CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN

Chia sẻ: Duong Minh Tan Tan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

272
lượt xem 105
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep như Gecmani(Ge), Silic(Si) là những nguyên tố có 4 điện tử lớp ngoài cùng. Ở điều kiện bình thường các điện tử đó tham gia liên kết hoá trị trong mạng tinh thể nên chúng không dẫn điện . Hình 3.1 trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể Gecmani,trong đó mỗi nguyên tử đem 4 điện tử ngoài cùng của nó góp với 4 điện tử của 4 nguyên tử khác tạo thành các cặp điện tử hoá...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN

51
Chương 3 CÁC D NG C BÁN D N 3.1 CƠ CH BÁN D N 3.1.1. Bán d n thu n Các nguyên t thu c nhóm IV trong b ng tu n hoàn Mendeleep như Gecmani(Ge), Silic(Si) là nh ng nguyên t có 4 i n t l p ngoài cùng. i u ki n bình thư ng các i n t ó tham gia liên k t hoá tr trong m ng tinh th nên chúng không d n i n . Hình 3.1 Ge Ge Ge trình bày c u trúc ph ng c a m ng tinh th Ge Ge Ge Gecmani,trong ó m i nguyên t em 4 i n t ngoài Ge Ge Ge cùng c a nó góp v i 4 i n t c a 4 nguyên t khác t o thành các c p i n t hoá tr ( ký hi u b ng d u ch m m H×nh 3.1 CÊu tróc m¹ng tinh thÓ ). Khi ư c kích thích b ng năng lư ng t bên ngoài , m t Gecmani s i n t có th b t ra kh i liên k t và tr thành i n t t do d n i n như trong kim lo i. Như v y ch t bán d n tr thành ch t d n i n. Bán d n như v y g i là bán d n thu n hay bán d n ơn ch t. 3.1.2. Bán d n t p . Nh ng bán d n thu n như trên d n i n không t t. tăng kh năng d n i n c a bán d n ngư i ta tr n thêm t p ch t vào bán d n thu n ư c bán d n m i có n ng các h t d n cao g i là bán d n t p.Bán d n t p có 2 lo i là lo a n và lo i p a. Bán d n lo i cho n. N u ta tr n t p ch t thu c nhóm V c a b ng h th ng tu n hoàn Medeleep vào bán d n thu n thì m t nguyên t t p ch t v i 5 nguyên t l p ngoài cùng s có 4 i n t tham gia liên k t v i 4 nguyên t bán d n , còn l i là m t i n t t do. Ví d trên hình 3.2 là bán d n Gecmani (ký hi u Ge) ư c tr n v i asen (As). T p ch t ây ã cho i n t nên t o thành bán d n lo i “cho ”, ký hi u là n. H t d n i n (hay g i là ng t )chính bán d n lo i “cho ” n là i n t v i m t nn . b. Bán d n lo i l y p N u ta tr n vào vào bán d n thu n ch t Indi Ge Ge Ge (In)thu c nhóm III c a b ng tu n hoàn thì t o ®iÖn tö ư c 4 c p i n t liên k t hoá tr v i 4 nguyên t Ge As Ge tù do bán d n,ngoài 3 i n t c a m t nguyên t In s có Ge Ge Ge m t i n t c a nguyên t Ge lân c n ư c l y vào. H×nh3.2 CÊu t¹o b¸n dÉn n Ch m t i n t s t o thành l “tr ng ” mang i n tích dương(hình 3.3).Các “l tr ng ” ư c t o thành Ge Ge Ge Ge In Ge 52 lç trèng Ge Ge Ge H×nh3.3CÊu t¹o b¸n dÉn lo¹i p
hàng lo t s d n i n như nh ng i n tích dương. Bán d n lo i này có t p ch t l y i n t nên g i là bán d n lo i “l y” ký hi u là p. ây h t d n chính là “l tr ng”v i m t là pp. C n nói thêm r ng trong bán d n lo i cho n v n có l n h t d n ph là l tr ng v i n ng pn, trong bán d n lo i “l y”p v n có l n h t d n ph là i n t v i m t là nP. Nghĩa là pP ≥ nP và nn >pn. 3.1.3. M t s hi n tư ng v t lý trong bán d n Trong bán d n t p cũng như bán d n thu n di n ra m t s quá trình v t lý nh hư ng n tính ch t d n i n c a chúng. Ta xét các hi n tư ng ó. a. Hi n tư ng ion hoá nguyên t Khi nguyên t b ion hoá s phát sinh các h t d n t do. K t qu nghiên c u cho th y tích s c a hai n ng h t d n chính và ph trong b t c m t bán d n t p nào i u ki n cân b ng là m t h ng s : nP.pP = nn.pn = const (3.1) T (3.1) ta th y n u tăng n ng c a h t d n lo i này lên bao nhiêu l n thì n ng c a h t d n lo i kia s gi m i b y nhiêu l n. Như v y mu n thay i n ng c a ng t (h t d n) trong bán d n t p ta c n thay i n ng ng t trong bán d n thu n. Trong bán d n lo i n s i n t t do luôn b ng s ion dương ND+; còn trong bán d n lo i p s “l tr ng ” luôn luôn b ng s ion âm NA- c a t p ch t. b. Hi n tư ng