Giáo trình điện tử học

Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng - Điện trường tiêp xúc EX có tác dụng: một mặt cản trở sự di chuyển các hạt đa sô làm giảm dòng điện khuêch tán Ikt, mặt khác làm tăng cường sự di

TS.ĐÀO MINH HƯNG (Chủ biên) ThS BÙI QUANG BÌNH

GIÁO TRÌNH

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG

LỜI NÓI ĐÀU

Giáo trình Điện tử học đề cập một cách hệ thong các kiến thức không thể thiếu trong lĩnh vực điện tử, từ các linh kiện điện tử cơ bản như: diode, transistor, thyristor, vi mạch thuật toán Op-Amp đến các mạch điện tử ứng dụng trong truyền thông tin như: chỉnh lưu, ổn áp, khuếch đại, tạo dao động, điều biển - tách sóng, kỹ thuật xung - sổ, truyền thông sổ, đo lường Tài liệu trình bày các phương pháp phân tích, tồng hợp mạch điện từ

cơ bản phù hợp với yêu cầu chuẩn đầu ra trong chương trình đào tạo hệ cử nhân Vật lý Ngoài ra, đây cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các sinh viên ngành Điện Điện tử - Viền thông, Công nghệ thông tin

Hiện nay, chương trình đào tạo được thiết kế theo hệ tín chi, thời gian học tập trên lớp không nhiều nên khi biền soạn chúng tôi cổ gắng trình bày chi tiết hơn các nội dung mà sinh viên không được nghe giảng trực tiếp, giúp cho họ có thể tự học và tham khảo ở nhà Một sẻ nội dung có tính chất gợi mở, liên hệ thực tiễn Sau mỗi chương đều cỏ câu hỏi ôn tập, bài tập, giúp nắm vững và củng cổ kiến thức vừa học.

Giảo trình này gồm có 8 chương:

Chương 1 Linh kiện điện từ

Chương 2 Mạch khuếch đại

Chương 3 Khuếch đại vi sai và khuếch đại thuật toán

Chương 4 Mạch dao động

Chương 5 Các mạch sổ cơ bản

Chương 6 Mạch biển đổi tần số tín hiệu

Chương 7 Nguồn cấp điện một chiều

Chương 8 Dụng cụ đo lường điện tử

Giáo trình đã được Hội đồng thấm định Trường Đại học Quy Nhơn thông qua Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa học Tự nhiên; các Thầv giáo, Cô giáo Khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã giúp đỡ, đọc bản thảo và đỏng góp nhiều ỷ kiến quỷ báu trong khi biên soạn tài liệu.

Trong quá trình biên soạn, mặc dù các tác giả đã dành nhiều thời gian và nỗ lực đê hoàn thiện song chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các đông nghiệp và bạn đọc.

CÁC TÁC GIÀ

KĐCS Khuếch đại công suất

KĐVS Khuếch đại vi sai

SĐTĐ Sơ đồ tương đương

Tiếng Anh

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Semiconductor Switch

Chuyển m ạch bán dẫn xoay chiều

2 cực

điện tử)

cửa cách ly

cửa là chuyển tiếp p-n

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

Committee

ủ y ban hệ thống truyền hình quôc gia Mỹ (hệ màu NTSC)

suất tạp âm

Semiconductor Switch

Chuyển mạch bán dẫn xoay chiêu 3 cực

điện áp

hầu hết có cấu trúc đơn tinh thể, gồm 2 loại là:

bán dẫn đơn chất (Si, G e ) và bán dẫn hợp

chất (Ga-As, In-P, Ga-A l-A s ) [7],

Để đơn giản, ta có thể hình dung cấu trúc tinh

thể của bán dẫn Si thuần khiết bằng mô hình

phẳng như Hình 1.1 Silic là nguyên tố thuộc

nhóm rv trong bảng tuần hoàn Medeleep, có 4

điện tử ở lớp ngoài cùng Trong tinh thể, mỗi

nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử kế cận thông

qua các liên kết cộng hóa trị Khi đó, mỗi nguyên

tử Si sẽ có 8 điện tử ở lớp ngoài cùng và trở nên

bền vững Trong trạng thái như vậy, tinh thể Si không có điện tích tự do nên không dẫn điện

- Theo thuyết Vùng năng lượng, giản đồ năng lượng của chất rắn tinh thể có 3 vùng năng lượng khác nhau [7]:

+ Vùng hoá trị: trong đó các mức năng lượng bị chiếm chỗ hoàn toàn bởi các điện tử.+ Vùng dân: trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hoặc bị chiếm chồ một phần

+ Vùng cấm: trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để các điện tử có thể chiếm chỗ

- Đôi với kim loại (Hình 1.2a), giản đô vùng năng lượng có vùng dẫn và vùng hoá trị kề nhau hoặc gối lên nhau, không có vùng cấm xen vào giữa Vì vậy, ngay ở nhiệt độ xấp xỉ

OK, điện tử đã có thể lên chiếm giữ các mức năng lượng còn trống của vùng dẫn, trở thành điện tử tự do và tham gia dẫn điện

Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể bán dẫn Si

Hình 1.2 Giản đồ vùng năng lượng của kim loại ( a ) y điện môi (b) và bán dân (c)

- Đối với điện môi (Hình 1.2b), vùng dẫn cách vùng hoá trị một khoảng bằng bề rộng

của vùng cấm (Wg > 5eV [2], [29]) Ở nhiệt độ thường, vùng dẫn hoàn toàn trông, không

có điện tử, do đỏ, chất điện môi không dẫn điện

- Đối với chất bán dẫn thuần (Hình

1.2c), bề rộng vùng cấm hẹp hơn nhiều so

với chất điện môi (Wg < 2eV Ví dụ: Si có

wg = 1,1 eV, Ge có Wg= 0,67eV [7], [29])

Vì vậy, khi được cung cấp năng lượng (nhiệt

độ hoặc ánh sáng), một số điện tử trong

vùng hoá trị có thể vượt qua vùng cấm, lên

vùng dẫn để tham gia dẫn điện Khi đó,

trong vùng hóa trị, nơi điện tử vừa đi khỏi,

xuất hiện mức năng lượng bỏ trống, được

trống Quá trình này được gọi là quá trình phát xạ cặp điện tử - lỗ trống Lỗ trống có thê dichuyển trong mạng tinh thể bán dân đê tham gia dân điện (Hmh 1.3)

Như vậy trong bán dẫn, điện tử và lồ trống đều tham gia vào thành phần dòng điện Các điện tử dẫn điện trong vùng dẫn, các lỗ trống dẫn điện trong vùng hỏa trị

1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất

1.1.2.1 Bán dẫn tạp chất loại n

- Để làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn ở điều kiện bình thường, người ta đưa vào

bán dẫn Si thuần một tạp chất thuộc nhóm V (như là: p, A s ) với hàm lượng thích hợp, sao cho các nguyên tử tạp chất chiếm một trong những nút của mạng tinh thê Si (Hình 1.4) Khi đó, 4 điện tử hóa trị của nguyên từ tạp chất tham gia vào các môi liên kêt với mạng tinh thề Si, còn điện từ hóa trị thứ 5 chỉ liên kết rất yếu với hạt nhân của nó, chỉ

cần cung cấp một năng lượng rất nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng ) điện tử này sẽ trở thành hạt dẫn tự do [7].

