3.4.3.1. Điụt Tunnel
Đối với bỏn dẫn loại P nồng độ tạp chất càng lớn, mức Fecmi càng dịch chuyển gần về phớa đỉnh vựng hoỏ trị, cũn đối với bỏn dẫn N, nồng độ tạp chất càng lớn mức Fecmi càng dịch chuyển gần về đỏy vựng dẫn.
Trong cỏc điốt chỉnh lƣu, do mức độ pha tạp vừa phải, mức Fecmi trong điều kiện cõn bằng nhiệt động nằm ở giữa vựng cấm. Sự di chuyển của cỏc hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp PN khi phõn cực ngƣợc chủ yếu do tỏc dụng cuốn của điện trƣờng qua rào thế, cũn sự di chuyển của cỏc hạt dẫn đa số qua chuyển tiếp PN phõn cực thuận chủ yờỳ là do khuếch tỏn vƣợt qua rào thế.
Nếu tăng nồng độ hạt dẫn trong bỏn dẫn P và bỏn dẫn N đạt 1019/cm3 trở lờn. Khi đú độ rộng miền điện tớch khụng gian càng hẹp (vài um). Mức Fecmi trong giản đồ vựng năng lƣợng sẽ nằm sõu vào đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P.
Hỡnh 3.12.Giản đồ năng lƣợng của chuyển tiếp PN
Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, giữa đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P cú những mức năng lƣợng bằng nhau. Do đú sẽ cú những điện tử đi từ vựng hoỏ trị sang vựng dẫn mà khụng cần vƣợt qua rào thế của chuyển tiếp PN (lỗ trống đi theo chiều ngƣợc lại). Sự di chuyển theo phƣơng thức này gọi là hiệu ứng đƣờng hầm. Nhƣ vậy khi khụng cú điện ỏp ngoài đặt vào điụt Tunnel vẫn tồn tại hai dũng tunnel: dũng tunnel điện tử đi từ vựng hoỏ trị sang vựng dẫn I v-e và dũng Tunnel điện tử từ vựng dẫn đến vựng hoỏ trị Ie-v.Trong trƣờng hợp cõn bằng (khụng cú điện ỏp ngoài đặt vào) cƣờng độ I e –v và Iv-e bằng nhau nhƣng ngƣợc chiều nhau cho nờn qua chuyển tiếp PN đú khụng cú dũng chảy ra cực ngoài.
Khi tiến hành phõn cực cho chuyển tiếp PN, trạng thỏi cõn bằng bị phỏ vỡ. Nếu là phõn cực thuận thỡ dũng Ie –v là chủ yếu, khi đú cú hiệu ứng Tunnel theo chiều thuận. Nếu phõn cực ngƣợc, dũng Iv-e sẽ là chủ yếu, khi đú cú hiệu ứng Tunnel theo chiều ngƣợc. Chỳ ý là khi đú qua chuyển tiếp PN vẫn tồn tại dũng cuốn cỏc hạt thiểu số khi phõn cực ngƣợc và dũng khuếch tỏn cỏc hạt đa số khi phõn cực thuận. Cỏc dũng này cú cƣờng độ nhỏ hơn nhiều so với dũng tunnel.
b. Nguyờn lý làm việc và đặc tuyến Volt – Ampe của điụt Tunnel - Khi phõn cực ngƣợc:
+ Khi phõn cực ngƣợc xảy ra hiệu ứng Tunnel theo chiều ngƣợc, dũng ngƣợc của điụt tunnel tăng đột ngột. Trong dũng ngƣợc của điụt Tunnel, thành phần dũng điện Ive đúng vai trũ chủ yếu. Càng tăng điện ỏp phõn cực ngƣợc, dũng tunnel theo chiều ngƣợc càng tăng. Dũng Ie-v và dũng ngƣợc tuy vẫn tồn tại nhƣng nhỏ hơn Ive rất nhiều nờn cú thể bỏ qua. So với điụt chỉnh lƣu, đặc tuyến ngƣợc của điụt tunnel tăng lờn đột ngột khi điện ỏp ngƣợc tăng, khụng hề cú đoạn bóo hoà.
