Cấu kiện Điện tử trong Ứng dụng Bán Dẫn và Transistor Hiệu Ứng Trường

ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ ĐIỆN TRỞ SUẤT TRONG BÁN DẪN TẠP

So sánh điện trở suất ở kết quả trên với điện trở suất của bán dẫn Si tinh khiết, ta thấy rằng: việc đưa một phần rất nhỏ tạp chất vào mạng tinh thể Si sẽ làm thay đổi điện trở suất khoảng105lần, tức là làm thay đổi vật liệu từ một chất cách điện thành chất bán dẫn có giá trị điện trở suất nằm ở khoảng giữa dải điện trở suất của chất bán dẫn. Như đã giải thích ở trên, ta biết rằng nồng độ điện tử và lỗ trống trong chất bán dẫn được quyết đinh bởi nồng độ tạp chất pha tạp NAvà ND; ở đây ta ngầm giả thiết rằng sự pha tạp trong chất bán dẫn là đồng nhất, nhưng vấn đề này là không thể có.

TIẾP GIÁP PN - DIODE BÁN DẪN

TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI CÂN BẰNG

Tương tự, các điện tử khi di chuyển ra khỏi vùng vật liệu bán dẫn n sẽ để lại các nguyên tử donor đã bị ion hóa không di chuyển, mang điện tích dương, nghĩa là ngay lập tức sẽ hỡnh thành một vựng điện tớch trỏi dấu hay một lớp mừng cỏc ion không trung hoà, xung quanh tiếp giáp, vì rất ít các hạt tải điện tự do trong vùng này, nên được gọi là vùng điện tích không gian [SCR] hay gọi đơn giản là vùng nghèo. Jntrọi=q 0àn ; ptrọi =q 0àp (2.6) Ngoài ra, tại x = 0, điện trường E có giá trị âm (điện trường E ngược chiều với chiều tăng của x), nên dòng trôi của các điện tử có chiều từ phía bán dẫn p sang phía bán dẫn n (tức là dòng các hạt tải điện thiểu số), nhưng dòng khuyếch tán của các điện tử là từ phía bán dẫn n sang phía bán dẫn p (dòng các hạt tải điện đa số), do vậy, trong một tiếp giáp pn, có hai thành phần dòng là mật độ dòng điện tử khuyếch tán và trôi luôn luôn ngược chiều nhau.

CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DIODE BÁN DẪN

Như đã nói ở trên, từ phương trình diode (2.38) ta thấy rằng: dòng bão hoà ngược phụ thuộc vào tiết diện của tiếp giáp, các hệ số khuyếch tán của hạt tải điện thiểu số, nồng độ của các hạt tải điện thiểu số ở điều kiện cân bằng, và độ dài của các vùng trung hoà hay quãng đường khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số, mà các thông số đó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức pha tạp. Do vậy, dũng bóo hoà IS cú thể cú giỏ trị vào khoảng àA đối với cỏc diode Germanium, và vào khoảng cỡ nA đối với các diode Silicon. Nhiều diode có dòng ngược biểu hiện tăng theo điện áp ngược không tuân theo phương trình diode, vì do dòng rò qua tiếp giáp tại bề mặt của chất bán dẫn và do khi khảo sát phương trình diode ta đã bỏ qua sự phát sinh cặp điện tử - lỗ trống do năng lượng nhiệt trong vùng điện tích không gian. Đối với các tiếp giáp silicon khi được phân cực ngược thì dòng ngược không tăng do dòng điện phát sinh do nhiệt là thành phần chủ yếu của dòng bão hoà ở nhiệt độ phòng rất thấp. Vì vậy, dòng ngược ít phụ thuộc vào điện áp ngược do vùng nghèo trở nên dày hơn tại các giá trị điện áp ngược cao hơn. d) Các ảnh hưởng do nhiệt độ và hệ số nhiệt độ của diode. Ở trạng thái phân cực ngược, diode lý tưởng có điện trở lớn vô cùng (mạch hở) còn điện trở mạch của mô hình thực tế là Rr. Diode lý tưởng là một phần của mô hình ở hình 2.20a, phân cực thuận khi điện áp đầu cực vượt quá 0,7V. Các mô hình mạch ac phức tạp hơn do hoạt động của diode phụ thuộc vào tần số. Mô hình ac đơn giản cho diode phân cực ngược như ở hình 2.20b. Tụ CJ tương ứng với điện dung của tiếp giáp, xuất hiện do vùng nghèo như một tụ điện. Hình 2.20c, là mạch tương đương của diode phân cực thuận. Mô hình bao gồm hai tụ điện là tụ khuyếch tán CD và tụ tiếp giáp CJ. Điện dung khuyếch tán liên quan đến sự di chuyển của các hạt tải điện dẫn đến trạng thái có thể so với sự lưu trữ điện tích. Do vậy, hệ quả của sự khuyếch tán bao gồm các ảnh hưởng của điện dung. Điện dung khuyếch tán CD sẽ gần bằng 0 khi diode phân cực ngược. Điện trở động là rd. Ở dãi tần số thấp các ảnh hưởng của điện dung là nhỏ và chỉ có Rf là phần tử đáng kể nhất. f) Phân tích mạch diode.

