Giáo trình mạch điện tử tương tự và số

nn nn "n »“ p dẫn loại nSố lượng hạt nồng độ diện tử tự do và lỗ trống trong lớp bán np np **p ’"n dẫn loại pSố lượng hạt nồng độ lỗ trống và điện tử tự do trong lớp bán BJT Transistor

GIAO TRINH MẠCH ĐIỆN TỬ TƯƠNG Tự VÀ SÔ

TS NGUYỄN HOÀNG MAI

GIÁO TRÌNH MẠCH ĐIỆN TỦ TƯŨNG Tự VÀ SỐ

TRƯỜNG OẠI HỌC QUY NHỠN _ TH Ư nặn _ _

NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG

HÀ NỘI-2016

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các thiết bị đo hrờng-điều khiến, các ứng dụng hiện đại của nhiều lĩnh vực kỹ thuật công nghệ cao, thiết bị điện tử chiếm một tỉ trọng rất lớn

Cỏ thể nói hiện nay, thiết bị điện tử và kĩ thuật điện tử xuất hiện khắp mọi nơi trong các hoạt động của con người Chỉnh vì vậy, việc đưa các kiến thức

cơ bàn và nâng cao về kĩ thuật điện tử vào trong các trường đại học kĩ thuật, các trường nghề là rất cần thiết.

Hiện nay kĩ thuật điện tử được tách ra bốn hướng nghiên cứu ứng dụng chính:

- Kĩ thuật điện tử truyền thông: chủ yếu đi vào nghiên cứu phát triển các thiết bị, công cụ truyền dẫn thông tin sử dụng công nghệ mạch và thiết bị điện tử.

- Kĩ thuật điện lử điều khiển: chù yếu đi sâu vào nghiên cứu phát triển các thuật toán điều khiển kỹ thuật và sau đó áp dụng vào các phần cứng là thiết bị điện tử chuyên dụng nhic các mạch tuyển tính, vỉ xừ lí vi điều khiển.

- Kĩ thuật vật liệu điện tử: chủ yếu nghiên cửu và phát triển về công nghệ vật liệu ứng dụng trong chế tạo linh kiện, thiết bị điện lử, thiết bị công suất lớn tích hợp, các vi mạch, các thiết bị siêu nhỏ như MEMS, NEMS

- Kĩ thuật điện lử tin học: chủ yếu nghiên cứu phát triển các ứng dụng của công nghệ kỹ thuật số vào trong thiết bị điện tử: như nghiên cứu các thiết bị lưu trữ, xử lí dữ liệu sổ hóa.

Tuy phân biệt các hưởng chính như vậy, nhưng ranh giới giữa các hướng cũng không tách biệt rõ ràng, mà chúng có sự giao nhau rất khó thây Chính vì điều đó mà những nghiên cứu, ứng dụng của hướng này cũng có thế áp dụng hiệu quà vào hướng kia Do vậy việc dùng chung nguôn tài nguyên là cần thiết và nên phát huy.

Trong ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử cũng như ngành Kỹ thuật điêu khiển VCÌ Tự dộng hóa, thiết bị và kỹ thuật điện từ đóng một vai trò then chốt Đặc biệt là theo hướng nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật điện từ điêu khiển để cung cấp tín hiệu cho các thiết bị công suất lớn Trong đổ kết hợp

cù kỹ thuật tương tự (analog) và kỹ thuật số (digital) Những ứng dụng điện

3

tư trong công nghiệp, ngày càng đa dạng, xuất hiện nhiều yêu câu rât đặc biệt như chịu đựng môi trường, độ tin cậy, tuôi thọ, phát triên thuật toán liên lục.

Mục tiêu đào tạo của môn học là sau khi ra trường, các kỹ stt có thể áp dụng ngay kiến thức của mình dể thiết kế, tỉnh toán các mạch diện tử, cải tiến các thiết bị mà vẫn đctm bào chất lượng, độ chính xác và độ tin cậy Đồng thời kiểm soát được các quá trình, các thiết bị công suất lớn như động

cơ, thiết bị điều khiển lưới điện, các dây chuyền sản xuất Tránh sự phụ thuộc công nghệ không cần thiết.

Dựa trên những tinh thần cơ bản đó, giáo trình " Mạch điện tìc tương tự

và số" nhắm vào hai mục tiêu chính: cung cấp cho sinh viên, kỹ sư ngành

"Kỹ thuật điện-điện từ" và ngành "Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa" kiến thức chuyên môn về kỳ thuật điện tử, và cung cấp các kỹ năng để thiết kế, tính toán, mô phỏng, chế tạo các mạch điện tử írng dụng trong các thiết bị điện, điện tử Đàm bảo cho các sản phẩm có chất lượng tốt vù độ tin cậy cao Có thể đưa áp dụng ngay vào thực tế công việc.

Dãy là lân xuât bản đầu tiên nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác già mong nhận được những thông tin đóng góp ý kiến, phản hồi nhận xét đê giáo trình được hòan thiện tốt hơn Thông tin phàn hồi vui lỗng gửi

về email: nhmai(cỳ.dut.iidn.vn Tác giá ghi nhận và cảm ơn những ý kiến dóng góp của mọi người.

Đà Nằng, ngày 25 tháng 07 năm 2015

Tác giả

4

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình biên soạn giáo trình, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ về thông tin, kiến thức và tinh thần để giáo trình được hòan chỉnh và đưa vào sử dụng Tác giả chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà năng đỡ tạo nhiều điều kiện biên soạn thuận ỉợi và đóng góp nhiêu ỷ kiến quý báu về nội dung giáo trình để phù hợp với ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử và ngcinh Kỹ thuật điều khiến và Tự động hóa.

Chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp trong nước và nirớc ngoài dã biên soạn những cuốn sách cổ nội dung hay về chuyên ngành Kỹ thuật điện tử để tác giả tham khảo và bổ sung những kiến thức bo ích cần thiết vào trong giáo trình.

Chân thành cảm ơn những người thán thích, bè bạn đã rất nhiệt tình tạo điều kiện giúp đỡ để giáo trình được hòan thiện và kịp thời đưa vào sử dụng.

Chân thành cám ơn những người đọc và dóng góp ý kiến xây dựng để giáo trình ccing ngciy ccmg ìĩòan chinh hơn sau nciy.

Đà nẵng, ngày 26 tháng 07 năm 2015

Tác giả.