Hỡnh 3.13. Đặc tuyến ngược của điụt Tunnel và điụt chỉnh lưu
Hỡnh 3.14. Đặc tuyến thuận của điụt Tunnel
+ Khi ch- a có điện áp phân cực thuận đặt vào, điốt ở trạng thái cân bằng, dòng thuận Ith = 0.
+ Khi tăng điện áp thuận, chiều cao rào thế giảm qU (U là điện áp thuận đặt vào) làm tăng thành phần khuyếch tán điện tử từ N sang P. Khi phân cực thuận còn nhỏ, các hạt dẫn đa số (điện tử bên N và lỗ trống bên P) di chuyển không những bằng khuyếch tán mà bằng ph- ơng thức xuyên hầm (do cấu tạo đặc biệt của vùng năng l- ợng của điốt Tunnel), hơn nữa chủ yếu bằng ph- ơng thức xuyên hầm. Điện áp thuận càng tăng thì dòng thuận càng tăng. Giai đoạn này ứng với đoạn (1) trên đặc tuyến. Nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, dòng thuận tăng đến điểm (2) là thời điểm mà đáy vùng dẫn bên N ngang với mức Fecmi bên P và đỉnh vùng hoá trị bên P ngang với mức Fecmi bên N.
+ Sau điểm (2) trên đặc tuyến, nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, dòng thuận giảm. Bởi vì trong quá trình đáy vùng dẫn bán dẫn N đối diện với số mức bỏ trống bên bán dẫn P sau khi đạt tới giá trị cực đại bắt đầu giảm xuống. Một số điện tử bên phía N có mức năng l- ợng cao nh- ng đối diện với nó là vùng cấm cho nên điện tử không thể chuyển qua đ- ợc. Đây là đặc tuyến quan trọng nhất của điốt Tunnel vì nó xuất hiện điện trở âm (dòng điện giảm khi điện áp tăng). Đoạn đặc tuyến này biểu diễn bằng đoạn (3) trên đặc tuyến. Sự giảm dòng thuận tiếp diễn cho đến khi đáy vùng dẫn phía N ngang với đỉnh hoá trị bên P, ứng với điểm (4) trên đặc tuyến.
+ Từ điểm (4) nếu tiếp tục tăng điện áp thuận, đáy vùng dẫn bên N vẫn tiếp tục tăng cao, khoảng cách giữa đáy vùng dẫn bên N và đỉnh vùng hoá trị bên P lại là vùng cấm. Lúc này điốt Tunnel lại hoạt động nh- một điốt chỉnh l- u thông th- ờng. Quan hệ giữa điện áp thuận và dòng thuận lúc này là quan hệ hàm mũ. Giai đoạn này ứng với đoạn (5) của đặc tuyến.
c. Ký hiệu mạch của điôt tunnel và ứng dụng - Ký hiệu:
- ứng dụng: Điốt Tunnel do có đặc tuyến điện trở âm nên có nhiều ứng dụng trong thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực siêu cao tần.
3.4.3.2. Điốt ngược
Về mặt cấu tạo, cú thể coi điụt ngƣợc là sự quỏ độ từ điốt chỉnh lƣu sang điụt Tunnel. Đối với điụt chỉnh lƣu, nồng dộ đụnụ trong bỏn dẫn N và acxepto trong bỏn dẫn P nằm trong khoảng giới hạn nhất định và mức Fecmi của loại điốt này nằm ở khoảng gần giữa vựng cấm. Nếu tăng nồng độ hạt dẫn trong bỏn dẫn cũng nhƣ bỏn dẫn N lờn tới mức làm cho bỏn dẫn trở thành bỏn dẫn suy biến, mức Fecmi lỳc này đó dịch chuyển đến sỏt đỏy vựng dẫn bờn bỏn dẫn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn bỏn dẫn P (cỏh chỳng một khoảng nhỏ hơn 2kT). Khi đú ta cú điụt ngƣợc hay điụt suy biến. Nếu tiếp tục tăng nồng độ tạp chất ở cả hai phớa bỏn dẫn P và N thỡ mức Fecmi sẽ nằm sõu vào đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P. Khi đú cú điụt Tunnel.
- Khi phõn cực ngƣợc:
Do mức Fecmi nằm sỏt đỏy vựng dẫn bờn N và đỉnh vựng hoỏ trị bờn P nờn chỉ cần một điện ỏp phõn cực ngƣợc nhỏ đó xuất hiện hiệu ứng xuyờn hầm theo chiều ngƣợc. Do hiệu ứng xuyờn hầm này mà dũng ngƣợc tăng rất nhanh, khụng hề cú đoạn bóo hoà nhƣ điụt chỉnh lƣu thụng thƣờng.
