3.1. Cấu tạo, nguyên lý, phân cực của BJT
+ Cấu tạo
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm có 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành hai mối nối P – N.
Tuỳ theo cách xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo hai loại transistor là PNP và NPN
Hình: Cấu tạo transistor
27 - Cực thu C (Collector)
- Cực nền B (Base)
Ba vùng bán dẫn được nối ra 3 chân gọi các cực E, C, B. Cực phát E và cực thu C tuy cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không thểhoán đổi nhau được.
Để phân biệt với các loại transistor khác, loại PNP và NPN còn được gọi là transistor lưỡng nối viết tắc là BJT (Bipolar Junction Transistor).
+ Ký hiệu, hình dáng
Ký hiệu:
Hình: Ký hiệu transistor
Để phân biệt hai loại transitor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên ở cực E để chị chiều dòng điện IE.
Hình dáng
Hình: Các hình dạng transistor
+ Nguyên lý hoạt động của transistor, phân cực của BJT
- Xét transistor loại NPN - Thí nghiệm 1:
Hình 4.4
Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn DC, cực B để hở. Trường hợp này điện tử trong vùng bán dẫn N của cực E và C, đo tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị duy chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên Transistor công suất lớn ( Con sò) Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn
28
không có hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống và do đó không có dòng điện qua transistor.
- Thí nghiệm 2 :
Hình 4.5
Làm giống như thí nghiệm 1 nhưng nối cực B vào một điện áp dương sao cho: VB > VE và VB < VC
Trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực B và cực E giống như một diode (gọi là diode BE) được phân cực thuận nên dẫn điện, điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ sang vùng bán dẫn P của cực B để tái hợp với lỗ trống. Khi đó vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm điện tử nên có điện tích âm
Cực B nối vào điện áp dương của nguồn nên sẽ hút một số điện tử trong vùng bán dẫn P xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp dương cao hơn nên hút hầu hết điện tử trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất điện tử sẽ bị hút điện tử từ nguồn âm lên hết thế chỗ tạo thành dòng điện IE.
Chiều mũi tên trong transistor chỉ chiều dòng điện tử di chuyển, dòng điện qui ước chạy ngược dòng điện tửnên dòng điện IB và ICđi từ ngoài vào transistor, dòng IE
đi từ trong transistor ra.
Số lượng điện tử bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều chạy sang cực E.
Tacó: IE = IB + IC
- Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối:
Về cấu tạo trnsistor NPN được xem hai diode ghép ngược. Transistor dẫn điện khi được cung cấp điện áp. Lúc đó, diode BE được phân cực thuận các diode BC được phân cực ngược
- Xét transistor loại PNP - Thí nghiệm 3:
29
Đối với transistor PNP thì điện áp nối vào các chân ngược lại với transistor NPN. Hạt tải di chuyển trong transistor PNP là các điện tử xuất phát từ cực E trong khi đối với transistor PNP thì hạt tải di chuyển là lỗ trống xuất phát từ cực E.
Transistor PNP có cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn DC, cực B để hở.
Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P của cực E và cực C, do tác dụng của lực tĩnh điện, sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn N của cực B nên không có hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và điện tử và không có dòng điện qua transistor.
- Thí nghiệm 4 :
Nối cực B vào một điện áp âm sao cho VB<VE và VB>VC
Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực E và cực B giống như diode (gọi là diode BE) Được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với điện tử.
Khi vùng bán dẫn N của cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương. Cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống vào vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chổ tạo thành dòng điện IE.
Hai mũi tên trong transitor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dòng điện tử nên dòng lỗ trống có chiều cùng chiều với dòng qui ước, dòng điện IB và Ic từ trong transitor đi ra, dòng điện IE đi từ ngoài vào transistor.
Sốlượng lỗ trống bị hút từ cực E chạy đều qua cực B và cực C nên dòng điện IB và ICđều từ cực E chạy qua.
Tacó : IE = IB + IC
30
Về cấu tạo transistor PNP được xem như hai diode ghép ngược. Diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực ngược.
3.2. Ứng dụng cơ bản của BJT
- Mạch khuếch đại tín hiệu - Mạch dao động đa hài….. 4. Transistor MOSFET
Transistor trường được viết tắc là FET (Field Effect Transistor) là loại transistor có tổng trở vào rất lớn, khác với loại transistor lưỡng nối BJT loại loại NPN và PNP có tổng trởvào tương đối nhỏ.
FET có hai loại JFET và MOSFET, trong đó MOSFET chia làm hai loại là MOSFET liên tục và MOSFET gián đoạn.