tái h p c a h t d n Trong bán d n các ion luôn có th nh n i n tích tr thành nguyên t trung tính. ó là hi n tư ng tái h p. Như v y c m t l n tái h p thì trong bán d n l i m t i m t c p i n tích và bán d n l i chuy n sang m t tr ng thái m i. Khi ó c n quan tâm n s gia tăng n ng c a các h t d n ph vì chúng có vai trò quy t nh trong cơ ch phát sinh dòng i n trong các d ng c bán d n mà ta s nghiên c u sau này. Trong bán d n lo i n, s gi m n ng l tr ng theo th i gian ( s tái h p c a l tr ng v i i n t trong i u ki n n ng i n t cao) là ∆p(t) thì 1 − τp ∆p(t) = ∆P(0) e (3.2) Trong ó ∆P(0) - lư ng l tr ng t i th i i m t = 0 ( là th i i m sau quá trình sinh h t. τP - th i gian s ng c a l tr ng trong bán d n lo i n. Nó ư c nh nghĩa là kho ng th i gian mà lư ng l tr ng gi m i e l n. Tương t trong bán d n lo i P : 53
1 − τn ∆n(t) = ∆n(0) e (3.3) τP, τn quy t nh tính tác ng nhanh ( t n s làm vi c) c a các d ng c bán d n. c. Chuy n ng trôi (gia t c) c a các h t d n trong i n trư ng: Dư i tác d ng c a i n trư ng E các h t d n (các i n tích) s chuy n ng gia t c theo hư ng c a i n trư ng t o nên dòng i n trôi Itr : Itr = qE(n.µn + p.µP) = Itr n + ItrP (3.4) Trong ó : q - i n tích h t d n E - Cư ng i n trư ng. n,p - N ng i n t và l tr ng. µn, µP - là các h s g i là linh ng c a i n t và l tr ng. d. Chuy n ng khu ch tán c a các h t d n: Do s chênh l ch v n ng mà các h t d n s khu ch tán t nơi có n ng cao n nơi có n ng th p hơn, t o thành dòng khu ch tán Ikt . M t c a dòng khu ch tán theo phương gi m c a n ng có d ng: dn Iktn = q.Dn. (3.5) dx dp Iktp = q.DP . (3.6) dx Dn, DP - các h s khu ch tán c a i n t và l tr ng Dn = 32 cm2/s ; DP = 12 cm2/s (3.7) 3.2. M T GHÉP n-p M t ghép n-p là cơ s t o nên h u h t các d ng c bán d n và vi m ch.Vì v y vi c nghiên c u bán d n là nghiên c u các quá trình v t lý trong m t ghép n-p. 3.2.1.S hình thành m t ghép n-p M t ghép n-p ư c hình thành như sau: 54
Cho hai ơn tinh th bán d n n và p ti p xúc v i nhau ( b ng công ngh c bi t). Trong bán d n lo i n h t d n chính là i n t , h t d n ph là l tr ng ; trong bán d n lo i p h t d n chính là l tr ng và h t d n ph là i n t . Do có s chênh l ch v n ng h t d n cùng lo i gi a hai kh i bán d n nên i n t t l p n khu ch tán sang l p p và ngư c l i l tr ng t l p p khu ch tán sang l p n. Sau khi các i n t t l p n khu ch tán sang l p p thì s l i bên n m t l p ion dương g n b c a vùng ti p xúc. Tương t như v y, các l tr ng khu ch tán sang n s t o nên m t l p ion âm bên p g n b vùng ti p xúc (hình 3.4a). Khi t tr ng thái cân b ng, hai bên c a m t ti p xúc ã hình thành hai mi n i n tích trái d u ( mi n i n tích dương bán d n n, mi n i n tích âm bán d n p) . Ngư i ta g i chung mi n i n tích này là mi n i n tích không gian hay mi n nghèo ng t vì h u như không có ng t . Mi n này có tính d n i n c bi t g i là m t ghép i n t l tr ng hay m t ghép n-p. S khu ch tán c a i n t và l tr ng không ph i di n ra vô h n. Khi hình thành hai l p i n t trái d u thì nghi m nhiên ã hình thành m t i n trư ng hư ng t bán d n n sang bán d n p g i là i n trư ng ti p xúc Utx (hình 3.4a). B dày c a l p nghèo ng t này là l 0 = l0P + l 0n ,ph thu c vào n ng t p ch t. N u n ng t p ch t hai mi n là như nhau thì l 0P = l 0n . Thông thư ng m t m t ghép ch t o v i n ng l tr ng p l n hơn n ng i nt n nên l 0n>> l 0P. i n trư ng ti p xúc Utx có chi u c n các h t d n chính nhưng l i gây ra dòng trôi c a các h t d n ph , có chi u ngư c l i v i chi u c a dòng khu ch tán. Quá trình này ti p di n cho n khi dòng khu ch tán b ng dòng trôi thì dòng qua m t ghép s b ng không. n ây coi như ã hình thành xong m t ghép n-p. i u ki n tiêu chu n hi u i n th ti p xúc c 0,3V i v i bán d n Ge, c 0,6V v i bán d n Si. 3.2.2. Phân c c m t ghép bán d n b ng i n trư ng ngoài. a, M t ghép n-p phân c c thu n. N u ta u l p p v i c c dương, l p n v i c c âm c a m t i n trư ng ngoài như hình 3.4b thì m t ghép n-p ư c phân c c thu n. Lúc này s cân b ng c a dòng khu ch tán và dòng trôi Ikt=Itr b phá v . i n trư ng ngoài có chi u ngư c v i i n trư ng ti p xúc Ut x . Ngu n ngoài lúc này ch y u s t lên 55