5

AE(1 Mức năng lượng chuyển tiếp từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, còn

được gọi là mức năng lượng cấm.(Energy Band gap)

ni, Pi Số lượng hạt dẫn khuếch tán nhiệt tự do trong chất bán dẫn

n(n) n(n)

"n »“ p dẫn loại nSố lượng hạt (nồng độ) diện tử tự do và lỗ trống trong lớp bán

n(p) n(p)

**p ’"n dẫn loại pSố lượng hạt (nồng độ) lỗ trống và điện tử tự do trong lớp bán

BJT Transistor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor)

FET Transistor trường (Field Effect Transistor)

JFET Transistor trường tiếp giáp (Junction FET)

MOSFET Transistor trường cách li ôxit kim loại (Metal Oxide

Semiconductor FET)Vcc

—li—

H l l H

Điện áp nguồn cung cấp một chiều

Uo Điộn áp tiếp xúc của tiếp giáp p-n

Ho Điện trường tiếp xúc của tiếp giáp p-n

OA Khuếch dại thuật toán (Operational Amplifier)

Is Dòng bão hòa ngược trong các tiếp giáp p-n

Ia Dòng chảy qua diode qui ước

6

Kí hiệu Giải thích

Ube> Vbe Diện áp giữa cực B và cực E của transistor BJT

Ubeo» Vbeo Diện áp phân cực một chiều giữa cực B và cực E của transistor BJT

Uce, Vce Diện áp giữac cực c và cực E của transistor BJT

Uceo» Vceo :Diện áp phân cực một chiều giữa cực c và cực E của transistor BJT

Ue, Ve Diện áp giữa cực E so với mass (hay GND)

Ueo» Veo :Diện áp một chiều phân cực giữa cực E so với mass (hay GND)

Uc, Vc :Diện áp giữa cực c so với mass (hay GND)

Uco, Vco Điện áp một chiều phân cực giữa cực c so với mass (hay GND)

Ub, Vb Điện áp giữa cực B so với mass (hay GND)

Ubo» Vbo Điện áp một chiều phân cực giữa cực B so với mass (hay GND)

Vdd Điện áp nguồn nuôi một chiều dùng trong FET

Vds Điện áp giữa cực D với cực s dùng trong FET

Vgs Điện áp giữa cực G với cực s dùng trong FET

Vd Điện áp giữa cực D so với mass (GND)

Vq Điện áp giữa cực G so với mass (GND)

Vs Điện áp giữa cực s so với mass (GND)

f, (O Tần số và tần số góc

Ic> Ic, ic Dòng điện chày trong cực góp của transistor BJT

Ie? ^C9 *e Dòng điện chạy qua cực E của BJT

IB» Ib, ib Dòng điện chảy qua cực gốc của BJT

Id Dòng điện chạy từ cực D đến cực s của FET hoặc ngược lại

Hỉe Điện trờ tiếp giáp B-E đẳng trị trong BJT

rC'E Điên trờ khuếch tán đẳng trị từ lóp c đến lóp E trong BJT

E, En Điện trường ngoài đặt lẽn phần tử

e(t) Nguồn tín hiệu đầu vào

P, hFE Hệ số khuếch đại dòng điện nội tại của BJT

8m Điện dẫn của một phần từ, một kênh dẫn hay một tiếp giáp p-n

p Điện trở động của kênh dẫn DS, dùng trong FET

A,anot Anốt của diode, là cực nối với miền bán dẫn p

K, catot Ca tốt của diode, là cực nối với miền bán dẫn loại n

CPU Vi xử lí trung tâm (Central Proccessing Unit)

ALU Bộ số học và logic (Arithmetic Logic Unit)

ROM Bộ nhớ bán dẫn chỉ đọc sau khi đã lập trình một lần duy nhất

(Read Only Memory)RAM Bộ nhớ bán dẫn truy cập ngẫu nhiên (Randomize Access

Memory)EPROM Bộ nhớ ROM nhưng có thể xóa bằng tia cực tím và lập trình lại

(Eresable Programable ROM)EEPROM Bộ nhớ ROM có khả năng lập trình nhiều lần và xóa bằng điện

(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)Cache Vùng nhớ đệm trong CPU

PWM Điều chế độ rộng xung

MUX Bộ dồn kênh (Multiplexer)

DEMUX Bộ phân kênh (Demultiplexer)

CODE Bộ mã hóa tín hiệu số

Kí hiệu Giải thích

DECODE 3Ộ giải mã tín hiệu số

FF Vlạch triger (Flip-Flop)

- e - Nguồn áp lí tưởng (có tổng trở nguồn bằng 0)

- ® - Nguồn dòng lí tưởng (có tổng trở nguồn bằng vô cùng)

— © — Nguồn tín hiệu xoay chiều hoặc biến thên

Diode biến dung (varicap)

B^ l Kí hiệu BJT loại ngược (n-p-n)

Kí hiệụ BJT loại thuận (p-n-p)

MOSFET kênh n (có diode zener bảo vệ ngược)

Bj ệ ' MOSFET kênh p (có diode zener bảo vệ ngược)

-Cổng logic NOT có điều khiển

^ r> o — Cổng logic NOT có trễ trước và sau

& Cổng logic AND tức thời

* Q Kí hiệu của triger kh.ông có xung nhịp điều khiển

Ngoài những kí hiệu dùng chung ở trong bảng liệt kê, khi cần có những kí hiệu riêng sẽ có định nghĩa cụ thể tại chỗ

Chưong i DỤNG CỤ BÁN DẢN

1.1 KIIÁI NIỆM CIIUNG VỀ CIIÁT BÁN DẪN

1.1.1 Cấu trúc vùng năng lưọng của chất rắn tỉnh thể

Một nguyên tử đứng cô lập có cấu trúc gồm hạt nhân nằm ở tâm, xung quanh là các lớp điện tử chuyên động với năng lượng liên kết ở dạng là các mức rừi rạc (theo N.Bohr 1913) (hình 1.1) Tuy nhiên, đây mới chỉ là mô hình bán lượng tử, chưa phản ánh được đây đủ đặc thù các hạt vi mô Do vậy mô hình này chỉ ứng dụng trong giới hạn hiệu ứng diện tử, chưa đủ để áp dụng trong các hiệu ứng quang tử và nano Năm 1925, E Schrodinger đưa ra mô hình nguyên tử có nhiều lớp vỏ, lớp ngoài cùng có đường kính khoảng 10’lom (cũng là đường kính nguyên tử), mỗi lớp

vỏ có một sô điện tử chuyên động trong một “mây điện tử” với mức năng lượng nhất định, theo phân bố hàm sóng Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suy biên thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng

ìruth 1.1 Mỏ hình nguyên từ cô lập

a) Mô hình Borh; b) Năng lượng; c) Mô hình Schroclinger

Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau:

Vùng hóa trị (hay'cọn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều

đã bị điện tử chiếm chỗ, khồng còn trạng thái năng lượng tự do để có thể bố trí thêm diện tử từ bên trong nguyên tử số điện tử trong vùng này đặc trưng cho hóa trị của nguyên tố, thông thường nó bằng hóa trị của nguyên tố đó Mức năng lượng liên kêt trong vùng này gọi là mức chặt

- Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay bị chiếm chỗ một phần Các điện tử nếu chuyển vào vùng này thì chúng sẽ có liên kêt rất yếu ớt với hạt nhân và dễ dàng di chuyển về mức chặt hoặc chuyển qua trạng thái

tự do, nên mức này còn được gọi là mức tự do

- Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thê chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0 Do các mức năng lượng rời rạc nên tồn tại dải năng lượng không thuộc mức nào, chúng được coi là vùng cấm

Để đưa một điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn cần một lượng năng lượng kích thích tối thiểu nhất định AEd = E<j - E0

Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 0°K) thể hiện trên hình 1.2 Trong đó:

- Vật liệu dẫn điện có một số diện tử nằm ở mức lẫn lộn, tức là mức năng lượng đáy của vùng dẫn thâp hơn đỉnh năng lượng của vùng hóa trị, nên năng lượng các điện tử trong vùng này vừa là của vùng dẫn, vừa là của vùng hóa trị, do đó rât dê dàng bứt ra khỏi nguyên tử để tạo thành điện tử tự do;

- Vật liệu có mức chênh lệch năng lượng kích thích vừa được gọi là bán dẫn điện,

nó dễ dàng dẫn điện trong một số điều kiện nào đó, còn lại chúng hầu như không dẫn điện;

- Nhóm vật liệu thứ ba có mức năng lượng kích thích lớn, xếp vào loại cách điện

vì chúng rất khó kích thích dể chuyển điện tử từ vùng hóa trị sang vùng dẫn;

Hình 1.2: Biểu diễn một sổ mức năng lượng CƯ hàn

Muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác động của điện trường Năng lượng kích thích

có thể dùng nhiều cách: nhiệt độ, ion hóa, điện trường Dưới đây ta xét tới cách dẫn diện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất

mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể

1.1.2 Chất bán dẫn thuần

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúc cấu trúc dạng hình 1.3 với vùng năng lượng cấm AEd = 0,72eV và AEj = 1,12eV, thuộc nhóm 4 bảng tuần hòan Mendeleep

irmh 1.3: Mô tci liên két mạng nguyên tử bán dẫn Si và Ge.

Mô hình cấu trúc mạng tinh thể phẳng của chúng trong hình 1.3 với bản chất là các liên kết ghép dôi diện tử hóa trị vành ngoài Tuy nhiên, trong thực tế chúng lại

có liên kết lập thế trong không gian nên việc liên kết cộng hóa trị không diên ra cô định mà thường xuyên thay dổi từ điện tử của nguyên tử này sang điện tử của nguyên tử khác khi có diều kiện cân bằng năng lượng nhất định Do một nguyên tử

để bảo hòa lớp ngoài cần phủi có 8 điện tử, trong khi chúng mới có 4, ncn các nguyên tử kế cận nhau sẽ đưa ra những cặp điện tử dùng chung và được gọi là điện

tử liên kết cộng hóa trị Do vậy ở 0°K chúng là các chất cách điện Khi nhiệt độ môi trường tác động vào chất bán dẫn tăng lên, năng lượng nhiệt sẽ kích thích vào một

số nguyên tử bán dẫn (lấy ví dụ là Si) và tạo ra một số diện tử tự do Mỗi nguyên tử dang trung hòa sẽ tạo thành một cặp ion dương-điện tử hay hạt dẫn điện theo qui trình chuyển dổi như sau:

Si ũ Si + cThực tế sẽ có một số nguyên tử chịu kích thích năng lượng nhiệt chứ không phải một, vì vậy nếu có n nguyên tử Si bị kích thích thì sẽ tạo ra:

n.Si □ n.Si+ + n.e” = Pi + nị

nghĩa là có bao nhiêu ion dương được tạo ra thì có bấy nhiêu điện tử tự do cũng được tạo ra

Thực tế sẽ còn một lượng ion dương và điện tử tự do được tạo ra do sự kích năng lượng và sự chênh lệch nồng độ của tạp chất trong chất bán dẫn, quá trình này xuất phát từ sự pha tạp chất không đều khi chế tạo vật liệu, như hình 1.4 Vì vậy nói chung thì nồng độ hai loại hạt dẫn không bằng nhau.Nhưng trong một số phân tích

cơ bản, để cho đơn giản, ta tạm coi như nồng độ hai loại hạt dẫn là như nhau

IDnh 1.4: Mật độ các mứng ncmg lượng trong vùng dẫn và vùng hóa trị

Ifính 1.5: cấn trúc vùng năng lượng cùa tinh thề Si ờ 0°K.

14

số lượng hạt dẫn diện này rất nhỏ, ở nhiệt độ phòng, dòng điện chúng tạo ra nếu

có thể, chỉ cỡ pA đến nA, do vậy hầu như không được ứng dụng trong thực tế Nhưng khi nhiệt dộ tăng lên, mật độ hạt dẫn tạo ra tăng nhanh chóng, nên dẫn đến khả năng dẫn diện cũng tăng theo (hình 1.6) Tuy vậy, hiện tượng nhiệt-hạt dẫn này không mang tính dặc trưng của chất bán dẫn, nó thường chỉ dùng trong cảm biến nhiệt độ mà thôi Do đó ta có nhận xét: •

* Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thích

đủ lớn Ekt > E0

* Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau ( ni =Pi)-

Nói chung, để ứng dụng được bán dẫn trong kĩ thuật điện tử, cần phải tìm cách

tăng khả năng dẫn điện, tức là tăng lượng cặp ion-điện tử lên Phirơng pháp hiện

tử/cm3, thì ta sẽ thu được chất bán dẫn loại n Khi đó các nguyên tử tạp chât sẽ thừa

một điộn tử lớp ngoài, dễ dàng bị ion hóa và tạo thành điện tử tự do o điêu kiện bình thường (25° c ) toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa Khi đó:

p<r»p+ + e_: p+ 3 Si

15

With 1.7: Mô tả bán dẫn n pha tạp chất hóa trị 5

1.1.4 Chất bán dẫn pha tạp chất loại p

Nếu pha tạp chât thuộc nhóm 3 như Al, B (có 3 điện tử lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần ta được chất bán dẫn tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu là nguyên tử tạp chất thiếu 1 điện tử lớp ngoài nên sẽ thiếu một liên kết cộng hóa trị, do đó nó có khả năng nhận điện tử để bù vào lỗ trống đó Vì vậy ta gọi loại bán dẫn này là bán dẫn có khả năng dẫn điện bằng lỗ trống (nhận điện tử)

1.1.5 Iliện tượng ion hóa nguyên tử

Khi kích thích chât bán dân băng một nguồn năng lượng ngoài thì nếu năng lượng đó đủ lớn hơn mức dân, nó sẽ làm cho các nguyên từ bán dẫn bị phân tách thành ion dương + điện tử tự do Hiện tượng đó gọi là ion hóa nguyên tử Sô hạt sinh

ra bằng số núm năng lượng bị chiếm trong vùng dẫn hay số mức bị trống đi trong vùng hóa trị Kêt quá của vật lý thống kê lượng tử cho phép tính nồng độ của các loại hạt này dựa vào hàm thống kê Fermi - Dirac-

16

n n = í N(E)F(E)dE ; np = J N(E)F(E)dE

^min

(1.1)

trong đó:

n,p - nồng độ diện tử trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị;

Ed - mức năng lượng đáy cùa vùng dẫn;

E0 - mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị;

Emax - trạng thái năng lượng cao nhất có điện tử;

Emin - trạng thái năng lượng.thấp nhất của lỗ trống;

N(E) - hàm mật độ trạng thái hạt theo năng lựợng;

Theo đó người ta xác định được:

trong đó:

Nc , Nv -mật dộ trạng thái hiệu dụng trong các vùng tương ứng;

Ep - mức thế hóa học (mức Fermi)

Ket quả phân tích cho phép có các kết luận chủ yếu sau:

+ Ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ hai loại dẫn là một hằng số (trong bât kỳ chất bán dẫn loại nào)

nghĩa là việc tăng nồng độ một loại hạt này luôn kèm theo việc giảm nồng độ tương ứng của loại hạt kia Trong (1.3), K là hằng số Bolzman, T là nhiệt độ tuyệt đối.+ Trong chất bán dẫn loại n có nj1n)))ni))npn) do đó số điện tử tự do luôn bằng sô ion dương tạp chất Tương lự, trong chất bán dẫn loại p có npP))}nj)}nJp) do đó sô lô trống luôn bằng sổ lượng ion âm tạp chất.[ 1 ]

1.1.6 Iỉiện tưọng tái hợp của các hạt dẫn

Khi ở trạng thái tự do, thì diện tử tự do có xu hướng trở vê lại mức hóa trị nêu không còn năng lượng kích thích Khá năng này xảy ra khi điện từ tự do gặp một ion dương hay lỗ trống Khi đó ion dương và điện tử kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử với 4 diện tử lớp ngoài cùng, đủ đổ liên kầí-công h ^ g^ị với các nguyên từ

( 1 2 )

(1.3)

17

kế cận Ta gọi nguỹỗrí tứ vừa được tái hợp đó là nguyên tử trung hòa Hiện tượng ion dương hay lỗ trống ket hợp với điện tử tự do để tạo nên nguyên tử trung hòa dược gọi là hiện tượng tái hợp.

Khi đó, trong chất bán dẫn loại n, là sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong điều kiện nồng dộ điện tử cao:

Ap(t) = Ap(0)exp

V Tp;

(1.4)

Ở dây: Ap(t) - mức giảm của lỗ trống theo thời gian;

Ap(o) là số lượng lỗ trống lúc t=0 (có được sau một quá trình sinh hạt);

Tp gọi - thời gian sống của lồ trống trong chất bán dẫn loại n

Tương tự, trong chất bán dẫn loại p có

An(t) = An(0)exp

V Tn J

(1.5)

Các thông sô Tp và Tn quyêt định tới các tính chất tần số làm việc của các dụng

cụ bán dân Do thời gian sông tự do của các hạt dẫn là có giới hạn, điều đó có nghĩa tần số làm việc của linh kiện sỗ tỉ lệ nghịch vói thời gian sống của các hạt dẫn

1.2 T1ÉP GIÁP p-n

1.2.1 Tiếp giáp n-p khi chua có điện áp ngoài

Khi cho hai đon tình thể bán dân lịtp chất loại „ và p tiếp xúc co học v6i nhau ò diều kiện thường, ta dưạc mộ, tiếp giáp hay tiếp xúc p-„, các hiện tưcmg vật lý xảy

ra tại nơi tiếp xúc tè cơ sở cho hầu hết các dụng cụ bán dẫn hiện đại

Ilình 1.9 biểu diễn mô hình lý tưởne h ó a m n t m 3 f , , ,

y n& noa m9t mặt ghép p-n khi chưa có điện ápngoài đặt vào

Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ hai loại hạt dẫn trong một lớp (n (n) » n (n)

và nỊ,p) » n|p)), tại vùng tiêp xúc có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua tiếp giáp, gọi là ái điện từ hay ái lỗ trống, nên sẽ xuất hiện một dòng ion dương khuếch tán Ikl hướng từ p sang n và một dòng.diện tử khuếch tán từ n sang p Hai bên tiếp giáp sẽ xuất hiện lớp diện tích trái dấu như hình 1.9 và tạo ra diện trường tiếp xúc

Eo - E(x) Trong quá trình dịch chuyển, các điện tử tự do có thể gặp lô trống và tái họp thành nguyên tư trung hòa:

18

Si + e —^ Si + AEj

Nhưng cũng do nhiệt độ kích thích, nguyên tử trung hòa cũng có thể tạo thành

ă n In IrA n c r 4- rliẴ n liV"

cặp lô trông + điện tử:

'ó i điện tiỊr

Xc

Iỉìnlí 1.9: Tiếp giáp p-n chưa phân cực

Đông thời điện trường tiếp xúc Eo lại có xu hướng kéo lỗ trống về lại lớp p và đẩy điện tử về lại lớp n, nên trong quá trình chuvển động ấy, khi lỗ trống và điện tử gặpnhau, lại xuât hiện quá trình tái hợp khi giao mức năng lượng cùa lỗ trống và diện tử

đi vào vùng tương ứng

Cứ như vậy, sau một thời gian, hai quá trình kích thích và tái hợp diễn ra với tốc

độ không đôi, sỗ xuàt hiện sự cân bằng hạt dẫn hai bên lớp liếp giáp và ta gọi làtrạng thái cân bằng dộng Khi dỏ nồng dộ hạt dần hai bên lớp tiếp xúc dược coi như không thay đổi

Điện trường Eo sẽ tạo ra hiộu diện thế tiếp xúc ulx Iliộu thế tiếp xúc có giá trị xác lập, dược xác dịnh bới:

q

p

,,(p)

KTln

, ( n ) ( n )

v np

(1.6)

19

Với những diều kiện tiêu chuẩn, utx có giá trị khoảng 0;3V với tiếp xúc p-n làm

từ Ge và 0,75V với loại làm từ Si Một vấn đề cần lưu ý là để tiếp giáp p-n đảm bảo tính khuếch tán đồng nhất thì hai tinh thể bán dẫn phải cùng loại, nếu không năng lượng liên kết giữa các tinh thể khác lại sẽ có mức khác nhau và phá vỡ tính ổn định khuếch tán Khi đó chỉ có tính khuếch tán nguyên tử nhiệt (Browner) chứ không còn tính tiếp xúc p-n

1.2.2 Mặt ghcp p-n khi có điện truxrng ngoài

Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một diện trường ngoài, Có hai trường hợp xảy ra (h 1.1 Oa và 1.1 Ob):

tử từ lớp n sang lớp p Kết quả là trong cả hai lớp p và n đều có nhiều hạt dẫn lỗ trống + điện tử, do dó làm tăng chuyển dộng khuếch tán Ikt t Khi đó bề rộng vùngnghèo giảm đi, tiếp giáp p-n có điện trở tiếp xúc rất nhỏ, lí tưởng coi là bằng không, nên tiếp xúc p-n có khả năng dẫn điện tốt

Hình 1.10b: Tiếp giáp p-n phân cực ngược

+ Phăn cực ngược:

Khi Engcùng chiều với E0, do tác dụng xếp chồng điện trường, Điện trường

ngoài góp phần đẩy các lỗ trống đi về lớp p và kéo các điện tử về lớp n Ket quả là lớp tiếp xúc chi còn các nguyên tử trung hòa là chính Dòng Ikt giảm tới không, chỉ

còn dòng rò do kích thích nhiệt lo trong lớp trung hòaf mà thôi, nêu không xét đên ảnh hưởng của các kích thích khác và sự mất cân bằng nồng độ thì dòng diện kích thích nhiệt này sẽ là dòng điện chính và không thay đổi theo điện trường kích thích, gọi là dòng điện ngược bảo hòa Is của tiếp xúc p-n Lúc này điện trở vùng nghèo tăng đáng kể, lí tưởng coi như vô cùng, nên tiếp xúc p-n không dẫn diện

Như vậy ta thấy:

- Khi phân cực ngược, tiếp giáp p-n không cho dòng đi qua, tương dương mạch diện bị hở mạch

- Khi phân cực thuận, tiếp giáp p-n cho dòng điện đi qua dễ dàng, tương đương mạch điện bị ngắn mạch

Như vậy ta thấy tiếp giáp p-n có tính chất chất van: dẫn điện theo 1 chiều Người

ta gọi đó là hiệu ứng chỉnh lưu của tiếp xúc p-n

1.2.3 Diode bán dẫn

Một tiếp giáp p-n như đã trình bày ở trên sẽ được dùng làm cơ sở để người ta chê tạo ra một loại linh kiện dẫn điện có tính chất van, gọi là diode bán dẫn Có nhiêu loại diode bán dẫn khác nhau Ta sẽ xem xét một số tính chất cơ bản của tiếp giáp p-

n dùng làm diode bán dẫn cơ bản nhất, đó là đặc tính Von-Ampe (V-A)

+ Đặc tuyến Von-Ampe và các tham số cơ bản của tiếp giáp p-n (diode bán dân)

Diode bán dẫn có cấú tạo là một tiếp giáp p-n với hai điện-cực, nối ra phía miền p gọi là anode ( hay anốt, kí hiệu là A), phía miền n gọi là cathode (hay catốt, kí hiệu

là K) Nối tiếp diode bán dẫn với một nguồn điện áp ngoài qua một điện trở hạn chế dòng, biến đổi cường độ và chiều của điện áp ngoài, người ta thu được đặc tính Von- Ampe của diode có dạng hình 1.12 Đây là một đường cong phức tạp, chia làm ba vùng rõ rệt:

- Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận;

- Vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược;

- Vùng (3) dược gội là vùng đánh thủng tiếp xúc p-n

Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe giữa lý thuyết và thực tế người ta rút dược các kết luận chủ yếu sau:

- 1 rong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng [1]

a) Dặc lính V-A chung; b) Thay đoi / y theo nhiệt độ (tham khào)

UT = — gọi là thế nhiệt; ở T =300°K với q = 1,6.10~I9C , K = 1.38.10~23J /K

- Tại vùng phân cực ngược, giá trị dòng bão hòa Is nhỏ (10~l2A /cm 2 với Si và

10”6A / cm2 với Ge) phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức độ +10% giá trị /°K : AIS(AT = 10°K) = IS tức là dòng điện ngược tăng gấp đôi khi gia số nhiệt độ tăng

10°c

- Các kết luận vừa nêu dối với Is và UAK chỉ rõ hoạt dộng của diode bán dẫn phụthuộc mạnh vào nhiệt dộ và trong thực tế các mạch diện tử có sử dụng tới diode bán dẫn hoặc transistor sau này, người ta cần có nhiều biện pháp ngiêm ngặt dể duy trì

sự ổn dịnh của chúng khi làm việc, chống (bù) lại các nguyên nhân kể trên do nhiệt

+ Đánh thủng vì diện do hai hiệu ứng: ion hóa do va chạm các hạt dẫn vói nhau

và với nguyên tử trung hòa và hiệu ứng xuyên hầm xảy ra ở các tiếp xúc p-n hẹp do pha tạp chất với nồng độ cao

Diode được dùng trong nhiêu lĩnh vực của kĩ thuật diện tử: chỉnh lưu, ôn áp, tạo xung, tách sóng, radar, laser Những ứng dụng sẽ dược trình bày trong các phân sau

1.3 MỘT SÓ LOẠI DIODE ĐIÉN IIÌNH

1.3.1 Diode chỉnh lưu

Cấu tạo hoàn toàn như tiếp giáp p-n dã trình bày, với nồng dộ 1 nguyên tử tạp chất trên 10 triệu nguyên tử bán dẫn Diode chỉnh lưu có dòng điện làm việc trong dái rộng, điện áp chịu dựng cao Có thê chế tạo từ vài ampe dên vài chục nghìn ampe Kí hiệu trên các sơ dồ diện và một số loại như sau:

23

Ịfính ỉ 14: Bàng tham sổ vct hình dạng ngoài cùa một loại diode

Ifình 1 IS: Diode chế tạo dạng khối lcip ghép

Các diode công suất lớn được lắp trên các đế tản nhiệt khi làm việc Những diode nhỏ tản nhiệt trực tiếp bàng đối lưu

1.3.2 Diode ổn áp

Còn gọi là diode Zener, dược chê tạo băng bán dẫn có nồng độ tạp chất cao (10 /cm ) Zener tạo ra những vùng bán dẫn suy biến Khi được phân cực ngược, sẽ xay ra hiẹn tượng dánh thúng cách điện (breakdown of insulator) gọi là hiệu ứng Zener, khi dó các điện từ từ trạng thái liên kết sẽ chuyến sang trạng thái tự do, chúng

sẽ chui qua các hàng rào thế nhờ hiệu ứng dường hầm (tunnel)

Ifính 1.16: Iñnh dọng ngoài và đặc tính V-A cùa diode zener

Trên hình vẽ, đặc tính V-A của zener làm việc ợ vùng đánh thủng, khi đó, do diện tích không gian bị ion hóa hòan toàn nên điện áp trên tiêp giáp p-n không đôi Nêu

ta có biện pháp hạn chế dòng để không làm hỏng tiếp giáp thì zener có thể ổn áp cho tải mắc song song với nó

Ị Tinh 1.17: Phân bố năng lượng tiếp giáp p-n trong zener và tham số động

a) Đặc trưng; b) Điện trở động; c) Hệ số nhiệt độ

25

1.3.3 Diode

tunnel’-Còn gọi là diode Esaki, do Leo Esaki, người Nhật bản tìm ra năm 1958 Nó được chế tạo khi pha tạp tinh thể bán dẫn trên một miền p và một miền loại n có nồng độ cao hơn 1019cm'3, khoảng 1000 nguyên tử tạp chất trong 10 triệu nguyên tử bán dẫn Khi đó vùng chuyển tiếp p+n+ trở nên rất hẹp (< 10A°) Giản đồ năng lượng của vùng chuyển tiếp bị biến điệu rất mạnh, do vậy đặc tính của diode tunnel không giống như diode thông thường, thể hiện như hình vẽ 1.18 Trong đó đường liên tục

là đặc tính V-A của tunnel, còn đường đứt nét là của diode thường Ta thấy trong vùng điện áp thấp, nếu diode thường hầu như không dẫn điện khi phân cực thuận, do điện áp ngoài nhỏ hơn điện áp tiếp giáp, vùng nghèo điện tích còn phát huy tác dụng, thì ở tunnel, hiệu ứng đường hầm đã xảy ra khi điện áp đặt giá trị đủ lớn, cỡ 200mV Đoạn l-2 r quan hệ dòng và áp tăng gần như tuyến tính, điều đó là do bán dẫn suy biến nên vùng nghèo thu hẹp rất nhanh, khiến cho trcng vùng phân cực ngược, hiệu ứng lượng tử lấn át hiệu ứng điện tử Đoạn 2-3 là đoạn điện trở âm, trong đoạn này, các hạt diện tử vượt qua hàng rào thế bởi sự liên kết cộng hóa trị yếu giữa lồ trống và các nguyên tử Si lân cận nên sẽ thu hút điện tử, khiến cho diện áp tăng nhưng dòng điện giảm xuống