4.1 Cấu tạo, nguyên lý, đặc tuyến của JFET
+ Cấu tạo:
- JFET có hai loại JFET kênh N và JFET kênh P - Cực tháo D (Drain)
- Cực nguồn S (Source) - Cực cổng G (Gate)
Hình: Cấu tạo JFET
JFET kênh N có cấu tạo gồm có thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra gọi là cực tháo D và cực nguồn S. Hai bên thanh bán dẫn loại N là hai vùng bán dẫn loại P tạo thành mối nối PN như diode, hai vùng nối dính nhau gọi là cực cửa G.
JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại với JFET kênh N.
31 Ký hiệu:
Hình: Ký hiệu JFET
JFET kênh N và kênh P có ký hiệu như hình trên và được phân biệt bằng chiều mũi tên ở cực G.
+ Nguyên lý hoạt động
Xét mạch thí nghiệm JFET kênh N như sơ đồ hình 6.3, cực D nối vào cực dương nguồn Vcc, cực S nối vào cực âm nguồn Vcc.
Nguyên lý hoạt động của JFET kênh N và kênh P giống nhau chúng chỉ giống nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực. Để cho JFET làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện VGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược, còn nguồn điện VDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID.
Xét nguyên lý hoạt động của JFET kênh N: Để cho hai vùng P-N phân cực ngược, phải cung cấp nguồn Vcc có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng chiều âm vào cực nguồn.
+ Đặc tuyến và các thông số cơ bản Xét mạch sơ đồ JFET kênh N như sau, cực D nối vào cực dương nguồn Vcc cực S nối vào cực âm nguồn Vcc.
- Khi cực G để hở (VGS = 0V)
Lúc này dòng điện sẽ qua kênh theo chiều từ cực dương của nguồn vào cực D và ra ở
cực S để trở về nguồn âm của Vcc. Lúc đó kênh có tác dụng như một điện trở.
Khi tăng nguồn Vcc để tăng điện thế VDS từ 0V lên thì dòng điện ID tăng lên nhanh nhưng sau đó đến một điện thế giới hạn thì dòng điện ID không tăng được nữa gọi là dòng điện bão hòa IDSS. Điện thế DDS có IDSS gọi là điện thế nghẽn VPO.
Hình 6.3
Hình 6.9
32 - Khi cực G có điện âm (VGS <0V)
Khi cực có điện thế âm nối vào chất bán dẫn P, trong kênh N có dòng điện qua nên có điện thếdương ở giữa chất bán dẫn N sẽ làm mối nối PN bị phân cực ngược làm điện tử trong chất bán dẫn của kênh N bị đẩy và thu hẹp tiết diện kênh nên điện trở kênh dẫn điện tăng lên, dòng ID giảm xuống. Khi tăng điện thế âm ở cực G thì mức phân cực nghịch càng lớn làm dòng ID càng
giảm nhỏ và đến một trị số giới hạn thì dòng điện ID gần như không còn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn –VPO.
JFET kênh P có mạch thí nghiệm như hình 6.12 với nguồn Vcc cung cấp cho cho VDS, điện thế cung cấp cho cực G bây giờ là điện thế dương (VG > VS).
JFET kênh P cũng có đặc tuyến ngõ ra và đặc tuyến truyền dẫn giống như JFET kênh N nhưng có các dòng điện và điện thế ngược dấu.
4.2. Ứng dụng
Trong kỹ thuật điện tử, transistor trường được sử dụng gần giống như transistor lưỡng cực. Tuy nhiên, do một số các ưu nhược điểm của FET so với BJT, đặc biệt là hệ số khuếch đại thấp, mà transistor trường thường được sử dụng ở mạch thể hiện được ưu thế của chúng. Đặc biệt trong việc tích hợp IC thì transistor trường ứng dụng rất hiệu quả vì cho phép tạo ra các IC có độ tích hợp cao. Sau đây ta xem xét một vài mạch ứng dụng của FET.
+ Tầng khuếch đại vi sai dùng FET
Để tăng trở kháng vào (tới hàng chụ M) người ta sử dụng transistor trường như hình sau. Về nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai không có gì khác với mạch dùng transistor lưỡng cực, chỉ có trở kháng vào của mạch dùng FET thì lớn hơn nhiều (có thể tới hàng trăm lần cao hơn so với dùng BJT). + Mạch phát sóng RC dùng FET
Ở tầng số khuếch đại có hệ số khuếch đị K= gm.RL, trong đó gm là độ dẫn của FET và
Hình 6.4 Hình 6.11
33 RL là điện trở tải của mạch.
d D d D L R R R R R + = Tần số dao động của mạch: RC f 6 2 1 =
Mạch tạo dao động RC cho dao động có tần số dù thấp. Trong khối khuếch, tín hiệu ra ngược pha với tín hiệu vào (FET mắc nguồn chung) nên mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch tín hiệu 1800 ở tần số phát sóng.