vùng m t ghép l 0 vì i n tr kh i c a vùng này l n, làm cho dòng khu ch tán tăng lên. Ngư i ta nói r ng m t ghép n-p thông (ho c m ) và s có hi n tư ng phun các h t d n chính qua mi n ti p xúc l 0 . Trong khi ó dòng trôi do Utx gây ra là không áng k vì Utx gi m do i n trư ng ngoài tác ng ngư c chi u. B r ng c a mi n ti p xúc co l i l < l 0. b. m t ghép n-p phân c c ngư c: N u ta i chi u ngu n ngoài như hình 3.4c thì trư ng ngoài s cùng chi u v i trư ng ti p xúc làm dòng khu ch tán gi m, dòng trôi tăng. Tuy nhiên dòng trôi ch tăng chút ít vì n ng c a các h t d n ph nh , t o thành m t dòng ngư c nh . Lúc này có th coi là m t ghép óng (ng t) v i b r ng c a mi n ti p xúc lúc này tăng lên l > l 0. Như v y m t ghép n-p d n i n theo m t chi u như m t van i n, khi ư c phân c c thu n thì dòng thu n l n, khi phân c c ngư c thì dòng ngư c r t nh . 3.3. IÔT BÁN D N 3.3.1.C u t o c a iôt bán d n iôt bán d n ư c c u t o t m t m t ghép n-p K a) A v i m c ích s d ng nó như m t van i n . Tuỳ theo di n tích c a ph n ti p xúc gi a hai l p n và p mà b) ngư i ta g i là iôt ti p i m hay iôt ti p m t. iôt H×nh 3.5 ti p i m, m t ti p xúc gi a hai l p bán d n thu nh a) ký hiÖu diot th«ng th−êng b)ký hiÖu diot æn ¸p l i h u như ch còn m t i m nh m m c ích gi m i n dung ký sinh c a m t ghép iôt có th làm vi c ư c t n s cao. iôt ti p i m ư c s d ng các m ch x lý tín hi u vô tuy n i n như tách sóng, i u ch , bi n t n ...Khác v i iôt ti p i m, iôt ti p m t thì m t ti p xúc c a hai l p n và p có i n tích l n nh m ch u ư c dòng i n l n s d ng chúng vào m c ích ch nh lưu. Trong sơ nguyên lý iôt thông thư ng ư c ký hi u như hình 3.5a, còn hình 3.5b là ký hi u c a iôt n áp. Trên ký hi u A-anot- c c dương ng v i l p p, K-catot - c c âm ng v i bán d n lo i n. 3.3.2. c tính von - ampe (V/A) c a iôt 56
c tính V/A c a iôt là quan h gi a dòng i n qua iôt và i n áp m t chi u t lên nó. Sơ l y c tính m c như hình 3.6a .N u ngu n ư c m c có c c tính như trên hình 3.6a thì iôt ư c phân c c thu n, vonk o i n áp thu n trên iôt, ampe k o dòng thu n qua iôt. c tính có d ng như trên hình 3.6b. Khi i n áp phân c c thu n tăng thì dòng thu n tăng nhanh. Ngư i ta ch ng minh + a) I b) ư c r ng dòng thu n tăng theo quy lu t hàm mũ: A E R U V 0 A U I = I0 (e m. U t − 1) (3.8) _ B Trong ó : U - i n áp thu n; Ut ≅ 0,25mV - H×nh3.6.C g i là i n th nhi t; m = 1÷2 - h s hi u a)S¬ ®å lÊy ®Æc tÝnh cña diot ch nh gi a lý thuy t và th c t ; I0 - dòng bão b) §Æc tÝnh Von-Ampe cña diot hoà ngư c (g n như không ph thu c U , ph thu c vào h t d n ph lúc cân b ng, vào b n ch t c a bán d n t p và vào nh êt môi trư ng). N u i chi u ngu n ngoài thì iôt phân c c ngư c. Trong o n 0A khi phân c c ngư c, dòng qua iôt là dòng ngư c bão hoà I0 khá nh (có m t là10-12A/cm2 i v i iôt Silic và 10-6A/cm2 v i iôt Gecmani) và ph thu c vào nhi t môi trư ng. o n AB dòng i n tăng v t vì i n áp phân c c ngư c l n phá v các liên k t hoá tr . Lúc này các i n t hoá tr nh y t m c hoá tr lên m c d n, iôt m t tính ch t van i n. Ngư i ta nói m t ghép lúc này b ánh th ng v i n . Hi n tư ng ánh th ng này x y ra do hai hi u ng : - Ion hoá do va ch m : Do các h t thi u s ư c gia t c trong i n trư ng m nh nên chúng va ch m v i các nút m ng tinh th , làm cho các m i liên k t gi a các nguyên t bi n d ng ho c b ion hoá t o thành các c p i n t và l tr ng m i. Các c p này l i ti p t c va ch m gây nên hi n tư ng ion hoá m i. K t qu là các i n t và l tr ng tăng lên theo ki u “thác lũ” , nên ánh th ng này g i là ánh th ng thác lũ. - Hi u ng xuyên h m (hi u ng tunen) : Khi i n trư ng ngư c l n có th phá v các m i liên k t nguyên t trong vùng hoá tr t o thành các i n t và l tr ng tham gia d n i n . i u này tương ng v i các i n t t vùng hoá tr vư t lên vùng d n xuyên qua vùng c m, g i là s xuyên h m . Khi ánh th ng v i n, dòng i n ngư c tăng lên áng k trong khi i n áp h u như không tăng . o n BC, m t ghép b ánh th ng v nhi t do b nung nóng b i dòng ngư c quá l n và m t ghép b phá hu hoàn toàn,không th khôi ph c l i tính van i n. 57
