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

Nội dung text: Bài giảng môn 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
2. BJT • Giới thiệu • Bức tranh ý niệm • Đặc tính tĩnh của BJT • Các tham số hiệu năng của dụng cụ • Các hiệu ứng thứ cấp • Các đặc tuyến của BJT • Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT – TD: Các mạch KĐ • BJT ở tần số cao • Các loại BJT khác • Các ứng dụng của BJT: Gương dòng điện, • Thyristor 3
3. BJT Original point-contact transistor (1947) Inventors of the transistor: William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain. They received Nobel Prize in Physics in 1956 "for their researches on semiconductors and their discovery of the transistor effect" First grown transistor (1950) 5
4. Cấu trúc của BJT • 3 miền được pha tạp chất riêng: – Miền phát (E = Emitter) – Miền nền (B = Base) – Miền thu (C = Collector) • 2 chuyển tiếp P-N – Chuyển tiếp PN giữa B và E (gọi là JE hay EBJ) – Chuyển tiếp PN giữa B và C (gọi là JC hay CBJ) • Nồng độ tạp chất ở các miền khác nhau: – Nồng độ tạp chất ở E > B > C (TD: n+-p-n, p+-n-p) • Bề rộng của miền nền nhỏ so với chiều dài khuếch tán của hạt dẫn thiểu số 7
5. Types of transistors Emitter Base • Discrete (double- + diffused) p np transistor 5 mm 200 mm Collector • Integrated-circuit n+pn transistor 6 mm 200 mm 9
6. • BJTs are usually constructed vertically – Controlling depth of the emitter’s n doping sets the base width 11
7. BJT và FET (1/2) Điều khiển luồng [nước] Điều khiển luồng [nước] bằng sự thay đổi thế năng bằng thay đổi độ rộng kênh Luồng chất lỏng Luồng chất lỏng trong miền bị giới hạn Tăng thế năng làm dừng Độ rộng được điều khiển bằng “cổng” luồng chất lỏng Trạng thái OFF Trạng thái OFF 13
8. 5.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của BJT • BJT dùng 2 chuyển tiếp PN mắc ngược nhau để có hệ số khuếch đại cao và hoạt động tần số cao. Hình sau cho thấy cấu tạo của BJT NPN và mặt cắt của nó. a) Cấu tạo của BJT 15
9. Giản đồ năng lượng của BJT NPN chưa phân cực (ở đkcb) • Nồng độ ND ở Emitter (Nde) >> ND ở Collector (Ndc) • Không có dòng điện • 2 diode đấu ngược nhau Để hiểu làm thế nào BJT có độ lợi, ta xét BJT NPN ở chế độ tích cực thuận, nghĩa là chuyển tiếp JE được phân cực thuận và chuyển tiếp JC được phân cực ngược. Khi đó nó có giản đồ năng lượng như sau: 17
10. • Các yêu cầu quan trọng đối với dụng cụ điện tử: – Hệ số khuếch đại (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 • Chú ý là bề rộng miền nền WB rất nhỏ hơn nhiều chiều dài khuếch tán điện tử trong miền nền bán dẫn P. Để cho khi điện tử được bơm vào từ miền phát, hầu hết chúng đi qua miền nền và không tái hợp với lỗ. Và một khi đến miền thu thì chịu tác dụng của điện trường mạnh (do phân cực ngược JC) làm cho nó đi đến cực thu và tạo nên dòng điện thu. • Ta nên nhớ rằng nếu diode do chuyển tiếp JE được pha bất đối xứng (p-n+), dòng phân cực thuận chủ yếu được tạo ra từ sự bơm điện tử vào miền P. Dòng phân cực thuận này cũng bị thay đổi bởi sự thay đổi rất nhỏ trong điện áp phân cực thuận vì dòng điện phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận theo hàm mũ. 19
11. Độ lợi dòng  • Dòng nền được tạo bởi dòng lỗ được phun vào E (IEp) và dòng lỗ do tái hợp trong miền nền với các điện tử được phun vào từ E (= (1−B)IEn). Như vậy IB = IEp + (1 − B)IEn • Độ lợi dòng E chung  I BI BI/ I B  C En En E e IB I Ep (1 B ) I Ep 1 BI En / I E 1 B e hoặc được biểu diễn theo :  1 • Hệ số  có thể có giá trị khá lớn với BJT từ vài chục cho đến vài trăm. 21
12. 5.3 Đặc tính tĩnh của BJT: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp • Bây giờ ta sẽ phát triển mô hình cho dòng điện trong BJT. Ban đầu ta sẽ mô hình đơn giản để thể hiện các tính chất chính của dụng cụ. Sau đó ta sẽ bàn về các vấn đề thứ cấp. Trong BJT, các hạt dẫn từ miền phát được bơm “thẳng đứng” qua miền nền, trong khi điện tích miền nền được bơm từ “cạnh” của dụng cụ như được chỉ ở hình 5.6. • 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. Tạp chất được pha đều trong mỗi miền 2. Không có dòng điện sinh-tái hợp trong các miền nghèo 3. 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. 4. Điện trường chỉ khác zero trong các miền nghèo và bằng zero trong các vật liệu khối. 5. Dòng bơm collector bỏ qua được khi BJT được phân cực ngược. 6. 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,. 23
13. Thành phần dòng điện Dòng phát được bơm vào miền nền Dòng nền được bơm vào miền phát Dòng tái hợp trong miền nền Dòng lỗ được bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử được bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử đến từ miền phát Để có dụng cụ hiệu năng cao, ta cần gì? • Hiệu suất phát cao • Hệ số vận chuyển miền nền cao 25
14. Các dòng điện trong BJT N+PN • EBJ (JE)：Khuếch tán đa số −IEN −IEP c • CBJ(JC)：Trôi thiểu số −ICBO Rc JC thu thập những điện tử từ E và tạo nên dòng ICN ICN ICBO Dòng nền EC −Dòng tái hợp IBN b IBN Maj. Rb IEP IEN EB e 27
15. Các chế độ hoạt động của BJT NPN Phân cực cho Chế độ hoạt động Cách nhận biết với BJT NPN JE JC Tích cực [thuận] V = V và V > V Thuận Ngược BE ON CE CEsat (khuếch đại) IC = IB V , V 0 (thực tế V , V < V ) Ngược Ngược Tắt (OFF) BE BC BE BC ON IC = IB = IE = 0 V = V và V = V Thuận Thuận Bão hòa (ON) BE BEsat CE CEsat IC < IB Tương tự với chế độ tích cực thuận Ngược Thuận Tích cực ngược nhưng hoán đổi chức năng E và C: IE = RIB (R << ) và IC = IB + IE Chú ý: Với BJT NPN Si thì VON = 0.7V, VBEsat = 0.8V, và VCEsat = 0.2V. 29
16. 5.3.1 Những dòng điện trong BJT • Vì BJT dựa trên các diode p-n nên ta sẽ sử dụng các kiến thức của chuyển tiếp p-n để tìm hiểu BJT. • Ta sẽ giả sử rằng bề rộng miền phát thì dài hơn so với chiều dài khuếch tán lỗ và bề rộng miền nền nhỏ hơn so với chiều dài khuếch tán điện tử. Ta sẽ sử dụng các trục và gốc tọa độ như trong hình 5.7, các khoảng cách xe, xb, và xc được đo từ các cạnh của miền nghèo. Bề rộng miền nền là WB nhưng bề rộng miền nền phần trung hòa là WBn. Để đơn giản ta sẽ giả sử rằng WB =WBn. • Sử dụng lý thuyết diode p-n ta có các quan hệ sau cho những nồng độ hạt dẫn dôi ra trong các miền khác nhau: 31
17. 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. Thuận Thuận Thuận Ngược Ngược Ngược Nồng độ hạt dẫn thiểu số Nồng độ hạt dẫn thiểu số Nồng độ hạt dẫn thiểu số (Bão hòa) (Tích cực thuận) (Tắt) 33
18. Phân tích đơn giản hóa E B C (n+) (p) (n) pe0, nb0 và pc0 = nồng độ hạt dẫn (ở đkcb) của hạt dẫn thiểu số ở E, B, và C pe(0), nb(0) và pc(0) = nồng độ hạt dẫn thiểu số ở cạnh miền nghèo (tích cực thuận) pe (0), nb(0) và pc(0) = nồng độ hạt dẫn dôi ra ở cạnh miền nghèo pe (0) = pe(0) – pe0 = pe0 [exp (VBE / VT) – 1] nb(0) = nb(0) – nb0 = nb0 [exp (VBE / VT) – 1] Bằng cách lấy độ dốc của các phân bố hạt dẫn thiểu số này ở các cạnh miền nghèo và nhân nó cho qADn (hay qADp), ta có được dòng điện tử (hay dòng lỗ). Chú ý là In = q A Dn (dn / dx) và Ip = – q A Dp (dp / dx) 35
19. Tính toán các dòng điện (1/3) Dòng [điện ở cực] thu, IC IC = q A DB (dn/dxB) (độ dốc phải được lấy ở cuối miền nền) = q A DB [nb(0) – 0] / WB = q A DB nb(0) / WB IC = q A (DB/WB) nb0 [exp (VBE / VT) – 1] = IS [exp (VBE / VT) – 1] IC IS exp (VBE / VT) (chỉ có dòng do điện tử khuếch tán nếu ta bỏ qua dòng bão hòa ngược của JC bị phân cực ngược) 2 với IS = qA(DB/WB) nb0 = qADn ni /(WBNAB) là dòng bão hòa Do sự tái hợp trong miền nền, dòng điện tại JE và dòng điện tại JC không bằng nhau và hiệu của chúng bằng dòng nền 37
20. Dòng [điện ở cực] thu • Điện tử khuếch tán qua miền nền vào JC lại được kéo qua miền nghèo của JC vào miền thu do phân cực ngược JC với điện thế cao tại C. với dòng bão hòa là và ta có thể viết lại dòng bão hòa như sau: • Chú ý rằng lý tưởng thì iC độc lập với VCB (điện áp phân cực JC) • Dòng bão hòa thì – tỉ lệ nghịch với W và tỉ lệ thuận với AE • Ta muốn có bề rộng miền nền ngắn và diện tích miền phát lớn để có dòng điện cao 2 – Phụ thuộc vào nhiệt độ do có số hạng ni 39
21. Tính toán các dòng điện (2/3) Dòng [điện ở cực] phát, IE • IE được tạo nên bởi 2 thành phần (IEn và IEp)  Thành phần IEn IEn = Ic + dòng điện bị mất đi ở miền nền do tái hợp = Ic + điện tích chứa dôi ra ở miền nền/tB = Ic + q A WB nb(0)/tB (tB là thời gian sống của hạt dẫn thiểu số) IEn qA(DB/WB)nb0 exp(VBE /VT) + qA(W B/2B)nb0 exp(VBE / VT)  Thành phần IEp IEp tương ứng với sự bơm dòng lỗ từ nền vào phát (do JE được phân cực thuận). IEp = q A (DE/LE)pe0[exp(VBE/VT) – 1 ] qA(DE/LE) pe0 exp(VBE / VT) 41
22. Tóm tắt quan hệ dòng-áp của BJT ở chế độ tích cực thuận Với cả hai loại BJT Chú ý: • IS = dòng bão hòa (phụ thuộc nhiều vào cấu tạo của dụng cụ và nhiệt độ) o • VT = điện áp nhiệt = kT/q (=0.026V ở 300 K) • β = độ lợi dòng CE • α = độ lợi dòng CB 43
23. Other BJT Configurations 45
24. 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. 47
25. 5.3.3 Dòng [điện]- [Điện] áp: Mô hình Ebers-Moll Mạch tương đương Ebers-Moll của BJT giống như dụng cụ được tạo bởi hai diode ghép lại. 49
26. Biểu diễn CE của mô hình Ebers-Moll. FF  FF , 1 FF  1 RR  RR , 1 RR  1 FFRRII  IIICT () F F R R FR 1  1 thusnhư vậy I F IIIIE CT F R R F 1 I R IIIIC CT F F R R 1 II II FR S qVBE / kT S qVBC / kT IB ( e 1) ( e 1) FRF 1  1  R Common base 51