Hình 1.4 Mạng tinh thể của bán dẫn loại n

- Chất pha tạp thuộc nhóm V này được gọi là chất donor hay là chất cho điện tử Bán dẫn được pha tạp chất donor gọi là bán dẫn loại n s ố lượng các điện tử tự do của bán dẫn

n lớn horn nhiều số lỗ trống (sinh ra do sự phát xạ cặp điện tử - lồ trống ) Do vậy, trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt dẫn đa số, còn lỗ ưổng là hạt dẫn thiểu số

- Việc đưa tạp chất donor vào mạng tinh thể bán

dẫn Si thuần làm xuất hiện trên giản đồ vùng năng

lượng của bán dẫn mức năng lượng donor Wd nằm

trong vùng cấm, sát đáy vùng dẫn (Hình 1.5) Vì vậy,

chỉ cần nhận một năng lượng rất nhỏ là điện tử hóa trị

của nguyên tử tạp chất này nhảy từ mức donor lên

vùng dẫn, ưở thành điện tử tự do, còn nguyên tử

donor trở thành ion dưomg

Ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt mà các điện tử

nhận được đã vượt xa năng lượng cần thiết nói ưên, vì

vậy trong vùng dẫn của bán dẫn N luôn có các điện

tử tự do và toàn bộ các nguyên tử tạp chất đều bị ion

hóa [8],

1.1.2.2 Bán dẫn tạp chất lo ạ ip

- Người ta cũng có thể chọn tạp chất pha vào bán dẫn thuần Si thuộc nhóm III của bảng

tuần hoàn các nguyên tố (như là: B, In, ) Do lớp ngoài cùng của nguyên tử tạp chất chỉ

có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của Si chỉ tạo nên 3 mối liên kết hoàn chỉnh,còn mối liên kết thứ 4 bị bỏ trống (Hình 1.6) Khi đó, chỉ cần một kích thích nhỏ (nhờ nhiệt

độ, ánh sáng, ) là một trong những điện tử của các mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ

*w

wd

Hình 1.5 Giản đồ năng lượng

bản dẫn loại n

đến thế vào liên kết bỏ trống nóị trên Tại''mối liên kết mà điện tử vừa đi khỏi sẽ xuất hiện một lỗ trống Neu có điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện [7].

Hình 1.6 Mạng tinh thể bán dẫn loại p

, ~ c^at °h0m III tiếp nhận điện tử từ bán dẫn Si

đê sinh các lỗ trống nên được gọi là chất acceptor hay

chat nhạn điẹn tử Chât bán dẫn có pha tạp nhóm như

trẹn gọi la ban dân loại p Do số lượng lỗ trống của bán

dạn P lơn hơn nhiêu số điện tử nên trong bán dẫn loại p

lô trông là hạt dẫn đa số, còn điện tử là hạt dẫn thiểu số

- Trên giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn loại p

vùng câm, gần với đỉnh vùng hoá trị (Hình 1.7) Khi

được cung câp một năng lượng nhỏ, điện tử từ các

mức phía trên vùng hóa trị sẽ nhảy lên chiếm mức w~

1.1.3 Chuyển tiếp p-n

Khi cho 2 mau bán dân loại p và n tiêp xúc với nhau (bằng phương pháp công nghệ), tại

ạt tiep xuc se hình thành một vùng chuyên tiếp p-n Đặc tính điện đặc biệt của chuyển tiep p-n là cơ sở cho hầu hết các linh kiện bán dẫn

Ỉ-L3.1 Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

- Khi tiếp xúc nhau, do chênh lệch về nồng độ, tại mặt tiếp xúc sẽ có hiện tượng khuếch

X ^ en m ỵ tạo n^n khuêch tán I(rt hướng từ p sang n, và làm cho nồng độ hạt

an o ơ vùng gân mặt tiếp xúc giảm xuống rất thấp Kết quả là tại bề mặt tiep xúc,

phía bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn các ion dương donor, nghĩa là hình thành một vùng nghèo hạt dẫn Các ion âm và dương ở vùng này tạo nên điện trường tiếp xúc Etx hướng từ n sang p (Hình 1.8).

E tx

N Điện tử

tự do

H ình 1.8 Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng

- Điện trường tiêp xúc E(X có tác dụng: một mặt cản trở sự di chuyển các hạt đa sô làm

giảm dòng điện khuêch tán Ikt, mặt khác làm tăng cường sự di chuyển các hạt dẫn thiêu sô (điện tử từ p sang n và lồ trổng từ n sang p) làm tăng dòng điện trôi Itr Sự khuếch tán các hạt dân đa sô càng mãnh liệt, vùng nghèo càng rộng ra, điện trường tiếp xúc càng tăng, kêt quả là dòng điện khuêch tán ngày một giảm đi còn dòng điện trôi ngày một tăng lên Cho đên khi dòng điện khuếch tán bằng dòng điện trôi, chuyển tiếp p-n đạt đến trạng thái cân bằng động [7],

- Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng có tính chất:

+ Dòng điện tổng cộng qua mặt tiếp xúc bị triệt tiêu: I = Ikt - Itr = 0

+ Độ rộng vùng nghèo ngừng tăng, xác định giá trị /0

+ Điện trường trong chuyển tiếp có giá trị xác định Ete, xác lập một thế hiệu tiếp xúc U.X Thê hiệu tiêp xúc có tác dụng ngăn cản, không cho các hạt dẫn tiếp tục di chuyển qua mặt tiếp xúc, duy trì trạng thái cân bằng, nên còn được gọi là “hàng rào điện thế”

Ở nhiệt độ phòng, u ,x có giá trị cỡ 0,3V (đối với Ge) hoặc 0,7V (đối với Si)

1.1.3.2 Chuyển tiếp p-n kh i phân cực ngược

Chuyên tiep p-n được phan cực ngược khi ta đặt một nguồn điện áp ngoài u sao cho cực dương được nối vào bán dẫn loại n và cực âm nối vào bán dẫn p

- Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở vùng trung hòa là không đáng kể Lúc đó hầu như toàn bộ điện áp u sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên thế hiệu tiếp xúc u ,x Trạng thái

cân băng của chuyên tiêp bị phá vỡ Điện trường E (do điện áp u gây ra) cùng chiều với Etx sẽ đây các hạt dân đa số rời xđ khỏi mặt ranh giới, đi về phía 2 điện cực Do đó, vùng nghèo được mờ rộng ra (/ > /0), điện frở của nó tăng (Hình 1.9) H àng rào điện thế tăng lên (Utx+U) khiên dòng khuếch tán Ikt của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhanh theo quy luật hàm mũ âm, còn dòng trôi Itr của hạt dẫn thiểu số tăng lên theo Ư D o nồng độ hạt dẫnthiêu sô vôn rât bé, cho nên trị số dòng này cũng rất nhỏ N ó nhanh chóng đạt tới giá trị bão hoà Iso ngay khi u còn thấp.