- Khi phõn cực thuận:
Khỏc với điụt Tunnel, hiệu ứng Tunnel theo chiều thuận lại khụng xảy ra. Dũng qua chuyển tiếp PN khi phõn cực thuận là dũng khuyếch tỏn cỏc hạt đa số nhƣ trong cỏc điụt chỉnh lƣu thụng thƣờng, do đú quan hệ giữa dũng thuận và điện ỏp thuận là quan hệ hàm mũ. Nhƣng trong trƣờng hợp này do điụt ngƣợc pha tạp nhiều nờn trong khoảng điện ỏp thuận cũn nhỏ, sự tăng dũng điện thuận chậm hơn nhiều do với sự tăng điện ỏp. Do chuyển tiếp PN đựoc pha tạp với nồng độ lớn, hiệu điện thế tiếp xỳc của chuyển tiếp PN cũng lớn, do đú điểm uốn của đặc tuyến thuận cũng xảy ra muộn so với trƣờng hợp bỡnh thƣờng.
Một cỏch tổng quỏt, đặc tuyến thuận của điụt ngƣợc cú dạng nhƣ đặc tuyến ngƣợc của điụt chỉnh lƣu, đặc tuyến ngƣợc thuận của điụt ngƣợc cú dạng nhƣ đặc tuyến thuận của điụt chỉnh lƣu.
- Ký hiệu:
- Ứng dụng: Dựng để tỏch súng ở tần số siờu cao
3.4.3.3 Điốt biến dung
- Nguyờn lý hoạt động
Khi phõn cực chuyển tiếp PN ở một giỏ trị điện ỏp nhất định, miền điện tớch khụng gian rộng ra. Toàn bộ miền điện tớch khụng gian này cú thể xem nhƣ một vật liệu điện mụi (vỡ điện trở suất của nú rất lớn), trong khi đú miền bỏn dẫn P và N so với miền điện tớch khụng gian thỡ điện trở suất lại rất nhỏ, cú thể tƣơng đƣơng nhƣ một vật liệu dẫn điện. Cấu trỳc của chuyển tiếp P-N lỳc này cú thể xem nhƣ là một một tụ điện phẳng: điện mụi là miền điện tớch khụng gian, hạt phiến của tụ điện là hai miền bỏn dẫn P và N. Nhƣ vậy cú thể ỏp dụng phƣơng phỏp tớnh điện dung của tụ điện phẳng để tớnh để tớnh điện dung của điốt. Giỏ trị điện dung của tụ điện phẳng tỷ lệ thuận với diện tớch của phiến điện cực và tỷ lệ nghịch với chiều dày của lớp điện mụi (khoảng cỏch giữa hai phiến điện cực). Do đú điện dung của điụt sẽ tỷ lệ thuận với diện tớch thiết diện PN và tỷ lệ nghịch với độ rộng miền điện tớch khụng gian.
Hỡnh 3.16.Nguyờn lý cấu trỳc của điụt biến dung
gọi là Điốt cú điện dung thay đổi khi điện ỏp đặt ở hai đầu vào của điốt thay đổi -> điốt biến dung. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Ký hiệu:
- Đặc điểm của điốt biến dung là điện dung của điốt biến đổi gần nhƣ đồng thời với sự thay đổi của điện ỏp ngƣợc đặt vào điốt.
thay đổi, do đú tần số của mạch cũng thay đổi. Thực tế cỏc điốt biến dung đƣợc dựng phổ biến trong cỏc mạch tự động điều chỉnh tần số hoặc cỏc mạch điều tần. Trong cỏc mạch khuyếch đại tham số và nhõn tần, dựng điốt biến dung hệ số phẩm chất của mạch sẽ rất cao.
CHƢƠNG 4. TRANSISTOR BÁN DẪN
4.1. Tranzitor lưỡng cực
4.1.1. Cấu tạo, nguyờn lý làm việc và cỏc thụng số cơ bản của tranzito lƣỡng cực
a. Cấu tạo
Tranzitor là linh kiện bỏn dẫn cú 3 miền với cỏc loại dẫn xen kẽ nhau trong cựng một đơn tinh thể bỏn dẫn. Cỏc miền đƣợc phõn cỏch nhau bằng chuyển tiếp p-n.