MẠCH NGUỒN CHỈNH LƯU

Điện dung tương đương của các diode tần số cao nhỏ hơn 5pF, và có thể trở thành điện dung lớn khoảng 500pF ở các diode dòng lớn (tần số thấp). Các thông số của nhà sản xuất cần phải được lưu ý để xác định mức điện dung cho trước theo điều kiện làm việc đã cho. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN. thuận, điện áp ra trên điện trở tải có thể xác định từ quan hệ mạch phân áp. Mặt khác, ở trạng thái phân cực ngược, dòng điện bằng 0 nên điện áp ra cũng bằng 0. Mức điện áp trung bình của hàm tuần hoàn được tính theo tích phân của hàm số trong một chu kỳ của hàm tuần hoàn, tức là bằng số hạng thứ nhất trong khai triển chuổi Fourier của hàm số. Lưu ý rằng, khi tín hiệu vào sin có trị trung bình bằng 0, thì dạng sóng ra có trị trung bình là,. Lưu ý mạch chỉnh lưu bán kỳ có hiệu suất rất thấp. Trong suốt nữa bán kỳ của mỗi chu kỳ tín hiệu vào bị cắt bỏ hoàn toàn khỏi tín hiệu ra. Nếu có thể truyền năng lượng vào đến đầu ra trong suốt bán kỳ đó cần phải tăng mức công suất ra. b) Chỉnh lưu toàn kỳ. Trong ứng dụng thực tế, các diode cần phải mắc ngược lại và đặt gần với mức thế đất như mạch ở hình 2.27b, tức là tạo cho anode có thế đất, nên các diode có thể được gắn với tấm nối đất, bằng cách đó cho phép tiêu tán nhiệt năng đối với các mạch chỉnh lưu công suất lớn.