Hình 1.9 Chuyên tiếp p-n khỉ phân cực ngược

- Khi đó, dòng điện tổng cộng qua chuyển tiếp p-n (với chiều dương quy ước là chiều từ

p sang n) được xác định theo công thức [8]:

Ở nhiệt độ thường (T = 300K), ta có: Ut ~ 26 mV.

N hư vậy, khi bị phân cực ngược, dòng điện qua chuyển tiếp theo chiều từ bán dẫn n sang bán dẫn p và có trị số rất bé gọi là dòng điện ngược

1.1.3.3 Chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận

- Khi nguồn điện áp ngoài u được mắc cho cực dương nối bán dẫn p và cực âm nối bán dẫn n, ta nói chuyển tiếp p-n được phân cực thuận Điện trường ngoài E, ngược chiều Etx,

có xu hướng đẩy các hạt dẫn đa số về phía chuyển tiếp, làm trung hòa các ion âm và dương

ờ hai bờ của vùng nghèo, khiến cho vùng nghèo bị thu hẹp (/ < lò) và giảm điện trở

(Hình 1:10) Hàng rào điện thế giảm còn (U tx- U), gây ra hiện tượng “phim” các hạt dẫn

đa số đi qua vùng nghèo, sang miền đối diện Dòng hạt dẫn đa số tăng lên nhanh theo điện

áp u , theo quy luật hàm mũ dương, còn dòrig trôi của hạt dẫn thiểu số giảm, nhưng không đáng kể theo u j(do nồng độ vốn rất nhỏ)

E

Hình 1.10 Chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận

- Dòng điện tổng qua chuyển tiếp lúc này bằng [8]:

Tóm lại, đặc' tính của chuyển tiếp prn là:

- Khi phân cực thuận: vùng nghèo thu hẹp lại, điện trở nhỏ, dòng điện lớn và tăng nhanh

theo điện áp

- Khi phân cực ngược: vùng nghèo mở rộng ra, điện trở rất lớn, dòng điện chạy qua rất nhỏ và ít thay đổi theo điện áp

- Chuyển tiếp p-n dẫn điện theo hai chiều không giống nhau Nếu có điện áp xoay chiều

dựng theo lý thuyết với biểu thức (1.4) có dạng Hình 1.11 Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp

như Hình 1.11

1.1.4 Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp p-n

- Khi chuyển tiếp p-n bị phân cực nghịch, điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó, dòng điện ngược đột ngột tăng mạnh, phá hỏng đặc tính van vốn có của nó Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp p-n

- Người ta thường phân biệt hai dạng: đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt Đánh thủng về nhiệt gây ra hậu quả không mong muốn, làm phá hỏng đặc tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p-n Đánh thùng về điện, nếu có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho công suất tiêu tán chưa vượt qua giá trị cực đại cho phép thì chuyển tiếp p-n vẫn có thể phục hồi đặc tính chỉnh lưu

- Đánh thủng về điện được phân làm hai loại:

+ Đánh thủng thác lũ (hiệu ứng Zener): thường xảy ra một trong các chuyển tiếp p-n có

bề dày lớn, điện trường trong vùng nghèo có trị số khá lớn Điện trường này gia tốc mạnh cho các hạt dần thiểu số đi qua vùng nghèo, gây ra hiện tượng ion hóa do va chạm làm sàn sinh những cặp điện tử - lồ trống Các hạt dẫn vừa sinh ra này lại tiếp tục được gia tốc và ion hóa các nguyên tử khác , cứ như thế số lượng hạt dẫn tăng lên gấp bội, khiên dòng điện tăng vọt

+ Đánh thủng xuyên hầm (hiệu ứng Tunel): xảy ra ở những vùng nghèo tương đối hẹp

do pha tạp chất có nồng độ rất lớn Điện trường trong vùng nghèo rất lớn đến mức làm phá

vỡ liên kết ghép đôi của các điện tử hóa trị, sinh ra một lượng lớn hạt dẫn tự do Khi đó, điện tử trong vùng hoá trị của bán dẫn p có khả năng “xuyên qua” hàng rào thế để sang vùng dẫn của bán dẫn n, làm cho dòng điện tăng vọt Ta nói các điện tử đó gây ra hiệu ứng

“xuyên hầm” [8]

1.2 DIODE BÁN DẪN

1.2.1 Cấu tạo và phân loại

- Diode bán dẫn gồm có một lớp chuyển tiếp p-n và hai điện cực kim loại là anốt (ký hiệu là A) và catốt (ký hiệu là K) Anốt đượơ nối với bán dẫn p, catốt được nối với bán dân

n, được bọc trong vỏ bảo vệ bằng kim loại hoặc nhựa tổng hợp

U d

Hình 1.12 Cấu trúc minh họa và kỷ hiệu cùa diode bán dẫn

Kết cấu thực tế của diode bán dẫn chế tạo theo phương pháp hợp kim (Hình 1.13a) và chế tạo theo phương pháp khuếch tán (Hình 1.13b)

Si-P A S i0 2

K

Hình 1.13 Cáu trúc thực tê của diode bản dẫn

- Tùy theo mục đích sử dụng, chuyển tiếp p-n được chế tạo một cách phù hợp Trên cơ

sở đó, người ta phân diode bán dẫn thành các loại sau:

+ Diode chỉnh lưu.

+ Diode ổn áp (Zener)

+ Diode biến dung (Varicap)

+ Diode phát quang (LED - Light Emiting Diode)

+ Diode quang (Photodiode)

+ Diode đường hầm (Tunel, Esaki)

-1.2.2 Đặc tuyến Vôn - Ampe

- Đặc tuyến Vôn - Ampe của một diode chỉnh lưu thực tế biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên diode theo công thức thực nghiệm:

ID = I s o ( e ^ ĩ - 1) = U e m UT- l ) ( L 5 )

trong đó m = 1 -ỉ- 2 là hệ số hiệu chỉnh (giữa lý thuyêt với thực nghiệm)

+ Đối với diode làm bằng Ge, m = 1

+ Đối với diode làm bằng Si có mức dòng cao m = 1, mức dòng thap m — 2

- Đặc điểm: Chia thành 3 đoạn (Hình 1.14)

+ Đoạn 1: phân cực thuận, Ud > 0

Khi ƯD < U|C (= 0,3V hoặc 0,7V): ID nhỏ và tăng chậm theo UD

lD(mA)

Hình 1.14 Đặc tuyển V-A điển hình của diode chinh lưu

Khi Ud > Uk: Id tăng nhanh gần như tỷ lệ tuyến tính theo Ud, đặc trưng cho trạng thái phân cực thuận cùa diode: điện áp thấp, dòng điện lớn và tăng mạnh theo điện áp, điện trở nhỏ

