

IE = 1mA

0mA Q

VCBQ C

CC SH

R V

I =

VCB=VCC=VOC

Hình 19

M số nh

ấy lê

(75)

1 Ảnh hưởng điện trở cực thu RC: RC = 1,5KΩ; 2KΩ; KΩ

a có:

V = 1V VCC = 12V

EE

C E

BE EE

E 3mA I

1 ,

7 , 1 R

V V

I = − = − = ≈

T

C CC C

CB C

R V R V

I =− +

* Khi RC = KΩ,

mA V 12

VC

3=− B + ⇒ CB =

ổi

Biên soạn: Trương Văn Tám

* Khi RC = 1,5 KΩ (RC giảm), giữ RE, VEE, VCC không đ

IE = 3mA

IC

RE = 100Ω

Hình 20 RC

VCB(Volt)

0

IC (mA)

IE = 3mA

IC # IE # 3mA

VCB = VCC - RC.IC = 12 - 1,5x3 =7,5V

mA , 12 R

V I

C CC

SH = = =

Q

2 10 12 Hình 21

6

1 V

OC

(76)

IC # IE =3mA

VC

* Khi RC = KΩ (RC tăng)

B = VCC - RC.IC = 12 - 3x3 = 3V

mA 12 R

V I

C CC

SH = = =

Ảnh hưởng nguồn phân cực nối thu CC

ếu giữ IE số (tức V RE số C s y đổ CC,

ta thấ : K VCC tăng VCB tăng, VCC giảm VCB giảm

Như vậy, giữ nguồn phân cực VCC, VEE RE cố định, thay đổi RC, điểm

điều hành Q chạy đặc tuyến tương ứng với IE = 3mA Khi RC tăng VCB giảm

ngược lại

2 V

N EE ), R ố, tha i nguồn V

y hi

VCB(Volt)

0

IC (mA)

IE = 3mA

Q

2 10 12 VOC

Hình 22

8

4

7,5V

7

VCB(Volt)

0

IC (mA)

IE = 3mA

Q

2 10 12 VOC

Hình 23

4

(77)

Thí dụ:

3 Ảnh hưởng IE lên điểm đ u hành:

N giữ RC VCC cố đị hay đổi IE (tức th i RE VEE) ta thấy: IE

tăng VCB giảm (tức IC tăng), IC giảm VCB tăng (tức IC giảm)

E C eo tiến dầ SH Transistor vào vùng

bảo h gọi IC(sat) Như vậy:

V

iề

ếu ta nh, t ay đổ

Khi I tăng I tăng th n đến trị I oà Dòng tối đa IC, tức dòng bảo hoà

C C

R

CC SH

V I

)

t = =

sa ( I

Lúc này, VCB giảm nhỏ xấp xĩ 0V (th ự 0,2V)

hi IE giảm IC giảm theo Transistor dần vào vùng ngưng, VCB lúc gọi VCB(off)

và IC = ICBO

ật s K

EE = 1V

VCC: 10V

12V 14V

+

RE = 100Ω RC = 2KΩ

IC

IC (mA)

7

2 10 12 14

IE =3 (mA)

VCB

Hình 24

Q1

Q2

VCC = 14V

VCC = 12V

VCC = 10V

Hình 25 IC (mA)

7

2 10 12 14

0

IE =3 (mA)

VCB

Q3

Q

C CC SH ) sat ( C

R V I

I = =

IE =2 (mA)

IE =1 (mA)

IE =4 (mA)

IE =5 (mA)

IE =6 (mA)

Q1

Q2 Tăng

Giảm Q4

ICBO

(78)

Như vậy, VCB(off) = VOC = VCC

Vùng bảo hoà vùng ngưng vùng hoạt động khơng tuyến tính BJT

ối với mạch cực phát chung, ta khảo sát tương tự

VIII KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT

ua khảo sát phần trước, người ta dùng kiểu mẫu gần sau transistor mạch điện chiều:

mạc n với ý điện thềm VBE phân cực

thuận 0,3V Ge 0,7V Si

hí dụ 1: tính IE, IC VCB mạch c sau:

Đ

Q

E C

B

αDCIE

IE IC=αDCIE≈IE

E C

B Tr

≈

ansistor NPN

E C

B

DC E

E C

α I

IE IC=αDCIE≈IE

≈

B Transistor PNP

Tuy nhiên, tính thành phần dịng điện điện chiều transistor, người ta thường tính trực tiếp

Hình 26

hđiệ

(79)

Si

VEE VCC

RE RC

0,7V VCB

IC

IE

Si

V V

R

EE CC

E RC

0,7V VCB

IC

IE +

+

-Hình 27

Ta dùng bước:

Mạch phát (ngõ vào):

E EE E

R , V

I = − ; IC # αDC # IE

Áp dụng định luật kir

− Với transist

choff (ngõ ), ta có:

or NPN: VCB = VCC - RC.IC; VC

− Với transistor PNP: VCB = -VC RC.IC; VCB <0

hí dụ 2: Tính dịng điện IB, IC điện VCE mạch cực phát chung B >

C +

+ +

-T

Mạch phát (ngõ vào):

B BB B

7 , V

I = −

R Dòng IC = βDC IB

Mạch thu phát (ngõ ra)

Hình 28

VBB VCC

RB RC

0,7V + V

IC

IB

CE

-+

+

VBB VCC

RB RC

VCE

IC

IB

0,7V -+

(80)

− Với transistor NPN: VCE = VCC -RC IC >0

hính phương trình đường thẳng lấy điện tỉnh mạch cực phát chung

IX BJT VỚI TÍN HIỆ XOAY U

1 Mơ hình BJT:

a xem lại mạch cực chung, ta đưa vào BJT nguồn xoay chiều VS(t) có biên

ây mơ hình mạch khuếch đại ráp theo kiểu cực chung Ở ngõ vào ngõ ra, ta có hai tụ liên lạc C1 C2 có điện dung để dung kháng XC

nhỏ ần số nguồn tín hiệu để xem nối tắt (Short circuit) tín hiệu xoay chiều xem hở mạch (open circuit) điện phân cực

ạch tương đương chiều sau:

ây mạch mà khảo sát phần tr c Nguồn điệ ế xoay chiều VS(t)

khi đưa vào mạch làm cho thông s stor thay đổi Ngồi thành phần chiều cịn c thành phần xoay chiều ngu iệu tạo chồng lên

ghĩa là: iB(t) = IB + ib(t)

vCB(t) = VCB + vcb(t)

-VEE CC

− Với transistor PNP: VCE = -VCC + RC.IC <0

Đây c

U CHIỀ

T

+V

độ nhỏ hình vẽ

RE RC

V

C1

~

+

-C2

+

-+

Tín hiệu vào V

Đ

t M

Đ ướ n th

ố transi

ồn tín h ó

N

iC(t) = IC + ic(t)

iE(t) = IE + ie(t) S(t)

-V V

V

Hình 29

Tín hiệu V0(t)

Hình 30 Si

VEE VCC

RE RC

0,7V VCB IC≈IE

IE

+ +

(81)

vBE(t) = VBE + vbe(t)

Thành phần tức thời = thành phầ DC + thành phần xoay chiều

ong vùng đ u dòng điện Do nối phát phân cực thuận nên B’ E có mộ điện trở động re giống nhưđiện trở động rd nối P-N

khi p

n

Trong mơ hình dòng điện chạy transistor ta thấy: điểm B’ nằm tr

ược xem trung tâm giao lư

t hân cực thuận nên:

E e

I

r = mV

Ngồi ra, ta có điện trở rb vùng bán dẫn phát (ở đây, ta coi

đây điện trở B B’) Do B’ C phân cực nghịch nên có điện trở r0

lớn T e = βib chạ qua coi mắc song song

với r0

ong cách mắc chung:

26

n+ p

B’ n- ie ib’ ic B C E

uy nhiên, có dịng điện ic = α.i y

* α độ lợi dòng điện xoay chiều tr

c C C ac i di I = = ∆ = α = α e α E E di i

I

hông thường α ho αac gần xấp xĩ đơn vị

β độ lợi dòng đ xoay chiều cách mắc cực phát chung

∆

T ặc DC v

* iện

b c B C B C fe ac i i di di i i

h = =

∆ ∆ = = β = β

Thông thường β βac gần βDC thay đổi theo dòng ic

rị sốα, β nhà sản xuấ p

Như vậy, mơ hình transistor i tín hiệu xoay chiều có thểđược mơ tả

b thường có tr ể bỏ qua mơ hình

ansistor

T t cung cấ

đối vớ

sau:

r ị số khoảng vài chục Ω, r0 lớn nên có th

Hình 31 C E B ro rb tr re B B’

ie α.ie = β.ib

ib

Hình 32

(82)

2 iện dẫn truyền (transconductance)

ay đổi đặc tuyến truyền (transfer curve) transistor

Đặc tuyến giống nhưđặc tuyến diode phân cực thuận

Người ta định nghĩa điện dẫn truyền transistor

Đ

Ta thấy rằng, dòng điện cực thu IC thay đổi theo điện phát VBE Người ta có

thể biểu diễn th

ID(mA C(mA) = IE

0 VD 0 VBE(volt)

ID=IO.exp(VD/VT) IC=ICES.exp(VBE/VT)

) I

(volt) IC

0 VBE(mV)

(mA)

ID=IO.exp(VD/VT)

Q dTiốếc =gp tuym=Iến có C/VT độ vbe

E

B ≈

E

C

B +

-gmvbe

C

Hình 33

là: )

t ( i i

∆

) t ( v VBE be

m ∆

g = c = c

Và độ dốc tiếp tuyến với đặc tuyến truyền điểm điều hành Q

ương tự diode, ta có:

T

T BE

V V

CES C I e

I =

Trong I

đó, IC dịng điện phân cực cực thu; CES dòng điện rĩ cực thu VBE = 0V

e KT

VT = (T: nhiệt độ Kelvin)

Ở nhiệt độ bình thường (250C), VT = 26mV

Ta tính gm cách lấy đạo hàm IC theo VBE

T BE

V V CES BE

C

m e

VT I dV

dI

g = =

(83)

Và C ( ) V

I gm = Ω

Ở nhiệt độ bình thường (250C) ta có

T

:

mV 26

I

g C

m =

3 Tổng trở vào transistor:

Ngư định nghĩa vào củ transistor mô hình sau đây:

ng trở vào nhìn từ

cực n

:

đối với tín hiệu xoay chiều, ta có mạch tương đương

ngõ v

ời ta tổng tr a

BJT iin

+

-vin

Hình 34

in in in

i v

R =

Ta có hai loại tổng trở vào: tổng trở vào nhìn từ cực phát E tổ ền B

Tổng trở vào nhìn từ cực phát E ie = -iin

+

-vbe = -vin

Hình 35

e be in

in in

i v i v

R = =

E C B

Theo mơ hình transistor sau:

-+ B

E B’ r E B’

e re

-+ B

ie ie

ie

1 rb

+ β

ib

rb

Hình 36

(84)

Vì ie=(β+1)ib nên mạch vẽ lại hình phía cách coi

dịng e chạy mạch phải thay rb

1 rb

+ β

i

Vậy:

1 r ) ( r r r i v

R b e

e b e be

in β+

+ β + = + + β = =

Đặt: hie = rb+(β+1).re

uy ra:

1 h

R ie

in = β+

S e b r r << + β

Do β>>1, rb nhỏ nên nên người ta thường coi như:

e b e

in 1 r

r r R ≈ + β + =

Tổng trở vào nhìn từ cực B:

em mơ hình định nghĩa sau (hình 37):

o ie=(β+1)ib nên mạch hình (a) có thểđược vẽ lại mạch hình (b) b be in i v R = B E C +

-vbe = vin

ib = iin

Hình 37

X

Mạch tương đương ngõ vào:

D

+

- E

B’ B ib rb -B’ B ie re

+ E

ib

rb

ib

(β+1)r.e

Hình 38

(85)

ie e b

b be

in r ( 1)r h

i v

R = = + β+ =

Vậy:

Người ta đặt: rπ=(1+β).re≈βre

Thông thường βre>>rb nên: Rin=hie≈rπ≈βre

m

g

rπ = β

m e

g

r =

Ngoài ra,

m C

C E

e

I r =

g I

1 I

mV 26 mV

26 ≈ = =

; Vậy:

mV 26

Ta ý thêm là: m be e c b

m e be

e g v i i i

g i

v

r ≈ = ⇒ = ≈ =β ; ⇒gmvbe =βib

4 Hiệu ứng Early (Early effect)

Ta xem lại đặc tuyến ngõ transistor cách mắc cực phát chung Năm J.Early t ộc phịng thí nghiệ nghiên cứu tượng mang tên Ông Ông nhận xét:

Ở ng giá trị cao c òng n cực thu IC, dịng IC tăng nhanh theo VCE (đặc tuyến có

dốc đứng)

giá trị thấp IC, dịng IC tăng khơng đáng kể VCE tăng (đặc tuyến gần

nằm ngang)

Nếu ta kéo d tuyến này, ta thấy chúng hội tụ điểm nằm trục VCE

Điểm gọi điểm điện th A Thông thường trị số thay đổi từ 150V

ến 250V người ta thường coi VA

95 hu m Bell

nhữ d điệ

Ở

ài đặc

ế Early V = 200V

đ

10 20 30

40 50

VCE(volt)

voltage

CE = -VA = -200V

IC(mA)

Early V

VCE(volt)

IC(mA)

ICQ

VCEQ

Q

∆IC = ICQ

A ∆VCE = VCE -(-VA) = VCE + V ≈ VA

(86)

Người ta định nghĩa tổng trở transistor:

C A CE C

A CE

C CE

I V V

I

) V ( V I

V

r = +

− − − = ∆ =

C C

A

0 I

V 200 I

V

r = =

Thường VA>>VCE nên:

5 Mạch tương đ g ay chiều củ JT:

Với tín hiệu có biện độ nhỏ tần số khơng cao lắm, ngư ta thường dùng hai kiểu mẫu sau đây:

Kiểu hỗn tạp: (hybrid-π)

ới mơ hình tương đương transistor tổng trở vào, t ng trở ra, ta có mạch tương

Kiểu mẫu re: (re model)