Ifình 1.18: Đặc tính V-A và phân bổ núng lượng chuyển tiếp trong cỉiode tunnel

Khi điện áp phân cực thuận tiếp tục tăng doạn 3-4, dòng diện lại tăng bình thường, đoạn 4-5 tunnel tiến dến gần một diode thường Đổ đơn giản, ta xét giản đồ năng lượng như hình vẽ, do mức năng lượng hai vùng p và n không giống nhau, nên dáy vùng dẫn n suy biến sẽ thấp hơn đinh vùng hóa trị p suy biến, khi đó các điện tử

dễ dàng di chuyển từ vùng hóa trị p sang vùng dẫn n vì có cùng năng lượng, đó chính là hiệu ứng dường hầm tunnel

Khi điện áp tăng lên, vùng năng lượng

chồng chéo (overlap) giữa p và n bị thu

hẹp lại, khi đó chi có một số ít điện tử có

năng lượng đủ lớn mới vượt qua được tiếp

giáp, do vậy dù áp tăng nhưng dòng điện

vẫn giảm

Hình 1.19 mô tả một diode tunnel thực

tể khi đo bằng dao động kí Ta thấy rằng,

đoạn 2-3 trong đặc tính mô tả sẽ không

nhìn thấy được trong thực tế, đó là do thời

gian di chuyển của diode trong đoạn này

rất nhỏ nên đoạn đó gần như thẳng đứng

và không thể quét được bằng tia điện tử

1.3.4 Diode Gunn

Còn gọi là phần tử nhường điện tử, được dùng trong kĩ thuật siêu cao tần Nó chỉ

có một đơn thể bán dẫn kích thích n, trong khi diode thường có hai đơn thể p và n Trong diode Gunn, tồn tại 3 vùng riêng biệt: hai vùng có nồng độ hạt dẫn cao được nối với hai chân ra ngoài, lớp giữa rất mỏng có nồng độ thấp Khi đặt điện áp lên diode, véc tơ diện trường sẽ có giá trị lớn xuyên qua lớp giữa nên lóp giữa sẽ dân diện, làm giảm điện trường tại đó, ngăn sự dẫn điện qua lại giữa hai lớp ngoài

Trong thực tế, hiện tượng đó sẽ gây ra vùng điện trở vi phân âm Các điện tử trở nên liên kết yếu với nguyên tử và gây ra thăng giáng dòng điện mạnh khi điện thê vượt quá một ngưỡng nào đó Vật liệu bán dẫn ở đây là GaAs pha tạp chất n, thuộc tính thời gian của tín hiệu kết hợp với độ dày lớp giữa sẽ quyết định tần số dao động

GaAs N

GaAs N *

Hình 1.20: cấu lao nguyên lý diode Gunn

Với sự thay dổi nhanh cùa dòng điện sẽ gây nên các sóng điện từ cao tần cỡ vài chục GHz với công suất từ 50 đến 150mW với V = 4v Loại diode GaN có thể dao

27

động đến 3THz Các dtódé này được lắp trong các hốc cộng hưởng để chế tạo các radar công nghiệp có công suất thấp, thường dùng trong các thiết bị đo lường và điều khiển.

1.3.5 Diode biến dung (Varicap)

Là loại diode hoạt động trong chế độ phân cực ngược nhưng không có dòng Độ rộng của vùng nghèo điện tích biến đổi theo điện áp đặt vào tiếp giáp, nên điện dung diode sẽ thay đổi theo điện áp ngoài Nói chung ta có:

Điện áp thấp, vùng nghèo

ít bị xâm nhập làm tăng

điện dung

Điện áp cao, làm tăng vùng

Iĩìnlt 1.21: Phán bố vùng tiếp giáp và cấu tạo diode biến dung

Trên hình vẽ cấu tạo ta thấy varicap có hai lớp n và một lớp p Lớp n giữa có nông dộ hạt dẫn thấp nên tạo được điện dung ngược lớn Khi diện áp ngược ngoài

đặt vào tăng, nông độ hạt dẫn ở lớp N cao sẽ thâm nhập dần vào lớp n thấp dưới tác dụng của điện trường làm diện dung giảm dần.

1.3.6 Diode PIN

Diode PIN được chế tạo từ ba lớp bán dẫn, trong đó hai lớp p+ và n+ pha tạp mạnh, kẹp giữa là một lớp bán dẫn tinh khiết I có độ dày lớn hơn Khi phân cực thuận, diode PIN phân ra hai chế độ: chế độ mức thấp xảy ra quá trình tái hợp trong mien I và chế độ mức mạnh thì sự tái hợp xảy ra trong miền n+ và p+ Khi phân cực ngược, dộ rộng vùng bán dẫn tinh khiết I hầu như không đổi, VI ở hai bên nó là hai miền pha tạp mạnh, nên vùng điện tích không gian hầu như không lan vào ọác miền này Do vậy điện dung diode hầu như không đổi khi thế ngược thay đồi

Diode PIN được dùng chế tạo các bộ chỉnh lưu công suất lớn, có thê chịu dược diện áp đến 2500V khi phân cực thuận, mật độ dòng điện có thể đạt đến 100A/cm2

Nó còn được dùng làm các khóa điện tử siêu cao tần do điện dung độc lập với điện trở ngược, dòng cao tân dễ dàng đi qua phân cực ngược, còn khi phân cực thuận, nó

bị ngắn mạch

1.3.7 Diode kim loại-bán dẫn

Khi cho kim loại tiêp xúc với bán dẫn thì trên bề mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện một hàng rào thế cấu trúc vùng năng lượng gần mặt tiếp xúc phụ thuộc công thóat điện

tử của kim loại q(Ị>nl và cùa bán dẫn q<|)s Nếu bán dẫn loại n, điện tử từ bán dẫn chạy sang kim loại kéo theo sự biên điệu mức năng lượng vùng chuyển tiếp Trong bán dân n xuất hiện một vùng điện tích không gian dương, còn trong kim loại tích tụ một lớp mỏng điện tử ở gần bề mặt tiếp xúc Trong vùng điện tích không gian dương xuât hiện điện trường ngăn cản sự chuyển dời của điện tử rời khỏi bán dẫn Do vậy xuất hiện hàng 1'ào thế:

Mật độ trạng thái năng lượng vùng chuyển tiếp cỡ 10e + 22/cm3, do vậy điện tích dược giữ trong một lớp rất mỏng gàn bề mặt Trong bán dẫn mật độ hạt dẫn cỡ 10e + 16 đên 10e + 18/cm+, ncn vùng diện tích không gian chi nằm ở phía bán dẫn

Nêu bán dân là loại p, thì điện tử của kim loại sẽ chuyển dời vào trong bán dân, tái hợp với lỗ trổng cơ bản làm xuất hiện một vùng điện tích không gian âm Nếu nối kim loại với cực dương, còn bán dẫn với cực âm cúa một nguồn thế bên ngoài, thì

dộ cong của vùng năng lượng được tăng cao, do vậy hàng rào thể cũng nâng cao ngăn không cho dòng điện chảy qua lớp chuyển tiếp Nếu kim loại có thế âm hơn

29

bán dẫn, thì hàng rào th'ể giậm, điện tử chuyển dời từ kim loại sang bán dẫn dễ dàng, tạo ra dòng điện có giá trị Ịớn qua vùng chuyển tiếp.