+ Đoạn 2: phân cực ngược, Ud < 0

Dòng điện nhanh chóng bão hòa khi điện áp nhỏ và gần như không đổi khi điện áp ngược tăng Đặc tính của diode ở đoạn này là: dòng điện nhỏ, điện áp ngược lớn, điện trở rất lớn

+ Đoạn 3: Khi điện áp ngược I Ung I > Ungmax (là điện áp ngược cực đại của diode), chuyển tiếp p-n bị đánh thủng và trở nên dẫn điện Dòng điện ngược qua chuyển tiếp đột ngột tăng mạnh, có thể làm phá hủy diode

1.2.3 Các tham số đặc trưng cơ bản

1.2.3.1 Các tham sổ định mức

R = U D

Khi diode phân cực thuận, điện trở thuận có giá trị đến hàng chục Q

Khi diode phân cực nghịch, điện trở ngược từ hàng chục đến hàng trăm kí2

dU D

rD —di

(1.7)

Điện trở xoay chiều chính là nghịch đảo độ dốc của đặc tuyến V-A của diode Khi diode phân cực thuận, đặc tuyến có dạng dốc đứng nên ro nhỏ, khi diode phân cực nghịch, đặc tuyến gần như nằm ngang nên rD rất lớn

Từ biểu thức (1.5), bỏ qua hệ số m, dễ dàng suy ra:

Biểu thức trên cho thấy ro giảm khi dòng điện thuận tăng

+ Khi phân cực nghịch, dòng điện khuếch tán xấp xỉ bằng 0 nên:

rD

u ,

Vì Iso nhỏ và ít thay đổi nên ro có giá trị rất lớn và hầu như không phụ thuộc điểm làm việc

hiện một điện dung tương đương là:

Cp.n = Ch.rào +Ck.tán (1-11)Ch.rào - điện dung hàng rào,, liên quan đến sự hình thành hai miền điện tích khác dấu năm trong miền nghèo.

Ck.tán - điện dung khuếch tán, liên quan đến hiện tượng “phun” hạt dẫn qua lại giữa miền

p và miền n khi phân cực thuận [8]

I.2.3.2 Các tham số giới hạn

chuyển tiếp p-n diode

chưa làm hỏng chuyển tiếp p-n

làm hỏng chuyển tiếp p-n vì nhiệt

1.2.4 Mô hình tương đương của diode bán dẫn

Mô hình tương đương của diode bán dẫn là mạch điện thay thế cho diode nhằm thuận lợi cho việc tính toán định lượng hay xác định các tính chất định tính của nó Việc sử dụng

mô hình tương đương để tính toán sẽ dẫn đến các kết quả gần đúng [4],

1.2.4.1 Mô hình diode lý tưởng

1.2.4.2 M ô hình điện thế ngưỡng

Hình 1.16 Mỏ hình điện thế ngưỡng (a) Phân cực thuận; (b) Phân cực ngược; (c) Đặc tuyến V-A.

1.2.5 Một số ứng dụng của dỉode bán dẫn

1.2.5.1 Mạch chỉnh lưu

- Diode chỉnh lưu sử dụng tính chất van điện để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Các diode chinh lưu thường là loại diode tiếp mặt (chuyển tiếp p-n có diện tích rộng), làm việc với công suất lớn, tần số thấp

- Các thông số của mạch chỉnh lưu:

+ Điện áp ra trung bình (Urtb ): là điện áp một chiều ngõ ra

1 0+ Điện áp ngược mà các diode phãi chịu (UDng)

+ Dòng điện lớn nhất qua các diode (ỈDmax)

+ Dòng điện trung bình qua các diode (Iotb)

Các diode chỉnh lưu hay được sử dụng là: 1N4004, 1N4007, 1N5408

Di dẫn, D 2 ngưng / ^ 'D 2 dẫn, Di ngưng t

Mạch này dùng để cắt một phần tín hiệu xoay chiều Mạch chỉnh lưu nửa sóng cũng là một mạch cắt đcm giản Có 2 loại mạch cắt:

Hình 1.20 Mạch ghim áp dùng diode lỷ tưởng

Kết quả là đỉnh trên của tín hiệu ngõ ra sẽ được “ghim” giữ ở mức điện áp ov và mức điện áp một chiều của tín hiệu bị dịch đi một lượng -Uo Muốn thay đổi mức điện áp

“ghim” ta mắc thêm nguồn điện áp E nối tiếp với D

I.2.5.4 Diode Zener Mạch ổn áp dùng diode Zener

a) Diode Zener (Diode ổn áp)

Diode Zener (Dz) có chuyển tiếp p-n được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt, do đó khi điện áp ngược đủ lớn sẽ xảy ra quá trình đánh thủng về điện mà không đánh thủng về nhiệt Việc pha tạp trong bán dẫn được thực hiện để tạo ra đoạn đánh thủng của đặc tuyến V-A gần như song song với trục dòng điện, nghĩa là điện áp U dhầu như không đổi khi dòng điện I d thay đổi trong phạm vi rộng (đoạn AB) Người ta lợi dụng ưu điểm này để dùng diode Zener làm phần tử ổn định điện áp

zmax

Hình 1.21 Đặc tuyển V-A của Zener

- Các thông số kỹ thuật của diode Zener:

thường, điện áp ổn định biến thiên trong dải hẹp AUz Trường hợp lý tưởng AUz = 0.

+ Dòng điện cực tiểu qua Zener (Izmin)■ Thường lấy Izmin — (10-20) /o Izmax sao cho Uz

ổn định trong dải yêu cầu (AUz ì 0).

tác Q

Điện trở động càng nhỏ, đặc tính ổn định càng cao Trường hợp diode Zener lý tưởng,

Td = 0 Lúc này đoạn đặc tuyến đánh thủng hoàn toàn vuông góc trục hoành

- Sơ đồ tương đương diode Zener lý tưởng (điện trở động Td = 0):

Trong thực tế, diode Zener thường được mắc song song với tải trong mạch ổn áp Đe

xác định trạng thái của Dz, ta tháo rời Dz khỏi mạch và tính điện áp hở mạch u.

+ Nêu u > Uz => Dz dẫn điện (dẫn theo chiều ngược).

+ Nếu u < Uz => Dz ngưng dẫn.

(1.14)

Xét mạch ổn định điện áp dùng diode Zener (Hình 1.23) Trong đó Us > Uz.

