Bài giảng môn Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 2 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng môn Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT - Phần 2 - 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. 5.4 Thiết kế dụng cụ và các tham số hiệu năng của dụng cụ • Trong phần này ta sẽ khảo sát làm thế nào việc thiết kế dụng cụ làm ảnh hưởng hiệu năng của BJT. Qua các tham số hình học và vật liệu mà ta có thể điều khiển/kiểm soát là nồng độ tạp chất, bề rộng miền nền, diện tích dụng cụ, và trong 1 số trường hợp là sự lựa chọn dụng cụ (TD: Si hoặc GaAs, ). Thường thì ta khó thay đổi hệ thống vật liệu vì khó thay đổi công nghệ xử lý. • Các tham số hiệu năng chính mà ta muốn cải thiện là độ lợi dòng và tần số hoạt động của dụng cụ. • Ta sẽ tập trung vào chế độ tích cực thuận của BJT NPN để có VBE >> VT và VBC >> VT • Với BJT được thiết kế tốt, ta luôn có Wb << Lb 3
3. Hệ số vận chuyển miền nền I Theo định nghĩa: B C I EN Với IC và IEN (từ 5.3.1) IC = qA(DB/WB) nb0 exp(VBE/VT) IEN qA(DB/WB)nb0 exp(VBE/VT) + qA(WB/2B)nb0 exp(VBE /VT) (chú ý là thành phần thứ 2 ở IEN luôn luôn << thành phần 1) Suy ra: 2 1 1 1 1 WBn B 2 2 2 1 với WBn << LB WWBn Bn 2 LB 1 1 1 WBn 2DL 2 2 1 BBB 2 LB Chú ý: Hệ số vận chuyển miền nền B phụ thuộc vào bề rộng miền nền trung hòa (WBn) chứ không phải bề rộng miền nền khi được chế tạo. Như vậy nó phụ thuộc vào điều kiện phân cực. Điều này làm gây ra hiệu ứng Early mà ta sẽ xét sau. 5
4. • Các tham số hiệu năng của BJT loại PNP: IC – Hiệu suất phát  e IIEp En I – Hệ số vận chuyển miền nền B C I Ep – Độ lợi dòng B chung IC  e B I E – Độ lợi dòng E chung I  C IB 1 7
5. Điều chế miền nền Dòng điện thu tỉ lệ nghịch với WBn (bề rộng miền nền trung hòa) Miền nền Tăng V làm giảm W CE Bn (base) dòng IC tăng. Khi thay đổi VCE WBn thay đổi (điều chế miền nền) Tăng gradient hạt dẫn thiểu số 9
6. Hiệu ứng Early IC Saturation region Active region VBE3 VBE2 VBE1 -VA VCE • Hiệu ứng Early – Dòng điện trong miền tích cực (hơi) phụ thuộc vào VCE – VA là tham số của BJT (50 đến 100) và được gọi là điện áp Early – Do sự giảm bề rộng miền nghèo hiệu dụng WBn khi phân cực ngược tăng – Làm xuất hiện thêm đại lượng điện áp Early trong phương trình dòng điện – Độ dốc khác không nghĩa là điện trở KHÔNG phải vô hận. 11
7. Đánh thủng trong BJT Có 2 cơ chế đánh thủng quan trọng trong BJT: (1) đánh thủng xuyên qua (punch-through breakdown) (2) đánh thủng thác lũ (avalanche breakdown) [tương tự với đánh thủng trong các chuyển tiếp PN] 13
8. • Với cấu hình CB, đánh thủng thác lũ trong JC (E hở) BVBC có được từ điện trường (đánh thủng) cực đại EBR (~300 kV/cm với Si và 400 kV/cm với GaAs): • Sự tăng dòng điện do điện áp BVBC cao hơn được phản ánh qua hệ số nhân (multiplication factor) MCB trong biểu thức dòng điện. Nó bằng trong các điều kiện làm việc bình thường, và lớn hơn 1 khi đánh thủng thác lũ xảy ra. • Khi cực E hở, hệ số nhân của JC là : m 1 V b M 1 BC CB BV BC 15
9. IC IC VEC BV VBC EC0 BVBC0 Đặc tuyến ra CB Đặc tuyến ra CE 17
10. Transistor (NPN) Voltage Ratings Rating Description 2N3904 VCBO VCB with emitter circuit open 60 Vdc VCEO VCE with base circuit open 40 Vdc VEBO VEB with collector circuit open 6 Vdc o = with the 3rd terminal open circuit s = with the 3rd terminal short circuit (usually B and E) x = with some specified circuit conditions 19
11. Mạch đo đặc tuyến BJT NPN 21
12. A collector characteristic curve. Operating region? VCE = ? 25
13. Đặc tuyến của BJT NPN mắc CB a) Đặc tuyến vào b) Đặc tuyến ra 27
14. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tuyến (NPN-CE): a) Đặc tuyến vào b) Đặc tuyến ra c) Đặc tuyến truyền đạt 29
15. Transconductance, gm • The transconductance (gm) of a transistor is a measure of how well it converts a voltage signal into a current signal. • It will be shown later that gm is one of the most important parameters in integrated circuit design. dI d V C BE gm   IS exp dVBE dVBE VT 1 VBE gm IS exp VT VT IC gm VT 31
16. Transconductance and IC • For a given VBE swing (DV), the resulting current swing about IC2 is larger than it is about IC1. – This is because gm is larger when VBE = VB2. 33
17. Ảnh hưởng của nhiệt độ và dòng IC đến  35
18. • For ac conditions an ac beta has been defined as the changes of collector current (IC) compared to the changes of base current (IB) where IC and IB are determined at operating point. • On data sheet, ac=hfe • It can defined by the following equation: DIC ac DIB VCE=constant 37
19. Xác định dc và ac từ đặc tuyến collector có thể khác nhiều ở những điểm khác Điểm hoạt động 39
20. Các giới hạn làm việc của BJT Miền bão hòa Miền tích cực Miền tắt Chú ý: • VCE có trị cực đại và IC có trị cực tiểu (ICmax=ICEO) trong miền tắt (cutoff ). • IC có trị cực đại và VCE có trị cực tiểu (VCE min = VCEsat = VCEO) trong miền bão hòa (saturation). • BJT hoạt động như mạch khuếch đại trong miền tích cực giữa miền bão hòa và miền tắt. 41
21. Transistor Testing (Máy vẽ đặc tuyến) (Máy đo đa năng hiện số) (Máy đo Ohm) 43
22. Đường tải của mạch CE Đường tải vào: Tích cực thuận Đường tải C-E: Bão hòa Đường tải Đường tải Điểm tĩnh IBQ và VBEQ Điểm Q Đặc tuyến Đường tải vào chuyển tiếp B-E Tắt 45
23. Đặc tuyến truyền đạt điện áp (2/2) o Vi > 0.7, Qn= dẫn (tích cực thuận) VVi 0.7 ( i 0.7) Tắt IIIBCB ,  V+= RRBB và  (VRi 0.7) C VVIRo C C 5 Tích cực RB Bão hòa o Khi VO= 0.2V, Qn đi vào bão hòa và V = tìm được Vi: CEsat 120(V 0.7)5 0.2 5 i VV 1.9 150 i 47