Transistor trong mach IC - TS Lê Tuấn

Chia sẻ: Nguyễn Thị Ngọc Lựu | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

114
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Transistor trong mach IC cung cấp các kiến thức về Transistor lưỡng cực: kiến thức cơ sở về transistor lưỡng cực, transistor lưỡng cực ở chế độ tích cực thuận, profile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực, sự co hẹp bề rộng vùng cấm, hệ số khuếch đại dòng, các đặc trưng một chiều, điện áp đánh thủng, so sánh với các linh kiện RF khác, Mosfet kênh dài, tóm tắt về dòng điện Mosfet, Mosfet trong các chế độ hoạt động khác nhau...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Transistor trong mach IC - TS Lê Tuấn

TRANSISTOR TRONG MẠCH IC Biên soạn: TS. Lê Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 2
TRANSISTOR LƯỠNG CỰC
Kiến thức cơ sở về transistor lưỡng cực • Cấu trúc: giống như hai diode p-n nối xoay đầu vào nhau E B C n p n transistor n-p-n E B C p n p transistor p-n-p • Chế độ điện áp VBC Vùng tích cực Vùng bão hòa ngược (Saturation) (Reverse active) VBE Vùng tích cực Vùng cắt thuận Cut-off (Forward active) 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 4
Transistor lưỡng cực ở chế độ tích cực thuận • Giản đồ năng lượng • Các thành phần dòng điện 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 5
• Ví dụ với transistor lưỡng cực p-n-p trong chế độ điện áp thuận 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 6
Profile phân bố tạp chất trong transistor lưỡng cực • Cấu trúc thực tế của transistor lưỡng cực đơn (a) và planar trong mạch IC (b). • Profile phân bố tạp chất trong transistor - Emitter cấy ion - Transistor nhiều emitter 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 7
Sự co hẹp bề rộng vùng cấm • Đối với bán dẫn pha tạp mạnh, năng lượng hiệu dụng ion hóa tạp chất giảm giá trị Đối với bán dẫn loại n  Nd  ∆Eg ( N d ) = 18.7 ln  17 ÷ meV for N d ≥ 7 ×1017 cm −3  7 ×10  ∆Eg ( N d ) = 0 for N a < 7 ×1017 cm −3 Đối với bán dẫn loại p  2   Na    Na   ∆Eg ( N a ) = 9 ln  17 ÷+  ln  17 ÷÷ + 0.5  meV for N a ≥ 10 cm 17 −3   10    10     ∆Eg ( N a ) = 0 for N a < 1017 cm −3 • Nồng độ hiệu dụng hạt tải thuần  Eg 0 − ∆Eg   ∆Eg  n = p0 n0 = N c N v exp  − 2 ie ÷ = ni exp  2 ÷  kT   kT  03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 8
Dòng collector IC dφn J n = −qn p µn dx d (φ p − φn ) dφ p ; qn p µn ¬ ; 0 dx dx nie d  n p p p  2 kT  n p p p  = qDn  2 ÷ ¬ φ p − φn = ln  2 ÷ p p dx  nie  q  nie  WB pp  np pp   np p p  Jn ∫ 2 dx =  2  − 2  0 qDn nie  nie  x =WB  nie  x =0 n p 0 (0) p p 0 (0)  qV  ; 2 exp  BE ÷ nie (0)  kT  p p (0) ; p p 0 (0) q  qV  JC = exp  BE ÷  qV  WB pp  kT  n p (0) = n p 0 (0) exp  BE ÷? n p 0 (0) ∫0 2 Dn nie dx 2  kT  qDn nie  qV  JC ; exp  BE ÷ qAE  qV  N aBWB  kT  I C = AE J C = exp  BE ÷ WB pp  kT  for uniform base doping ∫ 0 2 Dn nie dx → electron current for a n-p diode 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 9
Dòng collector IC (tiếp) • Mật độ dòng collector bão hòa q  qV  JC = exp  BE ÷ WB pp  kT  q  qV  ∫ 0 2 Dn nie dx JC 0 ≡ , J C = J C 0 exp  BE ÷ WB pp  kT  ∫ 0 2 DnB nieB dx • Số cơ sở Gummel WB ni2 p p qni2  qV  GB ≡ ∫ 2 dx, J C = exp  BE ÷  theo de Graaff 0 nieB Dn GB  kT  Tất cả các thông tin của vùng cực gốc đều phải có mặt trong G B. Do đó, dòng collector là hàm số chỉ của các thông số vùng cực gốc. Một cách định nghĩa khác của số cơ sở Gummel W 2 qDnB nieB  qV  B GB ≡ ∫p 0 p dx , JC = GB exp BE   kT   theo Gummel 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 10
Dòng base Giả thiết: Toàn bộ dòng base là do các lỗ trống được tiêm vào vùng cực gốc – base (bỏ qua sự tái hợp tại vùng nghèo của chuyển tiếp emitter – base và tại vùng trung hòa của cực gốc) dφ p nie d  nn 0 pn  2 J p = −qpn µ p = −qD p  2 ÷ dx nn 0 dx  nie  −q  qV  2 qD p nie JB = exp  BE ÷  qV  nn kT  JB ; exp BE  ∫−W Dp nie dx  0 2 N dEWE  kT  E trường hợp emitter pha tạp đồng đều qAE  qV  I B = J B AE = exp  BE ÷ 0 nn  kT  Số Gummel cho emitter: ∫ −WE 2 D p nie dx 0 ni2 nn qni2  qV  Mật độ dòng base bão hòa: GE ≡ ∫ −WE 2 nieE D pE dx , J B = GE exp BE   kT  q  qV  J B0 ≡ 0 , J B = J B 0 exp BE  nn  kt  ∫ −WE 2 D pE nieE dx 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 11