- Nguyên lý hoạt động: Mạch sẽ duy trì điện áp tải Ut không đổi dù cho điện áp nguôn

us hay điện trở tải Rt thay đổi

-o +

giảm —> Ut giảm trở lại, tức là không tăng nữa

= Iz + It gần như không đổi - It

+ Trường hợp Rt = const, Us thay đổi: Khi Us tăng —► Ut tăng —*■ Dz bị đánh thủng sâu

—*• Iz tăng mạnh —*■ Ir = Iz + It tăng mạnh —► Ur tăng —► Ut = Us - Ur không tăng nữa

- Phạm vi ổn áp: được thể hiện qua độ biến thiên dòng điện tải hoặc điện trở tải khi điện

áp ra không đổi

Vì Ir = Iz + I, ~ const nên AIr = Alz + Alt ~ 0 => AI, ~ - AIZ Với một Dz cho trước, I Alt I — AIz.cp = Izmax ~ Izmin ~ Izmax- Điêu này có nghĩa là, biên thiên dòng tải xấp xỉ Izmax, chỉ khoảng vài trăm mA Do vậy, mạch điện chỉ phù hợp cho tải công suất nhỏ hoặc được dùng để tạo điện áp chuẩn

Ví dụ: Cho mạch ổn áp như Hình 1.23 Biết Us = const, R và các thông số của diode

Zener Hãy xác định phạm vi‘biến đổi của Rt để điện áp ra ổn định ở trị số Uz.

- Đối với diode Zener thực, điện trở động Tdz Ỷ 0 Điều này thể hiện ở đoạn đánh thủng

của đặc tuyến V-A của diode không vuông góc với trục hoành (Hình 1.21) Trong khi làm

việc, điểm làm việc Q di chuyển trên đoạn AB, điện áp Zener Ưz biến thiên một lượng AUz

nhỏ chứ không hoàn toàn cố định như mô hình lý tưởng

Các diode Zener được dùng phổ biến là: BZX84C5V1, BZX84C5V6, LL757A

1.2.5.5 Diode biến dung (Varicap)

- Chuyên tiếp p-n của diode bán dẫn có cấu tạo tương

tự một tụ điện phẳng: vùng nghèo như là lớp điện môi,

bán dẫn ờ 2 bên vùng nghèo như 2 bản tụ điện Chuyển

tiêp p-n phân cực ngược được đặc trưng bằng một điện

dung, gọi là điện dung hàng rào Diode biến dung là

diode có chuyển tiếp p-n được chế tạo đặc biệt, sao cho

điện dung hàng rào của nó thay đổi rõ rệt theo điện áp

ngược đặt vào (Hình 1.24)

Hình 1.24 Điện dung hàng rào

- Diode biến dung được dùng làm tụ điện trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng

băng điện áp (trong khối chọn kênh TV màu), mạch tạo dao động điều tần, mạch khuếch đại tham số và nhân tần

1.3 TRANSISTOR LlTONG CUC (BJT)

1.3.1 Cau tao va nguyen Iy lam viec

1.3.1.1 Cau tao

- Transistor lirong cue (BJT - Bipolar Junction Transistor) gom ba lop ban dan tap chat khac loai, sap xep xen ke de tao thanh hai chuyen tiep p-n dat rat gan nhau Co hai cau true BJT la: p-n-p va n-p-n (Hinhl.25a)

a)

MetaJized contacts

b)

ICinh 1.25 Cau tao va ky hieu cua BJT (a); Can true thuc cua mot BJT (b) [30]

+ Vung phat: co nong do tap chat cao nhat

+ Vung thu: co nong do tap chat thap han vimg phat

+ Vùng nền: có nồng độ tạp chất thấp, nhất, độ rộng rất nhỏ (~ lO^cm).

- Từ các vùng bán dẫn, ngứờí ta đưa ra các điện cực kim loại: Cực phát (cực emitter, E); Cực thu (cực Collector, cực góp; C); Cực gốc (cực Base, cực nền, cực khiển, B)

- Chuyển tiếp p-n giữa vùng E vặ B gọi là chuyển tiếp emitter (Je)

- Chuyển tiếp p-n giữa vùng c và B gọi là chuyển tiếp Collector (Jc)

Hình 1.26 Transistor công suất nhỏ [30]

Hình 1.27 Transistor công suất lớn [30]

1.3.1.2 Nguyên lý làm việc và khả năng khuếch dại của BJT

- Xét hoạt động của một BJT loại p-n-p được phân cực như Hình 1.28 Chuyên tiêp Je

được phân cực thuận bởi Ei, chuyển tiếp J( được phận cực ngược bởi Ẽ2, Re và Rc là các điện trờ phân cực

a) Khỉ chưa có nguôn tín hiệu es

Hỉnh 1.28 Sơ đồ nguýên lý làm việc của BJT

cường, tạo nên dòng điện chảy từ miền E sang miền B Đây là dòng các lỗ trống đa số từ miền E (Ip) và các điện tử đa số từ miền B (In) Vì I p » In [2], nên:

Các lỗ trống đa số từ miền E qua miền B trở thành các hạt “thiểu sổ” ưội

- Do độ rộng miền B rất nhỏ và do Jc phân cực ngược nên các hạt “thiểu số” ưội (lỗ trống) nhanh chóng rơi vào miền nghèo của Jc và bị điện trường ờ đây tác dụng mạnh,

- Một phần nhỏ các lỗ ưống qua miền B tái hợp với các điện tử đa số ở đây Một phần khác là dòng điện tử khuếch tán từ miền B sang E (In) Hai dòng điện từ này tạo nên dòng

- Mặt khác, do Jc phân cực ngược nên xuất hiện dòng điện ngược I cbo ( là dòng các hạt

- Tổng hợp các thành phần dòng điện qua các cực của BJT, ta được:

Biểu thức (1.20) là hệ thức cơ bản của BJT

b) Khi có nguồn tín hiệu es

- Khi có nguồn tín hiệu nhỏ es(t) đặt vào giữa cực E và cực B, xếp chồng lên điện áp phân cực vốn có của chuyển tiếp Je, mức độ phân cực của JE sẽ thay đổi và do đó dòng

điện khuếch tán Ievà cũng là Ic sẽ thay đổi theo quy luật biến thiên của tín hiệu Ở ngõ ra, dòng điện Ic biến thiên, chảỷ qua R lvà Rc sẽ hình thành nên điện áp biến thiên cùng quy luật với es nhưng biên độ lớn hơn es (nhờ chọn Rc II R lkhá lớn) Ta nói răng transistor đã khuếch đại điện áp tín hiệu.

Đối với BJT loại n-p-n, cơ chế vận chuyển các hạt dẫn ở chế độ tĩnh và nguyên tắc khuếch đại ở chế độ động diễn ra tương tự như với BJT loại p-n-p, chỉ khác là chiều các điện áp phân cực và chiều dòng điện ở các cực ngược lại

1.3.L3 Hệ số a v à p

a) Hệ sổ truyền đạt dòng điện cực phát.