ơ hình tương đương xoay chiều BJT, tổng trở vào, tổng trở ra, ta

có m ng đương này, người ta thường dùng chung

một m ực thu chung mạch riêng cho chung

- Kiểu cực phát chung thu chung:

ươn xo a B

ời

V ổ

đương hỗn tạp sau:

Cũng với m

ạch tương đương kiểu re Trong kiểu tươ

ạch cho kiểu ráp cực phát chung c

B C

E vbe

ib

rb

rπ gmvbe ro

ic

Hình 40(a)

(87)

- Kiểu cực chung

o C

Kiểu thông số h: (h-parameter)

Nếu ta coi vbe ic hàm số iB vCE, ta có:

vBE = f(iB,vCE) iC = f(iB,vCE)

Lấy đạo hàm:

Thường người ta bỏ r mạch tương đương R lớn

CE CE BE B B BE BE be dv v v di i v dv v δ δ + δ δ = = CE CE C B B C C c dv v i di i i di i δ δ + δ δ = =

Trong kiểu mẫu thông số h, người ta đặt: ; i v h B BE ie δ δ = CE BE re v v h δ δ = ; B C fe i i h δ δ = β = ; CE C oe v i h δ δ =

Vậy, ta có:

vbe = hie.ib + hre.vce

ic = hfe.ib + hoe.vce

Từ hai phương trình này, ta có mạch điện tương đương theo kiểu thông số h:

B (E)

E (C)

C

vbe

ib

βre βib ro

ic

Hình 40(b)

IB

IC

vào ra

Kiểu cực phát chung

IB

IE

vào ra

Kiểu cực thu chung

B C

B ie

re αie

ic

Hình (c)

ro

IE IC

vào ra

Kiểu cực chung

(88)

hre thường nhỏ (ở hàng 10-4), vậy, mạch tương đương người ta thường bỏ

hre.vce

So sánh với kiểu hỗn tạp, ta thấy rằng:

π + = + β +

=r ( 1)r r r

hie b e b

Do rb<<rπ nên hie = rπ

Nếu bỏ qua hre, ta thấy:

ie b

h

be

v

i = Vậy:

ie be fe b fe

h v h i

h =

Do đó,

fe be fe b fe be

m h

v h i h v

g = = ;

Hay

ie fe m

h h g =

Ngoài ra,

oe h

1

r =

Các thông số h nhà sản xuất cho biết

Trong thực hành, r0 hay

oe

h

mắc song song với tải Nếu tải không lớn (khoảng vài chục KΩ trở lại), mạch tương đương, người ta bỏ qua r0 (khoảng vài trăm

KΩ)

B C

E vbe

ib

hrevce

hie

h ife b

oe

h

Hình 41

vce

~

+

(89)

Mạch tương đương đơn giản: (có thể bỏ r0 oe

h

)

B C

E vbe

b

i

rπ gmvbe ro

ic

B ib C

hie hfeib

ic

oe

h

vbe

E Hình 42

(90)

Bài tập cuối chương

1 Tín ực VC, VB, VE mạch:

2 Tính IC, VCE

3 Tính VB, V E mạ

h điện phân c

mạch điện:

ch điện:

12V V V

E 2V

E=1K V

R

C

CC V

V

RC=3K

EE

B

β=100/Si

β=100/Si IC

B +6V

C 2K R

R 1K R

430K

E +6V

C, V

C

E +12V

R

R 1K B

VBB

5K

2V 33K

β=100/Si VE

VB

VC

(91)

CHƯƠ

TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG

(FIELD EFFECT TRANSISTOR)

Chúng ta khảo sát qua transistor thường, gọi transistor lưỡng cực

dẫn đ ện dựa vào hai loại hạt tải đ ện đa số vùng phát hạt tải

điện thiểu số vùng Ở transistor NPN, hạt tải điện đa số điện tử hạt tải

điện iểu số lỗ trống transistor PNP, hạt tải điện đa số lỗ trống hạt tải

điện thiểu số điện tử

Điện trở õ vào B hìn từ cực E cực B) nhỏ, từ v Ω đến vài KΩ, lúc điện trở ngõ đèn chân không lớn, gần vô hạn Lý

BJT, nối phát luôn phân cực thuận lúc ởđèn chân không, lưới khiển luôn phân cực n ịch so với Catod Do đó, từ lúc transistor BJT

đời, người ta nghĩ đến việc phát triển m sistor Điều dẫn đến

đời c a transistor trường ứng

a phân biệt hai loại transistor trường ứng:

− Transistor trường ứng loại nối: Junction FET- JFET

− Transistor trường ứng loại có cổng cách điện: Isulated gate FET-IGFET hay

- pha tạp chất dùng làm thông lộ (kênh) nối liền vùng n ng Một vùng p- nằm phía thơng lộ thân vùng p nằm phía thơng lộ Hai vùng p p- nối chung với tạo thành c c cổng JF

NG

i iện: hạt tải

th

ng JT (n ài trăm

vào gh

ột loại tran

ủ

T

metal-oxyt semiconductor FET-MOSFET

Ngoài ra, ta khảo sát qua loại VMOS (MOSFET công suất-Vertical chanel MOSFET), CMOS DMOS

I CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET:

Mơ hình sau mơ tả hai loại JFET: kênh N kênh P

Trong JFET kênh N gồm có hai vùng n+ hai vùng nguồn Một vùng n guồn vù

ự ET

(92)

Thông lộ

(kênh) N-

đương

Nếu so sánh với BJT, ta thấy: cực thoát D tương đương với cực thu C, cực nguồn S tương

với cực phát E cực cổng G tương đương với cực B Hình

Thân p- (được nối với cổng)

N+ N+

Vùng Vùng Vùng

nguồn cổng thoát

P

p+ p+ n-

n

S D

G

Tiếp xúc kim loại

Kênh p-

D

S G

n+ n+ p-

p

S D

G

Kênh n-

D

S G

JFET Kênh P

JFET Kênh N

Ký hiệu

Hình

S (Source): cực nguồn

D (Drain): cực thoát

G (Gate): cưc cổng

(93)

− JF

− JFET kênh P t

Cũng giống transistor NPN sử dụng thông dụng transistor PNP dù ũng thông dụng JFET kênh P với lý sá FET kênh N, với JFET kênh P, tính chất tương tự

II. ẠT ĐỘNG CỦA J

hi chưa phân cực, nồng độ chất pha không đồng JFET kênh N nên ta thấy vùng rộng thông l n- th p vùng thoát nguồn n+

ET kênh N tương đương với transistor NPN

ương đương với transistor PNP

D

S G

D

S G

C

E B

C

E B

JFET Kênh N

JFET K

BJT NPN

PNP BJT ênh P

≈

Thoát ≈ Thu

Nguồn ≈ Phát

Cổng ≈ Nền Hình

ng ốt tần số cao JFET kênh N c Ph t ần sau, ta khảo t J

CƠ CHẾ HO FET:

K

ộ ân p-, vùng hẹ

n+ S

n+ D Kênh n-

Gate p

Thân p-

Vùng

Hình

(94)

Bây giờ, ta mắc cực nguồn S cực cổng G xuống mass, nghĩa điện

VGS=0V Điều chỉnh điện VDS cực thoát cực nguồn, khảo sát dòng

điện qua JFET điện VDS thay đổi

ì vùng n+ nối với cực dương vùng cổng G nối với cực âm nguồn điện VDS nên nối PN vùng phân cực nghịch, vùng ởđây rộng (xem

hình

Khi VDS cịn nhỏ, dòng điện tử từ cực âm nguồn điện đến vùng nguồn (tạo

dịng IS), qua thơng lộ trở cực dương nguồn điện (tạo dịng điện ID)

Nếu thơng lộ có chiều dài L, rộng W dày T điện trở là: V

vẽ)

VGS = 0V

n+ n+ p-

S D

n- p

G VDS

Nối P-N vùng thoát phân

cực nghịch

Hình

P Gate

Thân P- (Gate)

Kênh n- n+ thoát

Vùn ếm ng ID Dòn n tử r

đi khỏi vùn IS Dòng điện tử từ

nguồn S vào thông lộ

ời khỏi thơng lộ v g

g điệ g hi rộ

Hình

(95)

WT

R=ρ ; T

độ chất pha L

rong đó, n trở suất thơng lộ Điện trở t hàm số theo nồng

ρ điệ suấ

Hình Dài L

S D G

Thơng lộ có bề dày T Bề rộng W

I (mA) D

IDSS

VDS (volt)

VGS = 0V

VP (Pinch-off voltage)

0 Dòng điện bảo hịa

đổi khơng tuyến tính

nguồn Vùng

ởđộng thay

Vùng bảo hòa Vùng điện tr

≈

ến tính điện gần như h vùng dịng ằng số

Hình

P Gate

Thân P- (Gate)

Những điệ ăng lượng cao dải dẫn điện xuyê để vào vùng thoát

Kênh n- n+ thoát

Drain

n tử có n n qua vùng

Vùng chạm (thông lộ bị nghẽn)

(96)

ị số hai vùng chạm nhau, ta nói thơng lộ bị nghẽn (pinched off)

Trị số VDSđể thông lộ bắt đầu bị n gọi điện nghẽn VP (pinched off

voltage) Ở trị số này, có điện tử có lượng cao dải dẫn điện có đủ

sức xuyên qua vùng vào vùng thoát bị hút v ực dương nguồn điện VDS

tạo dịng điện ID

ếu ta tiếp tục tăng VDS, dòng điện ID gần khơng thay đổi gọi

dịng iện bảo hồ - nguồn IDSS (chú ý: ký hiệu IDSS VGS=0V)

ờ, ta phân cực cổng-nguồn nguồn điện âm VGS (phân cực

nghịch), ta thấy vùng rộng thông lộ hẹp trường hợp VGS=0V Do

điện trở thông lộ lớn

Khi VDS cịn nhỏ (vài volt), điện trở R thơng lộ gần khơng thay đổi nên

dịng ID tăng tuyến tính theo VDS Khi VDSđủ lớn, đặc tuyến khơng cịn tuyến tính

R bắt đầu tăng thơng lộ hẹp dần Nếu ta tiếp tục tăng VDSđến tr

ghẽn

để ề c

N

đ

Bây gi

VGS

n+ n+ p-

S D

n- p

G VDS

Nối P-N vùng c

Hình 10

thoát phân ực nghịch

(97)

P Gate

n nhỏ, ID tuyến tính hi V ị

ng ơn, nghĩa VDS để thô ợp

VGS=0V đó, dịng điện bảo hồ I nhỏ I

số gọi đặc tuyến JFET mắc theo kiểu cực nguồn chung

hi VGS âm, dòng I o hoà nhỏ Khi VGS âm đến trị đó, vùng

hiếm chiếm gần tồn thơng lộ điện tử khơng cịn đủ lượng để vượt qua ID = Trị số VG gọi VGS(off) Người ta chứng minh

được trị số v i điện nghẽn

Thân P- (Gate) trị VDS

GS âm

Hìn

Khi VDS cị tăng theo VDS, k DS lớn, thơng lộ b

hẽn nhanh h trị số ng lộ nghẽn nhỏ trường h

D DSS

Chùm đặc tuyến ID=f(VDS) với VGS thông

K D bả

S lúc

ớ

Kênh n- n+ thoát

ID

VDS GS

Thông lộ hẹp

hơn nên điện trở lớn Có nghĩa ID IS

nhỏ V <

VGS =

IDSS

Dòng bảo

D

m

VP

ới trị bảo iảm hòa I

giả V

h 11

VDSứng v

hòa g P Gate

Thân P- (Gate) Thơng lộ

n-n+ Thơng lộ nghẽn

GS

vì thơng lộ hẹp

ở trị VDS thấp

hơn V âm

VDS (volt)

VGS = -4V

VGS = -3V

VGS = -2V

V = -1V GS

VGS = 0V

ID(mA)

VDS=VP=8V

0

VGS = VGS(off) = -8V

Đặc tuyến |VDS|= |VP|-|VGS|

Vùng bảo hòa (vùng dòng điện số)

Hình 12

(98)

P ) off (

GS V

V =

Vì Vp hiệu phân cực ngược nối P-N vừa đủ vùng

chạm hau Vì v n ậy, vùng bảo hồ ta có:

P GS

DS V V

V + =

ì nối cổng nguồn phân cực nghịch, dịng điện IG dịng điện rỉ ngược

nên nh ịng điện chạy vào cực D xem dòng điện khỏi cực nguồn S

ET kênh N có IDSS=20mA VGS(off)=-10V

S GS=0V? Tính VDS bảo hồ VGS = -2V

Giải: V

ỏ, d ID # IS

n+ n+

D Gate

p

Thân p-

Không c ạt tải điện di chuyển qua thông lộ (ID = I

So sánh với BJT, ta thấy:

Thí dụ: JF

Tính I V

Khi VGS=0V ⇒ ID=IDSS=20mA ID=IS=20mA

Ta có: VP = VGS(off) =10V VDS = VP − VGS =10−2=8V

S Kênh

n-ó h S = 0)

Hình 13

D S

C E

G B

IG (rỉ) ≈

VCB

VBE VGS

I IC I

VCE

E ≈ IE S ID≈ IS

-

+ +

+ -

- -

VDS+

-

+

IB nhỏ

Hình 14

(99)

Trang 99 Biên soạn: Trương Văn Tám III ĐẶC TUYẾ

mon-source) cực

ới BJT NPN, ta thấy có tương đương sau:

Các cực Cách mắc

N TRUYỀN CỦA JFET

Cũng giống BJT, người ta có cách ráp FET (JFET MOSFET): mắc kiểu cực cổng chung (common-gate), cực nguồn chung (com

thoát chung (common-drain)

D

S G

Tín hiệu vào

Tín hiệu r

Nguồn chung

So sánh v

FET BJT FET BJT

Cự thoát D

Cực nguồn S

Cự cổng G

Cực thu C

Cực phát E

Cực B

Cực cổng chung

Cực nguồn chung

Cực thoát chung

Cực chung

Cực phát chung

Cực thu chung

c c

Người ta chứng minh VDS có trị số làm nghẽn thơng lộ (JFET hoạt động

trong vùng bảo hồ), ID VGS thoả mãn hệ thức:

2 ) off ( GS GS DSS D V V I I ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ −

= hay

2 P GS DSS D V V I I ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + =

Phương trình y i phương trình truyền JFET Các thông số ID

VGS(off)được nhà sả ết

Để ý là: VGS VGS(off) âm JFET thông lộ n dương thông lộ p

Người ta biểu tha i c n thoát ID n th ng

nguồn VGS ằng đặc tuyến gọi đặc tuyến truyền cách vẽ

đường biểu diễn phương trình truyền nà gọ

n xuất cho bi

thị y đổ dòng điệ theo điệ ế cổ

vùng bảo hoà b

ở

D S

G Tín hiệu

vào

Tín hiệu

Cổng chung

ra a

S

D G

Tín hiệu vào

Tín hiệu Thốt chung Hình 15 I V V

VGG VDD

+ -+ -+ G D S VGS + -+

-VDS ID

(100)

IV.