ITtnh 1.22: Tiếp xúc kim loại - bán dẫn n a) Trạng thái cân bằng; b) Phân cực thuận

Efn

ITinh 1.23: Tiếp xúc kim loại - bán dun p

Tiếp xúc kim loại - bán dẫn dược ứng dụng dể chế tạo các diode có tốc độ chuyến mạch nhanh và tạo nhiều dặc tính đặc biệt ứng dụng trong siêu cao tần

Nêu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp p-n công nghệ gần nhau thì ta được một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là transistor Ta lần lượt xét chi tiết cấu tạo và nguycn lắc làm việc của loại thiết bị này

1.4.1 Cầu tạo

Transistor có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n xen kẽ nhau, Tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có hai loại cấu trúc là p-n-p và n-p-n Để tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epetaxi

Ta xem bảng phân bố cấu trúc của BJT như sau:

Lớp E (emitter) Lớp B (base) Lớp c (collector)

ỉũ n h 1.24: Hai loại BJT a) Loại npn; b) Loại pnp

Dựa trên cấu trúc này, phân bố nồng độ hạt dẫn có dạng như hình 1.25

1.4.2 Nguycn lí làm việc

Để transistor làm việc, người ta phải đưa điện áp một chiều tới các điện cực của

nó, gọi là phân cực cho transistor

Gọi JE là tiếp giáp p-n giữa lớp E và lớp B, Je là tiếp giáp p-n giữa lớp B và lớp

c Trong thực tế, BJT có một số chế độ làm việc như sau:

- Chế độ khuếch đại tuyến tính, người ta sử dụng vùng làm việc tuyến tính trong

họ đặc tính V-A của BJT (sẽ trình bày ở phần sau)

- Chế dộ bão hòa, người ta sử dụng vùng bão hòa của họ đặc tính V A của BJT đê thiết kế các mạch làm việc chế dộ này Trong đó BJT hoạt dộng như một van có điêu khiển tích cực

- Chế độ khóa: sử dụng vùng khóa của BJT (cut-off) để làm khóa điện tử khi cần ngắt dòng điện với tốc dộ cao

Các chế dộ trên được thực hiện trên các mạch khác nhau thông qua phân cực điện áp làm việc trcn các cực của BJT Ờ chương 2 ta sẽ nói đến các cách phân cực cụ thề

Đổi với ché độ khuếch đại thì Jj: phân cực thuận và Jc phân cực ngược

31

Ẩ i n(cm )

Ỉĩì/í/ỉ 1.25: Cấu tạo nguyên lý BJT và phân bố nồng độ hạt dẫn của BJT

Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy transistor n-p-n làm ví dụ Do JE phân cực thuận, các hạt đa số (điện tử) từ miền E phun qua JE tạo nên dòng emitơ ( IE) Do lớp

B rất mỏng và chứa ít lỗ trống nên sẽ có một số điện tử bị tái hợp, một số ở gần cực

B sẽ chạy vào cực B tạo nên dòng IB số còn lại đến gần vùng nghèo Jc

¡tình 1.26: Phcm bố năng lượng và cấu trúc thực cùa BJT

Vì lớp c cũng chứa điện tử nến hiệu ứng phân cực ngược bị giảm xuống, vùng nghèo sẽ bị thu hẹp, tỉ lệ với số lượng điện tử vừa đến, kết hợp với điện trường Ece

khá lớn, chủng sẽ vượt qua tiếp giáp Jc và chạy vào lớp c tạo nên dòng Ic.

Hình 1.27: Phân cựcVÀ mô tà quá trình khuếch tán cùa BJT

Qua việc phân tích trên, ta thấy:

Đối với BJT, ta co'thể mô tả cấu trúc vật lý bằng sơ đồ tương đương hai diode mắc ngược chiều nhau, nhưng đây chi là sơ đồ trực quan, không phải thay thế trong tính toán giải tích mạch.

Để dánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ người ta định nghĩa

số truyền đạt dòng diện a của transistor

1.5 TRANSIOTR TRƯỜNG (F E T - Field Effect Transitor)

Transitor trường hoạt dộng dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn diện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác dụng của một điện trường ngoài Dòng điện trong FET chỉ do một loại hạt dẫn tạo ra Có hai loại FET cơ bản là JFET và MOSFET

1.5.1 Transitor trưcrng có cực cửa tiếp giáp (JFET- Junction FET)

* c ấ u tạo và ký hiệu quy ước:

Mình 1.29 mô tà cấu trúc JFET kiểu kênh n: trôn dế tinh thể bán dẫn Si-n người ta lạo xung quanh nó một lớp bán dẫn p (có tạp chất nồng độ cao hơn so với đế) và đưa

ra ba diện cực là cực nguồn s (soucre), cực máng D (Drain) và cực cửa G (Gate) Như vậy hình thành một kênh dẫn điện loại n nối giữa hai cực D và s, cách li với cực cưa G (dùng làm cực diều khiển) bới một lớp tiếp xúc p-n bao quanh kênh dẫn

ỉ lòan loàn tương tự, nếu xuất phát từ đế bán dẫn loại p, ta có loại JFET kênh p với các ký hiệu quy ước phân biệt cho trên hình 1.29

Cực gốc s Cửa G Cực đẫn D

7/ỉ/í/í 1.29: Cẩu tạo FETkênh n và kí hiệu hai loại FET

- Nguyên lý hoạt động: để phân cực JFET, tiếp giáp G-S luôn được phân cực

ngược Người ta dùng 2 nguồn điện áp ngoài là VDS > 0 và VGS < 0 như hình vẽ1.30 Do tác dụng của các diện trường DS, trên kênh dẫn xuất hiện một dòng điện hướng từ cực D tới cực s gọi là dòng điện cực máng ID Dòng 1D có độ lớn Tùy thuộc vào các giá trị v us và VGS vì độ dẫn điện của kênh phụ thuộc mạnh vào cả 2 điện trường này Nêu xét riêng sự phụ thuộc của ID vào từng diện áp khi giữ chođiện áp còn lại không dổi (coi là một tham số) ta nhận được 2 quan hệ hàm quan trọng nhất của JFET là:

lD = f](VDS)/V GS = const

!d= 12( v u s ) / v d s = constBiếu diễn f| (.) ứng với vài giá trị không đồi của VGS ta thu dược họ dặc tính ra của JFET

Vì FET được điều khiển bàng diện áp, đây là điểm khác biệt dối với DJT, là điều khiển bàng dòng vào Nên trong các kí hiệu thông số làm việc của FET, ta dùng kí

3 5

hiệu điện áp là V thaý-cho u để nhấn mạnh vai trò điện thế điều khiển cũng như điện thế cung cấp nguồn cho FET(bao gồm cả JFET và MOSFET, sẽ nói ở phần sau).Hình 1.31 mô tả biến đổi nội tại tiếp giáp p-n phân cực ngược và kênh dẫn bên trong JFET.