3.3.3. Các thông s c a iôt : Khi s d ng iôt ngư i ta quan tâm n các thông s sau c a iôt: 1. Dòng thu n c c i Imax , ó là dòng thu n mà iôt còn ch u ư c khi nó chưa b th ng ( v nhi t ) . 2. Công su t c c i Pmax trên iôt khi iôt chưa b th ng . 3. i n áp ngư c c c i Ung max - i n áp phân c c ngư c c c i c a iot khi iôt chưa b ánh th ng. 4. T n s gi i h n fmax c a iôt - là t n s l n nh t mà t i ó iôt chưa m t tính ch t van(do i n dung ký sinh). 5. i n dung m t ghép : L p i n tích l 0 tương ương v i m t t i n g i là i n dung m t ghép n-p . t n s cao l p i n dung này quy t nh t c óng m c a iôt khi nó làm vi c như m t khoá i n, t c là i n dung m t ghép n-p quy t nh fmax. 6. i n tr m t chi u R0 ư c xác nh t i I m t i m trên c tuy n (hình 3.7-t i i m M): U IM R0M = M (3.9) M IM R0 M = cotg β. β α 7. i n tr xoay chi u R c a diôt ư c xác UM U H×nh3.7 nh t i m t i m trên c tuy n: X¸c ®inh tham sè cña diot trªn dU ®Æc tuyÕn Von-Ampe R= = cotgα. (3.10) dI dI 1 S= = (3.11) dU R S - i n d n c a iôt, S = tgα 8. i n áp m c a iôt : Là i n áp UD dòng thu n qua iôt t 0,1 Imax. 3.4. TRANZISTO LƯ NG C C . N u trên m t bán d n ta t o ra hai m t ghép n-p liên ti p nhau thì ta có m t tranzisto lư ng c c (bipolar ) hay ơn gi n quen g i là tranzisto . 58
Tranzisto có kh năng khu ch i tín hi u gi ng như èn i n t ba c c, Tranzisto óng vai trò r t quan tr ng trong các m ch i n t nên ta c n nghiên c u t m nguyên lý làm vi c và các thông s c a nó . E p n p C E n p n C 3.4.1. C u t o và nguyên lý làm vi c: Tranzisto có hai m t ghép n- a) B B b) p c u t o t ba l p bán d n t p E C E C khác tính nên nó có th là p-n-p ho c n-p-n (hình 3.8) .Lo i B B tranzisto p-n-p có c u trúc và ký H×nh 3.8 CÊu t¹o vµ ký hiÖu hi u như hình 3.8a g i là a) Cña tranzisto thuËn tranzisto thu n, lo i n-p-n hình b) Cña tranzisto ng−îc 3.8b g i là tranzisto ngư c. Hai lo i tranzisto này có c u t o khác nhau nhưng nguyên lý làm vi c tương t nhau . S khác nhau ây là phân c c ngu n cho hai lo i tranzisto này ngư c tính nhau. Vì v y ch c n xét nguyên lý làm vi c c a m t lo i là có th suy ra lo i kia. Ví d ta xét c u t o và nguyên lý làm vi c cu tranzisto thu n p-n-p. C u t o c a m t tranzisto trình bày trên hình 3.9a.Mi n bán d n p th nh t g i là c c phát E - c c Emitơ , ó là mi n có n ng t p ch t l n, t c là n ng l tr ng l n phát ra l tr ng. Mi n th hai là mi n n g i là mi n c c g c B hay c c bazơ . Mi n này v a m ng (c vài µm) l i v a nghèo i n t (n ng t p ch t nh ). Mi n th ba là mi n c c góp hay c c colectơ hay c c C có n ng t p ch t trung bình. C ba mi n c c u có E p C E DE r DC p n chân n i ra ngoài hàn B C vào m ch. M t ghép n-p a) B b) gi a E và B g i là m t ghép H×nh 3.9 a)CÊu t¹o b) vµ c¸c mÆt ghÐp ña tranzisto Emitơ, m t ghép n-p gi a C và B - m t ghép colectơ . Như v y v m t c u trúc có C IC th coi tranzisto lư ng c c IC C như hai iôt m c n i ti p B _ EC B _ nhau qua i n tr kh i rB IB + + EC _ IB c a mi nc c B. Tuy nhiên E _ + E không th dùng 2 iôt m c + E IE B IE B n i ti p nhau ư c 1 E H×nh 3.10 CÊp nguån(ph©n cùc) tranzisto vì trong tranzisto cho tranzisto thuËn 59