Hỡnh 4.1. Mụ hỡnh của tranzitor
+ Miền ở giữa gọi là miền gốc (Base) hay miền bazơ. Ký hiệu B. Miền này cú nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày nhỏ cỡ um.
Hai miền cũn lại chế tạo bất đối xứng: Miền phỏt (miền Emitơ) chớch cỏc hạt tải điện vào miền B, miền này cú nồng độ tạp chất lớn nhất. Miền thu (miền Collectơ) nhận tất cả cỏc hạt tải điện (đƣợc chớch từ E qua B), miền này cú nồng độ tạp chất
trung bỡnh.
+ Tƣơng ứng với mỗi miền là cỏc cực B,E,C của tranzitor.
+ Chuyển tiếp p-n giữa E và B gọi là chuyển tiếp E. Chuyển tiếp p-n giữa C và
B gọi là chuyển tiếp C.
+ Cú hai loại tranzitor lƣỡng cực: Loại pnp và npn. Tranzitor loại npn cũn đƣợc gọi là tranzitor thuận, loại pnp đƣợc gọi là tranzitor nghịch. Ký hiệu nhƣ sau:
Hỡnh 4.2. Ký hiệu của trazitor
Chỳ ý:
o Mũi tờn trong ký hiệu dựoc đặt giữa cực E và B hàm ý chỉ sự phỏt xạ hạt dẫn, chiều mũi tờn hƣớng từ bỏn dẫn P sang bỏn dẫn N.
o Xột về mặt cấu tạo chuyển tiếp E bvà chuyển tiếp C nhƣ hai điụt và do đú về mặt hỡnh thức cú thể coi tranzitor nhƣ đựoc tạo thành từ hai điụt mắc nối tiếp
nhau.
Hỡnh 4.3. Phõn tớch cấu tạo của tranzitor thành 2 điốt
Nhƣng khụng cú nghĩa là cứ mắc hai điụt nối tiếp nhau là cú thể làm đƣợc chức năng của tranzitor bởi vỡ hai chuyển tiếp trong tranzitor khụng độc lập mà cú tỏc dụng tƣơng hỗ với nhau.
o Nhỡn về mặt hỡnh thức thỡ cấu tạo của tranzitor là đối xứng nhƣng do cỏc miền đƣợc pha tạp với nồng độ khỏc nhau và cú chức năng khỏc nhau (miền E chớch hạt dẫn, miền C nhận hạt dẫn). Do đú thực tế khụng thể đảo cực E thành cực C và ngƣợc lại.
Ứng dụng: Tranzitor là linh kiện đƣợc ứng dụng rộng rói trong lĩnh vực xử lý tớn hiệu mạch điện tử, dựng làm cỏc khoỏ điện tử, khuyếch đại tớn hiệu, tớch hợp trong cỏc vi mạch....
b. Nguyờn lý làm việc
Để hiểu rừ bản chất của tranzitor ta đi tỡm hiểu tranzitor loại pnp làm vớ dụ điển
hỡnh. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trƣớc hết để tranzitor làm việc, ngƣời ta phải đƣa điện ỏp một chiều tới cỏc cực của nú, gọi là phõn cực cho tranzitor.
Với tranzitor làm việc ở chế độ khuếch đại ta phõn cực thuận cho chuyển tiếp E và phõn cực ngƣợc cho chuyển tiếp C. Ta đƣa điện ỏp UEB>0 và UCB>0.
*) Giải thớch nguyờn lý làm việc:
- Chuyển tiếp E phõn cực thuận làm gia tăng chuyển động của cỏc hạt đa số. Vỡ nồng độ của cỏc hạt đa số trong bazơ là nhỏ sự khuyếch tỏn của chỳng sang miền E là hầu nhƣ khụng đỏng kể so với hạt dẫn đa số từ miền E sang B . Cỏc hạt dẫn mới đƣợc phun vào miền B (lỳc này đúng vai trũ là cỏc hạt thiểu số) tiếp tục đƣợc khuếch tỏn đến đến miền điện tớch khụng gian chuyển tiếp C .Vỡ chuyển tiếp Cphõn cực ngƣợc sẽ cuốn cỏc hạt thiểu số sang miền C. Nếu nhƣ sự phõn cực này đƣợc duy trỡ thỡ ở cỏc cực của tranzitor đều xuất hiện dũng điện.