điện trở (tức độ dẫn điện) thông lộ chất bán dẫn

ộ tăng, vùng giảm, độ rộng thơng lộ tăng lên, điện trở củ

điện trở (tức độ dẫn điện) thông lộ chất bán dẫn

ộ tăng, vùng giảm, độ rộng thơng lộ tăng lên, điện trở củ

2

VDS (volt)

VGS = -4V

VGS = -3V

VGS = -2V

VGS = -1V

VGS = 0V

ID(mA)

VP

0

ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET

Như ta thấy JFET, người ta dùng điện trường kết hợp với phân cực nghịch nối P-N để làm thay đổi

ƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET

Như ta thấy JFET, người ta dùng điện trường kết hợp với phân cực nghịch nối P-N để làm thay đổi

cũng BJT, thông số JFET nhạy nhiệt độ, ta khảo sát qua hai tác động nhiệt độ:

Khi nhiệt đ

cũng BJT, thông số JFET nhạy nhiệt độ, ta khảo sát qua hai tác động nhiệt độ:

Khi nhiệt đ

a thông lộ giảm (ID tăng)

Khi nhiệt độ tăng, độ linh động hạt tải điện giảm (ID giảm)

Do thông lộ tăng rộng theo nhiệt độ nên VGS(off) tăng theo nhiệt độ Thực

nghiệm cho thấy

a thông lộ giảm (ID tăng)

Khi nhiệt độ tăng, độ linh động hạt tải điện giảm (ID giảm)

Do thông lộ tăng rộng theo nhiệt độ nên VGS(off) tăng theo nhiệt độ Thực

nghiệm cho thấy VGS(off) hay VP tăng theo nhiệt độ với hệ số 2,2mV/10C

Từ công thức:

2

) off ( GS

GS DSS

D

V V I I

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎢ ⎣ ⎡

− =

Cho thấy tác dụng làm cho dòng điện ID tăng lên Ngoài ra, độ linh động

hạt tải điện giảm nhiệt độ tăng làm cho điện trở thơng lộ tăng lên nên dịng điện IDSS giảm nhiệt độ tăng, hiệu ứng làm cho ID giảm nhiệt độ tăng

Tổng hợp hai hiệu ứng này, người ta thấy chọn trị số VGS thích hợp dịng

thốt ID khơng đổi nhiệt độ thay đổi Người ta chứng minh trị số VGS là:

VGS = VGS(off) = -8V

VGS(off)

-8 -6 -4 -2

VGS = -6V

12 Đặc tuyến

truyền

tuyến õ Đặc

ng

Hình 17

(101)

V 63 , VP

S = −

VG iện nghẽn nhiệt độ bình thường

Các mơ tả ảnh hưởng a nhiệ đặc tuyến ra, đặc tuyến truyền đặc tuyến dòng ID theo nhiệt đ h V làm thông số

c hạt tải điện

leaka GSS GSS

phân c nghịch nối P-N cực cổng cực nguồn Dòng điện dòng điện rỉ

cổng-nguồn nối tắt cực nguồn với cực Dịng IGSS tăng gấp nhiệt độ tăng

lên 100C

với VP đ

hình vẽ sau củ t độ

ộ k i GS

ID

0

VGS =

VGS = -1V

|VGS| = |VP|-0,63V

ID giảm

VDS

250 450

ID tăng

Hình 18

0 -100 -50 50 100

150

ID ID

I

(VDS cốđịnh)

-550C 250C +1500C

Ngoài ra, tác dụng thứ ba nhiệt độ lên JFET làm phát sinh cá

vùng thơng lộ-cổng tạo dịng điện rỉ cực cổng IGSS (gate

ge current) Dòng I nhà sản xuất cho biết dịng rỉ I dòng điện cự

DSS

|VGS| = |VP|-0,63V

VGS(off VGS t0C

|VGS| = |VP|-0,63V

VGS = -1V

VGS = -0V

Hình 19

(102)

10 ) 25 ( 0 ) (25 )2

(

−

= GSS t GSS t C I C

I

V MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE

MOSFET)

Ta thấy áp điện âm vào J nh N vùng rộng Sự gia tăng vùng làm cho thông lộ hẹp lại điện trở thông lộ tăng lên Kết

sau tạo dòng điện ID nhỏ IDSS

Bây giờ, ta áp điện dương VGS vào JFET kênh N vùng s ẹp lại

(do phân cực thuận cổng nguồn), thông lộ rộng điện trở thông lộ giảm xuống, kết dòng điện ớn hơ

Trong ứng dụng thông thường, người ta phân cực n ch nối cổng nguồ

(VGS âm JFET kênh N dương JFET kênh P) gọi điều hành

theo kiểu

JFET có thểđiều eo kiể ng (VGS dươn i JFET kênh N âm

đối với JFET kênh P) ứng dụng, mục đích JFET tổng trở vào lớn, nghĩa dòng điện IG cực cổng - nguồn JFET làm giảm tổng trở vào,

đó thơng thường người ta giới hạn trị số phân cực thuận nối cổng - nguồn tố

0,2V (trị số danh định 0,5

VGG

G

D

S

IGSS

VDS =

Hình 20

V

V)

i đa g đối vớ

u tă

hành th

n ghị

n IDSS

ID l

ẽ h FET kê

(103)

Tuy JFET có tổng trở vào lớ ũng cịn nhỏ so với đèn chân không

Để tăng tổng trở vào, người ta tạo ại transistor trường khác cho cực cổng cách iện hẳn cực nguồn Lớp cách điện Oxyt bán dẫn SiO2 nên transistor gọi

MOS ET

a phân biệt hai loại MOSFET: MOSFET loại MOSFET loại tăng

ình sau mơ tả cấu tạo MOSFET loại (DE - MOSFET) kênh N kênh

n c lo

đ

F T H P

VGG

G

D

I

S

GSS

VDS

VDD

+ -

VGS

+

Phân cực kiểu Phân cực kiểu

tăng (Tối đa 0,2V)

- +

-

+ -

0 -4V

VGS

VGS = 0,2V

VGS = 0V

VGS = -1V

VGS = -2V S = -3V

VDS

ID ID

IDSS

Điều hành kiểu tăng Điều hành kiểu

0,2V

Hình 21 JFET kênh N

+

VGG

G

D

S

VDS

VDD

VGS

- +

Phân cực ki

-

ểu Phân cực kiểu

tăng (Tối đa 0,2V)

-

+

- +

VGG

ID

Hình 22

VG

(104)

Thân p-Kênh

n-n+ n+

Nguồn S

Cổng G

Thoát D

SiO2 G

D

S

Thân U

G

D

S

Thân nối với nguồn Ký

DE-MOSFET kênh N

Hình 23

hiệu

Thân n-Kênh

p-p+ p+

Nguồn S

Cổng G

Thoát D

SiO2 G

D

Thâ

S

n U

G

Thân nối với nguồn

Hình 24

Ký hiệu

D

S

DE-MOSFET kênh P

(105)

Chú ý DE - MOS thoát D, cực nguồn S, cực cổng G thân U (subtrate) Trong ứng dụng thông thường, thân U nối với nguồn S

Đ SFET hoạt động, người ta áp điện VDD vào cực thoát cực

nguồn ( ng ngu iện nối với cực thoát D cực âm nối với cực nguồn S DE-MOSFET kênh N ngược lại DE-MOSFET kênh P) Điện VGS

cực cổ nguồn âm (DE-MOSFET kênh N điều hành theo kiểu hiếm) dương SFET kênh iều hành theo kiểu tăng)

FET có cực: cực

ể DE-MO

cực dươ ồn đ nguồn

ng cực

(DE-MO N đ

S

Thân

p-n+ Kênh

n-G D

SiO2

- VDD +

+ VGG -

n+

Thân

p-Kênh n- n+

thoát

Vùng cổng âm đẩy điện tử thoát dương hút điện tử Tiếp xúc kim

loại cực cổng

Vùng phân cực nghịch p-

và vùng n+ Điều hành theo kiểu

Hình 25

(106)

Khi VGS = c cổn ẳng ực ngu di chuyển cực âm

của nguồn điện V qua kênh n- đến vùng thoát (cự nguồn điện VDD) tạo

dịng điện ID Khi điện VDS lớn điện tích âm c g G nhiều (d

cổng G điên với nguồn S) đẩy điện tử kênh n- xa làm cho vùng rộng thêm Khi vùng vừa chắn ngang kênh kênh bị nghẽn dịng

điện IDđạt đến trị số bảo hoà IDSS

Khi VGS âm, nghẽn xảy sớm dòng điện bảo hoà ID

Khi VGS dương (điều hành theo kiểu tăng), điện tích dương cực cổng h

điện tử mặt tiếp xúc càn vùng hẹp lại tức thông lộ g ra, điện trở th lộ giảm nhỏ Điều làm cho dịng ID lớn trường h GS = 0V

Vì cực cổng cách điện hẳn khỏi cực nguồ DE-MOSFET lớn JFET nhiều Cũng t điều hành theo kiểu tăng, nguồn VGS n

0,2V Thế ta phải có giới hạn dịng IDMAX Đặc tuyến truyền đặc

tuyến ngõ sau:

Thân p- n-n+

S

G D

SiO2

- VDD

- VGG +

n+

Điện tử tập trung sức hút nguồn dương cực cổng

làm cho điện trở thông lộ giảm Điều

hành theo kiểu tăng

Hình 26 +

0V (cự g nối th với c ồn), điện t c dương

DD

ổn o

nhỏ

út ông

g nhiều, rộn

ợp V n nên tổng trở vào

lớ

hế,

ID gọi

(107)

DE-MOSFET kênh N

0

VGS(off) <

VGS

VGS = +1V

VGS = 0V

VGS = -1V

VGS = -2V

VGS = -3V

VDS (volt)

ID (mA)

ư vậy, ho ống hệt JFET có tổng trở vào lớn dòng rỉ IGSS JFET

VI OS ANCEMENT MOSFET:

E-MOSFET)

MOSFET loại tăng có hai loại: E-MOSFET kênh N E-MOSFET kênh P

uồn S

ình vẽ sau đây:

IDSS

Điều hành kiểu tăng Điều hành kiểu

2V

Hình 27

VGS = +2V

IDmax

Đặc tuyế ngõ

n ID (mA)

Nh ạt động, DE-MOSFET gi nhỏ nhiều so với

M FET LOẠI TĂNG (ENH

Về mặt cấu tạo giống DE-MOSFET, khác bìng thường khơng có thơng lộ nối liền hai vùng thoát D vùng ng

Mơ hình cấu tạo ký hiệu diễn tả h

0

V

GS(off) >

GS

VGS = -1V

ID (mA)

VGS = 0V

VGS = +1V

VGS = +2V

VGS = +3V

VDS (volt)

IDSS

Điều hành kiểu tăng

28

DE-MOSFET kênh P

Điều hành kiểu

-2V

VGS = -2V

IDmax

ID (mA)

Đặc tuyến ngõ

Hình

(108)

Thân

p-n+ n+

Nguồn Cổng Thoát

D

S G

SiO2 G

D

S

Thân U

G

D

Thân nối với nguồn Ký hiệu

E-MOSFET kênh N

Hình 29

Thân U S

Thân

n-p+ p+

Nguồn S

Cổng G

Thoát D

SiO2 G

D

S

Thân U

G

D

S

Thân nối với nguồn Ký hiệu

E-MOSFET kênh P

Hìn ân U

h 30 Th

(109)

Khi VGS < 0V, (ở E-MOSFET kênh N), thơng lộ nối liền hai vùng

thốt nguồn nên có nguồn điện V áp vào hai cực thoát nguồn, điện tử

ID # 0V) Lúc này, có

hi VGS>0, điện trường tạo vùng cổng Do cổng mang điện tích

dương nên hút điện tử p- (là hạt tải điện thiểu số) đến tập trung mặt đối diện a vùng cổng Khi VGS đủ lớn, lực hút mạnh, điện tửđến tập trung nhiều tạo

thành thông lộ tạm thời nối liền hai vùng nguồn S thoát D Điện VGS mà từđó

dịng iện ID bắt đầu tăng gọi đ hế thềm cổng - nguồn (gate-to-source

threshold voltage) VGS(th) Khi VGS tăng lớn VGS(th), dịng điện ID tiếp tục tăng

nhanh

gười ta chứng minh rằng:

rong đó: ID dịng điện E-MOSFET

K số với đơn vị

DD

cũng di chuyển nên dịng ID (

dịng điện rỉ nhỏ chạy qua

Thân p-n+

S

G D

SiO2

- V + DD

VGS = 0V

n+

Mạch tương đương Hình 31

K củ

iện t

đ

N

[ ]2

) th ( GS GS

D KV V

I = −

T

2

V A

VGS điện phân cực cổng nguồn

VGS(th) điện thềm cổng nguồn

thường tìm cách gián tiếp từ thông số nhà sản xuất cung cấp

Thí dụ: Một E-MOSFET kênh N có VGS(th) =3,8V dịng điện ID = 10mA

VGS = 8V Tìm dịng điện ID VGS = 6V

Giải: trước tiên ta tìm số K từ thơng số: Hằng số K

(110)

[ ] [ ]

V A 10 67 , 10 10

I − = −

GS là:

2

) th ( GS GS

D

8 , V

V K

− = −

=

Vậy dòng thoát ID V

[ ] 4[ ]2

D

I =

) th ( GS

GS V 5,67.10 3,8

V

K − = − −

⇒ I = 2,74 mA D

Thân p-n+

S

D

2

G SiO

- VDD +

- VGG +

n+

Thông lộ tạm thời VGS≥ VGS(th)

0

VGS

0

VGS = 6V

VGS = 5V

VGS = 4V

VGS = 3V

VGS = 2V

DS (volt)

ID (mA)

VG

32

S(th)

Hình

V = 7V GS

IDmax

Đặc tr

Đặc tuyến ngõ

I A)

VGSmax

D (m

ến

uyền

V

(111)

VII XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH:

Ta xem mơ hình mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng JFET kênh N mắc theo kiểu cực nguồn chung

~

C2

C1

RD = 820Ω

RG 100KΩ

v0(t)

vGS(t)

+ -

+VDD = 20V

-VGG = -1V Hình 33

Mạch tương đương chiều (tức mạch phân cực) sau:

ũng giống transistor thường (BJT), để xác định điểm điều hành Q, người ta dùng bước:

p dụng định luật Krichoff mạch ngõ vào để tìm VGS

C Á

RD = 820Ω

VGS

+ -

VDD = 20V

Hình 34 VGG = -1V

+

-

VDS

IGSS

ID

RG 100KΩ

(112)

Dùng đặc tuyến truyền hay công thức:

2

) off ( GS

GS DSS

D

V V I I

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

⎢ ⎣ ⎡

−

= trường hợp DE-MOSFET công thức [ ]2

) th ( GS GS

D KV V

I = − trường hợp E-MOSFET để xác định dòng

g định luật Krichoff mạch ngõ để tìm hiệu điện VDS

, ta th n hình trên:

điện ID

Áp dụn

Bây ửứng dụng vào mạch điệ

Mạch ngõ vào, ta có:

0 V I

R

VGG − G GSS + GS =

Suy ra, VGS =−VGG +RGIGSS

Vì dịng điện I nhỏ nên ta bỏ qua

GS

Đây phương trình b ễn đường phân cực (bias line) giao điểm đường thẳng với đặc tuyến truyền điểm điều hành Q

Nhờđặc tuyến truyền, ta xác định dịng ID

- Để xác định điện VDS, ta áp dụng định luật Kirchoff cho mạch ngõ ra:

VDD = RDID + VDS

⇒ VDS = VDD – RDID

Đây phương trình đường thẳng lấy điện tĩnh Giao điểm đường thẳng với đặc tuyến ngõ với VGS = -VGG = -1V điểm tĩnh điều hành Q

GSS

Như vậy, VGS ≈−VGG

Trong trường hợp trên, V = -1

iểu di

0

VGS(off)

VGS

VGS = 0V

VGS = -1V

VGS = -2V

VGS = -3V

VGS = -4V

VDS

ID ID

IDSS

Hình 35 IDSS

ID

-1 VDS VDS(off) =VDD

Q

D DD ) sat ( D

R V

I = Đường thẳng lấy điện

Đường phân cực VGS = -VGG = -1V

Q

(113)

VIII FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ

Giả sử ta áp tín hiệu xoay chiều hình sin v (t) có biên độ điện thếđỉnh 10mV vào ngõ vào mạch khuếch đạ ồn c ùng JFET kênh N

C1 C2 tụ liên lạc, chọn cho có dung kháng nhỏ tần số tín

hiệu có thểđược xem nối tắt tần số tín hiệu

Nguồn tín hiệu vs(t) chồng lên điện phân cực VGS nên điện cổng nguồn

vGS(t) thời điểm t là:

vGS(t) = VGS + Vgs(t)

= -1V + 0,01sin ωt (V)

guồn tín hiệu có điện đỉnh nhỏ nên điện cổng nguồn luôn âm Nhờ ặc tuyến truyền, thấy điểm điều hành di chuyển VGS thay đổI

s

i cực ngu d

~

C2 D = 820Ω

RG 100KΩ

v0(t)

vGS(t)

+ -

+VDD = 20V

GG = -1V Hình 36

vS(t)

vDS(t)

+

-

-V

R C1

vS(t)

t

-10mV +10mV

≈

vGS(t)

t

-1V -1,01V -0,99V

Hình 37

N

đ

(114)

theo tín hiệu Ở thời điểm VGS âm hơn, dịng iD(t) tăng VGS âm nhiều

hơn, dịng i (t) giảm Vậy dịng điện i (t) thay đổi chiều với vGS(t) có

trị số ,25mA) Độ gia tăng iD(t) độ

giảm i (t) với tín hiệu nhỏ (giả sử 0,035mA) (Xem hình trang sau) m thay đổi hiệu số điện cực thoát cực nguồn

Ta có vDS(t) = VDD – iD(t).RD Khi iD(t) có trị s tối đa, vDS(t) có trị số tối thiểu

ngượ lại Điều có nghĩa thay đổi vDS(t) ngược chiều với thay đổi

dòng iD(t) tức ngược chiều với s đổi hiệu ngõ vào vGS(t), người ta bảo điện

thế ngõ ngược pha - lệch pha 180o iện tín hiệu ngõ vào

i tỉ số đỉnh đối đỉnh hiệu

tín hiệu ngõ trị sốđ đỉnh hiệu tín hiệu ngõ vào:

D D

quanh dòng phân cực ID tỉnh (được giả sử 12 D

Sự thay đổi dòng điện thoát iD(t)

ố

c

ự thay so với đ

Người ta định nghĩa độ lợi mạch khuếch đạ ỉnh đối

) t ( vS

V

Trong trường hợp thí dụ trên: )

t ( v

A = o

P P−

o P

P

S o

V 0,02V

180 V

0574 , ) t ( v

) t ( v

A = = − −

=2,87 ∠-180o

dấu - để biểu diễn độ lệch pha 180o

AV

Người ta dùng

(115)

VGS

ID(mA)

Q

-1V

12,285mA

-1,01V -0.99V VGS(off)

12,215mA

RD = 820Ω

v0(t) = vds(t)

VDD = +20V

iD(t)

C2

vDS(t)

vS(t)

t 0,01V

1V -0,0

≈

t

-1,01V -1 -0,99V

vGS(t)

≈

t

iD(t) (mA)

12,215 12,250 12,285

≈

t

9,9837

vDS(t) (V)

9,9263 9,9550

v0(t)

t 0,0287V

-0,0287V Hình 38

(116)

* Mạch tương đương FET với tín hiệu nhỏ:

Người ta coi FET tứ cự có dịng điện điện ngõ vào vgs

ig Dòng điện điện ngõ vds id

c

ig

vgs

vds

id

Hình 39

Do dịng ig nhỏ nên FET có tổng trở ngõ vào là:

g gs

i

rπ = v lớn

Dịng id hà Với tín hiệ

ến thiên quanh điểm đim số theo vgs vds u nhỏ (dòng điện điện bi ều hành), ta có:

Q DS DS D Q

gs GS

D D

v v

i v v

i i

∂ ∂ + ∂

∂

=

Người ta đặt:

i

g = ∂ D = ∂iD

vGS Q m ∂

v ro ∂ DS Q

Ta có: = + vds =go)

o o

gs m

d r

1 đặt thể (có r

1 v g i

vgs = rπ.ig

Các phương trình diễn tả giản đồ sau gọi mạch tương đương xoay

Riêng đối g mạch tương đương

người ta b chiều FET

với E-MOSFET, tổng trở vào rπ lớn, nên tron ỏ rπ

vgs

D

S

rπ gmvgs r0 vds

id

Hình 40 G

(117)

G id D

vgs gmvgs r0 vds

S

IX IỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA

JFET VÀ DEMOSFET

ũng tương tự nhưở BJT, cách tổng quát người ta định nghĩa điện dẫn truyền FET tỉ số:

Đ C ) t ( v ) t ( i g gs d m =

của tiếp tuyến vĐiớện di đặẫc tuyn truyến truyền có thền tểạđượi điểc suy tm điều hành Q ừđặc tuyến truyền, độ dốc

Hình 41

Q

VGS (volt)

ID(mA)

Độ dốc điểm ID = IDSS gmo

∆VGS

∆ID

VGS(off)

IDSS

Độ dốc điểm Q là:

) t ( gs ) t ( d GS D GS D m v i ∆ V I V dI g = ∆ =

Về mặt tốn học, từ phương trình truyền:

2 ) off ( GS GS DSS D V V I I ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = GS DSS V V

I ⎥⎤

⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ) off ( GS D I ⎥⎦ Hình 42 d =

(118)

Ta suy ra: GS DSS D m V V I dV dI g ⎥ ⎥ ⎤ ⎢ ⎢ ⎡ − = = ) off ( GS

GS ⎣ ⎦

⎥ ⎥ ⎤ ⎦ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = − = ) off ( GS GS ) off ( GS DSS m V V V I g

rị số gm VGS = 0volt (tức ID=IDSS) gọi gmo

ậy: T ) off ( GS DSS mo V I g

V =−

ừđó ta thấy:

⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ) off ( GS GS mo m V V g g T

rong đó: gm n truyền JFET hay DE-MOSFET vớ ỏ

gmo: gm VGS= 0V

VGS: Điện phân cực cổng - nguồn

VGS(off): Điện phân cực cổng - nguồn làm JFET hay DE-MOSFET ngưng

ừ cơng thức:

: điện dẫ i tín hiệu nh

T ) off ( GS GS DSS D V V I I ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − = Ta suy ra:

Ngoài t

) off ( GS GS DSS D V V I I ậy: DSS D mo m I I g g = V

Phương trình cho ta thấy liên hệ điện dẫn truyền gm v

I VớGS(off)i dòng nhà sđiện ản

xuất cung c

ơng thức tính dịng điện ID theo VGS E-MOSFET khác với JFET

DE-MOSFET nên điện dẫn truyền khác

ừ cơng thức truyền E-MOSFET

Ta có:

D điểm điều hành Q gmo xác định từ thông số IDSS

ấp

X ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET

Do c T

[ ]2

) th ( GS GS

D KV V

I = −

[ [ GS GS(th)]2]

GS GS

D

m KV V

dV d dV

dI

g = = −

[ GS GS(th)]

m 2KV V

g = −

) th ( GS D GS V K I

V = +

Ngoài ra:

D m KI

g =

Thay vào ta được:

Trong đó:

gm: điện dẫn truyền E-MOSFET cho tín hiệu n

K: số với đơn vị Amp/volt2 c thoát D

hỏ

ID: Dòng diện phân cực cự

(119)

Ta thấy gm tùy thuộc vào dịng điện ID, gọi gm1 điện dẫn truyền

E-MOSFET ứng với dịng ID1 gm2 điện dẫn truyền E-MOSFET ứng với dòng

thốt ID2

Ta có: gm1 =2 KID1 gm2 =2 KID2 nên:

1 D

2 D m m

I I g

g =

−

ID(mA)

ID1 Q

IDmax

[ ]2

) th ( GS GS

D KV V

I = −

dốc Q gm1

Độ VGS(th)

0 V

GS (volt)

XI TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET

Hình 43

- Giống nhưở BJT, người ta dùng hiệu ứng Early đểđịnh nghĩa tổng trở FET (ở vùng bảo hòa, VDS tăng, dòng điện ID tăng chùm đặc tuyến

cũng hội tụ điểm gọi điện Early) Nếu gọi VA điện Early ta có:

FET trở Tổng : ro D

A o

I V r =

− ro thAy đổi theo dịng ID có trị số khoảng vài MΩ đến

10MΩ

- Do JFET thường dùng theo kiểu (phân cực nghịch nối cổng - nguồn) nên t ng trở vào lớn (hàng trăm MΩ) Riêng E-MOSFET DE-MOSFET cực cổng cách điện hẳn khỏi cực nguồn nên tổng trở vào lớn (hàng trăm MΩ) Kết người ta xem gần tổng trở vào FET vô hạn

Với FET : rπ≈∞Ω

VDS(volt)

Early voltage

ID(m A) VGS

Hình 44

ổ

(120)

Trong mạch sử dụng với tín hiệu nhỏ người ta dùng mạch tương đương cho FET hình (a) hình (b) Nếu tải khơng lớn lắm, mạch tương đương

ình 45

XII CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS)

một E-MOSFET kênh N mắc hình sau

đây t

hật cấu trúc sau: i ta bỏ ro

ngườ

H

Nếu ta có E-MOSFET kênh P

a linh kiện tổ hợp gọi CMOS (Complementary MOSFET)

T v

G

S

rπ gmvgs r0 vds

i

Hình 45 (a)

gs

D

d

vgs

D

S

gmvgs r0 vds

id

Hình 45 (b)

vgs

G

D

S

gmvgs vds

id

Hình 45 (c) G

G1

S1

D1

G2

2

S2

D

vi(t) v0(t)

kênh P Q

Q1 E-MOSFET

Q2 E-MOSFET

kênh N

1

Q2

Hình 46

(121)

Cấu trúc CMOS dùng nhiều IC tuyến tính IC số

+ Bây ta x hư trên, đáp ứng c tín hiệu vào có dạng xung vng hình vẽ Mạch ợc ứng dụng làm cổng đảo tẩng cuối OP-AMP (IC thuật toán)

vGS(t)=5V nên điện ngõ vo(t)=0V

0V (t ≥ t1), E-MOSFET kênh P dẫn điện mạnh (vì vGS(t) = -5V) lúc

E-MOSFET kênh N khơng dẫn điện (vì vGS(t) = 0V) nên điện ngõ vo(t)=VDD=5V

ét mạch n ta thử xem CMOS đư

- Khi vi = 5V (0 ≤ t ≤ t1); E-MOSFET kênh P ngưng vGS(t)=0V, lúc

E-MOSFET kênh N dẫn mạnh - Khi vi(t)=

n+ n+

S2

p-G2 D2

SiO2

Hình 47

Thân

n-p+ p+

D1

S1

G1

G

S1

D1

VDD = 15V

1

G2

D2

S2

vi(t) v0(t)

Q1

Q2

vi(t)

t

5V

t1

vo(t)

t

5V

t1

Hình 48

(122)

Như vậy, tác dụng CMOS mạch đảo (inverter) Ta xem mạch khuếch đại đơn giản dùng CMOS tuyến tính:

G1

S1

D1

G2

D2

V

S2

vi(t) v0(t)