do c u t o như trên nên hai iôt (hai m t ghép ) có tác d ng tương h v i nhau qua mi n bazơ . Hi u ng “tranzit” ch x y ra khi kho ng cách gi a hai m t ghép nh hơn nhi u so v i dài khu ch tán c a h t d n. cho tranzisto thu n làm vi c ta phân c c(c p ngu n) nó như hình 3.10. V i cách u ngu n như v y m t ghép Emitơ ư c phân c c thu n(thông ),m t ghép colectơ phân c c ngư c ( óng).Vì m t ghép Emitơ phân c c thu n nên l tr ng t mi n E phun vào mi n Bazơ. Các l tr ng này t o nên dòng c c phát IE. Các h t này vào mi n bazơ tr thành h t thi u s ( h t d n ph c a bazơ) và i sâu vào mi n bazơ hư ng t i m t ghép colectơ. Trên ư ng i m t s tái h p v i i n t (h t a s ) t o nên dòng bazơ IB còn l i a s t t i m t ghép colectơ vì mi n bazơ r t m ng(t c là ã x y ra hi u ng "tranzit"). T i ây nó b trư ng gia t c c a c c colectơ (do m t ghép colectơ phân c c ngư c ) cu n sang mi n c c góp t o thành dòng c c góp IC (*). Như v y : IE = IB +IC (3.12) Tuy nhiên trong thành ph n dòng colectơ còn có dòng ngư c c a m t ghép colectơ. Vì v y : IC = α IE + IC 0 (3.13) α IE là ph n dòng do l tr ng “tranzit” sang c c C IC 0 - dòng ngư c c a m t ghép colectơ (xem hình 3.6b).Thư ng thì IC 0 r t nh IC nên có th coi IC ≈ α IE và α = (3.14) IΕ α g i là h s truy n dòng i n (c c phát ) ,nó ánh giá hao h t dòng i n khu ch tán trong vùng bazơ .(α = 0,9 ÷ 0,999) ánh giá tác d ng i u khi n c a dòng bazơ i v i dòng colectơ ngư i ta thư ng dùng h s truy n (khu ch i) dòng bazơ β : IC β= (3.15) IΒ V y IE = IC + IB = (1+β)IB I βI β β α= C = = (3.16) I Ε (1 + β )I β 1 + β β 1 α= và β = 1+ β 1− α T t c các k t lu n trên u úng cho tranzisto ngư c. Phân c c cho tranzisto ngư c n-p-n có chi u ngư c v i hình 3.10 60
3.4.2.H c tuy n tĩnh c a tranzisto. Các quan h dòng-áp trong tranzisto ch không có tín hi u g i là các c tuy n tĩnh I 2 c a nó. Các h I2 I 1 I 2 c tính tĩnh a) I 1 I U c a tranzisto 1 U2 1 U U 2 1 U 2 ư c xác nh U1 tuỳ theo cách M¾c EC M¾c BC M¾c CC I 1 I 2 m c tranzisto. U 1 Tranzistor U 2 Tranzisto có b) H×nh 3.11.a)c¸c c¸ch m¾c tranzisto.b)Tranzistor nh− mét m¹ng ba cách m c bèn cùc g i theo c c chung gi a u vào và u ra g i là m c emitơ chung EC , bazơ chung BC và colectơ chung CC như trên hình3.11a. ti n cho vi c xác nh các tham s c a tranzisto ngư i ta coi tranzisto là m t m ng 4 c c (m t o n m ch có 4 c c) tuy n tính như hình 3.11b c trưng quan h gi a u vào và u ra . Lúc ó ta có các h phương trình c trưng: H phương trình tr kháng : (*) Th c ra các quá trình v t lý di n ra trong tranzisto khá ph c t p . Trên ây ch trình bày các nét chính c a quá trình v t lý ó.. U1 = f1 (I1,I2) = r11I1 + r12I2 U2 = f2 (I1,I2) = r21I1 + r22I2 (3.17) H phương trình i n d n : I1 = g1 (U1, U2) = g11U1 + g12 U2 I2 = g2 (U1, U2) = g21U1 + g22 U2 (3.18) H phương trình h n h p(hay h phương trình tham s H) : U1 = h1 (I1, U2) = h11I1 + h12U2 (3.19). I2 = h2 (I1, V2) = h21I1 + h22U2 Trong ó rij, gij, hij, tương ng là i n tr i n d n và tham s h n h p c a tranzisto: ∂U1 R11 = = h11 - i n tr vi phân u vào c a tranzisto dI1 I 2 = const 61
∂u2 r22 = =1/h22 - i n tr vi phân u ra c a tranzisto. ∂I 2 I1 =const ∂I 2 h21 = -H s khu ch i dòng i n vi phân ∂I1 U2 =const ∂I2 g 21 = = 1/r12=S-h d n thu n (truy n t c a tranzisto ∂U1 U 2 = const ) xác nh các tham s trên ngư i ta d ng h c tuy n tĩnh c a tranzisto(b ng th c nghi m).H c tuy n tĩnh c a tranzisto thi t l p các quan h gi a các dòng i n và i n áp c a tranzisto trong ch không có tín hi u (ch tĩnh ). H này xác nh theo h (3.19) là ti n hơn c : H c tuy n vào U1 = f(I1) khi U2= const;H c tuy n h i ti p U1 = f(U2) khi I1 = const;H c tuy n truy n t I2 = f(I1) khi U2 = const;H mA - - c tuy n ra I2 = f(U2) khi I1 = const. R 2 EC Như v y v i cách m c E R1 B µA khác nhau thì h c tuy n c a V2 tranzisto s khác nhau.Tuy + V1 + nhiên cách m c thông d ng nh t là m c Emitơ chung, nên H×nh 3.12 S¬ ®å lÊy ®Æc tuyªn cña tranzisto thuËn ta ch xét h c tuy n c a cách m c này. i v i cách m c Emitơ chung có th l y h c tuy n theo sơ ư c th c hi n b ng các phép ô trong phòng thí nghi m hình 3.12 (tranzisto công su t nh ). Trong sơ này µA-microampe k dùng o dòng bazơ IB, mA- miliampe k dùng o dòng côlectơ IC , V1 - von k th nh t o dòng i n áp UBE, V2 - von k th hai dùng o i n áp UCE ; R1, R2 - hai tri t áp ch nhUBE và UCE. 62