- Ở trạng thỏi tĩnh, nghĩa là cỏc giỏ trị điện ỏp phõn cực UEB và UCB khụng đổi, dũng điện chảy qua cực E và C khụng đổi. Nếu đặt vào giữa cực E và cực B một tớn hiệu làm thay đổi điện ỏp phõn cực thuận chuyển tiếp E, cú nghĩa là thay đổi dũng phun vào từ E vào B. Tuy điện ỏp phõn cực ngƣợc trờn C khụng đổi nhƣng do số hạt
dẫn thiểu số trong miền B thay đổi khiến dũng ngƣợc qua chuyển tiếp C (IC) thay đổi theo đỳng quy luật biến đổi của tớn hiệu vào. Nếu tại đầu ra của tranzitor mắc thờm một điện trở tải Rt, dũng IC sẽ tạo ra trờn điện trở này một điện ỏp cú quy luật biến thiờn nhƣ điện ỏp tớn hiệu đặt tại đầu vào.
*)Phõn tớch thành phần cỏc dũng điện bờn trong tranzito
Hỡnh 3.4. Cỏc thành phần dũng điện trong transistor PNP
- Qua chuyển tiếp emito cú 2 dũng khếch tỏn hạt đa số đú là dũng khuếch tỏn lỗ trống từ E sang B, và dũng khuếch tỏn điện tử từ B sang E. Nếu bỏ qua sự tỏi hợp trong miền điện tớch khụng gian thỡ coi dũng lỗ trống phun từ E sang B bằng Ip(X2), và cƣờng độ điện tử phun từ B sang E bằng In(X1). Do E đƣợc pha tạp rất nhiều nờn
Ip(X2) đồng thời cũngtỏi hợp nhanh chúng điện tử phun từ B sang E, khiến nồng độ điện tử trong E giảm nhanh từ bờ chuyển tiếp p-n vào phớa trong. Nhƣ vậy dũng chảy tại cực E cú thể coi nhƣ tổng của 2 thành phần Ip(X2), In(X1), trong đú Ip(X2) đúng vai trũ quyết định.
- Trong miền B, sau khi cỏc p đƣợc phun sang - Ip(X2) tiếp tục khuếch tỏn đi sõu vào miền B. Do miền B đƣợc pha tạp ớt, độ rộng rất hẹp (nhỏ hơn rất nhiều so với quóng đƣờng khuếch tỏn cỏc hạt thiểu số) cho nờn hầu hết cỏc lỗ trống này đến đƣợc miền điện tớch khụng gian. Tại đõy chỳng bị điện trƣờng mạnh của chuyển tiếp C phõn cực ngƣợc cuốn sang miền C. Nếu giả thiết sự tỏi hợp trong miền điện tớch C là khụng đỏng kể thỡ Ip(X3) = Ip(X4).
- Tuy B hẹp và pha tạp ớt nhƣng số hạt dẫn đa số tại đõy cũng đỏng kể so với hạt dẫn khụng cõn bằng mới phun vào từ E, nờn miền B vẫn xảy ra hiện tƣợng tỏi hợp. Vỡ vậy mà làm trung hũa bớt n, p trong miền B, làm xuất hiện dũng tỏi hợp Irb => Ip(X3)<Ip(X2) một lƣợng đỳng bằng Irb.
- Ip(X3) sang C thành Ip(X4) đõy là thành phần chủ yếu của dũng C, ngoài ra cũn cú dũng Ico (cú bản chất nhƣ dũng ngƣợc). Khi chế tạo bằng nhiều phƣơng phỏp, ngƣời ta cho dũng Ico của transistor nhỏ nhất. Nhƣ vậy:
Ic = Ip(X4)+Ico trong dú Ip(X4) bị khống chế bởi Ib và Ie. Trong thực tế vỡ Ico
thƣờng rất nhỏ cho nờn: Ic Ip(X4)
Nhƣ vậy, cú thể thành lập cỏc biểu thức mụ tả mối quan hệ giữa dũng chảy ở cỏc