Hệ số khuếch đại dòng • Hệ số khuếch đại dòng emitter tổng cộng: ∂I C I C GE (giả thiết cả base và emitter được pha tạp đồng đều β0 ≡ = = và các dòng tiêm không đáng kể) ∂I B I B GB 0 nn ∫ −WE 2 D pE nieE dx = WB pp ∫ DnB nieB dx 0E 2 2 nieB DnB N dEWE = 2 nieE D pE N aBWB • Hệ số khuếch đại dòng base tổng cộng: ∂I C I IC β0 α0 ≡ =− C = = ∂ (− I E ) I E I B + I C 1 + β0 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 12
Các đặc trưng một chiều • Đồ thị giá trị các số Gummel • Đặc trưng I-V 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 13 VBE (V)
Các điện trở nối tiếp vùng emitter và base rb = rbx + rbi rc = rc1 + rc 2 + rc 3 • Sự thay đổi hiệu điện thế đặt vào chuyển tiếp emitter – base VBE do điện trở nối tiếp (VBE ảnh hưởng lớn tới đặc tuyến ra IC – VCB của transistor) ∆VBE = − I E re + I B rb ; I C re + I B ( re + rb ) VBE = VBE − ∆VBE ' Các biểu thức có chứa VBE đều phải thay bằng V’BE: WB ni2 p p GB ≡ ∫ dx - Đối với dòng base, thay đổi thừa số e qVBE / kT 0 2 nieB Dn qVBE / kT - Đối với dòng base, thay đổi thừa số e và số Gummel cho vùng base 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 14
Biến điệu độ rộng vùng base (hiệu ứng Early) Giá trị điện áp VCB tăng gây ra:  Sự gia tăng độ rộng vùng điện tích không gian của chuyển tiếp collector – base.  Kích thước vùng trung hòa điện tích của base WB bị giảm đi.  Số Gummel cho vùng base giảm đi.  Tăng dòng collector • Hiệu ứng Early và thế Early VA  VCE có giao điểm với đường ngoại suy của IC.  Giá trị VA càng nhỏ thì hiệu ứng Early càng mạnh. −1  ∂I C  VA + VCE = IC  ÷  ∂VCE  −1  ∂I C  Q pB VA ; I C  ÷ ;  ∂VCE  CdBC 2 qDnB (WB ) nieB (WB ) WB N B ( x) ; CdBC ∫0 DnB ( x)nieB ( x) dx 2 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 15
Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao • Ở mức tiêm hạt dẫn cao vào vùng base mật độ dòng JC giảm đi – Nồng độ lỗ trống tăng trong vùng base. – Xuất hiện hiệu ứng biến điệu độ dẫn vùng base. – Xuất hiện hiệu ứng Kirk ( = hiệu ứng tăng chiều dài vùng base). • Hiệu ứng biến điệu độ dẫn vùng base tại mức tiêm hạt dẫn cao + Ở điều kiện cân bằng: xB0NB = xC0NC + Khi có mặt các hạt dẫn linh động: xB(NB + Δn) = xC(NC – Δn) với: Δn = JC/qvsat 1 + ( ∆n / N B ) 1 − ( ∆n / N C ) xC = xC 0 , x B = xB 0 1 − ( ∆n / N C ) 1 + ( ∆n / N B ) 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 16
Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao (tiếp) • Hiệu ứng Kirk: – Xuất hiện ở mức tiêm hạt dẫn rất cao (phép gần đúng nghèo không còn đúng). – Nồng độ các hạt tải động bằng hoặc lớn hơn nồng độ tạp chất. – Vùng điện tích không gian trở nên trung hòa về điện: kích thước vùng base mở rộng. 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 17
Dòng collector ở mức tiêm hạt dẫn cao (tiếp) Nồng độ lỗ trống Nồng độ electron 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 18
Dòng dò base • Dòng base gây ra bởi các quá trình phát sinh – tái h ợp (G – R) – Dòng G-R do các tâm sai hỏng khối trong Si được bỏ qua. – Dòng G-R gây ra bởi các bẫy trên mặt phân cách của chuyển tiếp là đáng kể – Nếu trong số bẫy bề mặt còn gồm có các tâm ở vùng chuyển tiếp E-B, dòng base tỷ lệ theo IB ~ exp(qVBE/2kT) • Dòng base gây ra bởi các quá trình tunnel – Đối với các vùng emmiter (E) và base (B) pha tạp mạnh, xác suất tunnel tăng lên. – Ngoài pha tạp mạnh, các bẫy cũng làm tăng xác suất tunnel. – IB ~ exp(qVBE/2kT) I B (ideal ) µ exp( qVBE / kT ) I B (G − R ) µ exp( qVBE / 2kT ) I B (Tunneling ) µ exp( qVBE / 2kT ) In general, I B µ exp(qVBE / nB kT ), nB : base current ideality factor Similarly, I C µ exp(qVBE / nc kT ), nC : collector current ideality factor 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 19
Điện áp đánh thủng • BVCBO: điện áp đánh thủng collector-base với emitter mở • BVEBO: điện áp đánh thủng emitter-base với collector mở Đánh thủng diode • BVCEO: điện áp đánh thủng collector-emitter với base mở • BVCES: điện áp đánh thủng collector-emitter với base n ối t ắt t ới emitter • BVCER: điện áp đánh thủng collector-emitter với base nối qua đi ện trở tới emitter Đánh thủng transistor 03/27/14 Đại học Bách khoa Hà Nội 20