a.H c tuy n vào: IB = f(UBE) = f(UB) khi UCE = UC = const l yh c tuy n vào ta gi cho i n áp UCE ( ơn gi n g i là UC ) không thay i, ghi các giá tr IB và UB tương ng vào b ng. Thay i giá tr UC r i l p l i phép o ta ư c ư ng cong th hai (hình 3.13a). c tuy n này gi ng như c tuy n c a i t khi phân c c thu n. Th t v y IB là m t ph n c a dòng IE ch y qua m t ghép Emitơ phân c c thu n. ng v i m t UB nh t nh dòng IB IB µA UC=2v UC=6v 150 a) 100 50 UB 0,5 1,0 1,5 v IC mA IB=100µA c) b) 5 IB=80µA 4 c tuy n truy n IB=60µA t UC=6v 3 IB=40µA UC=2v 2 1 IB=20µA Iβ µA 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 IC V Hình3.13 a) c tuy n vào c-b) c tuy n truy n t và c tuy n ra . càng nh khi UC càng l n vì i n áp UC càng l n thì s h t b cu n sang mi n c c C càng l n, s h t d n b tái h p trong mi n bazơ và n ư c c c B càng ít nên dòng IB nh i. Vì v y khi tăng UC (tr tuy t i) h c tuy n d ch sang ph i. b. c tuy n ra : Là c tuy n IC = f(UC ) khi IB =const. 63
l y c tuy n này gi cho IB giá tr c nh nào ó, thay i UC và l p b ng ghi l i dòng IC tương ng. Phép o ư c l p l i v i các giá tr khác nhau c a IB. K t qu s có h c tính như hình 3.13b. Khi UCE = UC = 0 thì dòng IC=0 vì l tr ng t mi n E qua m t ghép Emitơ có m t ph n nh t o thành dòng IB còn ph n l n ng l i mi n bazơ vì chưa có trư ng gia t c kéo l tr ng sang mi n Colectơ . Khi UC tăng ban u dù nh nhưng tác ng tr c ti p lên l tr ng ng mi n bazơ nên dòng IC tăng r t nhanh. ây UCE= UEB+UBC . i m u n c a ư ng c tuy n ng v i UBC = 0 .Lúc này dù trư ng UC nh v n mau chóng làm dòng thu n ( UCE < UEB) g i là ch bão hoà.Khi UCE > UEB tranzisto chuy n sang ch khu ch i. ch này các ư ng c tuy n ra g n như song song nhau. N u ti p t c tăng UCE thì dòng IC càng l n ,tranzisto s b ánh th ng. c. c tuy n truy n t : IC = f(IB) khi UC = const ư c l y b ng cách gi cho giá tr c a UC không i, thay i IB và ghi l i giá tr tương ng c a IC . c tuy n truy n t cũng có th d ng t c tuy n ra, ta làm như sau: T i m t v trí UC cho trư c trên c tuy n ra ta k ư ng song song v i tr c tung , ư ng này c t h c tuy n các i m khác nhau ta tìm ư c IB và IC tương ng. Trên tr c IB , IC ta tìm các i m tho mãn IB , IC v a tìm ư c . N i các i m này ta ư c c tính truy n t(xem hình 3.13c). 3.4.3.Sơ tương ương c a tranzisto. Khi tranzisto làm vi c ch tín hi u nh , có th coi tranzisto là m t phân t tuy n tính . ti n phân tích m ch ch a tranzisto ngư i ta thư ng dùng hai d ng sơ tương ương c a tranzisto sau ây: Sơ tương ương th nh t d a vào h phương trình tham s H . ch hình sin ta có h (3.19) U1 = h11eI1 + h12eU2 (3.19). I2 = h21eI1 + h22eU2 Các tham s có thêm ký hi u “e” ch sơ emitơ chung. Các tham s hije có th xác nh tr c ti p trên các h c tuy n c a tranzisto như hình 3.14a. ∆U 1 ∆U B U B 2 − U B1 h11e = U 2 =const = U C =const = U = const = rbe – ∆I1 ∆I B I B 2 − I B1 C rbe - i n tr u vào c a tranzisto ch khu ch i tín hi u nh . rbe = rB + β.rd rd- i n tr khu ch tán emitơ, c vài trăm Ω n vài trăm kΩ. rB - i n tr kh i vùng bazơ , c vài ch c Ω. 64
∆U 2 ∆U B U − U B2 h 12 e = = = B3 - H s h i ti p ∆U 2 I 1 = const ∆U C I B = const U C 2 − U C1 i n áp, thư ng r t nh (10 - 4 ÷ 10 - 6 ) nên có th b qua. ∆I 2 I − I C1 h21e = = C3 ≈ β - H s khu ch i dòng i n. ∆I 1 U 2 = const I B 2 − I B1 ∆I 2 h22e = = I C 2 − I C1 = 1 - i n d n ra c a tranzisto ∆U 2 U C2 −U C1 r CE 1 rCE = c ch c kΩ n MΩ h 22 e T h 3.19 ta có sơ tương ương hình 3.15a. IB IC IB2 UC1 UC2 IC3 IB2 IC2 IC1 IB1 IB1 UB a) UB1 UB2 UB3 b) 0 UC1 UC2 UC Hình 3.14. a) c tuy n vào b) c tuy n ra. T h 3.19 ta có sơ tương ương hình 3.15a. H phương trình 3.18 v i sơ m c Emitơ chung: I1 = g11eu1 +g12eu2 I2 = g21eu1 + g22eu2 (3.18) T h ó ta có sơ tương ương hình 3.15b.Các tham s giJ e sơ này cũng xác nh tương t như các tham s hiJ trên các h c tuy n. sơ 3.15b ta b qua 1 g12e ≈ 0 , g22e= ≈ h22e rCe 65