Ifình 1.31: Mô hình điện tích không gian trong JFET

Ifình 1.32a: Biến đoi bề rộng kênh dẫn theo điện thế điều khiển.

Để mô tả kỹ hơn, người ta chia ra một số trường hợp đặc biệt trực quan về biến thiên kênh dẫn của JFET như hình 1.32a

Theo hình 1.32b, đặc tính ra của JFET chia làm 3 vùng rõ rệt:

+ Vùng gần gốc, khi VDS nhỏ, ID tăng tuyến tính theo VDS và ít phụ thuộc vào VGS vì độ lớn dòng điện phụ thuộc mật độ hạt dẫn và điện trường Khi điện trườngyếu thì các hạt dẫn chuyển động thoải mái nên dòng điện tỉ lệ với điện áp Khi đó JFET giống như một điện trở thuần (tới điểm A)

+ Vùng thắt (vùng bão hòa từ điểm A đến điểm B) khỉ VDS đủ lớn, tất cả các hạt dẫn đều tham gia vào dẫn điện nên ID hầu như không đổi Đây là vùng ở đó JFET làm việc như một phần tử khuếch dại

+ Vùng đánh thủng(quá diêm B), khi VDS có giá trị khá lớn, ID tăng đột biên dohiộn tượng kích thích dây chuyền bởi điện trường lớn gần cực D vì diện áp ngược đặt lên tiếp giáp p-n tại vùng này là lớn nhất

Như vậy ta thấy:

+ Khi trị số VGS âm dần, điểm A xác định ranh giới 2 vùng tuyến tính và bão hòa dịch dần về phía gốc tọa độ Hòanh độ điểm A (ứng với một trị số nhất định của VGS ) cho xác định một giá trị điện áp gọi là điện áp bão hòa cực máng VDSo (còn

gọi là điện áp thắt kênh) Khi |vcs| tăng VDSo giảm

+ Với điểm B: ứng với các giá trị VGS âm hơn, việc đánh thủng tiếp giáp p-n xảy

ra sớm hơn, với những giá hi VDS nhỏ hơn

- Các tham số chủ yếu của JFET gồm hai nhóm:

Tham số giới hạn gồm có:

+ Dòng IDmax là dòng diện ứng với điểm B trên đặc tính ra (đường ứng với giá trị

V GS = 0); giá trị IDmax khoảng <50mA;

+ Điện áp máng - nguồn cực dại cho phép và điện áp của nguồn VGSmax

V DSmax = UB /(1 ,2 -s-1,5) (cỡ vài chục vôn)

ở đây UB là điện áp máng nguồn ứng với điểm B

+ Điện áp khóa VGS0 (hay Vp ) bằng giá trị VDSo ứng với đường VGS =0)

Tham số làm việc gồm có

+ Điện trở trong r¡ = ỠVDS /ỠID|V(1S = const (cỡ 0,5 M Q ) r¡the hiện độ dốc cùa

đặc tính ra trong vùng bão hòa

3 7

rvao do tiếp giáp p-n quyết định, có giá trị khoảng 109Q

+ Ờ tần số làm việc cao, nguời ta còn quan tâm tới diện dung giữa các cực CDS

Iĩm h 1.33: cấu tạo, nguyên tắc làm việc VCI đặc tính cùa MOSFET

a) Loại kênh cam ứng; b) Loại kênh đặt sẵn

Kí hiệu quy ước của MOSFET trong các mạch điện tử được cho trên hình 1.34.Trên nền đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n (Si-n), người ta pha tạp chất để tạo

ra hai vùng bán dẫn loại p+ (nồng độ pha tạp cao hơn so với đế) và lấy ra hai cực là

D và s Hai vùng này dược nổi thông với nhau nhờ một kênh dẫn loại p có thể hình thành ngay trong quá trình chế tạo (loại kênh đặt sẵn hình 1.33b) hay chỉ hình thành sau khi đã có điện trường ngoài tác động (loại kênh cảm*ứng - hình 1.33a) Tại phần dổi diện với kênh dẫn, người ta tạo ra điện cực thứ ba là cực cửa G sau khi đã phủ lên bề mặt một lớp cách điện mỏng S i02 Từ dó MOSFET còn có tên là loại FET cócực cửa cách li (IGFET) Kênh dẫn được cách li với đế nhờ tiếp giáp pn thường được phân cực ngược nhờ một điện áp phụ đưa tới cực thứ tư là cực đế

Ịfình 1.34: Các kí hiệu v à ổặc tính V-A cùa MOSFET

3 9

- Nguyên lí hoạt động và đặc tính Von-Ampe.

Để phân cực MOSFET người ta mắc mạch tương tự như sơ đồ hình 1.30

+ Với loại kênh đặt sẵn, tương tự như JFET, nếu đặt tới cực cửa điện áp VGS < 0, thì điện trở kênh dẫn sẽ thay đổi theo giá trị Vgs- Cụ thể là nếu giá trị VGS tăng lên thì điện trở kênh dẫn tăng và ngược lại Khi đó dòng điện ID sẽ biến thiên ngược lại tương ứng Nếu xác định quan hệ hàm số ID =f(V DS), lấy với những giá trị khác nhau của VGS ta thu được họ đặc tính của MOSFET

+ Với loại kênh cảm ứng Khi đặt VGS > 0, tại vùng đế dối diện cực cửa xuất hiện các điện tử cảm ứng tự do và hình thành một kênh dẫn điện nối liền 2 cực máng và nguồn Độ dẫn của kênh tăng theo giá trị của VGS do đó dòng điện cực máng ID tăng Quan hệ hàm ID = f(VDS), lấy với các giá trị VGS khác nhau, ta có họ đặc tính

ra của MOSFET kênh cảm ứng Điểm khác biệt của loại này so với loại kênh đặt sẵn

là dòng Id bão hòa trong loại kênh cảm ứng đạt được khi Vg = 0, nghĩa là điện áp điều khiển cấp đối xứng từ Vy Do vậy trong các mạch điều khiển thì cần phải tạo điện áp VGS lưỡng cực để điều khiển dẫn và khóa MOSFET

+ Đặc tính ra của MOSFET với cả hai loại kênh đều có 3 vùng phân biệt tương

tự JFET, đó là:

- Vùng ID tăng tuyến tính theo VDS

- Vùng bão hòa ID chỉ phụ thuộc vào Vcs- Vùng bão hòa của ID chính là vùng khuếch dại tuyến tính cùa MOSFET Nhưng theo đặc tính V-A ở hình 1.33 ta thấy diện áp diều khiển V g s phải biến thiên ở cả hai nửa chu kỳ trong phạm vi rộng thì mới diều khiên dược dái dòng diện Id hẹp, vì vậy thực tế ít dùng MOSFET để khuếch dại tuyến tính mà người ta thường dùng làm khóa điện tử (ON/OFF) với công hệ số chuyên mạch công suất lên đến hàng nghìn lần

- Vùng đánh thủng lúc VDS có giá trị khá lớn Các MOSFET thường được chế tạo với diện áp đánh thủng lên đến hàng nghìn vôn

1.6 T R A N S I T O R L Ư Ỡ N G c ự c C Ó c ự c C Ủ A C Á C H L Y - Í G B T ( I n s u l a t e d

gate bipolar transitorr)

1.6.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: