Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 1 - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 5 BJT 1 Transistors (Transfer Resistor) Transistors Bipolar transistors Field Effect Transistors NPN,PNP Junction-FETs (JFETS) Insulated Gate FET’s N-channel, P-channel MOSFETs Enhancement, Depletion N-channel, P-channel 2 1
2. BJT Original point-contact transistor Inventors of the transistor: (1947) William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain First grown transistor (1950) 5 Có 2 loại BJT: NPN và PNP Ký hiệu: • E = Emitter=Phát, B=Base=Nền, và C=Collector=Thu • JE : chuyển tiếp PN giữa B và E • JC : chuyển tiếp PN giữa B và C VEB = VE – VB VBE = VB – VE VCB = VC – VB VBC = VB – VC VEC = VE – VC VCE = VC – VE = VEB - VCB = VCB - VEB IE = IB + IC 6 3
3. BJT Structure - Planar The “Planar Structure” developed by Fairchild in the late 50s shaped the basic structure of the BJT, even up to the present day. • In the planar process, all steps are performed from the surface of the wafer 9 • BJTs are usually constructed vertically – Controlling depth of the emitter’s n doping sets the base width 10 5
4. BJT và FET (2/2) Giảm thế năng cho phép Tăng độ rộng kênh làm cho luồng chất lỏng chảy chất lỏng chảy BJT, HBT FET Thế năng được điều khiển Độ rộng kênh dẫn được điều bằng điện áp nền-phát khiển bằng phân cực cổng 13 5.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của BJT 14 7
5. • Các yêu cầu quan trọng đối với dụng cụ điện tử: – Hệ số KĐ cao và fanout lớn. – Ngõ vào nên được cách ly với ngõ ra • Nhắc lại tiếp xúc PN với phân cực thuận và phân cực ngược: – Dòng ngược tiếp xúc PN được tạo bởi hạt dẫn thiểu số – Dòng thuận tiếp xúc PN phụ thuộc vào sự phun hạt dẫn 17 Hệ số vận chuyển miền nền B và hiệu suất phát e • IC = B IEn • hiệu suất phát e • Tỉ số truyền đạt dòng điện 18 9
6. 5.2 Đặc tính tĩnh của BJT 21 Nếu ta giả sử rằng miền phát rộng và dùng phân tích 1 chiều để hiểu dụng cụ. Ta sẽ sử dụng các giả thiết đơn giản hóa sau. 1. Điện tử được bơm từ miền phát tiếp tục khuếch tán qua miền nền và điện trường trên miền nền đủ nhỏ để không có hiện tượng trôi. 2. Điện trường chỉ khác zero trong các miền nghèo và bằng zero trong các vật liệu khối. 3. Dòng bơm collector bỏ qua được khi BJT được phân cực ngược. 4. Qui ước ký hiệu mô tả điện áp: VBE= VB – VE, với VB và VE là điện thế đo được tại các cực B và E. TD: VBE > 0 nghĩa là VB > VE,. Tổng quát, có các dòng điện sau trong BJT: • Dòng [điện] nền IB: được tạo ra từ lỗ kết hợp với điện tử được bơm vào từ miền phát (Thành phần I) và lỗ được bơm qua tiếp xúc JE vào miền phát (Thành phần II). Một lần nữa ta bỏ qua JC với chế độ tích cực thuận. • Dòng [điện] phát IE: gồm dòng điện tử tái hợp với lỗ trong miền nền (III), dòng điện tử được bơm vào miền thu (IV), và dòng lỗ được bơm vào miền phát (II). 22 11
7. Các chế độ làm việc của BJT Common-emitter output characteristics (IC vs. VCE) Chế độ (Mode) Tiếp xúc emitter JE Tiếp xúc collector JC TẮT (CUTOFF) p/c ngược p/c ngược TÍCH CỰC thuận p/c thuận p/c ngược Forward ACTIVE TÍCH CỰC ngược p/c ngược p/c thuận Reverse ACTIVE BÃO HÒA (SATURATION) p/c thuận p/c thuận 25 Tóm tắt các chế độ làm việc của BJT Tích cực thuận Tích cực ngược Bão hòa Tắt IC = FIB IE = RIB Chú ý: • F = độ lợi dòng  thuận (đầu vào B, đầu ra C, JE được p/c thuận và JC được p/c ngược) • R = độ lợi dòng  ngược (đầu vào B, đầu ra E, JE được p/c ngược và JC được p/c thuận) 26 13
8. Giản đồ năng lượng và sự phân bố điện tích thiểu số trong BJT dưới các chế độ bão hòa, tích cực thuận và tắt. 29 Sự phân bố nồng độ hạt dẫn thiểu số • Dòng điện chính do điện tử từ miền phát vào miền nền (do thiết kế) do phân cực thuận và do khuếch tán hạt dẫn thiểu số qua miền nền  Có tái hợp (trong miền nền) làm giảm nồng độ điện tử  Miền nền được thiết kế ngắn (nhằm tối thiểu hóa sự tái hợp)  Miền phát được pha tạp chất rất nhiều (đôi khi trở thành suy biến) và miền nền được pha tạp chất ít. (NDE >> NAB) • Những dòng điện trôi thường nhỏ và bỏ qua được 30 15
9. Dòng [điện] nền • Dòng nền iB được tạo nên từ 2 thành phần BE – Lỗ được bơm từ miền nền vào miền phát ( iB1=Ip ) – Lỗ tái hợp với các điện tử khuếch tán (từ E) vào miền nền và R phụ thuộc vào thời gian sống hạt dẫn thiểu số b ( iB2=IBE ) và điện tích Q ở miền nền là Do đó iB2 có trị • Dòng nền tổng cộng là 33 Hoạt động của BJT NPN ở chế độ tích cực v Dòng thu BE V T i C I Se v Dòng nền BE i C I S V T i B e   Dòng phát vBE  1  1 VT  iE iC iB iC  ISe iC IE    1 Chú ý: Với BJT-PNP, ta chỉ cần thay VBE bằng VEB 34 17
10. The pnp Transistor Two large-signal models for the pnp transistor operating in the active mode. 37 Summary of the BJT I-V Relationships in the Active Mode vBE vBE vBE VT iC IS VT iC IS VT iC ISe iB e iE e   Note : for pnp transitor, replace vBE for vEB iE iC iE iB 1 iE  1 iC iB iE  1 iB   iE VT 25mV  1 38 19
11. Common-collector It is called the common-collector configuration because both the signal source and the load share the collector lead as a common connection point. Also called an emitter follower since its output is taken from the emitter resistor, is useful as an impedance matching device since its input impedance is much higher than its output impedance. 41 Common-base This configuration is more complex than the other two, and is less common due to its strange operating characteristics. Used for high frequency applications because the base separates the input and output, minimizing oscillations at high frequency. It has a high voltage gain, relatively low input impedance and high output impedance compared to the common collector. 42 21