5. Transistor trường MOSFET
Transistor MOSFET chia làm hai loại là MOSFET liên tục và MOSFET gián đoạn. Mỗi kênh liên tục hay gián đoạn đều có phân loại theo tính chất bán dẫn là kênh N hay kênh P. Chỉ xét MOSFET kênh N và suy ra cấu tạo kênh P.
5.1. Cấu tạo, nguyên lý, đặc tuyến của MOSFET
+ Cấu tạo
Hình 6.6
Kênh dẫn điện là hai vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cao (N+) được nối liền với nhau bằng vùng bán dẫn loại N pha nồng độ cấp thấp (N) được khuếch tán trên một nền là chất bán dẫn loại P phía trên kênh dẫn địên có phủ lớp oxit cách điện SiO2.
Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn N+ gọi là cực S và D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxít nhưng vẫn cách điện với kênh N. Thường cực S được nối chung với nền P.
Ký hiệu:
Kênh N Kênh P
+ Nguyên lý:
Xét mạch thí nghiệm như hình 6.7. Transistor loại MOSFET kênh sẵn có hai loại là kênh loại P và kênh loại N.
34 Khi transistor làm việc, thông thường cực nguồn S được nối mass nên VS=0. Các điện áp đặt vài các chân cực cửa G và cực tháo D là so với chân cực S. Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực tháo D để tạo nên dòng điện ID. Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc nghèo hạt dẫn.
Nguyên lý làm việc của transistor kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau.
+ Đặc tuyến
Xét mạch thí nghiệm sơ đồ sau:
Hình 6.12
Hình 6.13a Hình 6.13b
a. Khi VGS = 0
Trường hợp này kênh dẫn có tác dụng như một điện trở, khi tăng điện áp VGS
thì dòng điện ID tăng lên một trị số giới hạn là IDSS (Dòng IDS bão hoà). Điện áp VDS ở trị số IDSS cũng gọi là điện áp nghẽn VPO giống như JFET.
b. Khi VGS < 0
Trong trường hợp cực G có điện áp âm nên đẩy electron từ kênh N vào vùng nền P làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N và dòng điện ID bị giảm xuống do điện trở kênh dẫn tăng lên.
Khi tăng điện áp âm ở cực G thì dòng điện ID càng nhỏ và đến một trị số giới hạn, dòng điện ID gần như không còn. Điện áp này ở cực G còn gọi là điện áp nghẽn VPO.
35 c. Khi VGS >0
Trường hợp phân cực G có điện áp dương thì điện tử thiểu số ở vùng nền P bị hút vào nền N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trở kênh bị giảm xuống và dòng điện IDtăng cao hơn trị số bảo hoà IDSS.
Trong trường hợp này ID lớn dễhư MOSFET nên ít được sử dụng.
Đặc tuyến ngõ ra ID/VDS và đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh liên tục.
Hình 6.13a là đặc tuyến ngỏ ra ID/VDS và hình 6.9b là đặc tuyến truyền dẫn ID/VGS của MOSFET liên tục kênh N.
Như vậy đặc tuyến truyền dẫn cho thấy, khi VGS>V thì có dòng điện qua transistor. Điện thế V cũng được gọi là điện thế thềm và trị số khoảng 1V.
+ Các thông số kỹ thuật
Transistor trường ứng có tổng trở vào rất lớn giống đặc tính của đèn điện tử ba cực do cực G cách điện đối với kênh dẫn điện. Do đó, các thông số kỹ thuật của FET cũng giống như các thông số kỹ thuật của đèn điện tử ba cực.
a. Độ truyền dẫn
Độ truyền dẫn của FET là tỉ số giữa mức biến thiên của dòng điện ID và mức biến thiên của điện thế VGS khi só VGS không đổi.
(mA v) v i V I g gs D GS D m = / = b. Độ khuếch đại điện thế
Độ khuếch đại điện thế của FET là tỉ số giữa mức biến thiên điện thế ngõ ra VDS và mức biến thiên điện thế ngỏ vào VGS khi có IDkhông đổi.
gs ds GS DS v v V V = − = c. Tổng trở ngỏ ra.
Tổng trở của FET là tỉ số giữa điện thế ngỏ ra vdsvà dòng điện cực tháo id.
) ( 0 kilo ohm i v V V r d ds GS DS = − = 5.2. Ứng dụng Hình 6.8: Ứng dụng Mosfet
Trong bộ nguồn xung của Monitor hoặc máy vi tính, thường dùng cặp linh kiện là IC tạo dao động và đèn Mosfet, dao động tạo ra từ IC có dạng xung vuông được đưa