Q1 P

Q2 N

Hình 49

V V

V DD

GG 7,5

2 =

=

- Khi vi(t) dư OSFET kênh N dẫn điện mạnh E-MOSFET kênh P

bắt đầu dẫn điện yế o vo(t) giảm

- Khi vi(t) dương, E-MOSFET kênh P dẫn điện m MOSFET kênh N

bắt đầu dẫn điện yếu hơn, nên vo(t) tăng

Như vây ta thấ u ngõ vào ngõ ngược pha (lệnh pha

III MOSFET CÔNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS

Các transistor trường ứng (JFET MOSFET) mà ta khảo sát thích

ợp cho mạch có biên độ tín hiệu nhỏ tiền khuếch đại, trộn sóng, khuếch đại cao n, trung tần, dao động… năm 1976, người ta phát minh loại transistor trường có cơng uất vừa, đến lớn với khả dịng đến vài chục ampere cơng suất lên

ến vài chục Watt

1 V-MOS:

Thật loại E-MOSFET cải tiến, khơng có sẵn thơng lộ điều ành theo kiểu tăng khác cấu trúc E-MOSFET V-MOS trình bày

ằng hình vẽ sau:

ơng, E-M u D

ạnh

E-y tín hiệ 180 ) o

X

h tầ

s

đ

h b

DD = +15V

V ,

VDD

GG = =

vi(t)

t

vo(t)

0 t

V

(123)

Khi VGS dương lớn VGS(th), thông lộ hình thành dọc theo rãnh V

ịng electron chạy thẳng từ hai nguồn S đến cực thoát D Vì lý nên gọi -MOS (Vertical MOSFET)

2 D-MOS:

khu

Các đặc tính hoạt động V-MOS D-MOS giống E-MOSFET Ngoài ra, đặc điểm riêng V-MOS D-MOS là:

Thơng lộ

hình thành

p- thân

n+ n+

Nguồn Cổng Thoát

SiO2

d V

Cũng loại E-MOSFET hoạt động theo kiểu tăng, ứng dụng tượng

ếch tán đôi (double-diffused) nên gọi D-MOS Có cấu trúc sau:

S G D

Hình 50 E-MOSFET kênh N

Thơng lộ

hình thành

Nguồn S

Cổng

G SiO2

Nguồn S

n+ n-

n+ n+ p p

Thoát D V-MOS kênh N

n+ n+

Thân n+ n-

p+ p+ Nguồn

S

Cổng G

Nguồn S

Thoát D DMOS kênh N

Thơng lộ hình thành

Hình 51

(124)

- Điện trởđộng rds ho

- Có thể khuếch đại cơng

- Dải thông mạch khu

ạt động nhỏ (thường nhỏ 1Ω) suất tần số cao

ếch đại cơng suất lên đến vài chục MHz

- V-MOS D-MOS có kênh N kênh P, kênh N thơng dụng

- V-MOS D-MOS có ký hiệu E-MOSFET

Họ FET tóm tắt sau

FET

JFET MOSFET

JFET kênh N

JFET Kênh P

DE-MOSFET Kiểu + tăng

E-MOSFET Kiểu tăng

DE-MOSFET Kênh N

DE-MOSFET

Kênh P E-MOSFET Kênh N

E-MOSFET Kênh P

V-MOS nh N Kê

D-MOS Kênh N

CMOS

V-MOS Kênh P

D-MOS Kênh P

(125)

Bài tập cuối chương

2 Trong m iện sau, tính điện phân cực V điện dẫn truyền gm

3 Trong mạch điện sau, tính điện phân cực VD, VG Cho biết E-MOSFET có hệ số

1 Tính VD, điện dẫn truyền gm mạch:

+12V R

G

5K

E D

ạch đ D

1K R 1M

R

IDSS = 4mA

VGS(off) = -4V

VD

D +12V R

G

5K

2V

V D

1M

R IDSS = 4mA

VGS(off) = -4V

⎟ ⎠ ⎜ ⎝

= 2

V

k ⎛mA⎞ V

GS(th) = 3V

24V

G

D 5K

2M

V

V D

R 10M

24V

(126)

CHƯƠNG VII

P BÁN DẪN PNPN VÀ

I S

át cổng silicium Các tíêp xúc kim loại tạo cực Anod A, Catot K cổng G

LINH KIỆN CÓ BỐN LỚ

NHỮNG LINH KIỆN KHÁC

CR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

1 Cấu tạo đặc tính:

SCR cấu tạo lớp bán dẫn PNPN (có nối PN) Như tên gọi ta thấy SCR diode chỉnh lưu kiểm so

Anod

K Catod G

Cổng (Gate)

≈

P N P N

Anod

P N P

A A

K Catod G

Cổng (Gate

N

N )

P C B

E

C B E

A

K K

G IG

IC2

IC1

IB2

T1

T2 G

Cấu tạo Mơ hình tương đương

Mơ hình tương đương Ký hiệu

Hình

(127)

Nếu ta mắc nguồn điện chiều VAA vào SCR hình sau dịng điện

nhỏ IG kích vào cực cổng G làm nối PN cực cổng G catot K dẫn phát khởi

dòng lớn nhiều Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối

với catod, cục âm nối với anod) khơng có dịng điện qua SCR cho dù có dịng điện kích

ền thu

G h vào cực Transistor NPN T1 tức cổng G

của S

Dòng điện tùy thuộc vào VAA điện trở tải

RA

AA AA

n trị số (tùy thuộc vào SCR) gọi dòng điện t

điện anod IA qua SCR

IG Như ta hiểu SCR diode có thêm cực cổng G để

SCR dẫn điện phải có dịng điện kích IG vào cực cổng

Cổng

P N

Ta thấy SCR coi tương đương với hai transistor PNP NPN liên kết qua ngõ n

Khi có dịng điện nhỏ I kíc

CR Dịng điện IG tạo dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại dịng

IB2 transistor PNP T2 nên tạo dòng thu IC2 lại lớn trước… Hiện tượng

tiếp tục nên hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hịa Dịng bảo hịa qua hai transistor dịng anod SCR

Cơ chế hoạt động SCR cho thấy dịng IG khơng cần lớn cần tồn

tại thời gian ngắn Khi SCR dẫn điện, ta ngắt bỏ IG SCR tiếp tục dẫn

điện, nghĩa ta ngắt SCR cực cổng, nhược điểm SCR so với transistor

Người ta ngắt SCR cách cắt nguồn V giảm V cho dòng điện qua SCR nhỏ hơ

rì IH (hodding current)

A G

K N (Gate)

P

IA

RG R

VGG VAA

A

IG VAK

Hình

(128)

2

phân cực n

ạy qua SC

n điện catod), ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), VAK cịn nhỏ, ch có dịng điện nhỏ

chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem n SCR không dẫn điện), VAKđạt

đền trị số (tùy thuộc vào SCR) gọi điện quay VBO điện

VAK động sụt xuống khoảng 0,7V diode thường Dịng điện tương ứng

chính dịng điện trì IH Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện có đặc

tuyến gần giống diode thường

ếu ta tăng nguồn VGG để tạo dịng kích IG, ta thấy điện quay nhỏ

dịng kích IG lớn, điện quay VBO ỏ

Đặc tuyến Volt-Ampere SCR:

Đặc tuyến trình bày biến thiên dòng điện anod IA theo điện

anod-catod VAK với dòng cổng IG coi thông số

- Khi SCR ghịch (điện anod âm điện catod), có dòng điện rỉ nhỏ ch R

- Khi SCR phân cực thuận (điện anod dương hơ ỉ

hư

tự

N

nh

0 IA

SCR e

ng Diod thườ

VAK

IG =

IG2 > IG1 >

IH

VBO

0,7V VBR

Hình

(129)

3 Các thông số SCR:

Sau thơng số kỹ thuật S - Dịng thuận tối đ

Là dòng điện anod IA trung h mà SCR chịu đựng liên tục

Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải giải nhiệt đầy đủ Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào SCR, từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere

- Điện ngược tối đa:

Đây điện phân cực nghịch tối đa mà ch a xảy hủy thác (breakdown)

Đây olt đến

hàng

- Dòng chốt (latching current):

Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR trạng thái dẫn điện sau SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái òng chốt thường lớn dòng trì chút SCR cơng suất nhỏ lớn dịng trì nhiều SCR có cơng s

- Dịng cổng tối thiểu (Minimun gate current):

Như thấy, điện VAK lớn VBO SCR chuyển sang trạng thái dẫn

điện mà khơng cần dịng kích IG Tuy nhiên ứng dụng, thường người ta phải tạo

một dòng cổng để SCR dẫn điện Tùy th tối thiểu từ 1mA đến vài chục mA Nói chung, SCR có àng lớn cần dịng kích lớn Tuy nhiên n ý dịng cổng khơng q lớn, làm hỏng nối cổng-catod SCR

đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường 0,9 n mở khoảng vài µS Như vậy, thời gian diện xung kích ph

- Thời gian tắt (turn – off time):

Để tắt SCR, người ta giảm điện VAK xuống 0Volt, tức dòng anod

Thế ta hạđiện anod xuống tăng lên SCR dẫn điện khơng có dịng kích Thời gian tắt SCR thời gian từ lúc điện VAK xuống đến

lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại Thời gian lớn thời gian mở, thường khoảng vài chục µS Như vậy, SCR linh kiện chậm, hoạt động tần số thấp, tối

đa khoảng vài chục KHz

- Tốc độ tăng điện dv/dt:

CR a:

bìn lớn

ư

là trị số VBR hình SCR chế tạo với điện nghịch từ vài chục v

ngàn volt

dẫn D

uất lớn

eo SCR, dòng c g suất c

, nê

- Thời gian mở (turn – on time):

Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích lần dịng định mức) Thởi gia

ải lâu thời gian mở

(130)

Ta làm SCR dẫn điện cách tăng điện anod lên đến điện quay v

V nod ề

thân điện V anod không cần lớn Thông số dv/dt tốc độ

tăng t t vị trí SCR dẫn điện Lý có

điện ransistor mơ hình tương đương SCR dòng iện qua tụ là:

BO cách dùng dịng kích cực cổng Một cách khác tăng điện a

nhanh tức dv/dt lớn mà

hế lớn mà SCR chưa dẫn, vượ

dung nội Cb hai cực t

dt dV C

icb = b

c kích SCR Ng

đ Dịng điện chạy vào cực T1 Khi dV/dt đủ

lớn icb lớn đủ sứ ười ta thường tránh tượng cách mắc

một tụ C điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb

Đây trị số tối đa tốc độ tăng dòng anod Trên trị số SCR bị hư Lý SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu anod catod lớn lúc dịng điện anod tăng nhanh khiến cơng suất tiêu tán tức thời lớn Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung gần vùng cổng nên vùng dễ bị hư hỏng Khả chịu đựng di/dt tùy thuộc vào SCR

4 SCR hoạt động ởđiện xoay chiều

Khi SCR hoạt động điện xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz 60Hz) vấn đề tắt SCR giải dễ dàng Khi xung kích mạng điện xuống gần 0V, SCR ngưng Dĩ nhiên bán kỳ âm SCR không hoạt động có xung kích

A

K G

C R

Hình

- Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt:

(131)

Để tă công suấ ho tải, người ta cho SCR hoạt ng nguồn chỉnh lưu toàn kỳ

5 Vài ứng dụng đơn giản:

ạch đèn khẩn cấp điện:

ng t c độ

Vì điện 50Hz có chu kỳ T=1/50=20nS nên thời gian điện xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR

M

T

ả

i L

~

IG

220V/50Hz IG

V Tải

Góc dẫn

SCR ngưng SCR dẫn

Hình

V

T

ả

i L

~

IG

220V/50Hz

IG

Tải V Góc dẫ

Hình

n

R3 1K

6,3V

DEN

D1

R2 150 ACCU 6V

6,3V

D2 SCR

100uF R1

D3 T1

2 50Hz

20V/

Được chọn tùy theo dòng nạp accu

+

-Hình

(132)

Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu Lúc SCR ngưng dẫn bị phân cực nghịch, accu nạp qua D1, R1 Khi điện, nguồn điện accu làm

thông SCR thắp sáng đèn

Mạch nạp accu tựđộng (trang sau)

- Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng

- Khi accu nạp đầy, điện cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt

dòng nạp bảo vệ accu

- VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp)

D2 D1

50uF

6,3V 6,3V

~ 110V SCR1

R3 1K

ACCU 12V

SCR2

R3 1K

D3

+ -

R1 47Ω 2W R2 47Ω 2W

VZ = 11V

R4 47Ω 2W

VR

750Ω

Hình ~220V

6V

2W

(133)

II T

Thường đượ coi n t SCR lưỡng hướng dẫn đ theo hai chiều Hình sau cho thấy cấu tạo ình tương đương cấu tạo Triac

IG

RIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH)

n p

p

n n

n

T2 T2

c hư mộ iện

, mô h

T1

Đầu G

Cổng (Gate)

≈

p

n p

T1

Đầu G

+ n

p n

p

T1

Đầu T2

G

IG

+

-T

+

T1 T1

G

+

2 T2

G T2

T1

G

≈

T

T1

Hình

2

(134)

Như vậy, ta thấy Triac gồm SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ xuống dưới, kích dòng cổng dương SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ lên kích dịng cổng âm Hai cực cịn lại gọi hai đầu cuối (main terminal)

- Do đầu T2 dương đầu T1, để Triac dẫn điện ta kích dịng cổng dương

khi đ n T1ta kích dịng cổng âm

- Như ậy đặc tuyến V-I Triac có dạng sau:

- Thật ra, tương tác vùng bán dẫn, Triac nảy theo cách khác nhau,

được trình ng hình đây:

ầu T2 âm hơ

T

0 IH

IA

V21

0,7V +VBO

BO

Hình 10

2

-V V21

G

IG

T1

v

bày bằ vẽ sau

T2

T1

G

IG >

+

-T2

T1

G

IG <

+

T2

T1

G

IG <

-+

T2

T1

G

IG >

-+

Hình 11

-Cách Cách Cách Cách

(135)

Cách (1) cách (3) nhạy nhất, kếđến cách (2) cách (4) Do tính chất dẫn điện hai chiều, Triac dùng mạng điện xoay chiều thuận lợi í dụ sau cho thấy ứng dụng Triac mạng điện xoay chiều

III SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH)

Như hi ta áp xun ơng vào cổng catod thi SCS dẫn điện Khi SCS hoạt động, ta áp xung dươ cổng anod SCS ngưng dẫn Như v y, SCS, cổng catod dùng để mở SCS, cổng anod dùng để tắt SCS Tuy có khả SCR, thường người ta chế tạo SCS công suất nhỏ (phần lớn vài trăm miniwatt) cổng catod nhạy (chỉ cần kích cổng catod khoảng vài chục µA) nên SCS ược ứng dụng làm switch điện tử nhạy

í dụ sau mạch báo động dùng SCS cảm biến điện thế: SCR Th

VR ~

+

-

D2

D1 R

220V/50Hz

Tải + VL -

Hình 12

Góc dẫn

Triac dẫn

t

L

V

SCS gọi Tetrode thyristor (thyristor có cực) Về mặt cấu tạo, SCS giống SCR có thêm cổng gọi cổng anod nên cổng (ở SCR) gọi cổng catod

vậy, k g dư

ng vào ậ

đ

V

N

N Anod

A

K Catod GK

Cổng Catod

Cấu tạo P

P CGổA ng Anod

K G

A

K

GA

A

K GK

GA

Mô hình tương đương

Hình 13

Ký hiệu

K A

GK

GA

(136)

ngõ vào thường người ta mắc ng kim loại, sờ tay vào, SCS dẫn điện Led t ng ứng cháy sáng, Relais hoạt động đóng mạch báo động hoạt động

C

c cổng hay transistor khơng có cực Hình sau mô tả cấu tạo, ký hiệu mạch tương đương

h u điện chiều theo chiều định đến điện

VBO, DIAC dẫn điệ p hiệu theo chiều ngược lại đến trị số -VBO, DIAC

cũng dẫn điện, D ể điện trở âm (đ DIAC giảm dòng

điện qua DIAC tă tính chất trên, DIAC tương đương với hai Diode Zener mắc

đối đầu Thực tế, DI ười ta dùng hai D điện

Zener thích hợp để thay (Hình 17)

rong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac Thí dụ mạch điều chỉnh độ

sáng bóng đèn (Hình 18)

Ở

ươ miế

IV DIA

Về cấu tạo, DIAC giống SCR khơng có cự

của DIAC

Khi áp iệ

n IAC th

ng) T iện i đầu

AC, ng iode Zener có

T

INPUT 2

+12V

1K 1K

10K

LED 1K

INPUT 3 Relay

LED 10K

LED

10K INPUT 1

Hình 15 Relais đóng

mạch báo động

p

p n

n

Anod

Anod Cấu tạo

Anod

Anod Ký hiệu

Anod

Tươngđương Anod

Anod Hình 16

(137)

0 V I

110V/50Hz

Bóng Đèn Bóng Đèn

VR

-VBO

+VBO

C Hình 18

bán ký dương điện tăng, tụ nạ iện điện BO DIAC dẫn,

tạo dịng kích cho Triac dẫn điện Hế ỳ ơng, Triac ng Đến bán kỳ âm tụ

C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện -VBO, DIA i dẫn điện kích Triac dẫn

điện Ta thay đổi VR để thay đổi thời nạp điện tụ C, thay đổi góc dẫn Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng bóng

V DIOD SHOCKLEY

Diod shockley gầm có lớp bán d N (diod lớp) có hai cực Cấu o ký hiệu với đặc tuyến Volt-Ampere phân cực thuận mơ tảở

hình vẽ sau đây:

Hình 17

Ở p đ V

ưng t bán k dư tạm

C lạ đèn

ẫn PNP

220V/50Hz

N

tạ

Anod

A + A

K Catod

P

Hình 19 - K IA

- + Vf

IBO

VBO

0

Vf

(138)

Ta thấy đặc tuyến giống SCR lúc dòng cổng IG=0V, điện quay

VBO Diod shockley nhỏ nhiều Khi ta tăng điện phân cực thuận, điện

anod-catod tới trị số VBO Diod shockley bắt đầu dẫn, điện hai đầu giảm nhỏ sau

đó ho

- Bán kỳ dương C nạp điện đến điện VBO Diod shockley dẫn điện, kích

SCR dẫn

Bán kỳ âm, Diod shoc ưng, SCR ngưng

VI GTO (GATE TURN – OFF SWITCH)

ạt động Diod bình thường

Áp dụng thông thường Diod shockley dùng để kích SCR Khi phân cực nghịch, Diod shockley không dẫn điện

110V/50Hz

R

C

Tải

Hình 20 220V/50Hz

, tụ

kley ng

GTO linh kiện có lớp bán dẫn PNPN SCR cấu tạo ký hiệu mô tả sau:

N

N Anod

A

K Catod

P

P G

Cổng

G Cổng

A

K Catod Hình 21

Ký hiệu

Anod

(139)

Tuy có ký hiệu khác với SCR SCS tính chất tương tự Sự khác biệt tiến GTO so với SCR SCS mở tắt GTO

bằng cổng (mở GTO cách đưa xung dương vào cực cổng tắt GTO cách

đưa xung âm vào cực cổng)

- So với SCR, GTO cần dịng điện kích lớn (thường hàng trăm mA)

nữa GTO tính chuyển mạch Thới gian mở GTO giống SCR (khoảng 1µs), thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngưng d hì nhỏ SCR nhiều (khoảng 1µs GTO từ 5µs đến 30µs SCR) Do GTO dùng linh kiệncó chuyển mạch nhanh GTO thường dùng phổ biến mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà

điện sau ứng dụn Diod Zener

ấp điện, GTO dẫn, anod catod xem nối tắt C1 nạp điện đến điện

nguồn VAA, lúc VGK<0 làm GTO ngưng dẫn Tụ C1 xảđiện qua R3=VR+R2 Thời gian

xảđiện tùy thuộc vào t ng τ=R3C1 Khi Vo<VZ, GTO lại dẫn điện chu kỳ lại

được lập lại

- Một tính chất quan trọng

ẫn) t

thế… mạch g GTO để tạo tín hiệu cưa kết hợp với VAA=+200V

A K

R2

Khi c

hời hằ

Hình 23 Vo

VAA

VZ

0

+Vo R1

VR

C1 VR

Hình 22 A

K G

(140)

VII UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR

T có độc nối P-N Tuy khơng thơng dụng BJT, UJT có sốđặc

tính đ h tạo dạng sóng định

giờ

đầu tạo thành

hai c y nhôm nhỏ

đóng vai trị chất bán dẫn loại P Vùng P nằm cách vùng B hoảng 70% so với chiều dài hai cực B1, B2 Dây nhôm đóng vai trị cực phát E

Hình sau trình bày cách áp dụng điện chiều vào cực củ để

khảo sát đặc tính

ĐỘC NỐI)

Transistor thường (BJT) gọi Transistor lưỡng cực có hai nối PN lúc UJ

ặc biệt nên thời giữ vai trò quan trọng mạc

1 Cấu tạo đặc tính UJT:

Hình sau mơ tả cấu tạo đơn giản hố ký hiệu UJT

Một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại n- với hai lớp tiếp xúc kim loại hai

ực B B Nối PN hình thành thường hợp chất dâ

1 k

a UJT n-

p B2

Nền

B1

Nền E

Phát

E B2

B1 B2

E

B1

Hình 24

E

A

EE B1

B2

D1

V B2

R

BB

EE

E

V

R B1

B1 V

R

BB

B2

Mạch tương đương UJT IE

RE E

E

Hình 25

V

(141)

- Khi chưa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thỏi bán dẫn điện trở

với nguồn điện VBB, ký hiệu RBB gọi điện trở liên (thường có trị số từ

4 KΩ KΩ) Từ mơ hình tương đương ta th y Diod dùng để diễn tả nối P-N vùng P vùng n- Điện trở RB1 RB2 diễn t điện trở thỏi bán dẫn n- Như vậy:

đến 10 ấ

ả

I B B

BB R R E

R = + =

điện điểm A là: Vậy

0 V

= η BB > +

= A

R R

V BB

2 B B

1

B V

R

Trong đó: η= RB1 = RB1 được gọi tỉ số nội tại (intrinsic stan BB

2 B B

à ηđược cho nhà sản xuất R R

R + d – off)

RBB v

mass), VA có điện dương nên Diod phân

cực nghịch ta có dịng điện rỉ nhỏ chạy từ cực phát tăng VEE lớn dần, dòng

điện theo chiều dương (d dương dần) Khi VE có trị số

V =V +V

n bắt đầu dẫn

điện mạnh

iện VE=0,5V + η VB2B1=VPđược gọi điện thếđỉnh (peak-point voltage)

UJT

điện trở âm

- Bây giờ, ta cấp nguồn VEE vào cực phát B1 (cực dương nối cực phát)

Khi VEE=0V (nối cực phát E xuống

IE bắt đầu tăng òng rỉ ngược IE giảm dần, triệt tiêu, sau

E D A

VE=0,5V + η VB2B1 (ở VB2B1 = VBB) Diod phân cực thậu

Đ

Vùng VE

0 V

IE

V

P

V

IP IV

0

lũng Đỉnh

Thung

VE

VP

IE

IV

0 VV

Hình 26

(142)

Khi VE=VP, nối P-N phân cực thuận, lỗ trống từ vùng phát khuếch tán vào vùng n

-và di chuyển đến vùng B1, lúc lỗ trống hút điện tử từ mass lên Vì độ dẫn

điện chất bán dẫn hàm số mật độ điện tử di động nên điện trở RB1 giảm

Kết lúc dịng IE tăng điện VE giảm Ta có vùng điện trở âm

Điện trởđộng nhìn từ cực phát E vùng điện trở âm là:

E E d

I V r

∆ ∆ − =

Khi IE tăng, RB1 giảm lúc RB2 ítbị ảnh hưởng nên điện trở liên RBB giảm

Khi IE đủ lớn, điện trở liên RBB chủ yếu RB2 Kết thúc vùng điện trở âm vùng

thung lũng, lúc dịng IE đủ lớn RB1 nhỏ không giảm (chú ý dịng cực

nền B1) gồm có dịng điện liên B cộng với dòng phát IE ) nên VE không giảm mà bắt

đầu tăng I tăng Vùng gọi vùng bảo hòa

P cực phát E để t UJT hoạt động vùng

điện trở âm Dòng điện thung lũng IV dòng điện tối đa IE vùng điện trở âm

P V

EB1 điện trở âm

i ta cho UJT hoạt động vùng điện trở âm, muốn

Q

B2

I

E

Như vây ta nhận thấy:

- Dòng đỉnh I dòng tối thiểu c đặ

- Tương tự, điện thếđỉnh V điện thung lũng V điện tối đa tối thiểu V đặt UJT vùng

Trong ứng dụng UJT, ngườ

vậy, ta phải xác định điện trở RE đểIP<IE<IV

Thí dụ mạch sau đây, ta xác định trị số tối đa tối thiểu RE

EB1 BB +V

B1

R

+ -V

VEB1

IE

0

VEB1

IE

0 IP IV

VV

VP

VBB > VP

Emax

REmin

Hình 27

R

(143)

Ta có: P P BB P P BB max E I V V I V V I V

R = −

− − − = ∆ ∆ − = Và V V BB V BB E I V IV V V I V

R = −V

− − = ∆ ∆ − = −

Như vậy:

P P BB E V V BB I V V R I V

V − ≤ ≤ −

2 Các thông số kỹ thuật UJT vấn đềổn định nhiệt cho đỉnh:

Sau thông số UJT:

- Điện trở liên RBB: điện trở hai cực nên cực phát để hở RBB tăng

nhiệt độ tăng theo hệ số 0,8%/1oC - Tỉ số nội tại:

BB B B B B R R R R R = + =

η Tỉ số định nghĩa cực phát E

để hở

iện đỉnh VP dòng điện đỉnh IP VP giảm nhiệt độ tăng điện

ngưỡng nối PN giảm nhiệt độ tăng Dòng I giảm V tăng

- Điện thung lũng V dòng điện thung lũng I Cả V I tăng VBB

hơn VBB 10V Trị số thông thường VEsat volt (lớn

hơn nhiều so với diod thường)

Ổn định nhiệt cho đỉnh: Điện thếđỉnh VP thông số quan trọng UJT Như

đã thấy, thay đổi đỉnh VP chủ yếu điện ngưỡng nối PN tỉ

sốη thay i khơng đáng kể

Người ta ổn định nhiệt cho VP bằ h thêm điện trở nhỏ R2 (thường khoảng

vài trăm ohm) B2 nguồn VBB Ngoài người ta mắc điện trở nhỏ

R1 k ảng vài trăm oh cực B1để lấy tín hiệu

- Đ

P BB

V V V V

tăng

- Điện cực phát bảo hòa VEsat: hiệu điện cực phát E cực B1

được đo IE=10mA hay

ện

đổ

ng

ho m

(144)

Khi nhiệt độ tăng, điện trở liên RBB tăng nên điện liên VB2B

o cho tăng V

tăng Chọn

R2 sa B2 N Trị R2

được

B1 bù trừ giảm điện ngưỡng nối P

chọn gần theo công thức:

BB BB

V R ) (

R ≈ , → ,8 η

Ngoài R2 phụ thuộc vào cấu tạo UJT Trị chọn theo thực nghiệm khoảng

vài tr

3 ng dụng đơn giản UJT:

ạch dao động thư giãn (relaxation oscillator)

gười ta thường dùng UJT làm thành mạch dao động tạo xung Dạng mạch trị số linh kiện điển sau:

BB

ăm ohm

Ứ

M N

B2

R1

V B1

R2

E

Hình 28

BB

330

VB2

C1 1

R1 E

R2

B1

V V

R 10K

+12V

E

22

VE

t

VC1

0

C1 nạp C1 xã (rất nhanh)

VB2

VB1

VE

t t t

VP

VV

Hình 29

= V

P

(145)