g21= B B ∆I2 ∆IC ∆IC ∆IB IB IC C IB IC C ∆U1 = ∆U B = ∆IB ∆U B h11e -h IB 21e g11e -g21eUB UB = h21e / h11e= S - h d n h12eUC g22e UC UB g22e UC g12eUC c a tranzisto(tính d n E E E i n tương h gi a c c C a) b)E H×nh 3.15 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña tranzisto và c c B) a)Theo tham sè H b) theo tham sè Y T hình 3.15a thì: - h21eIB = - g21eh11eIB = - g21UB (3.20) Nên sơ 3.15b là suy t sơ hình 3.15a. D ng sơ th hai d a theo các tham s v t lý c a tranzisto.Hình 3.16 trình bày sơ tương ương c a m ch m c bazơ chung theo các tham s v t lý c a tranzisto: re- i n tr m t ghép Emitơ;rb- i n tr kh i vùng bazơ ; rC- i n tr m t ghép colectơ;-αIE ngu n dòng tương ương c a c c Emitơ ưa t i c c colectơ. Sơ tương ương này g i là sơ tương ương hình ch T . ây: h11 = re + (1- α)rb ; h21 = α 1 (3.21) rb/re = h12 ; =h22 rc Các sơ tương ương v a xét trên là nh ng sơ tương ương khi tín hi u nh , có t n s không cao. Do th i gian bay c a các h t αU d n (ph ) vùng bazơ là h u h n, do s t n t i i n E B' C dung khu ch tán nên gi a dòng i n và i n áp có s IE re rC l ch pha. Vì v y mô t các c tính c a tranzisto rb C C t n s cao ngư i ta s d ng sơ tương ương hình ch B H×nh 3.16 π (hình 3.17) Trong ó i n dung vào Cb’e ph thu c vào i n dung l p ch n emitơ CSe và i n dung khu ch tán c a m t ghép emitơ Cde. Cb’E = Cde + CSe (3.22) Cde quan h v i i n tr khu ch tán rd và th i gian bay c a h t d n ttrong vùng bazơ theo bi u th c: τb = Cde rd. S0 - h d n trong c a tranzisto: α Ic S0 = = (3.23) rd Ut 66
gC và Cb’e - i n d n và i n dung h i ti p µ e gC = ≈0 (3.24) β .r d µe = 10-3 ÷ 10-4 g i là h s Early Cb’C = CSC + CdC (3.25) CS C - i n dung l p ch n colectơ CdC - i n dung Ccb khu ch tán colectơ B C CdC = µe Cde ≈ 0 gc Ic IB rbb' rce - i n tr ra , UBE Cce UCE rd Cb'e rce = rce SoUBE µe Ccb và Cce là E H×nh 3.17.S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng h×nh π cña tranzisro i n dung phân b gi a các u n i bên ngoài. t n s > (100÷ 1000)Mhz thì ω cb’e >> gc nên có th b qua gc và Ccb khá nh nên thư ng b qua. 3.4.4. S nh hư ng c a nhi t n các tham s c a tranzisto. Nói chung các tham s c a tranzisto u ph thu c vào nhi t . Tuy nhiên ch khu ch i c n chú ý n hơn c là s ph thu c c a các dòng dư (dòng ngư c) vào nhi t . ch khu ch i dòng colectơ theo (3.13) có thành ph n dòng dư Ico là dòng ngư c c a m t ghép colectơ . nhi t bình thư ng i v i tranzisto Silic dòng này c vài nanoampe, i v i tranzisto Gecmani dòng này vài microampe. Khi nhi t tăng kho ng (8 ÷ 10)0c dòng này tăng g p ôi. Th c t n u dòng tĩnh Ic c a tranzisto ch n > 0,1 mA thì có th b qua Ico . Trong trư ng h p ngư c l i ph i tính n s ph thu c c a dòng Ic theo nhi t . Do v y trong các m ch c n có bi n pháp n nh nhi t cho tranzisto. 3.5 TRANZISTO TRƯ NG (TRANZISTO KÊNH). Tranzisto trư ng FET (Field - effect - tranzisto) ho t ng nh s i u khi n kênh d n bán d n b ng m t i n trư ng ngoài. Dòng i n trong tranzisto trư ng ch do m t lo i bán d n t o ra. c i m c a tranzisto trư ng trong các m ch i n t là nó tiêu th r t ít năng lư ng và gia công x lý tín hi u v i tin c y cao. Tranzisto trư ng có hai lo i chính là: - Lo i c c c a là m t ghép n-p (JFET) - Lo i c c c a cách ly ( IGFET) 67
3.5.1Tranzisto trư ng c c c a m t ghép n-p JFET. Tranzisto trư ng JFET có th có kênh d n ra là bán d n p ho c n. Chúng có ký hi u tương ng như hình 3.18a. Chúng ho t ng cũng tương t như nhau nên ta ch c n xét nguyên lý làm vi c c a m t trong hai lo i. Ví d ta xét lo i kênh d n n. Hình 3.18b trình bày mô ph ng c u trúc c a JFET kênh d n n. Trên tinh th bán d n silic lo i n ngư i ta t o b c quanh nó m t l p bán kênh d n n. Trên tinh th bán d n silic lo i n ngư i ta t o b c quanh nó m t l p bán d n lo i p có n ng t p ch t cao hơn nhi u so v i , r i ưa ra ba c c i n c c là : c c ngu n S (source), c c máng a) D(Drain) và c c c a G hay c ng(Gate). Kênh d n n Kªnh dÉn lo¹i n Kªnh dÉn lo¹i p n i gi a c c ngu n S và c c máng D ư c ngăn cách v i c c c a b i l p b) G P Kªnh dÉn n m t ghép n-p bao quanh nó(N u kênh d n là p thì ESG P D bao quanh nó là l p n.) - + MÆt ghÐp n-p S Nguyên lý làm vi c c a ESD JFET như sau : N u dùng + - ngu n phân c c cho H×nh 3.18 Ký hiÖu vµ cÊu t¹o cña tranzisto tr−êng tranzisto trư ng như hình 3.18b thì c c D s dương so v i c c S, còn c c G âm so v i S (n u coi S u v i mát thì UGS < 0 và UDS > 0).Dư i tác d ng c a i n trư ng trong kênh d n su t hi n dòng t D sang S g i là dòng máng ID. Dòng này ph thu c vào UGS và UDS t c là ID = f(UGS,UDS) N u gi nguyên tr s m t i n áp ta có: ID = F1(UDS)/UGSconst ID = F2(UGS)/UDS = const (3.26) Khi ngu n UDS = 0 và UGS < 0 thì S và D ng th , c c c a G phân c c âm, m t ghép n-p phân c c ngư c, i n trư ng s phân b u d c theo kênh d n. Vì t p ch t kênh d n pha ít hơn nhi u so v i c c c a nên lon >> lop, nghĩa là b r ng vùng nghèo ng t c a m t ghép n-p ăn sâu vào phía kênh d n,kênh d n b th t u d c theo phương S→D (hình 3.19a). 68
Khi UDS nh n m t giá tr nào ó mà S và G u mát thì D dương t o nên m t trư ng tăng d n d c theo hư ng S sang D( Hình 3.19b). Trư ng này cũng làm cho m t ghép n-p phân c c ngư c nên lon cũng tăng d n d c theo kênh d n theo chi u t S sang D làm kênh có d ng hình ph u . Khi phân c c âm cho G và dương cho D quá trình trên s s y ra s m hơn nên kênh d n có d ng như hình 3.19c. Như v y n u ta i u khi n i n áp UGS ta có th i u khi n ư c m c a kênh d n, t c là i u khi n ư c dòng c c máng tương t như dùng i n áp bazơ i u khi n dòng colectơ như tranzisto lư ng c c. H c tuy n ra ID = f(UDS) khi UGS = constc a tranzisto trư ng có d ng như hình 3.20 . c tuy n có ba mi n : - Mi n g n g c to : Khi UDS nh dòng ID tăng r t nhanh và ph thu c vào UGS cho t i i m u n A ( ng v i UGS = 0 ). ây là vùng làm vi c c a JFET gi ng như m t i n tr thu n. - Ngoài i m A g i là mi n th t P (mi n bão hoà) khi UDS l n ID h u P như không ph thu c vào UDS mà ch a) S G D ph thu c vào UGS. Mi n này JFET + - làm vi c như m t ph n t khu ch P i, ID ch ph thu c vào UDS - T i m B tr i, dòng ID tăng b) P v t m t ghép n-p b ánh th ng. S G D ng v i m t UGS nh t nh ta s có m t giá tr UDS0 ng v i i m u n - + A g i là i n áp th t kênh hay i n c) P áp bão hoà c a dòng c c máng. Tranzisto có các tham s c P S G D trưng sau: + - Các tham s gi i h n : - + - Dòng c c máng cho phép H×nh 3.19 Ph©n cùc cho tranzisto tr−êng trong IDmax ng v i i m B hình 3.20 ( ng c¸c chÕ ®é kh¸c nhau v i UGS = 0);giá tr IDmax kho ng ≤ 50 mA. - i n áp ngu n-máng c c i cho phép : 69
dU DS - N i tr hay i n tr vi phân Ri = khi UGS = const. Ri c dI D 0,5MΩ. UDmax = UB / (1,2 ÷ 1,5) - c vài ch c von, ây UB là UDS ng v i i m B. - i n áp khoá UGS 0 (b ng giá tr c a UDSo ng v i ư ng UGS = 0) Các tham s làm vi c : dID - H d n c a JFET :S = khi UDS = const - cho bi t tác d ng i u dU GS khi n c a i n áp c c c a t i dòng c c máng. V i JFET S thư ng t (7÷10) mA/V. Hình 3.20 .H c tuy n ra c a - i n tr vi phân ID(mA) tranzisto trư ng kênh d n n u vào RV: A UGS=0 B dU GS -0,5v RV = c dI G 109Ω. -1v t n s cao còn c n quan tâm n các i n -1,5 dung ký sinh CDS và CGD c vài pF 0 1 2 3 4 5 6 7 8 UDS (v) 3.5.2. Tranzisto trư ng có c c c a cách ly IGFET FET có c c c a cách ly có c u trúc kim lo i - i n môi - bán d n (metal - isolator - semicondactor) nên g i là MISFET. i n môi isolator thư ng dùng oxyt Silic SiQ2 nên g i là MOSFET ( Metal -oxyt - semicondactor). MOSFET là lo i thông d ng nh t vì d ch t o, giá thành r nên ta xét lo i c u t o MOSFET. Hình 3.21 trình c u t o c a MOSFET lo i kênh t s n và lo i kênh c m ng (không t s n). Trên bán d n Silic t p lo i p (Si-p) ngư i ta pha t p ch t b ng công ngh c bi t t o nên hai mi n bán d n n+ (n ng t p ch t cao hơn so v i ) và l y ra c c máng D và c c ngu n S. Hai mi n này ư c n i v i nhau b ng kênh d n t s n như hình 3.21a, ho c ch hình thành sau khi có i n trư ng ngoài như hình 3.21b. (g i là kênh c m ng ho c kênh không t s n). 70