CHƯƠNG 2: LINH KIỆN BÁN DẪN – Tài liệu text

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản khá đầy đủ của tài liệu tại đây ( 5.88 MB, 77 trang )

liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bán

dẫn P.

Hình 2.5 Chất bán dẫn P

2.1.4 Tiếp giáp P – N và Cấu tạo của Diode bán dẫn.

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp

giáp P – N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư

thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành

một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn.

Hình 2.6 Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode .

Ở hình trên là mối tiếp xúc P – N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn.

Hình 2.7 Kí hiệu và hình dạng của đi ốt bán dẫn

2.1.5 Hoạt động của điốt

Phân cực thuận cho Diode.

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt

( vùng bán dẫn N ), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại,

khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại

Ge ) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu tiếp tục

tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của

7

Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V ).

Diode (Si) phân cực thuận – Khi Dode dẫn

điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Hình 2.8

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua

Diode

Phân cực ngược cho Diode.

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-)

vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và

ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn

khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.

Hình 2.9 Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

2.2 Tranzitor lưỡng cực.

2.2.1 Cấu tạo của Transistor. ( Bóng bán dẫn )

Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu

ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor

ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .

Hình 2.10 Cấu tạo Transistor

8

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base), lớp

bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.

Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay

cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P )

nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được.

Ký hiệu tranzitor

2.2.2. Nguyên tắc hoạt động của Transistor.

Xét hoạt động của Transistor NPN .

Hình 2.11 Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt động của transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-)

nguồn vào cực E.

– Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E, trong đó

cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.

– Khi công tắc mở, ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không

có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )

Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn

UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

– Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn

phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

– Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức

.

IC = β.IB

Trong đó

IC là dòng chạy qua mối CE

IB là dòng chạy qua mối BE

9

β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích :

Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp PN để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và

nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp

sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các

điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C

dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng IC, IE là các dòng hạt từ cực E một phần

tái hợp tạo thành IB, một phần vượt qua tiếp giáp tạo thành dòng IC

Xét hoạt động của Transistor PNP .

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của

các nguồn điện UCE và UBE ngược lại. Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B.

2.2.3 Các dạng mắc mạch cơ bản của Transistor

Khi dùng transistor để ráp mạch khuếch đại trước hết phải phân cực cho transistor ở

chế độ tĩnh sau đó đưa tín hiệu vào ở một cực, lấy ra ở cực thứ 2 và cực thứ 3 gọi là điểm

chung. Vậy có ba cách mắc transistor.

E chung

B chung

C chung

IB là dòng vào

IE là dòng vào

IB là dòng vào

IC là dòng ra

IC là dòng ra

IE là dòng ra

UBE là điện áo vào

UBE là điện áo vào

UBC là điện áo vào

UCE là điện áp ra

UBC là điện áp ra

UCE là điện áp ra

Quan hệ giữa dòng áp vào và dòng áp ra:

– Đặc tuyến vào: Ivào = f(Uvào) khi Ira (Ura)= const

– Đặc tuyến ra: Ira = f(Ura) khi Ivào (Uvào)= const

– Đặc tuyến truyền đạt : Ira = f(Uvào) khi Ivào (Ura)= const

Phương pháp vẽ đặc tuyến

Ví dụ khảo sát mạch EC.

Nguồn ECC, EBB có thể thay đổi, ECC cấp điện cho transistor, EBB phân cực cho transistor

– Giữ nguyên nguồn ECC để UCE có giá trị nhất định, thay đổi EBB để UBE thay đổi.

Ứng với UBE thay đổi ta đo được dòng IB, IC. Ví dụ ta đo được:

10

UBE(V)

IB(µA)

IC(mA)

0

0

0

0,2

0,2

20

0,4

1

97,5

0,6

2

160

0,8

4,8

340

0,9

8

450

– Đặc tuyến ngõ vào IB=f(UBE) khi UCE = const

– Đặc tuyến ra:

Giữ cho UBE bằng một giá trị cố định(0,2V) điều chỉnh điện áp nguồn ECC để làm thay đổi

UCE thì khi đó IC biến đổi theo. Ta quan sát được:

Khi UCE =0 thì IC=0 sau đó IC tăng tuyến tính theo UCE và tiếp tục tăng rất chậm

theo UCE ta được đường đặc tuyến 1.

Tiếp theo điều chỉnh ECC để UBE có một giá trị khác(0,3V), quan sát UCE thay đổi

thì IC thay đổi ta vẽ được đặc tuyến thứ 2.

Tập hợp các đường đặc tuyến này gọi là họ đặc tuyến ra.

2.2.4 Đường tải tĩnh và điểm công tác tĩnh

Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra tĩnh của transitor để nghiên cứu dòng điện và

điện áp một chiều khi mắc trong một mạch cụ thể nào đó.

Để vẽ đường tải tĩnh ta cần xác định hai điểm:

– Một điểm trên trục tung (tương ứng với điện Ura =0)

– Một điểm trên trục hoành (tương ứng với Ira = 0)

Điểm công tác tĩnh (hay điểm tĩnh, điểm phân cực) là điểm nằm trên đường tải tĩnh xác định

11

dòng điện và điện áp trên transitor khi không có tín hiệu đặt vào, nghĩa là xác định điều kiện

phân cực cho transitor.

Điểm công tác tĩnh của mạch là giao của đường tải tĩnh và đặc tuyến ra: (IB gần bằng

VCC/ RB đối với sơ đồ phân cực cố định- sơ đồ thứ nhất)

Ổn định điểm công tác tĩnh.

– Vị trí của điểm làm việc tĩnh rất quan trọng trong hoạt động của BJT

– Nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi vị trí của điểm Q:

Nhiệt độ thay đổi, sự hoá già của linh kiện theo thời gian hoạt động, sự không ổn định

của nguồn cung cấp …

– Trong đó yếu tố về nhiệt độ là yếu tố thường xuyên tác động và có thể hạn chế được. Do

tính chất chung của bán dẫn là đặc tính điện phụ thuộc vào nhiệt độ nên dòng điện và điện áp

trên transistor phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Nghĩa là điểm làm việc tĩnh sẽ bị di chuyển

khi nhiệt độ thay đổi.

– Ảnh hưởng của nhiệt độ chính là ảnh hưởng tới hai tham số là dòng ngược ICB0 và điện áp

UBE.

UBE biến đổi khoảng –2,2mV/0C đối với transistor loại Si và -1,8mV/0C đối với transistor Ge.

ICB0 tăng gấp 2 lần khi nhiệt độ tăng 100C

2.2.5 Phân cực cho Transistor

Phân cực là dùng nguồn nuôi một chiều và các điện trở để tạo được sự phân bố điện

thế giữa ba cực B,C,E của BJT sao cho các tiếp giáp J1(giữa B-E), J2(giữa B-C) có điện áp

một chiều với cực tính và giá trị thích hợp. Điện áp một chiều này sẽ thiết lập chế độ một

chiều cho BJT. Khi phân cực nếu:

– Tiếp giáp J1 phân cực thuận, J2 phân cực ngược thì BJT làm việc ở vùng khuếch đại. Khi

tính toán chế độ một chiều ở vùng này ta thường sử dụng công thức sau:

UBE= 0,7V

IC= βIB

IE= (β+1)IB

– Cả hai tiếp giáp J1, J2 đều phân cực ngược, BJT làm việc trong vùng khóa cắt dòng

– Cả hai tiếp giáp J1, J2 đều phân cực thuận, BJT làm việc trong vùng bão hòa.

Các phương pháp phân cực cho BJT

2.2.5.1 Phân cực bằng dòng cực gốc cố định.

Khi tính phân cực các tụ điện coi như hở mạch. Áp dụng định luật Kirhop2 dễ dàng

12

tính được:

IB =

ECC − U BE

RB

I C = βI B, IE= (β+1)IB

UE = 0, UB = UBE

UC = ECC – ICRC

Phương trình đường tải tĩnh:

U CE = ECC − I C RC

Bài tập: Cho sơ đồ và đặc tuyến ra như sau:

Xác định điểm công tác tĩnh Q

2.2.5.2 Phân cực ổn định cực emitơ

IB =

ECC − U BE

RB + ( β + 1) RE

I C = βI B, I = (β+1)I

E

B

UE = IERE, UB = UE+UBE

UC = ECC – ICRC

U CE = ECC − I C ( RC + RE )

(coi IC gần bằng IE)

2.2.5.3 Phân cực bằng mạch phân áp

R1, R2 tạo thành mạch phân áp để cấp điện áp cho cực B

RC dẫn điện áp dương nguồn về cực C.

RE là điện trở hồi tiếp âm dòng điện, tạo điện áp trên cực E tuỳ vào giá trị dòng IE đi

qua BJT (do vậy gọi là tự phân cực).

Dòng điện trên RE sẽ tạo một sụt áp trên nó có xu hướng chống lại sự phân cực thuận của lớp

tiếp xúc phát à ổn định nhiệt cho mạch

13

UB =

ECC

R2

R1 + R2

UE = UB -UBE

IE =

UE

RE

I C = βI B, I = (β+1)I

E

B

UC = ECC – ICRC

Phương trình đường tải tĩnh như sau:

VCC = I C RC + I E R E + U CE

2.2.5.4 Phân cực bằng mạch hồi tiếp âm điện áp

IB =

ECC − U BE

RB + ( β + 1)( RE + RC )

I C = βI B

IE= (β+1)IB

UE = IERE

UB = UE+UBE

UC = ECC – IERC

Hồi tiếp âm điện áp là một phần điện áp ra được đưa ngược trở lại đầu vào sao cho tác dụng

cuả nó ngược pha với điện áp vào.

VCC là nguồn cung cấp một chiều

RC dẫn điện áp từ dương nguồn VCC về cực góp.

Điện trở RB không nối trực tiếp với nguồn VCC mà nối giữa cực C và cực B. Nghĩa là cực B

được cấp nguồn từ VC, qua RB.

Cách xác định điểm công tác tĩnh Q cũng tương tự như phần trên

Sơ đồ này có độ ổn định nhiệt tốt hơn sơ đồ phân dòng cố định

Khi nhiệt độ tăng à dòng IC tăng lên à sụt áp trên RC tăngà điện áp tại cực C là VC giảm

xuống mà VB = VC – IB.RB do đó VB cũng giảm xuống, làm cho góc mở UBE nhỏ lại, BJT dẫn

yếu đi, tức là các dòng qua BJT giảm (IC giảm chống lại sự thay đổi ban đầu).

Quá trình hoàn toàn ngược lại khi nhiệt độ giảmà điểm công tác tĩnh sẽ ổn định khi nhiệt độ

thay đổi

Như vậy, nhờ điện trở hồi tiếp âm RB mà điểm làm việc tĩnh của mạch sẽ ổn định hơn.

2.3 Tranzitor trường.

Khác với tranzitor lưỡng cực mà đặc điểm chủ yếu là dòng điện trong chúng do cả hai

loại hạt dẫn(điện tử và lỗ trống) tạo nên, tranzitor trường hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu

ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn nhờ tác động của một điện

trường ngoài. Dòng điện trong FET chỉ do một loại điện tích tạo nên.

Sự khác nhau cơ bản giữa BJT và FET chỉ rõ trên hình:

14

Hình 2.12 So sánh BJT và FET

Tranzitor trường có 3 chân cực: Cực nguồn (Source) ký hiệu là S, cực cổng(Gate) ký

hiệu là G, cực máng ký hiệu D (Drain)

– Cực nguồn là nơi mà các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS

– Cực máng D là nơi các hạt dẫn đa số đi khỏi kênh

– Cực G là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh

2.3.1 Cấu tạo và đặc tính của JFET.

1. Cấu tạo và ký hiệu

JFET được goi là FET có mối nối đơn, có hai loại JFET kênh N và kênh P

JFET kênh N có cấu tạo gồm thanh bán dẫn loại N, hai đầu nối với hai dây ra gọi là cực máng

D và cực nguồn S. Hai bên thanh bán dẫn N là hai vùng bán dẫn P tạo thành mối nối P- N như

điốt. Hai vùng này nối với nhau gọi là cực cửa G.

JFET kênh P có cấu tạo tương tự nhưng chất bán dẫn ngược lại kênh N

Kí hiệu

Hình 2.13 Cấu tạo JFET

2. Đặc tính

Xét JFET kênh N có cực D nối dương nguồn, cực S nối âm nguồn

* Khi cực G hở (UGS = 0)

Lúc này dòng điện sẽ đi qua kênh theo chiều từ dương nguồn và cực D và ra ở cực S để trở

về âm nguồn của UDD, kênh có tác dụng như một điện trở

Nếu tăng điện thế UDS từ 0V lên thì dòng ID tăng nhanh sau đó đến một điện thế gới hạn thì

ID không tăng nữa gọi là dòng bão hòa IDSS. Điện thế UDS có IDSS gọi là điện thế ngắt UP

15

Hình 2.14 JFET khi UGS = 0 và UDS >0

* Khi cực G có điện thế âm (UGS < 0) Khi cực G có điện thế âm nối vào chất bán dẫn loại P trong kênh N có dòng điện chạy qua nên có điện thế dương ở giữa bán dẫn N làm cho mối nối P-N bị phân cực ngược làm điện tử trong bán dẫn của kênh N bị đẩy và làm thu hẹp tiết diện kênh, nên điện trở kênh dẫn tăng lên, dòng ID giảm xuống Khi tăng điện thế âm ở cực G thì mức phân cực ngược càng lớn làm dòng ID càng giảm nhỏ và đến một giá trị giới hạn thì dòng ID gần như không còn. Điện thế này ở cực G gọi là điện thế ngắt UP(điện áp khóa kênh) Hình 2.16 Đặc tuyến ra của JFET kênh N Hình 2.15 JFET khi cực G có điện thế âm Hình 2.16 là đặc tuyến ra của JFET kênh N để chỉ sự thay đổi của ID theo UDS ứng với từng điện thế UGS ở cực G( gọi là họ đặc tuyến ID/UDS) JFET kênh P JFET kênh P có mạch thí nghiệm như hình 2.17 với nguồn UDD cung cấp cho UDS, Điện thế cung cấp cho cực G bây giờ là điện thế dương(UG > US). JFET kênh P có đặc tuyến

giống kênh N nhưng có các dòng điện và điện thế ngược dấu

16

a) JFET kênh P

b) Đặc tuyến ra của JFET kênh P

Hình 2.17

* Mối quan hệ giữa BJT và FET

JFET

BJT

I D = I DSS (1 − U GS / U P )

2

⇔

I C = βI B

IC = IE

UBE = 0,7V

ID =IS

IG = 0A

2.3.2 Cấu tạo và đặc tính của MOSFET.

1. MOSFET kênh liên tục

Hình 2.18 a) MOSFET liên tục kênh N

b) Kí hiệu MOSFET liên tục

Người ta chế tạo sẵn kênh dẫn điện gồm hai vùng bán dẫn N có nồng độ tạp chất cao được

nối liền nhau bằng một kênh dẫn là bán dẫn loại N có nồng độ tạp chất thấp hơn. Các lớp bán

dẫn này được khuếch tán trên một nền là chất bán dẫn P, phía trên kênh dẫn điện có phủ lớp

oxit cách điện SiO2

Hai dây dẫn xuyên qua lớp cách điện nối vào hai vùng bán dẫn N nồng độ cao gọi là cực S

và cực D. Cực G có tiếp xúc kim loại bên ngoài lớp oxít nhưng vẫn cách điện với kênh dẫn,

thường cực S được nối chung với nền P

17

Source: https://dichvubachkhoa.vn
Category : Linh Kiện Và Vật Tư