Để đánh giá mức độ hao hụt dòng điện khuếch tán trong vùng Base, người ta định nghĩa

Ie

( Icbo là dòng điện ngược có giá trị rất nhỏ, cỡ ~ n.lOOnA)

ae

A1 e

trong đó ÀIe, AIc là biến thiên dòng điện cực phát và cực thu tương ứng

Ở chế độ khuếch đại tuyến tính: Odc ~ <Xac = a = 0,980 - 0,995 [2] Trong nhiều trường hợp tính toán ở chế độ một chiều, người ta coi a = 1

b) Hệ số khuếch đại dòng điện

- Từ ( 1.1 8 ) ta c ó : Ic = Ctdc ( I b + Ic ) + I cbo

= > IC =- g d c _ I + _ L _ I

trong đó I ceo = (Pdc + 1) I cbo là dòng điện ngược Collector trong mạch chung E Vì I cbo

rất nhỏ (và dù Pdc khá lớn) nên I ceo không đáng kể so với pdcỈB, do vậy có thê bỏ qua Từ biểu thức (1.25) ta suy ra:

gọi là hệ sổ khuếch đại dòng điện một chiều của BJT Hệ số này biểu thị tác dụng điều khiển của dòng IB đối với dòng Ic-

- Ở trạng thái xoay chiều: « - * =rac

trong đó A I b , AI c là biến thiên dòng điện cực gốc v à cực thu tương ứng Khi thực hiện khuếch đại tuyến tính, Pdc ~ pac — p Thông thường p = n.10 -ỉ- n.100

1.3.2 Các tham số đặc trưng cơ bản

Các tham số giới hạn của BJT là:

cực của BJT

không làm đánh thủng các chuyển tiếp p-n tương ứng

tiếp trong m ột thối gian dài mà không làm thay đổi đặc tính BJT M ột cách gần đúng:

Pmax * ^Cmax = Icmax-UcE (128)

p-n dần trở nên đáng kể Mặt khác, chuyển động của hạt dẫn qua chiều dày miền Base không thể coi là tức thời và chiếm một thời gian đáng kể so với chu kỳ tín hiệu Vì vậy, các

hệ số truyền đạt dòng điện sẽ bị giảm theo tần số Tính chất này của BJT được đặc trưng bởi tần số giới hạn (hay tần số cắt)

Tần số giới hạn fot của mạch B chung (fp của mạch E chung) là tần số mà kể từ đó hệ sổ

truyền đạt tương ứng giảm đi ' Ị ĩ lần so với giá trị của nó ở tần số thấp Lý thuyết đã chứng

minh được [8]:

( 1 2 9 )

Ngoài ra, ở chế độ tín hiệu bé, BJT còn được đặc trưng bởi các tham số định mức tín hiệu xoay chiều như: điện trở vào vi phân, điện trở ra vi phân, hệ số khuếch đại dòng điện

vi phân, điện dẫn truyền (hỗ d ẫn )

1.3.3 Các cách mắc mạch BJT

Tùy theo việc chọn điện cực chung (cho mạch vào và mạch ra) để khuếch đại tín hiệu, người ta mắc theo 3 cách sau:

- Mắc E chung (Hình 1.29a - Common Emitter - CE)

Đặc điểm của mạch CE: Khuếch đại cả điện áp và dòng điện, trở kháng vào và ra ở mức trung bình, được dùng rất phổ biến trong các bộ khuếch đại

Hình 1.29 Ba cách mắc mạch BJT

- Mắc B chung (Hình 1.29b - Common Base - CB)

Đặc điểm của mạch CB: Khuếch đại điện áp, không khuếch đại dòng điện, trờ kháng vao bé, trở kháng ra lớn, tân sô giới hạn cao, nên được dùng khuếch đại điện áp tín hiệu ở tần số cao

- Mắc c chung (Hình 1.29c - Common Collector - CC)

Đặc điểm của mạch CC: Khuếch đại dòng điện, không khuếch đại điện áp, trở kháng

vào rât lớn, trở kháng ra rất bé Do vậy, mạch mắc c c được dùng khuếch đại dòng điện và

phối hợp trở kháng

1.3.4 Các họ đặc tuyến của BJT

Quan hệ giữa các dòng điện và điện áp ở ngõ ra và ngõ vào xác định các họ đặc tuyến của BJT Có 4 họ đặc tuyến:

- Họ đặc tuyến truyền đạt dòng điện: Ir = f3(Iv), u r = const.

- Họ đặc tuyến hồi tiếp điện áp: Uv = f4(Ur), Iv = const

Trong đó, 3 họ đặc tuyến đầu tiên thường hay dùng cho các kiểu mac BJT

1.3.4.1 Mạch BJTmắc CB

Họ đặc tuyến vào được xác định bằng sơ đồ mạch điện Hình 1.30a Khảo sát sự biến thiên dòng điện vào Ie theo điện áp vào ƯEB, trong điều kiện giữ điện áp ra ƯCB ở các giá trị không đôi khác nhau, ta được họ đặc tuyến vào như Hình 1,30b

có dạng tương tự như đặc tuyến thuận của diode Các đặc tuyến vào nằm rất sát nhau cho thấy điện áp ngõ ra ƯCB ảnh hưởng rất ít đến dòng điện ờ ngõ vào

Hình 1.30 Mạch điện BJT mắc CB (a); Họ đặc tuyến vào của BJT mắc CB (b)

Nếu lần lượt giữ dòng IE ở các giá trị xác định, thay đổi nguồn E2 rồi xác định các cặp giá trị tương ứng của Ic và U c b , ta sẽ có họ đặc tuyến ra của mạch CB (Hình 1.31) Họ đặc tuyến ra bao gồm 4 vùng:

- Vùng tác động: các đặc tuyến cách

đều nhau (ứng với số gia I e bằng nhau)

và gần như song song với trục hoành,

ứng với trạng thái khuếch đại thông

thường của BJT (J e phân cực thuận, Jc

phân cực nghịch) Ở vùng này, sự truyền

đạt dòng điện cực phát sang cực thu

không đổi (Ic = < x I e , a không đổi)

- Vùng bão hòa: nằm chếch xiên ở

bên trái trục tung, tương ứng với trạng

thái dẫn bão hoà của BJT (cả hai chuyển

tiếp JE, Jc đều phân cực thuận) Ở vùng

này, sự truyền đạt dòng điện cực phát sang cực thu không ổn định (a thay đổi)

- Vùng đánh thủng: nằm bên phải tương ứng với trạng thái đánh thủng chuyển tiếp Jc, xảy ra khi Ucb quá lớn làm dòng Ic tăng vọt Đây là vùng không được sử dụng để tránh phá hỏng BJT

- Đường đặc tính ứng với IE = 0 chỉ cách trục hoành một khoảng rất hẹp Tung độ này chính là giá trị dòng điện ngược Collector Ic = Icbo (theo công thức 1.18) Dòng này vốn

Hình 1.31 Họ đặc tuyến ra BJT mắc CB

có giá trị rất nhỏ Phạm vi rất hẹp, phía dưới đặc tuyến này gọi là vùng ngưng dẫn (hoặc vùng cắt) Nó tương ứng với*trảng thái cắt của BJT (cả hai chuyển tiếp Je, Jc đều phân cực nghịch) [8].

c) Họ đặc tuyển truyền đạt dòng điện: Ic = f (IE ) I uCB=const

Họ đặc tuyên có dạng gần tuyến tính, phù hợp với công thức 1.23 (coi a là không đôi) Trên thực tế, hệ số a gần hằng số khi dòng điện Ietương đối nhỏ Còn khi Iekhá lớn, nghĩa

là dòng hạt dẫn khuếch tán qua miền Base có mật độ lớn, tỷ lệ phần trăm số hạt dẫn bị tái hợp trên đường đi sẽ tăng lên, khiến giảm Điều này làm cho đặc tuyến ở vùng dòng điện lớn ngày càng lệch khỏi quy luật tuyến tính [8]

Hình 1.32 Họ đặc tuyến truyền đạt dòng điện của BJT mắc CB 1.3.4.2 Mạch B JT mắc CE

Các họ đặc tuyến của mạch BJT mắc CE được xác định bằng sơ đô mạch điện Hình 1,33a theo cách tương tự như đối với mạch CB

a Họ đặc tuyến vào: IB = f ( U BE)|ƯcE=const

Các đặc tuyến vào mạch CE cũng phản ảnh quan hệ dòng - áp trên chuyển tiếp JE như đặc tuyến thuận của diode.

Hình 1.34 Họ đặc tuyển ra BJT mắc CE

- Ở vùng tác động, các đặc tuyến có độ dốc lớn hơn so với ở đặc tuyến ra mạch CB Ở vùng này, dòng điện Ib nhỏ, dòng điện Ic chịu sự điều khiển của Ib nên còn gọi là vùng khuếch đại tuyến tính

- Vùng bão hòa của BJT nằm ở bên phải trục tung (trong phạm vi U cetừ ov -M ,2V) Khi U ce = 0 , dòng Ic sẽ giảm về 0 , mọi đặc tuyến đều đi qua gốc toạ độ Ở vùng này, khi dòng IB càng lớn, dòng Ic không còn tăng theo tuyến tính với Ib (P thay đổi) Lúc này, dòng IB mất khả năng điều khiển dòng lc

- Khi U ce tăng khá lớn, trạng thái đánh thủng chuyển tiếp J'c diễn ra sớm hơn so với ở

mạch mắc CB

Họ đặc tuyến cho thấy ở phạm vi dòng điện nhỏ, quan hệ giữa dòng điện vào và dòng điện ra gần như là tuyến tính (công thức 1.26) Độ dốc của đặc tuyến chính là hệ số khuếch

đại dòng điện.'Trong phạm vi dòng -điện lớn, giá trị p giảm, cho nên đặc tuyên không còn tuyến tính nữa [8].

Hình 3.35 Họ đặc tuyển truyền đạt dòng điện của BJT măc CE I.3.4.3 Mạch B JT mắc c c

- Họ đặc tuyến vào: IB = f (U BC) |UcE=const —*■ thực tế rất ít dùng.

-H ọ đặc tuyến ra: IE = f (U EC) | lB=const và họ đặc tuyến truyền đạt dòng điện

IE = f (IB)| u EC=const có dạng gần giống các họ đặc tuyến tương ứng của mạch CE

1.3.5 Phân cực cho BJT

- Tùy theo mục đích sử dụng, BJT có 2 chế độ làm việc:

+ Chế độ khóa (chuyển mạch): có 2 trạng thái là:

- Trạng thái mở (bão hòa): J evà Jc đều phân cực thuận

- Điều kiện phân cực BJT ở chế độ khuếch đại là:

+ Đối với BJT loại p-n-p: U e > ƯB > U c

+ Đối với BJT loại n-p-n: U e< Ub < Uc

- Mạch điện phần cực (hay mạch định thiên) có nhiệm vụ tạo ra điện áp phân cực cân thiết cho các chuyển tiếp Je và Jc ở chê độ làm việc xác định Tùy theo yêu câu ôn đinh nhiệt cho BJT, người ta dùng 4 kiểu mạch phân cực sau:

+ Phân cực bằng dòng Base cố định

+ Phân cực ổn định nhiệt cực Emitter

+ Phân cực bằng điện áp phản hồi Collector

+ Phân cực bằng cầu chia áp

1.3.5.1 Phân cực bằng dòng Base cố định

- Dòng điện vào: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng B-E:

Chọn U b e = 0,7V (đối với Si) và 0,3V (đối với Ge), ta xác định được Ib

- Điện áp ra: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng C-E:

IcRc + Ư C E - Ecc = 0 => Ư C E = Ecc - IcRc ( 1 -32)

Các thông sổ Ib, Ic, Ube, Uceđặc trưng cho chế độ một chiều của tầng khuếch đại

- Điện áp ra: IcRc + Ư C E + I e R e- Ecc = 0 => U ce= Ecc - IcRc - I e R e

= E cc - Ic(Rc + Re) (coi a ~ 1) (1.35)

Tính toán cho thấy, mạch càng ổn định khi RE càng lớn [7], [8]

1.3.5.3 Phân cực bằng điện áp phản hồi Collector

- Dòng điện vào: Từ mạch vòng B-E, ta có:

R b +(P + 1)Rc

1’cRc + IbRb + U b e - Ecc — 0

( I c + I b ) R c + I b R b + U be - Ecc = 0 = > l B =

+ E CC

Hình 1.38 Phản cực bằng điện áp Hình 1.39 Dùng tụ C b khử hồi tiếp âm

ỉ.3.5.4 Phân cực bằng cầu chia áp

Mạch phân cực bằng cầu chia áp được cho như Hình 1.40a

Hình 1.40 Biến đổi Thevenin mạch phân cực bằng cầu chia áp

- Vẽ lại mạch điện như Hình 1.40b và áp dụng định lý Thevenin biến đổi tương đương phần mạch bên trái 2 điểm B-M ta được Hình 1.40c, trong đó:

- Điện áp ra: Áp dụng định luật K irchhoff 2 cho mạch vòng C-E, ta được:

Ư C E - Ecc - Ic(Rc + Re)

(1.43)

Chọn Re càng lớn, tác dụng phản hồi âm càng mạnh, điểm làm việc càng ổn định Tuy

Re

(1.47)

(1.48)

nghĩa là, dòng Ic hầu như không phụ thuộc vào p và sự biến động của tham số này

- Tác dụng hồi tiếp âm dòng điện một chiều của RE làm tăng độ ổn định điểm tĩnh, nhưng lại làm giảm hệ số khuếch đại tín hiệu xoay chiều (xem mục 2.4.2.1) Để tránh tác dụng này, người ta dùng tụ điện CE có điện dung khá lớn mắc song song Re đế ngắn mạch dòng điện xoay chiều xuống đất (Hình 1.40a)

* Bài toán thiết kế mạch phân cựe ■ •

1.4 TRANSISTOR TRƯỜNG (FET)

- Transistor trường (FET - Field Effect Transistor) làm việc dựa trên nguyên lý điều khiển độ dẫn điện của môi trường bán dân nhờ tác dụng của điện trường ngoài Dòng điện chảy qua FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo thành là điện tử hoặc lỗ trống Tuy ra đời muộn hom BJT, nhưng tính năng của FET có nhiều điểm ưu việt hơn như: độ tin cậy cao, mức tạp