Khi cấp điện, tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở RE (Diod phát-nền bị phân cực

nghịch, dòng điện phát I xấp xỉ không) Điện hai đầu tụ tăng dần, đến điện thếđ

V Đến UJT bắt đầu ngưng

và chu kỳ lập lại

* Dùng UJT tạo xung kích cho SCR

- Bán kỳ dương có xung đưa vào cực cổng SCR dẫn điện Bán kỳ âm SCR ngưng

- Điều chỉnh góc dẫn SCR cách thay đổi tần số dao động UJT

VIII PUT (Programmable Unijunction Transistor)

Như tên gọi, PUT giống UJT có đặc tính thay đổi Tuy cấu tạo, PUT khác hẳn UJT

E

ỉnh VP, UJT bắt dẫn điện Tụ C1 phóng nhanh qua UJT điện trở R1 Điện

hai đầu tụ (tức VE) giảm nhanh đến điện thung lũng V

z

330

B1 470uF

110V/50Hz

SCR

100K 20K +

F1 FUSE

V=20V .1

47 5,6K

UJT B2

- E

Hình 30

220V/50Hz

Tải

N

N Anod

A

K Catod

P

G Cổng

G Cổng Anod

A

K Catod

Cấu tạo Ký hiệu Phân cực

R B2

GK

R

A

V I

AK

V

A

AA

R

K V

B1

Hình 31

(146)

Để ý cổng G nằm vùng N g anod lớn điện catod,

ngưỡng nối PN

ần anod nên để PUT dẫn điện, việc điện điện anod phải lớn điện cổng điện

Ta có: B1 VBB VBB

R

V = =η

2 B B

Trong đó:

GK

R

R +

2 B B

1 B

R R

R

+ =

η nhưđược định nghĩa UJT

ớ UJT, RB1và RB2 điện trở nội UJT, Trong lúc PUT,

RB1 R

mà V = 0,7V (thí dụ Si) VG = ηVBB⇒ V

T Tuy nhiên, nên nh

B2 điện trở phân cực bên ngồi

Đặc tuyến dịng IA theo điện cổng VAK giống nhưở UJT

Điện thếđỉnh VPđược tính bởi: VP = VD+ηVBB D

P = VG + 0,7V

Tuy PUT UJT có đặc tính giống dịng điện đỉnh thung lũng PUT nhỏ UJ

VAK Vùng điện trở âm

VP

0 IP IV IA

Hình 32

+ Mạch dao động thư giãn dùng PUT

t VA

0 VP

V

R BB

B2

K

+V

R

G

A R

C K R B1

Xả Nạp

Hình 33

(147)

Chú ý mạch dùng PUT, ngõ xả tụđiện anod Tín hiệu sử dụng thường lấy catod (và dùng kích SCR nhưở UJT)

VG

VK = ηVBB

t

VK

VK = VP-VV

t Hình 34

(148)

CHƯƠNG VIII

LIN UANG ĐIỆN TỬ

rong chương này, chỉđề cập đến số linh kiện quang điện tử thông dụng quang điện trở, quang diod, quang transistor, led… linh kiện quang điện tử

quá đặc biệt không

I ÁNH SÁNG

óng vơ tuyến hệ thống truyền thanh, truyề đèn tia X y khoa… Tuy có cơng dụng khác lại có chung chất

được gọi sóng điện từ hay xạđiện từ Điểm khác sóng điện từ tần s y bước sóng Giữa tần số bước sóng liên hệ hệ thức

H KIỆN Q

T

đề cập đến

S n hình, ánh sánh phát

f c

= λ ố

Trong c vận tốc ánh sáng = 3.108m/s

f tần số tín Hz

Bước sóng λ tính m Ngoài người ta thường dùng ước số:

m = 10-6m ; nm = 10-9m Amstron =

Å = 10‐10m

rared) phía tần số cao gọi xạ tử ngoại (ultraviolet)

c bước sóng khoảng 380nm)

rong vùng ánh sáng thấy được, có khoảng ngắn dải tần số nói cảm giác mắt ghi nhận màu:

h

µ

Sự khác biệt tần số dẫn đến khác biệt quan trọng khác ta thấy

được sóng điện từ hay khơng Mắt người thấy sóng điện từ dải tần số

rất hẹp gọi ánh sáng thấy hay thường gọi tắt ánh sáng Về phía tần số thấp gọi xạ hồng ngoại (inf

Ta thấy xạ có tần số khoảng 4.10-14Hz (tức bước sóng 750nm)

đến tần số khoảng 7,8.1014Hz (tứ

Hồng ngoại

(λ=750nm)4.1014Hz

Tử ngoại

(λ=380nm)7,8.1014Hz

T Tím Violet

Lơ

Blue

Lam Cyan

Xanh Green

Vàng Yellow

Cam Orange

Đỏ

Red

380nm 430 470 500 560 590 650 750nm

λ

(149)

Chú ý giới hạn có tính cách tương đối Sự khác tần số lại dẫn đến khác biệt quan trọng lượng xạ Năng lượng xạ tỉ lệ với tần số th

độ sáng đo

đơn vị footcandles Thí dụ nguồn sáng bóng đèn trịn, điểm xa tỏa góc khối (hình

a quang thơng Lumens (Lm) hay W

2

II QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE)

Là điện trở có trị số giảm chiếu sáng mạnh Điện trở tối (khi khơng chiếu sáng - bóng tối) thường 1MΩ, trị số giảm nhỏ 100Ω chiếu sáng mạnh

ếu vào chất bán dẫn (có thể Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh điện tử tự

do, tứ

ề phương diện lượng, ta nói ánh sáng cung cấp lượng E=h.f để

các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện Như lượng cần thiết h.f phải lớn n ng lượng dãi cấm

eo công thức: E=h.f với h: số planck = 6,624.10-34J.sec Như ta thấy, biên độ trung bình phổđược gọi cường nguồn, cường độ sáng yếu số lượng ánh sáng nón) không đổi gọi quang thông Đơn vị củ

att

1 Lm = 1,496.10-10 watt

Đơn vị cường độ ánh sáng foot-candles (fc), Lm/ft2hay W/m2 Trong đó:

1 Lm/ft2 = fc = 1,609.10-12 W/m

λ

Nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chi

Ký hiệu Hình

Hình dạng

c dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn Các đặc tính điện

độ nhạy quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo

Điện trởΩ

0 fc

1000 10

0,1 10 100 1000

Hình

5

10000

V

ă

(150)

Và quang điện trở:

Qua iệ ởđược dùng phổ b mạch điều khiển M động:

Khi quang điện tr chiếu sáng (trạng thái th n trở nhỏ, điện cổng SCR giảm nhỏ không g kích nên SCR ngưng Kh nguồn sáng bị

chắn

i ứng dụng

ng đ n tr iến

ạch báo

λ

SCR

Nguồn sáng hồng ngoại

R1

Bóng đèn chng tải B+

Hình

ở ường trực) có điệ

i

đủ dòn

, R tăng nhanh, điện cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dòng điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động

Người ta dùng mạch trên, với tải bóng đèn để cháy sáng đêm tắt vào ban ngày Hoặc tải relais để điều khiển mạch báo động có cơng suất lớn

2 Mạch mởđiện tựđộng vềđêm dùng điện AC:

TRIAC DIAC

Bóng đèn

15K

1K

A

110V/50Hz

.1

Hình

220V/50Hz

λ

(151)

Ban ngày, trị số quang điện trở nhỏ Điện điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt đêm, quang trở tăng trị số, ng điện điểm A, thơng Diac kích Triac dẫn điện, bóng đ sáng lên

III QUANG DIOD (PHOTODIODE)

Ta biết nố -N phân c ận vùng hẹp dịng thuận lớn hạt tải điện đa số (điện tửở chất bán dẫn loại N lỗ trống chất bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên Khi phân cực nghịch, vùng rộng có dịng điện rỉ nhỏ

(dòng bả ịch I0)

ốt), ta thấy dòng điện nghịch tăng lên gần tỉ lệ với quang thơng lúc dịng điện thuận khơng tăng Hiện tượng dùng để chế tạo quang diod

Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N có đủ lượng làm phát sinh cặp điện tử - lỗ

trống sát hai bên mối nối làm mật độ hạt tải điện thiểu số t ng lên Các hạt tải điện thiểu số khuếch tán qua mối nối tạo nên dòng điện đáng kể cộng thêm vào dòng điện bảo hòa nghịch I0 tự nhiên diod, thường vài trăm nA với quang diod Si

dưới vài chục µA với quang diod Ge

Độ ng diod tùy thu ất bán dẫn Si, Ge hay Selenium

vẽ sau ộ nhạ ánh sáng c chất bá

làm tă

èn

i P ực thu

chạy qua o hòa ngh

I

R

V

Ký hiệu Phân cực

Hình

Bây ta xem nối P-N phân cực nghịch Thí nghiệm cho thấy chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod chế tạo su

ă

nhạy qua

đây cho thấy đ y theo tầộn sc vào chố c chiếu vào cá n dẫ… Hình n này:

(152)

λ(Ao)

Độ nhạy (%) 100

75 50 25

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Si

Se Ge

Tử ngoại Ánh sáng th

Đặc tuyến V-I quang diod với qua g thông số cho thấy quang thông nhỏ điện phân cực nghịch nhỏ, dòng ng theo điện phân cực,

điện ế

)

nsistor nới rộng đương nhiên quang diod Về mặt cấu tạo, quang transistor giống transistor thường cực để hở Quang transistor có t

ác dòng điện rỉ

(điện V lúc khoảng vài chục mV transistor Si) nối thu-nền phân cực nghịc

hát phân cực thuận chút nên dịng điện cực thu Ico(1+β) Đây dòng tối quang transistor

ấy Hồng ngoại

0

4000fc

3000fc

2000fc

1000fc

L =

Điện phân cực nghịch Hình

Dịng điện nghịch mA

Dòng tối 0,1

0,2 0,3 0,4 0,5

ng thôn

điện tă

thế phân cực lớn vài volt, dòng điện gần bảo hịa (khơng đổi điện th phân cực nghịch tăng) quang thơng lớn, dịng điện thay đổi theo điện phân cực nghịch Tần số hoạt động quang diod lên đến hành MHz Quang diod quang điện trở thường dùng mạch điều khiển để đóng - mở mạch

điện (dẫn điện có ánh sáng chiếu vào ngưng tối)

IV QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR

Quang tra

hấu kính suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N thu Khi cực để hở, nối nền-phát phân cực thuậnchút c

BE

h nên transistor vùng tác động

Vì nối thu-nền phân cực nghịch nên có dịng rỉ Ico chạy cực thu cực

nền Vì cực bỏ trống, nối nền-p

(153)

Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu xuất iệ

trống quang diod làm phát sinh dòng điện Iλ ánh sáng nên dòng điện

thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ)

Như vậy, quang transistor, dòng tối lẫn dòng chiếu sáng nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng Hình trình bày đặc tính V-I quang transistor với quang thông thông số Ta đặc tuyến giống đặc tuyến transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung

Có nhi quang transistor nh ột transistor dùng để c ch dùng mạch điều khiển, mạch đếm… lo g transistor Darlington có độ nhạy cao Ngồi người ta chế tạo quang SCR, quang triac…

Vài ứng dụng quang transistor:

Đây mạch đơn giản để đo cường độ ánh sáng, biến trở 5K dùng để chuẩn máy

nhờ ạch, quang transistor dẫn

mạnh, kim điện kế lệch nhiều Dĩ nhiên mạch ta dùng quang điện trở hay quang diod nhạy

các cặp đ n tử lỗ

th

ều loại loại m huyển mạ

ại quan

1 Quang kế:

một quang kế mẩu Khi ánh sáng chiếu vào m

0

∅5

∅4

∅3

∅2

∅1

V

Đặc tuyến V-I CE

Quang thông

5

IC (mA)

1

N P N

B

f IC R

olt h

VCC

v

Ký hiệu Phân cực

Hình

Quang transistor Quang Darlington

A T2

T1

G

K

Quang SCR Quang TRIAC

Hình

(154)

2 óng hay tắt Relais:

Trong mạch đóng relais, quang transistor chiếu sáng dẫn điện làm T1

thơng uang

transistor không chiếu sáng nên quang transistor ngưng T thông, Relais

trạng

V D NG

Ở quang trở, quang diod quang transistor, lượng củaq ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn cấp lượng cho điện tử vượt dãi cấm Ngược lại điện tử

từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hố trị thí phát lượng E=h.f

Khi phân cực thuận nối P-N, điện tử tự từ vùng N xuyên qua vùng P tái hợp với lỗ trống (về phương diện lượng ta nói điện tử dãi dẫn điện – có lượng cao – rơi xuống dãi hố trị - có lượng thấp – kết hợp với lỗ trống), tái hợp sinh lượng

Đ

9V

5KΩ

K

Hình 10

T1 T1

+12V

T2

C

T2

.1 Relay R .1 Relay

R

+12V

Hình 11

C

, Relais hoạt động Ngược lại mạch tắt relais, trạng thái thường trực q

1

thái đóng Khi chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, Relais

không hoạt động (ở trạng thái tắt)

IOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTI DIODE)

(155)

Dải dẫn điện

Dải hóa trị

Dải cấm hf

Đối với diod Ge, Si lượng phát dạng nhệit Nhưng diod cấ

tạo GaAs (

Hình 12

u Gallium Arsenide) lượng phát ánh sáng hồng ngoại (không thấy

trung ánh sáng phát

điện công

suất t ưu điểm

rất lớn nối quang

Hình sau giới thiệu số nối quang điển hình:

được) dùng mạch báo động, điều khiển từ xa…) Với GaAsP (Gallium Arsenide phosphor) lượng phát ánh sáng vàng hay đỏ Với GaP (Gallium phosphor), lượng ánh sáng phát màu vàng xanh Các Led phát ánh sáng thấy dùng để làm đèn báo, trang trí… Phần ngồi LED có thấu kính

để tập

Để có ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED Tùy theo vật liệu cấu tạo,

điện thềm LED thay đổi từ đến 2.5V dòng điện qua LED tối đa khoảng vài mA

VI NỐI QUANG

(OPTO COUPLER-PHOTOCOUPLER-OPTOISOLATOR)

Một đèn LED linh kiện quang điện tử quang transistor, quang SCR, quang Triac, quang transistor Darlington tạo nên truyền tín hiệu mà khơng cần

đường mạch chung

Các nối quang thường chế tạo dạng IC cho phép cách ly phần mà thường cao khỏi mạch điều khiển tinh vi phía LED Đây mộ

Ký hiệu

LED

Phân cực

cc V

R

ID

D

V

Đặc tuyến ID (mA)

VD (

10

0 .7 1 1.5 3 volt)

Si GaAs

GaAsP đỏ GaAsP vàng

GaP lục

Hình 13

(156)

4N25 (Transistor output)

4N29 (Darlington output)

2

1

6

3 4

λ λ

HC11C

2

6

4

MOC3021 (Triac output)

2

6

4

Hình sau giới thiệu áp dụng nối quang

Bả ệ nối q ng n lớ đ

hi LED sáng, nối quang hoạt động kích hai SCR h (mỗi SCR hoạt động

ở kỳ có xung kích từ nối quang) cấp dịng cho tải

- Khi LED tắt, nối quang n , S ưng, ng t dòng qua tả

m t ví d ch lid e –

- Q1: - K bán

o v ua điệ nguồn n (chia t dòng iện qua LED) oạt động

gưng SSR (So

CR ng – Stat

ắ

Relay)

i

- Mạch ộ ụ mạ

2 (SCR output)

5 λ

λ

Hình 14

110Vrms

270

U1 MOC3021

1

6

4

51

510

Q1

150

Tải

Hình 15

I

30V

n

3V

→

220VAC

(157)

CH SƠ L

I KH VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG

phần tác động thụđộng

đều đ y thân tách

rờ hể phiến bán dẫn (hầu hết Si) phiến cách

điệ

ậy

thườn l ể

hiện t tử cũ đuổi l m từ tần yếu c nhiều củ

Nhữ ất nhiều thành phần, phận

Do đ

đến hàng triệu, hàng vài chục triệu phận rời Nếu khơng thự thể tích lớn cách bất tiện mà

điệ ức tạp Mà có thỏa mãn nữa, máy

i tiếp chúng Hệ thống cáng phức nhiều Vì vậy, dùng phận rời cho c

trặc n

3 T h t hệ thống điện tử gồm n thành phần là:

ƯƠNG IX

ƯỢC VỀ IC ÁI NIỆM

ĐIỆN TỬ

IC (Intergated-Circuit) mạch điện tử mà thành

ược chế tạo kết tụ đế (subtrate) i Đế này, có t

n

Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron đựng vỏ kim lọai plastic Những IC v

g phận chức (function device) tức phận có khả th mộ chức điện tử Sự kết tụ (integration) thành phần mạch điện ng phận cấu thành hệ thống điện tử hướng tìm tịi theo

â

từ u ngành điện tử Nhu cầu kết tụ phát minh từ kết tụ tất nhiên

ạch hệ thống điện tử theo chiều hướng từđơn giản đến phức tạp, từ nhỏđến lớn, số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh) Sự tiến triển hậu tất

ủa nhu cầu ngày tăng việc xử lý lượng tin tức (information) ngày a xã hội phát triển

ng hệ thống điện tử cơng phu phức tạp gồm r ó nảy nhiều vấn đề cần giải quyết:

1 Khoảng không gian mà số lượng lớn thành phần chiếm đoạt (thể tích) Một máy tính điện tử cần dùng

c mạch IC, khơng n cung cấp cho vơ ph

cũng không thực dụng

2 Độ khả tín (reliability) hệ thống điện tử: độ đáng tin cậy hoạt động

đúng theo tiêu chuẩn thiết kế Độ khả tín hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ

khả tín thành phần cấu thành phận nố

tạp, số phận tăng chỗ nối tiếp

ác hệ thống phức tạp, độ khả tín giảm thấp Một hệ thống trục hanh

uổi thọ trung bìn

n

1

t t

1 = + + +

t t

Nếu t1=t2= =tn

n t

t= i

(158)

Vậy transistor cĩ tuổi thọ 108h, máy tính gồm 500000 ngàn transistor cĩ tuổi thọ 200giờ

5 108

=

10

IC chế tạo đồng thời phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ tuổi thọ transistor Planar

4 Một hệ thống (hay máy) điện tử có cấu tạo hình vẽ:

Song khái m

với mật , nằm hướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử phiếm (chíp)

Các thành phần

Vật liệu Bộ phận

linh kiện Bộ phận linh kiện

Mạch điện tử

Bộ phận cấu thành hệ thống

Hệ thốn

điện tử

g

ố

Bộ phận chức

Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực giai đoạn phận chức niệ kết tụ không thiết dừng lại giai đoạn Người ta nỗ lực để kết tụ

độ cực cao IC

Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990

Công nghệ Phát minh Transi -stor Linh kiện rời

SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI

Số

Transistor chip t

thương

rong sản

phẩm

1 10 100→

1000 100020000 →

20000

→

500000

>500000 >1000000

mại

Các sản

Linh

Mạch Vi xử lý

phẩm

biể

BJT

kiện planar, Flip Flop

đếm, đa cộng

Vi xử

lý bit, Vi xử

chuyên dụng, xử

thực tiêu

u Diode logic, Cổng

hợp,

mạch ROM, RAM

lý 16

32 bit thlý ờI gian ảnh,

SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mơ nhỏ

MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mơ trung bình

scale integration: Tích hợp theo qui mơ lớn

GSI: Ultra large scal : Tích h mơ khổng lồ

Tóm lại, cơng nhệ IC đưa ng điểm l ỹ thuật linh kiện rời sau

- Giá thành sản phẩm

- Kích cỡ

- Độ khả tín cao (tất thành ph c chế tạo lúc khơng có LSI: Large

e integration ợp qui

đến nhữ

hạ

ợi so với k :

nhỏ

ần đượ

(159)

điểm hàn, nối)

- Tăng chất lượng (do giá thành hạ, mặt phức tạp có thểđược chọn để hệ thống nhất)

- Các linh kiện phối hợp tốt (matched) Vì tất transistor chế tạo đồng

qui trình nên thông số tương ứng chúng có độ

lớn biến thiên nhiệt độ

l

rên đế chất cách điện, dùng lớp mà n thành phần khác

ở, tụđiện, cuộn cảm

điện trở súât nhỏ Au, Al,Cu

điện trở suất lớn Ni-Cr; Ni-Cr-Al;

bản cực dùng màng điện mơi SiO;

ó điện dung lớn 0,02µF/cm2

ạo cảm lớn

ợplý Trong sơđồ IC, ngườ ránh dùng cuộn cảm để không

Cách điện phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3

Transistor màng mỏng nghiên cứu nhiều để ứng dụng vào IC i đoậ ực dụng, u p i ng thực dụng

2 IC đơn tính thể (Monolithic IC):

dùng đế (Subtrate) chất g Si) Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo tran tor de iện

ở, tụđiện Rồi dùng chất cách điện SiO2để phủ lên che chở cho b hận ớp

iO2, dùng màng kim loại để nối phận với

− Transistor, diode phận bán dẫn

− Điện trở: chế tạo cách lợi dụng điện trở lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất

− Tụđiện: Được chế tạo cách lợi dụng điện dung vùng i nối P-N bị

phân cực nghịch

Đôi người ta thêm thành phần khác thành p n kể

ể dùng cho mục đích đặc thù

đạt đến tính tốt thời

- Tuổi thọ cao

II CÁC LOẠI IC

Dựa qui trình sản xuất, chia IC làm

1 IC màng (film IC):

oại:

T ng tạo nê

Loại gồm thành phần thụđộng nhưđiện tr

− Dây nối phận: Dùng màng kim loại có

− Điện trở: Dùng màng kim loại hợp kim có

Cr-Si; Cr tạo nên điện trở có trị số lớn

mà

− Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trị

SiO2, Al2O3; Ta2O5 Tuy nhiên khó tạo tụ c

− Cuộn cảm: dùng màng kim loại hình xoắn Tuy nhiên khó t

thước h

cuộn

q 5µH với kích i ta t

chiếm thể tích

−

Có thời,

màng Nhưng tiếc transistor màng chưa đạt đến gia

ít có triển vọ n th nế khơng

Còn gọi IC bán dẫn (Semiconductor IC) – IC

bán dẫn (thườn sis , dio , đ

ộ p l tr

S

tạ

hầ

đ

(160)

Các thành phần chế tạo thành số nhiều chip Có hiều mối nối chúng chúng cách ly nhờ nối P-N bị phân cực nghịch (điện àng trăm MΩ)

3 IC lai (hibrid IC)

Là loại IC lai hai loại

Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa thành phần thụđộng), n a gắn

đế thành phần tích cực (transistor, diode) n i dành sẵn Các transistor diode gắn mạch lai khơng cần có vỏ hay để riêng bảo vệ lớp men tráng

Ưu điểm mạch lai là:

- Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog)

- Có khả tạo phần tử thụđộng có giá trị khác với sai số nhỏ

iode

hế tạo, người ta dùng qui trình phối hợp Các thành phần tác

động

nên đặc tính thơng số thành phần thụ độ uộc vào đặc tính thơng số thành phần tác động mà

ph lựa chọn vật liệu, bề dầy hình dáng Ngồi ra, transistor IC lo

ật màng,

diện Điều khiển tốc độ

ngưn cao

III. ƠN

TINH TH

oạn chế tạo IC đơn tinh thể có thành phần tác động BJT, đơn giản

n

trở có h

gười t

ơ

, mà cần

- Có khả đặt đế, phần tử màng mỏng, transistor, d

các loại IC bán dẫn Thực c

được chế tạo theo thành phần kỹ thuật planar, cịn thành phần thụ động theo kỹ thuật màng Nhưng trình chế tạo thành phần tác động thụ động

được thực không đồng thời ng không phụ th

ụ thuộc vào việc

ại nằm đế, nên kích thước IC thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời

IC chế tạo qui trình phối hợp nhiều ưu điểm Với kỹ thu tích nhỏ tạo điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ g động màng, tạo màng điện trở với độ xác

SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC Đ Ể

Các giai đ

hóa gồm bước sau: Bước 1:

0.15mm 25 – 75mm

n - Si Nền P-Si

n - Si Nền P-Si 0.5µm

SiO2

Hình 0.025mm

0.15mm

(161)

a Từ P-Si (hoặc n-Si) đơn tinh thể

b Tạo lớp epitaxy mỏng loại N-Si

Đầu tiên, vẽ sơ đồ nơi cần mở cửa sổ, chụp hình sơ đồ lấy phim

Những nơi cần mở sổ vùng tối phim

a Bôi m cản quang bề mặt Đặt phim rọi

tia

phim b ể vào dung dịch tricloetylen

Chỉ ữ

các

b.Lại đem ịch fluorhydric Chỉ

nhữ

hác nhờ lớp cản quang che chở

Đem tẩy lớp cản quang

d Khuếch tán chất bán dẫn P sâu đến thân, tạo đảo

N

e Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn P vào đảo N

(khuếch tán Base)

f Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn N vào (khuếch tán Emitter)

g Phủ kim loại Thực chỗ nối

Thí dụ:

Một mạch điện đơn giản sau, chế tạo dạng IC đơn tinh thể

c Phủ lớp cách điện SiO2

Bước 2:

Dùng phương pháp quang khắc để khử lớp SiO2ở

một số chỗ định, tạo cửa sổ bề mặt tinh thể Từ cửa sổ, khuếch tán tạp chất vào

P-Si

film

uv Chất cảm

quang SiO2

n-Si

P-Si

Chất cảm

âm bản, thu nhỏ lại

ột lớp

quang SiO2

n-Si

Hòa tan Rắn lại

P-Si cực tím vào nơi cần mở cửa sổđược lớp đen

ảo vệ Nhúng tinh th

Hòa tan

nh ng nơi cần mở cửa sổ lớp cản quang bị hòa tan, nơi khác rắn lại

tinh thể nhúng vào dung d

ng nơi cần mở cửa sổ lớp SiO2 bị hòa tan, nơi

k c

SiO2

n-Si

Thân P

n n

SiO2

Khuếch tán p

Đảo

Nền P

n n

SiO2

Khuếch tán Base

p p

Nền P

n n

SiO2

Khuếch tán Emitter

p p

n n

Hình

5 1

D1 D1

3 4

2

R

Hình

(162)

Trang 162 Biên soạn: Trương Văn Tám IV IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC

ANALOG)

Dựa chức xử lý tín hiệu, người ta chia IC hai loại: IC Digital IC Analog (còn gọi IC tuyến tính)

1 IC Digital:

Là loại IC xử lý tín hiệu số Tín hiệu số (Digital signal) tín hiệu có trị giá nhị phân (0 1) Hai mức điện tương ứng với hai trị giá (hai logic) là:

- Mức High (cao): 5V IC CMOS 3,6V IC TTL - Mức Low (thấp): 0V IC CMOS 0,3V IC TTL

Thông thường logic tương ứng với mức H, logic tương ứng với mức L

Logic logic để hai trạng thái đối nghịch nhau: Đóng mở, sai, cao thấp…

Chủng loại IC digital không nhiều Chúng gồm số loại mạch logic bản, gọi cổng logic

Về công nghệ chế tạo, IC digital gồm loại: - RTL: Resistor – Transistor logic

- DTL: Diode – Transistor logic - TTL: Transistor – Transistor logic

Thân p n

p

n p

n+

n p

n+ n+ n+

n+ Điện trở

2B

Diode 1B

Transistor 4B Diode nối

3B Kim loại AlB

SiOB2

Collector Base

(163)

- MOS: metal – oxide Semiconductor - CMOS: Complementary MOS

2 IC analog:

Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, loại tín hiệu biến đổi liên tục so với IC Digital, loại

IC Analog phát triển chậm Một lý IC Analog phần lớn mạch chuyện dụng

(special use), trừ vài trường hợp đặc biệt OP-AMP (IC khuếch đại thuật toán), khuếch

đại Video mạch phổ dụng (universal use) Do để thoả mãn nhu cầu sử dụng, người

ta phải thiết kế, chế tạo nhiều loại khác

Tài liệu tham khảo

**********

1 Fleeman - Electronic Devices, Discrete and Intergrated - Printice - Hall

International-1998

2 Boylestad and Nashelky - Electronic Devices and Circuit Theory - Printice - Hall

International 1998

3 J.Millman - Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems - Mc.Graw.Hill

Book Company - 1979