PIV = 50V

Mức tiêu tán công suất lớn nhất (ở 25oC). Dòng đo thử IZT. Trở kháng động tại mức IZT. Mức dòng khuỷu. Nhiệt độ tiếp giáp lớn nhất. Hệ số nhiệt độ. Họ đặc tuyến suy giảm đối với các nhiệt độ cao hơn. Chọn thông số kỹ thuật ví dụ và xem thông tin cho ở trang số liệu. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN. hai bản cực dẫn điện, còn vùng nghèo có chức năng như một lớp điện môi. Hình 2.49b, cho thấy khi điện áp phân cực ngược tăng lên, thì vùng nghèo sẽ rộng ra. Tụ vẫn có điện dung nhưng vì hai vùng dẫn cách xa hơn nên điện dung đã bị giảm xuống. Varactor là một diode được chế tạo để có điện dung tiếp giáp cao. Trị số điện dung của varactor được điều khiển bằng độ lớn của điện áp phân cực ngược đặt vào varactor. Điện áp phân cực ngược lớn hơn thì điện dung của varactor sẽ nhỏ hơn. Hình 2.50, là ký hiệu và đặc tuyến điện dung theo điện áp phân cực ngược của diode biến dung mang số hiệu MVAM 108. Mạch hình 2.51, là mạch điều chỉnh để chọn tần số của tín hiệu từ antenna sử dụng diode biến dung. Khi cộng hưởng, mạch điều hưởng song song có trở kháng cao. Tín hiệu từ antenna tại tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng sẽ tạo ra một sụt áp trên trở kháng cao của mạch điều hưởng nên tín hiệu sẽ được khuyếch đại. Các tần số tín hiệu tại các tần số khác sẽ xem mạch điều hưởng như mạch có trở kháng thấp so với đất nên sẽ không được đưa đến mạch khuyếch đại. Giá trị điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng 500pF mắc song song với nhánh 2 tụ cú điện dung 0,1àF và điện dung của diode biến dung. Vớ dụ 2.5, là mạch điều hưởng sử dụng diode biến dung MVAM108 để điều chỉnh tần số cộng hưởng. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN. - Tính điện dung tương đương của mạch điều hưởng. Vì điện dung tương đương của diode biến dung là nhỏ hơn nhiều so với 0,1àF, nờn điện dung của mạch nối tiếp sẽ bằng trị số điện dung của varactor. Tổng điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng giá trị điện dung của varactor song song với 500 pF. - Tính tần số cộng hưởng tại cả hai mức điện áp đặt vào diode biến dung:. b) Các diode chuyển mạch tần số cao. Độ nhạy của diode có thể tăng lên nếu vùng tiếp giáp được chế tạo lớn hơn khi thu nhận nhiều photon hơn, nhưng điều này cũng sẽ làm tăng thời gian đáp ứng do điện dung tiếp giáp (và do hằng số thời gian RC) tăng. Cấu tạo của photodiode gồm một mẫu vật liệu bán dẫn tạp - p được khuyếch tán vào đế bằng vật liệu bán dẫn tạp - n để hình thành tiếp giáp pn. Vật liệu tạp - n được để lộ sáng thông qua một cửa sổ. Photodiode được chế tạo làm việc ở chế độ phân cực ngược như ở hình 2.54b, Ở chế độ phân cực ngược dòng chảy qua diode phụ thuộc vào dòng các hạt tải thiểu số. Trong photodiode, lượng các hạt tải thiểu số tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ. Vể cơ bản một. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN. photodiode là một điện trở nhạy sáng, cường độ sáng lớn hơn sẽ làm cho giá trị điện trở phân cực ngược thấp hơn. Photodiode có đáp ứng thay đổi theo cường độ sáng nhanh hơn so với tất cả các dụng cụ quang. Nếu bổ sung một lớp bán dẫn thuần vào cấu tạo của photodiode giữa lớp bán dẫn tạp loại - p và n thì có thể cải thiện hiệu suất của photodiode, do vùng không pha tạp bổ sung có tác dụng làm cho vùng nghèo rộng ra. Bởi vì vùng nghèo rộng hơn nên các photon vào cửa sổ của diode có khả năng tạo ra cặp điện tử / lỗ trống nhiều hơn nên làm cho diode có hiệu suất cao trên một dãi tần số ánh sáng rộng hơn. Hơn nữa, vùng nghèo rộng hơn sẽ làm giảm điện dung của diode nên cho thời gian đáp ứng nhanh hơn. Các photodiode có bổ sung lớp bán dẫn thuần thường gọi là photodiode PIN. Hình 2.54b, là mạch photodiode. Hình 2.54c, là đặc tuyến theo các cường độ ánh sáng H khác nhau. Dòng photodiode IP có thể tính từ phương trình sau:. Phần lớn các bộ tách sóng ánh sáng bằng bán dẫn gồm một tiếp giáp photodiode và một mạch khuyếch đại, thường là đặt trên một chip đơn. e) Bộ bảo vệ quá điện áp.

TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG

NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TUYẾN CỦA NMOS KIỂU TĂNG CƯỜNG

Tại những điểm gần sát với gốc tọa độ, các đặc tuyến i-v của MOSFET thực chất là các đường thẳng, tức là đặc tuyến phải được xột với điều kiện vDS ô vGS - VTN, tuy nhiờn theo hỡnh 3.5 thỡ hình như độ tuyến tính bắt đầu bị vi phạm đối với đặc tuyến thấp nhất, khi đó VGS- VTN = 2-1 = 1V (gần bằng với các giá trị của VDS), nên lúc này ta phải hiểu rằng vùng tuyến tính chỉ đúng với các giá trị của vDS thấp hơn 0,1 đến 0,2V. Đối với những đặc tuyến ứng với VGS lớn, thì đặc tuyến V-A thể hiện độ tuyến tính rất cao trong suốt các giá trị của VDS ở hình 3.5, chẳng hạn,. BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 3: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG. đường đặc tuyến ứng vơi VGS = 5V. d) Sự bão hòa ở đặc tuyến i-v của MOSFET. Cần phải đặt điện áp âm trên cực cổng so với cực nguồn (vGS < 0 hay vSG > 0) để thu hút các lỗ trống nhằm tạo ra một lớp đảo bằng bán dẫn p trong vùng kênh. Trước hết, để có sự dẫn điện ở transistor PMOS kiểu tăng cường thì điện áp cổng-nguồn cần phải âm nhiều so với điện áp ngưỡng của PMOS, được ký. hiệu là VTP. Để giữ cho các tiếp giáp nguồn-đế và máng-đế được phân cực ngược thì vSB và vDB cũng phải thấp hơn 0. Các đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của PMOS kiểu tăng cường cho ở hình 3.11. Dòng máng sẽ tăng theo các giá trị dương của vGS. Các biểu thức dòng máng của transistor PMOS cũng tương tự như ở NMOS, trừ chiều dòng máng là ngược lại và các giá trị của vSG, vSD và vBS bây giờ là dương. Các biểu thức quan hệ dòng-áp của transistor PMOS được tóm lược như sau:. Đối với tất cả các vùng ta đều có:. Ở các dụng cụ PMOS, các hạt tải điện trong kênh dẫn là các lỗ trống, và dòng điện là tỷ lệ thuận với độ linh động của lỗ trống àp. Độ linh động điển hỡnh của lỗ trống chỉ bằng 40%. độ linh động của điện tử, vì vậy đối với các điều kiện điện áp đã cho, thì dụng cụ PMOS sẽ chỉ dẫn điện bằng 40% dòng điện của dụng cụ NMOS. g) Điện dung trong các transistor MOSFET.

MOSFET KIỂU NGHÈO

K = 2 (3.36) Các biểu thức mô tả quan hệ dòng-áp đều đúng cho cả vùng tăng cường và vùng nghèo, nhưng cần phải xác định dấu thích hợp cho VGS của DMOS hoạt động ở chế độ tăng cường kênh và nghèo kênh. Giải: Để vẽ đặc tuyến truyền đạt với các thông số đã cho ở trên, trước hết ta hãy xác định các điểm đặc biệt trên đặc tuyến như sau:. Trước khi vẽ vùng ứng với VGS dương, ta hãy nhớ rằng ID tăng rất nhanh theo các giá trị dương của VGS, nên ở đây ta sẽ thử chọn VGS = +1V, ta có:. Đặc tuyến truyền đạt được vẽ như ở hình 3.16. b) MOSFET kiểu nghèo kênh-p. Trong công nghệ chế tạo các dụng cụ bán dẫn, tính đối xứng rất hữu ích trong một số ứng dụng, cụ thể là trong các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên động (DRAM) [Dynamic Random-Access Memory].

TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG CỔNG TIẾP GIÁP – JFET

Điện áp thắt VP là giá trị (âm) của điện áp cổng-nguồn tương ứng tại thời điểm vùng kênh dẫn biến mất hoàn toàn. Kênh dẫn sẽ trở nên thắt lại khi hai vùng nghèo của hai tiếp giáp pn kết hợp với nhau tại trung tâm của kênh dẫn. Lúc này, điện trở của vùng kênh sẽ trở nên vô cùng lớn. Nếu tăng vGS âm hơn nữa, về thực chất không ảnh hưởng đến bản chất bên trong của JFET ở hình 3.20c, nhưng vGS. phải không được vượt quá điện áp đánh thủng Ζener của tiếp giáp cổng-kênh. b) Trạng thái kênh dẫn của JFET khi có điện áp cung cấp ở cực máng-nguồn. Điện áp thắt VP là giá trị (âm) của điện áp cổng-nguồn tương ứng tại thời điểm vùng kênh dẫn biến mất hoàn toàn. Kênh dẫn sẽ trở nên thắt lại khi hai vùng nghèo của hai tiếp giáp pn kết hợp với nhau tại trung tâm của kênh dẫn. Lúc này, điện trở của vùng kênh sẽ trở nên vô cùng lớn. Nếu tăng vGS âm hơn nữa, về thực chất không ảnh hưởng đến bản chất bên trong của JFET ở hình 3.20c, nhưng vGS. phải không được vượt quá điện áp đánh thủng Ζener của tiếp giáp cổng-kênh. b) Trạng thái kênh dẫn của JFET khi có điện áp cung cấp vào cực máng-nguồn. Khi tăng giá trị của điện áp máng-nguồn và cố định giá trị của vGS, ta thấy rằng: đối với một giá trị nhỏ của điện áp máng-nguồn, như cho ở hình 3.21a, thì vẫn có một kênh điện trở kết nối giữa máng và nguồn, JFET làm việc ở vùng tuyến tính và dòng máng sẽ phụ thuộc vào điện áp máng-nguồn vDS. Với giả thiết iG ≈ 0, chiều dòng điện vào tại cực máng và ra ở cực nguồn như ở MOSFET. Tuy nhiên, hãy lưu ý rằng điện áp phân cực ngược qua các tiếp giáp cổng-kênh tại đầu kênh dẫn phía cực máng sẽ lớn hơn so với điện áp đầu kênh dẫn phía cực nguồn, và như vậy vùng nghèo sẽ rộng hơn tại đầu kênh dẫn phía cực máng của JFET so với đầu kênh dẫn phía cực nguồn. Đối với các giá trị của vDS lớn hơn, thì vùng nghèo tại phía cực máng sẽ trở nên rộng hơn và tiếp tục mở rộng cho đến khi kênh dẫn thắt lại gần cực má. Việ c thắt kênh xảy ra trước hết tại:. Trong đó, vDSP là giá trị của điện áp máng cần có để kênh dẫn vừa được thắt. Khi kênh dẫn của JFET thắt lại, thì dòng máng sẽ bão hòa, vẫn giống như đối với MOSFET. Các điện tử được gia tốc qua kênh dẫn, được phóng thích vào vùng nghèo, và được cuốn vào vùng máng bởi điện trường giữa máng và nguồn. Hình 3.21c, là trạng thái kênh dẫn của JFET đối với các giá trị lớn hơn nữa của vDS. Điểm thắt sẽ di chuyển tiến về phía vùng nguồn, thu ngắn chiều dài của vùng kênh điện trở. Như vậy, JFET chịu sự điều biến độ dài kênh tương tự như ở MOSFET. c) Họ đặc tuyến i-v của JFET kênh-n.

MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA FET

Theo hỡnh 3.27, rừ ràng ở cỏc FET, quan hệ giữa ID và VGS là quan hệ phi tuyến, nờn phương pháp thông dụng để xét mạch tương đương là dùng mô hình tín hiệu nhỏ tức là xét ảnh hưởng của sự thay đổi nhỏ ở lối vào lên lối ra của FET, mô hình này cho phép tạo ra mạch tương đương cho dụng cụ mà có thể được sử dụng để mô tả hoạt động của dụng cụ theo sự thay đổi nhỏ ở lối vào. Như đã xét ở các phần trên, họ đặc tuyến dc của MOSFET và JFET là không giống nhau vì ở chế độ làm việc thông thường của FET, yêu cầu các điện áp phân cực đặt vào cổng khác nhau.

PHÂN CỰC CHO TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG

Nếu tín hiệu vào lớn đáng kể, thì sẽ làm cho hoạt động của mạch chuyển vào vùng ohmic (vùng tuyến tính) hoặc đến giới hạn như điện áp ra đạt tới điện áp nguồn cung cấp. Cả hai trạng thái đó sẽ làm méo dạng tín hiệu ra. b) Các kiểu mạch phân cực. (**) Mạch phân cực kiểu phân áp cho MOSFET kiểu tăng cường. Mạch phân cực thông dụng thứ hai đối với MOSFET kiểu tăng cường cho ở hình 3.40. Với các trị số của IDQ và. V đã biết, ta có thể xác định được toàn bộ các đại lượng còn lại của mạch, như VDS, VD và VS. c) Chọn điểm làm việc.

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG

Lưu ý phần đã xét ở trên (mục 3.7a) thấy rằng: rd thường lớn hơn nhiều so với RD nên ta có thể đơn giản biểu thức trên:. Hệ số khuyếch đại điện áp vi sai ≈ - gmRD. có dạng tương tự biểu thức đơn giản của bộ khuyếch đại FET đã xét ở phần trước. d) FET như một nguồn dòng hằng. FET có thể xem như một nguồn dòng không đổi với điều kiện là điện áp máng-nguồn lớn hơn điện áp thắt, dòng máng của FET sẽ được điều khiển bởi điện áp cổng-nguồn. Do vậy, một nguồn dòng hằng rất đơn giản có thể được tạo thành dễ dàng khi áp dụng một điện áp không đỗi đến cực cổng. Đối với JFET và DE MOSFET, các dạng đơn giản nhất của mạch nguồn dòng hằng cho ở hình 3.46a và 3.46b. Ở các mạch này, chỉ kết nối đơn giản cực cổng với cực nguồn để cho dòng máng bằng IDSS, dòng điện tạo thành bởi các mạch như vậy được xác định bằng các đặc tính của dụng cụ và thường có giá trị trong khoảng 1mA đến 5 mA. Đã xuất hiện các ‘ nguồn dòng hằng ‘ thường là các FET đơn, với chân nguồn và chân cổng của. FET được kết nối bên trong để tạo thành các dụng cụ hai chân, có các mức dòng khác nhau. Người ta cũng chế tạo các nguồn dòng hằng có khả năng thay đổi mức dòng bằng cách sử dụng kỹ thuật phân cực tự động như mạch cho ở hình 3.46c. Dòng điện chảy qua dụng cụ sẽ tạo nên một sụt áp trên điện trở, tức là phát sinh một điện áp phân cực giữa cổng và nguồn. Trị số của điện trở này được hiệu chỉnh để tạo ra dòng điện hằng tùy yêu cầu của người sử dụng. Các nguồn dòng hằng bằng FET thường được dùng để tạo ra nguồn dòng cho các mạch khuyếch đại vi sai, chẳng hạn như mạch ở hình 3.47. e) FET như một điện trở được điều khiển bằng điện áp. Các mạch suy giảm được điều khiển bằng điện áp có thể được sử dụng với các tín hiệu vào DC hay AC, do FET là dụng cụ có tính đối xứng trong nguyên tắc làm việc của nó (mặc dù đặc tính. của các FET đối với các tín hiệu vào có cực tính khác nhau thường rất khác nhau), nhưng để tránh gây méo dạng thì biên độ của tín hiệu vào cần phải được hạn chế ở một vài chục milivolts. g) FET như một chuyển mạch tương tự.