âm thấp, tiêu thụ năng lượng ít, phù hợp xu thế vi điện tử hóa v.v , do vậy, ngày càng được ứng dụng rộng rãi [8]

- Transistor trường bao gồm 2 nhóm:

+ FET có cực cửa là chuyển tiếp p-n, gọi là JFET (Junction Field Effect Transistor).+ FET có cực cửa cách ly, gọi là IGFET (Isolated Gate Field Effect Transistor) hoặc MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) Nhóm IGFET lại chia thành 2 loại: loại kênh có sẵn và loại kênh cảm ứng

1.4.1 JFET

1.4.1.1 Cẩu tạo của JFET

- Xét cấu trúc đơn giản hóa của một JFET kênh n Trên đế bán dẫn Si tạp chất loại n, người ta tạo xung quanh một lớp bán dân p có nồng độ tạp chất cao hơn so với đế, nhờ đó hình thành một chuyển tiếp p-n bao quanh kênh dẫn n Từ các lớp bán dẫn người ta đưa ra

3 điện cực kim loại là:

- Tính Rc từ biểu thức (1.43)

- Chọn R Th = - U — (P + 1)RE

v5 Ỉ 0 j

+ Cực nguồn s (Source): là cực đưa các hạt dẫn đa số đi vào kênh dẫn.

+ Cực máng D (Drain): là cực đưa các hạt dẫn đa số đi ra khỏi kênh dẫn

+ Cực cửa G (Gate): là cực điều khiển dòng hạt dẫn chảy qua kênh

Như vậy, cấu trúc của JFET là kênh bán dẫn loại n nối giữa 2 cực s và D, cách ly với cực cửa G bời một chuyển tiếp p-n bao quanh kênh dẫn (Hình 1.41)

Với cấu trúc tương tự, JFET kênh p gồm một kênh bán dẫn p, cách ly vói cực cửa là bán dẫn n

Hình 1.41 Cấu tạo và kỷ hiệu của JFET

Trong thực tế, cấu trúc của JFET phức tạp hơn (Hình 1.42) Các điện cực s, G, D đều lấy ra từ trên bề mặt của phiến bán dẫn, các vùng N+ dùng để tạo tiếp xúc không chỉnh lưu giữa cực nguồn, cực máng với kênh dẫn loại N Miền p + đóng vai trò cực cửa Lớp cách điện S1O2 bảo vệ bề mặt [8]

vào 2 cực G và s sao cho chuyển tiếp p-n bị phân cực ngược bởi điện áp ƯGS- Nguồn điện

E ddthông qua điện ưở R dđặt điện áp U d s cóchiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ

- Xét JFET'kênh n được phân cực theo sơ đồ nguyên lý Hình 1.43.

Hình 1.43 Nguyên lý làm việc của JFET kềnh n

- Khi chưa có nguồn tín hiệu (cn = 0): Do được phân cực ngược bởi ƯGS nên vùng nghèo của chuyển tiếp p-n giữa kênh dẫn và vùng bán dẫn cực cửa mở rộng ra và hướng vê kênh dẫn Mặt khác, dưới tác dụng điện áp ƯDS, dòng I d chảy qua kênh dẫn, sẽ gây ra một sự

ngược của chuyển tiếp p-n giảm dần theo hướng từ cực D đến cực s Nói cách khác, kênh dẫn có tiết diện tăng dần từ D đến s.

- Khi giữ ƯDS = const, nếu tăng giá trị ƯGS càng lớn, vùng nghèo càng mờ rộng, kênh

khi đó, dòng điện giữa cực G và cực s chỉ là dòng điện ngược của chuyên tiêp p-n, thường rât nhỏ, không đáng kể Biểu thức dòng điện là:

- Khi đặt tín hiệu xoay chiều en vào giữa cực G và cực s, tùy thuộc trị số và dấu của

en mà tình trạng phân cực ngược của chuyển tiếp p-n sẽ thay đổi Từ đó, điện trở kênh dẫn bị biến đổi và dòng máng I d cũng bị biến đổi theo Nếu en tăng giảm theo quy luật hình sin thì Id sẽ tăng giảm theo hình sin Dòng điện này gây ra trên điện trở (RolịRt) một điện áp, biến thiên cùng dạng với en nhưng biên độ lớn hơn, nghĩa là, JFET đã khuếch đại tín hiệu

Nguyên lý hoạt động của JFET kênh p hoàn toàn tương tự, chi lưu ý rằng các nguồn áp

E gg , E dd cócực tính ngược lại Thành phần dòng điện cực máng ở đây là các lỗ trống đa

số của kênh dẫn p.

1.4.1.3 Đặc tuyến Vôn - Am pe của JF E T

a) Họ đặc tuyến ra: ID = f ( U DS)I Uos=const

- Trường hợp Ư G S = 0 Tăng dần UDS từ giá trị không trở đi, quan hệ ID theo Ư D S có dạng như Hình 1.44 (đường OAB) Đặc tuyến này bao gồm 3 vùng:

+ Vùng tuyến tính OA: Ban đầu khi Ư D S

còn nhỏ, dòng I d tăng gần như tuyến tính

với độ dốc khá lớn Vùng đặc tuyến này còn

gọi là vùng điện trở

Khi đạt tới giá trị Ư D S = Up (điểm A),

vùng nghèo m ở rộng tới mức choáng hêt

tiết diện của kênh tại vùng gần cực máng,

kênh dẫn bị thắt lại ở phía cực máng

(Hình 1.45a) Người ta gọi Up là điện áp

thắt Điểm A là điểm bắt đầu thắt kênh hay

điểm bắt đầu bão hòa

+ Vùng bão hòa AB: Tiếp tục tăng ƯDS

lớn hon Up, đặc tuyến chuyển sang đoạn

thứ hai, gần như nằm ngang Lúc này vùng nghèo tiếp tục mở rộng, vùng kênh bị thắt trải dài về phía cực nguồn, làm cho điện trở kênh dẫn tăng (Hình 1.45b) Vì vậy, tuy Ư DS tăng nhung dòng ID hầu như không thay đôi Vùng đặc tuyến này còn gọi là vùng thắt kênh

Hình 1.45 Quá trình thắt kênh ở JFET kênh n

+ Vùng đánh thủng (ở phía bên phải điểm B): Khi Ư D S > ƯDSmax dòng I d tăng vọt (tại điểm B), tương ứng với hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp p-n, xảy ra khi Ư D S quá lớn

- Trường họp U g s 4=- 0: Mỗi đặc tuyến vần bao gồm 3 vùng như trên, chì khác là do có

thêm tác dụng của U g s chuyển tiếp p-n bị phân cực ngược mạnh hơn, điện trở kênh dẫn tăng hơn và do đó giá trị dòng ID nhỏ hơn Trị số tuyệt đối của U g s càng tăng, dòng ID càng