Giáo trình môn Linh kiện điện tử

164 trang vanle 6130

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Linh kiện điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_linh_kien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Giáo trình môn Linh kiện điện tử

Giáo trình linh kiện điện tử
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Lời nĩi đầu Linh kiện điện tử là kiến thức bước đầu và căn bản của ngành điện tử. Giáo trình được biên soạn từ các bài giảng của tác giả trong nhiều năm qua tại Khoa Cơng Nghệ và Cơng Nghệ Thơng Tin, Trường Đại học Cần Thơ và các Trung Tâm Giáo dục thường xuyên ở đồng bằng sơng Cửu Long sau quá trình sửa chữa và cập nhật. Giáo trình chủ yếu dùng cho sinh viên chuyên ngành Điện Tử Viễn Thơng và Tự Động Hĩa. Các sinh viên khối Kỹ thuật và những ai ham thích điện tử cũng tìm thấy ở đây nhiều điều bổ ích. Giáo trình bao gồm 9 chương: Từ chương 1 đến chương 3: Nhắc lại một số kiến thức căn bản về vật lý vi mơ, các mức năng lượng và dải năng lượng trong cấu trúc của kim loại và chất bán dẫn điện và dùng nĩ như chìa khĩa để khảo sát các linh kiện điện tử. Từ chương 4 đến chương 8: Đây là đối tượng chính của giáo trình. Trong các chương này, ta khảo sát cấu tạo, cơ chế hoạt động và các đặc tính chủ yếu của các linh kiện điện tử thơng dụng. Các linh kiện quá đặc biệt và ít thơng dụng được giới thiệu ngắn gọn mà khơng đi vào phân giải. Chương 9: Giới thiệu sự hình thành và phát triển của vi mạch. Người viết chân thành cảm ơn anh Nguyễn Trung Lập, Giảng viên chính của Bộ mơn Viễn Thơng và Tự Động Hĩa, Khoa Cơng Nghệ Thơng Tin, Trường Đại học Cần Thơ đã đọc kỹ bản thảo và cho nhiều ý kiến quý báu. Cần Thơ, tháng 12 năm 2003 Trương Văn Tám Trang 1 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Mục lục Chương I 4 MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG 4 I. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG: 4 II. PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: 6 III. DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS) 8 Chương II 12 SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI 12 I. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT: 12 II. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: 14 III. THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: 15 IV. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: 18 V. CƠNG RA (HÀM CƠNG): 20 VI. ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ): 21 Chương III 22 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN 22 I. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM: 22 II. CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CĨ CHẤT PHA: 24 1. Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) 24 2. Chất bán dẫn loại P: 25 3. Chất bán dẫn hỗn hợp: 26 III. DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN: 27 IV. CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: 29 V. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC: 30 Chương IV 32 NỐI P-N VÀ DIODE 32 I. CẤU TẠO CỦA NỐI P-N: 32 II. DỊNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: 34 1. Nối P-N được phân cực thuận: 35 2. Nối P-N khi được phân cực nghịch: 38 III. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N: 40 IV. NỘI TRỞ CỦA NỐI P-N. 41 1. Nội trở tĩnh: (Static resistance). 41 2. Nội trở động của nối P-N: (Dynamic Resistance) 42 V. ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N. 44 1. Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối) 44 2. Điện dung khuếch tán. (Difusion capacitance) 45 VI. CÁC LOẠI DIODE THƠNG DỤNG 45 1. Diode chỉnh lưu: 45 2. Diode tách sĩng. 53 3. Diode schottky: 53 4. Diode ổn áp (diode Zenner): 54 5. Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode) 57 6. Diode hầm (Tunnel diode) 58 Bài tập cuối chương 59 Chương V 61 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 61 I. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT 61 II. TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC. 61 III. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC. 63 IV. CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DỊNG ĐIỆN 64 V. DỊNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR. 66 VI. ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR 67 1. Mắc theo kiểu cực nền chung: 68 2. Mắc theo kiểu cực phát chung. 69 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến của BJT. 72 VII. ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU 73 VIII. KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT. 78 Trang 2 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IX. BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU 80 1. Mơ hình của BJT: 80 2. Điện dẫn truyền (transconductance) 82 3. Tổng trở vào của transistor: 83 4. Hiệu ứng Early (Early effect) 85 5. Mạch tương đương xoay chiều của BJT: 86 Bài tập cuối chương 90 CHƯƠNG 6 91 TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG 91 I. CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET: 91 II. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA JFET: 93 III. ĐẶC TUYẾN TRUYỀN CỦA JFET. 99 IV. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET. 100 V. MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE MOSFET) 102 VI. MOSFET LOẠI TĂNG (ENHANCEMENT MOSFET: E-MOSFET) 107 VII. XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH: 111 VIII. FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ 113 IX. ĐIỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA JFET VÀ DEMOSFET 117 X. ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET. 118 XI. TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET. 119 XII. CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS) 120 XIII. MOSFET CƠNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS 122 1. V-MOS: 122 2. D-MOS: 123 Bài tập cuối chương 125 CHƯƠNG VII 126 LINH KIỆN CĨ BỐN LỚP BÁN DẪN PNPN VÀ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC 126 I. SCR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER) 126 1. Cấu tạo và đặc tính: 126 2. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR: 128 3. Các thơng số của SCR: 129 4. SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều 130 5. Vài ứng dụng đơn giản: 131 II. TRIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH) 133 III. SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH). 135 IV. DIAC 136 V. DIOD SHOCKLEY 137 VI. GTO (GATE TURN – OFF SWITCH). 138 VII. UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐỘC NỐI). 140 1. Cấu tạo và đặc tính của UJT: 140 2. Các thơng số kỹ thuật của UJT và vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh: 143 3. Ứng dụng đơn giản của UJT: 144 VIII. PUT (Programmable Unijunction Transistor) 145 CHƯƠNG VIII 148 LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 148 I. ÁNH SÁNG. 148 II. QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE) 149 III. QUANG DIOD (PHOTODIODE) 151 IV. QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR). 152 V. DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE) 154 VI. NỐI QUANG 155 CHƯƠNG IX 157 SƠ LƯỢC VỀ IC 157 I. KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 157 II. CÁC LOẠI IC. 159 1. IC màng (film IC): 159 2. IC đơn tính thể (Monolithic IC): 159 3. IC lai (hibrid IC) 160 III. SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC ĐƠN TINH THỂ. 160 IV. IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG) 162 1. IC Digital: 162 2. IC analog: 163 Tài liệu tham khảo 163 Trang 3 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương I MỨC NĂNG LƯỢNG VÀ DẢI NĂNG LƯỢNG Trong chương này chủ yếu nhắc lại các kiến thức cơ bản về cơ học nguyên lượng, sự phân bố điện tử trong nguyên tử theo năng lượng, từ đĩ hình thành dải năng lượng trong tinh thể chất bán dẫn. Để học chương này, sinh viên chỉ cần cĩ kiến thức tương đối về vật lý và hĩa học đại cương. Mục tiêu cần đạt được là hiểu được ý nghĩa của dải dẫn điện, dải hĩa trị và dải cấm, từ đĩ phân biệt được các chất dẫn điện, bán dẫn điện và cách điện. I. KHÁI NIỆM VỀ CƠ HỌC NGUYÊN LƯỢNG: Ta biết rằng vật chất được cấu tạo từ những nguyên tử (đĩ là thành phần nhỏ nhất của nguyên tố mà cịn giữ nguyên tính chất của nguyên tố đĩ). Theo mơ hình của nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm cĩ một nhân mang điện tích dương (Proton mang điện tích dương và Neutron trung hồ về điện) và một số điện tử (electron) mang điện tích âm chuyển động chung quanh nhân và chịu tác động bởi lực hút của nhân. Nguyên tử luơn luơn trung hịa điện tích, số electron quay chung quanh nhân bằng số proton chứa trong nhân - điện tích của một proton bằng điện tích một electron nhưng trái dấu). Điện tích của một electron là -1,602.10-19Coulomb, điều này cĩ nghĩa là để cĩ được 1 Coulomb điện tích phải cĩ 6,242.1018 electron. điện tích của điện tử cĩ thể đo được trực tiếp nhưng khối lượng của điện tử khơng thể đo trực tiếp được. Tuy nhiên, người ta cĩ thể đo được tỉ số giữa điện tích và khối lượng (e/m), từ đĩ suy ra được khối lượng của điện tử là: -31 mo=9,1.10 Kg Đĩ là khối lượng của điện tử khi nĩ chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s). Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng của điện tử được tính theo cơng thức Lorentz-Einstein: m o me = v 2 1− c 2 Mỗi điện tử chuyển động trên một đường trịn và chịu một gia tốc xuyên tâm. Theo thuyết điện từ thì khi chuyển động cĩ gia tốc, điện tử phải phát ra năng lượng. Sự mất năng lượng này làm cho quỹ đạo của điện tử nhỏ dần và sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân. Nhưng trong thực tế, các hệ thống này là một hệ thống bền theo thời gian. Do đĩ, giả thuyết của Rutherford khơng đứng vững. Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) đã bổ túc bằng các giả thuyết sau: Trang 4 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Cĩ những quỹ đạo đặt biệt, trên đĩ điện tử cĩ thể di chuyển mà khơng phát ra năng lượng. Tương ứng với mỗi quỹ đạo cĩ một mức năng lượng nhất định. Ta cĩ một quỹ đạo dừng. Khi điện tử di chuyển từ một quỹ đạo tương ứng với mức năng lượng w1 sang quỹ đạo khác tương ứng với mức năng lượng w2 thì sẽ cĩ hiện tượng bức xạ hay hấp thu năng lượng. Tần số của bức xạ (hay hấp thu) này là: w − w f = 2 1 h Trong đĩ, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck). h Trong mỗi quỹ đạo dừng, moment động lượng của điện tử bằng bội số của = h 2π h Moment động lượng: m.v.r = n. = nh 2π v -e r +e Hình 1 Với giả thuyết trên, người ta đã dự đốn được các mức năng lượng của nguyên tử hydro và giải thích được quang phổ vạch của Hydro, nhưng khơng giải thích được đối với những nguyên tử cĩ nhiều điện tử. Nhận thấy sự đối tính giữa sĩng và hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho rằng cĩ thể liên kết mỗi hạt điện khối lượng m, chuyển h động với vận tốc v một bước sĩng λ = . mv Tổng hợp tất cả giả thuyết trên là mơn cơ học nguyên lượng, khả dĩ cĩ thể giải thích được các hiện tượng quan sát được ở cấp nguyên tử. Phương trình căn bản của mơn cơ học nguyên lượng là phương trình Schrodinger được viết như sau: 2 − h ∇ϕ + (E − U)ϕ = 0 2.m ∇ là tốn tử Laplacien Trang 5 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử δ 2ϕ δ 2ϕ δ 2ϕ ∇ϕ = + + δx 2 δy 2 δz 2 E: năng lượng tồn phần U: thế năng (E-U): động năng ϕ là một hàm số gọi là hàm số sĩng. Hàm số này xác định xác suất tìm thấy hạt điện trong miền khơng gian đang khảo sát. Trong khi giải phương trình Schrodinger để tìm năng lượng của những điện tử trong một nguyên tử duy nhất, người ta thấy rằng mỗi trạng thái năng lượng của electron phụ thuộc vào 4 số nguyên gọi là 4 số nguyên lượng: Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính) Xác định kích thước của quỹ đạo n=1,2,3, 7 Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ) Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3, ,n-1 Số nguyên lượng từ: Xác định phương hướng của quỹ đạo ml=0,±1, , m l Số nguyên lượng Spin: 1 1 Xác định chiều quay của electron m = + và - s 2 2 Trong một hệ thống gồm nhiều nguyên tử, các số nguyên lượng tuân theo nguyên lý ngoại trừ Pauli. Nguyên lý này cho rằng: trong một hệ thống khơng thể cĩ 2 trạng thái nguyên lượng giống nhau, nghĩa là khơng thể cĩ hai điện tử cĩ 4 số nguyên lượng hồn tồn giống nhau. II. PHÂN BỐ ĐIỆN TỬ TRONG NGUYÊN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: Tất cả các nguyên tử cĩ cùng số nguên lượng chính hợp thành một tầng cĩ tên là K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7. Ở mỗi tầng, các điện tử cĩ cùng số l tạo thành các phụ tầng cĩ tên s,p,d,f tương ứng với l=0,1,2,3 Tầng K (n=1) cĩ một phụ tầng s cĩ tối đa 2 điện tử. Tầng L (n=2) cĩ một phụ tầng s cĩ tối đa 2 điện tử và một phụ tầng p cĩ tối đa 6 điện tử. Tầng M (n=3) cĩ một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử) và một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử). Tầng N (n=4) cĩ một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử), một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) và một phụ tầng f (tối đa 14 điện tử). Như vậy: Tầng K cĩ tối đa 2 điện tử. Trang 6 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Tầng L cĩ tối đa 8 điện tử. Tầng M cĩ tối đa 18 điện tử. Tầng N cĩ tối đa 32 điện tử. Các tầng O,P,Q cũng cĩ 4 phụ tầng và cũng cĩ tối đa 32 điện tử. Ứng với mỗi phụ tầng cĩ một mức năng lượng và các mức năng lượng được xếp theo thứ tự như sau: 1 2 3 4 5 6 7 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s 2p 3p 4p 5p 6p 7p 3d 4d 5d 6d 7d 4f 5f 6f 7f Hình 2 Khi khơng bị kích thích, các trạng thái năng lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần nhân hơn) khi hết chỗ mới sang mức cao hơn (xa nhân hơn). Thí dụ: nguyên tử Na cĩ số điện tử z=11, cĩ các phụ tầng 1s,2s,2p bị các điện tử chiếm hồn tồn nhưng chỉ cĩ 1 điện tử chiếm phụ tầng 3s. Cách biểu diễn: Theo mẫu của Bohr Theo mức năng lượng NATRI Na11 1s2 2s2 2p6 3s1 Na +11 Na 2-8-1 Trang 7 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử SILICIUM Si14 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2 Si +14 Si 2-8-4 GERMANIUM Ge32 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2 Ge +32 Ge 2-8-18-4 Hình 3 Lớp bảo hịa: Một phụ tầng bảo hịa khi cĩ đủ số điện tử tối đa. Một tầng bảo hịa khi mọi phụ tầng đã bảo hịa. Một tầng bảo hịa rất bền, khơng nhận thêm và cũng khĩ mất điện tử. Tầng ngồi cùng: Trong một nguyên tử, tầng ngồi cùng khơng bao giờ chứa quá 8 điện tử. Nguyên tử cĩ 8 điện tử ở tầng ngồi cùng đều bền vững (trường hợp các khí trơ). Các điện tử ở tầng ngồi cùng quyết định hầu hết tính chất hĩa học của một nguyên tố. III. DẢI NĂNG LƯỢNG: (ENERGY BANDS) Những cơng trình khảo cứu ở tia X chứng tỏ rằng hầu hết các chất bán dẫn đều ở dạng kết tinh. Trang 8 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta xét một mạng tinh thể gồm N nguyên tử thuộc nhĩm 4A, thí dụ C6. Ta tưởng tượng rằng cĩ thể thay đổi được khoảng cách giữa các nguyên tử mà khơng thay đổi cấu tạo căn bản của tinh thể. Nếu các nguyên tử cách nhau một khoảng d1 sao cho tác động lẫn nhau khơng đáng kể thì các mức năng lượng của chúng trùng với các mức năng lượng của một nguyên tử độc nhất. Hai phụ tầng ngồi cùng cĩ 2 điện tử s và 2 điện tử p (C6=1s22s22p2). Do đĩ, nếu ta khơng để ý đến các tầng trong, ta cĩ 2N điện tử chiếm tất cả 2N trạng thái s và cĩ cùng mức năng lượng; Ta cũng cĩ 2N điện tử p chiếm 2N trạng thái p. Vậy cĩ 4N trạng thái p chưa bị chiếm. Giả sử khoảng cách giữa các nguyên tử được thu nhỏ hơn thành d2, tác dụng của một nguyên tử bất kỳ lên các nguyên tử lân cận trở thành quan trọng. Năng lượng E 4N trạng thái 6N trạng thái p chưa bị chiếm Dải dẫn điện (2N trạng thái bị chiếm) 2p Dải cấm EG Dải cấm 4N trạng thái bị chiếm 2s 2N trạng thái s Dải hĩa trị bị chiếm d0 d4 d3 d2 d1 Hình 4 Ta cĩ một hệ thống gồm N nguyên tử, do đĩ các nguyên tử phải tuân theo nguyên lý Pauli. 2N điện tử s khơng thể cĩ cùng mức năng lượng mà phải cĩ 2N mức năng lượng khác nhau; khoảng cách giữa hai mức năng kượng rất nhỏ nhưng vì N rất lớn nên khoảng cách giữa mức năng lượng cao nhất và thấp nhất khá lớn, ta cĩ một dải năng lượng. 2N trạng thái của dải năng lượng này đều bị 2N điện tử chiếm. Tương tự, bên trên dải năng lượng này ta cĩ một dải gồm 6N trạng thái p nhưng chỉ cĩ 2N trạng thái p bị chiếm chỗ. Ta để ý rằng, giữa hai dải năng lượng mà điện tử chiếm-được cĩ một dải cấm. Điện tử khơng thể cĩ năng lượng nằm trong dải cấm, khoảng cách (dải cấm) càng thu hẹp khi khoảng cách d càng nhỏ (xem hình). Khi khoảng cách d=d3, các dải năng lượng chồng lên nhau, 6N trạng thái của dải trên hồ với 2N trạng thái của dải dưới cho ta 8N trạng thái, nhưng chỉ cĩ 4N trạng thái bị chiếm. Ở khoảng cách này, mỗi nguyên tử cĩ 4 điện tử tầng ngồi nhưng ta khơng thể phân biệt được điện tử nào là điện tử s và điện tử nào là điện tử p, ở khoảng cách từ đĩ, tác dụng của các nguyên tử lên nhau rất mạnh. Sự phân Trang 9 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử bố các dải năng lượng tuỳ thuộc vào dạng tinh thể và nguyên tử số. Người ta xác định sự phân bố này bằng cách giải phương trình Schrodinger và cĩ kết quả như hình vẽ. Ta cĩ một dải hố trị (valence band) gồm 4N trạng thái hồn tồn bị chiếm và một dải dẫn điện (conduction band) gồm 4N trạng thái chưa bị chiếm. Giữa hai dải năng lượng này, cĩ một dải năng lượng cấm cĩ năng lượng khoảng 6eV. (eV: ElectronVolt) 1 volt là hiệu điện thế giữa hai điểm của một mạch điện khi năng lượng cung cấp là 1 Joule để chuyển một điện tích 1 Coloumb từ điểm này đến điểm kia. W →Joule Vậy, volt ← V = Q → Coloumb Vậy năng lượng mà một điện tử tiếp nhận khi vượt một hiệu điện thế 1 volt là: W V = Q W ⇒ 1V = 1,602 . 10-19 ⇒ W = 1,602.10−19 Joule Năng lượng này được gọi là 1eV (1eV=1,602.10-19J) Ta đã khảo sát trường hợp đặc biệt của tinh thể Cacbon. Nếu ta khảo sát một tinh thể bất kỳ, năng lượng của điện tử cũng được chia thành từng dải. Dải năng lượng cao nhất bị chiếm gọi là dải hĩa trị, dải năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm gọi là dải dẫn điện. Ta đặc biệt chú ý đến hai dải năng lượng này. E Năng lượng Dải dẫn điện (Dải năng lượng thấp nhất chưa bị chiếm) EG Dải cấm Dải hố trị (Dải năng lượng cao nhất bị chiếm) Hình 5 * Ta cĩ 3 trường hợp: Trang 10 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dải cấm cĩ độ cao khá lớn (EG>5eV). Đây là trường hợp của các chất cách điện. Thí dụ như kim cương cĩ EG=7eV, SiO2 EG=9eV. Dải cấm cĩ độ cao nhỏ (EG 5eV Dải cấm Dải dẫn điện EG<5eV Dải hố trị Dải hố trị (a) (b) (c) Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dẫn điện Hình 6 Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, nhờ sự cung cấp nhiệt năng, điện tử trong dải hĩa trị tăng năng lượng. Trong trường hợp (a), vì EG lớn, điện tử khơng đủ năng lượng vượt dải cấm để vào dải dẫn điện. Nếu ta cho tác dụng một điện trường vào tinh thể, vì tất cả các trạng thái trong dải hĩa trị điều bị chiếm nên điện tử chỉ cĩ thể di chuyển bằng cách đổi chỗ cho nhau. Do đĩ, số điện tử đi, về một chiều bằng với số điện tử đi, về theo chiều ngược lại, dịng điện trung bình triệt tiêu. Ta cĩ chất cách điện. Trong trường hợp (b), một số điện tử cĩ đủ năng lượng sẽ vượt dải cấm vào dải dẫn điện. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử này cĩ thể thay đổi năng lượng dễ dàng vì trong dải dẫn điện cĩ nhiều mức năng lượng trống để tiếp nhận chúng. Vậy điện tử cĩ năng lượng trong dải dẫn điện cĩ thể di chuyển theo một chiều duy nhất dưới tác dụng của điện trường, ta cĩ chất bán dẫn điện. Trong trường hợp (c) cũng giống như trường hợp (b) nhưng số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn làm cho sự di chuyển mạnh hơn, ta cĩ kim loại hay chất dẫn điện. Trang 11 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương II SỰ DẪN ĐIỆN TRONG KIM LOẠI Nội dung chính của chương này là ơn lại khái niệm về độ linh động của điện tử, dẫn suất của kim loại, từ đĩ đưa ra phương pháp khảo sát chuyển động của hạt tử bằng năng lượng. Mục tiêu cần đạt được là hiểu rõ thế năng của điện tử trong kim loại, sự phân bố điện tử theo năng lượng, cơng ra của kim loại và tiếp thế. I. ĐỘ LINH ĐỘNG VÀ DẪN XUẤT: Trong chương I, hình ảnh của dải năng lượng trong kim loại đã được trình bày. Theo sự khảo sát trên, dải năng lượng do điện tử chiếm cĩ thể chưa đầy và khơng cĩ dải cấm cho những năng lượng cao. Nghĩa là điện tử cĩ thể di chuyển tự do trong kim loại dưới tác dụng của điện trường. + + + + → E + + + + Na + + + + + + + + Hình 1 Hình trên vẽ phân bố điện tích trong tinh thể Na. Những chỗ gạch chéo tiêu biểu cho những điện tử ở dải hĩa trị cĩ năng lượng thấp nhất, những chỗ trắng chứa những điện tử cĩ năng lượng cao nằm trong dải dẫn điện. Chính những điện tử này là những điện tử khơng thể nĩi thuộc hẳn vào một nguyên tử nhất định nào và cĩ thể di chuyển tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Vậy kim loại được coi là nơi các ion kết hợp chặt chẽ với nhau và xếp đều đặn trong 3 chiều trong một đám mây điện tử mà trong đĩ điện tử cĩ thể di chuyển tự do. Hình ảnh này là sự mơ tả kim loại trong chất khí điện tử. Theo thuyết chất khí điện tử kim loại, điện tử chuyển động liên tục với chiều chuyển động biến đổi mỗi lần va chạm với ion dương nặng, được xem như đứng yên. Khoảng cách trung bình giữa hai lần va chạm được gọi là đoạn đường tự do trung bình. Vì đây là chuyển động tán loạn, nên ở một thời điểm nào đĩ, số điện tử trung bình qua một đơn vị diện tích theo bất cứ chiều nào sẽ bằng số điện tử qua đơn vị diện tích ấy theo chiều ngược lại. Như vậy , dịng điện trung bình triệt tiêu. Trang 12 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Giả sử, một điện trường E được thiết lập trong mạng tinh thể kim loại, ta thử khảo sát chuyển động của một điện tử trong từ trường nầy. e n e1 e2 x Hình 2 Hình trên mơ tả chuyển động của điện tử dưới tácdụng của điện trường E . Quỹ đạo của điện tử là một đường gấp khúc vì điện tử chạm vào các ion dương và đổi hướng chuyển động. Trong thời gian t=n lần thời gian tự do trung bình, điện tử di chuyển được x một đoạn đường là x. Vận tốc v = gọi là vận tốc trung bình. Vận tốc này tỉ lệ với điện t trường E . v = µE Hằng số tỉ lệ µ gọi là độ linh động của điện tử, tính bằng m2/Vsec. Điện tích đi qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được gọi là mật độ dịng điện J. Ta cĩ: J = n.e.v Trong đĩ, n: mật độ điện tử, e: điện tích của một electron Bây giờ, ta xét một điện tích vi cấp S đặt thẳng gĩc với chiều di chuyển của điện tử. Những điện tử tới mặt S ở thời điểm t=0 (t=0 được chọn làm thời điểm gốc) là những điện tử ở trên mặt S’ cách S một khoảng v (vận tốc trung bình của điện tủ) ở thời điểm t=-1. Ở thời điểm t=+1, những điện tử đi qua mặt S chính là những điện tử chứa trong hình trụ giới hạn bởi mặt S và S’. Điện tích của số điện tử này là q=n.e.v.s, với n là mật độ điện tử di chuyển. Vậy điện tích đi ngang qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian là: J=n.e.v t = -1 t = 0 S’ S v E J n.e. .E Nhưng = µ nên = µ Người ta đặt σ = n.e.µ (đọc là Sigma) v Hình 3 Nên J = σE σ gọi là dẫn xuất của kim loại 1 Và ρ = gọi là điện trở suất của kim loại σ Điện trở suất tính bằng Ωm và dẫn suất tính bằng mho/m Trang 13 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử II. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT CHUYỄN ĐỘNG CỦA HẠT TỬ BẰNG NĂNG LƯỢNG: K A 5cm v0 M(x) 0 EC = 2eV - 10V + Hình 4 Phương pháp khảo sát này căn cứ trên định luật bảo tồn lượng. Để dễ hiểu, ta xét thí dụ sau đây: Một diode lý tưởng gồm hai mặt phẳng song song bằng kim loại cách nhau 5 Cm. Anod A cĩ hiệu điện thế là –10V so với Catod K. Một điện tử rời Catod K với năng lượng ban đầu Ec=2eV. Tính khoảng cách tối đa mà điện tử cĩ thể rời Catod. Giả sử, điện tử di chuyển tới điểm M cĩ hồnh độ là x. Điện thế tại điểm M sẽ tỉ lệ với hồnh độ x vì điện trường giữa Anod và Catod đều. Điện thế tại một điểm cĩ hồnh độ x là: V = αx + β Khi x=0, (tại Catod) ⇒ V = 0 ⇒ β = 0 Nên V = αx Tại x=5 Cm (tại Anod A) thì V=-10volt ⇒ α = −2 Vậy V=-2x (volt) với x tính bằng Cm Suy ra thế năng tại điểm M là: U = QV = +2.e.x (Joule) với e là điện tích của điện tử. Ta cĩ thể viết U = 2.x (eV) Năng lượng tồn phần tại điểm M là: 1 T = mv 2 + U 2 Trang 14 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Năng lượng này khơng thay đổi. Trên đồ thị, T được biểu diễn bằng đường thẳng song song với trục x. 1 Hiệu T − U = mv 2 là động năng của điện tử. Động năng này tối đa tại điểm O 2 (Catod) rồi giảm dần và triệt tiêu tại điểm P cĩ hồnh độ x0. Nghĩa là tại điểm x0, điện tử dừng lại và di chuyển trở về catod K. Vậy x0 là khoảng cách tối đa mà điện tử cĩ thể rời xa Catod. eV (Năng lượng) P T 1 2 m.v 0 2 0 x0 = 1cm 5 cm x (cm) Hình 5 Tại điểm M (x=x0) ta cĩ: T-U=0 Mà T=+Ec (năng lượng ban đầu) T=2.e.V Vậy, U=2.x0 (eV) => 2-2.x0=0 => x0=1Cm Về phương diện năng lượng, ta cĩ thể nĩi rằng với năng lượng tồn phần cĩ sẵn T, điện tử khơng thể vượt qua rào thế năng U để vào phần cĩ gạch chéo. Ta thấy rằng nếu biết năng lượng tồn phần của hạt điện và sự phân bố thế năng trong mơi trường hạt điện, ta cĩ thể xác định được đường di chuyển của hạt điện. Phần sau đây, ta áp dụng phương pháp trên để khảo sát sự chuyển động của điện tử trong kim loại. III. THẾ NĂNG TRONG KIM LOẠI: Nếu ta cĩ một nguyên tử duy nhất α thì điện thế tại một điểm cách α một khoảng r là: Trang 15 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử k V = + C r Nếu chọn điện thế tại một điểm rất xa làm điện thế Zero thì C=0. Vậy một điện tử cĩ điện tích –e ở cách nhân α một đoạn r sẽ cĩ thế năng là: ke U = −eV = − r -e U -e α r 0 r Hình 6 Hình trên là đồ thị của thế năng U theo khoảng cách r. Phần đồ thị khơng liên tục ứng với một điện tử ở bên trái nhân α. Nếu ta cĩ hai nhân α và β thì trong vùng giữa hai nhân này thế năng của điện tử là tổng các thế năng do α và β tạo ra. Trong kim loại, các nhân được sắp xếp đều đặn theo 3 chiều. Vậy, ta cĩ thể khảo sát sự phân bố của thế năng bằng cách xét sự phân bố dọc theo dải α, β và γ Trang 16 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử U Điện tử tự do 0 α β γ ε EB U 0 Điện tử buộc V0 = 0 EB Hình 7 + Hình trên biểu diễn sự phân bố đĩ. Ta thấy rằng cĩ những vùng đẳng thế rộng nằm xen kẻ với những vùng điện thế thay đổi rất nhanh. Mặt ngồi của mỗi kim loại khơng được xác định hồn tồn và cách nhân cuối cùng một khoảng cách nhỏ. Vì bên phải của nhân ε khơng cịn nhân nên thế năng tiến tới Zero chứ khơng giữ tính tuần hồn như bên trong kim loại. Do đĩ, ta cĩ một rào thế năng tại mặt ngồi của kim loại. Ta xét một điện tử của nhân β và cĩ năng lượng nhỏ hơn U0, điện tử này chỉ cĩ thể di chuyển trong một vùng nhỏ cạnh nhân giữa hai rào thế năng tương ứng. Đĩ là điện tử buộc và khơng tham gia vào sự dẫn điện của kim loại. Trái lại, một điện tử cĩ năng lượng lớn hơn U0 cĩ thể di chuyển từ nguyên tử này qua nguyên tử khác trong khối kim loại nhưng khơng thể vượt ra ngồi khối kim loại được vì khi đến mặt phân cách, điện tử đụng vào rào thế năng. Các điện tử cĩ năng lượng lớn hơn U0 được gọi là các điện tử tự do. Trong các chương sau, ta đặt biệt chú ý đến các điện tử này. Vì hầu hết khối kim loại đều cĩ cùng điện thế V0 tương ứng với thế năng U0=-eV0 nên ta cĩ thể giả sử khối kim loại là một khối đẳng thế V0. Nhưng điện thế tùy thuộc vào một hằng số cộng nên ta cĩ thể chọn V0 làm điện thế gốc (V0=0V). Gọi EB là chiều cao của rào thế năng giữa bên trong và bên ngồi kim loại. Một điện tử bên trong khối kim loại muốn vượt ra ngồi phải cĩ ít nhất một năng lượng U=EB, vì vậy ta cần phải biết sự phân bố của điện tử theo năng lượng. Trang 17 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử III. SỰ PHÂN BỐ CỦA ĐIỆN TỬ THEO NĂNG LƯỢNG: Gọi ∆nE= là số điện tử trong một đơn vị thể tích cĩ năng lượng từ E đến E+∆E. ∆n Theo định nghĩa, mật độ điện tử trung bình cĩ năng lượng từ E đến E+∆E là tỉ số E . ∆E Giới hạn của tỉ số này khi ∆E → 0 gọi là mật độ điện tử cĩ năng lượng E. ∆n dn Ta cĩ: ρ(E) = lim E = E (1) ∆E→0 ∆E dE Vậy, dn E = ρ(E).dE (2) Do đĩ, nếu ta biết được hàm số ρ(E) ta cĩ thể suy ra được số điện tử cĩ năng lượng trong khoảng từ E đến E+dE bằng biểu thức (2). Ta thấy rằng ρ(E) chính là số trạng thái năng lượng E đã bị điện tử chiếm. Nếu gọi n(E) là số trạng thái năng lượng cĩ năng ρ(E) lượng E mà điện tử cĩ thể chiếm được. Người ta chứng minh được rằng: tỉ số bằng n(E) một hàm số f(E), cĩ dạng: ρ(E) 1 f (E) = = n(E) E−EF 1+ e KT Trong đĩ, K=1,381.10-23 J/0K (hằng số Boltzman) 1,381.10−23 K = = 8,62.10−5 (V/ 0 K) e EF năng lượng Fermi, tùy thuộc vào bản chất kim loại. Mức năng lượng này nằm trong dải cấm. Ở nhiệt độ rất thấp (T≈00K) Nếu E EF, ta cĩ f(E)=0 Vậy f(E) chính là xác suất để tìm thấy điện tử cĩ năng lượng E ở nhiệt độ T. Hình sau đây là đồ thị của f(E) theo E khi T≈00K và khi T=2.5000K. f(E) 1 T=00K ρ(E) T=00K ½ 0 T=25000K T=2500 K EF E EF E Trang 18 Biên soạn: Trương Văn Tám Hình 8 +
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta chấp nhận rằng: 1 2 N(E) = γ.E γ là hằng số tỉ lệ. Lúc đĩ, mật độ điện tử cĩ năng lượng E là: 1 ρ(E) = f (E).N(E) = γ.E .f (E) 2 Hình trên là đồ thị của ρ(E) theo E tương ứng với nhiệt độ T=00K và T=2.5000K. Ta thấy rằng hàm ρ(E) biến đổi rất ít theo nhiệt độ và chỉ biến đổi trong vùng cận 0 của năng lượng EF. Do đĩ, ở nhiệt độ cao (T=2.500 K) cĩ một số rất ít điện tử cĩ năng lượng lớn hơn EF, hầu hết các điện tử đều cĩ năng lượng nhỏ hơn EF. Diện tích giới hạn bởi đường biểu diễn của ρ(E) và trục E cho ta số điện tử tự do n chứa trong một đơn vị thể tích. EF EF 1 2 3 n = ρ(E).dE = γ.E 2 .dE = γ.E 2 ∫ ∫ F 0 0 3 (Để ý là f(E)=1 và T=00K) Từ đây ta suy ra năng lượng Fermi EF 2 ⎛ 3 n ⎞ 3 E F = ⎜ . ⎟ ⎝ 2 γ ⎠ Nếu ta dùng đơn vị thể tích là m3 và đơn vị năng lượng là eV thì γ cĩ trị số là: γ = 6,8.1027 2 −19 3 Do đĩ, E F = 3,64.10 .n Nếu biết được khối lượng riêng của kim loại và số điện tử tự do mà mỗi nguyên tử cĩ thể nhả ra, ta tính được n và từ đĩ suy ra EF. Thơng thường EF < 10eV. Thí dụ, khối lượng riêng của Tungsten là d = 18,8g/cm3, nguyên tử khối là A = 184, biết rằng mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do. Tính năng lượng Fermi. Giải: Khối lượng mỗi cm3 là d, vậy trong mỗt cm3 ta cĩ một số nguyên tử khối là d/A. Vậy trong mỗi cm3, ta cĩ số nguyên tử thực là: Trang 19 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử d 23 .A với A0 là số Avogadro (A0 = 6,023.10 ) A 0 Mỗi nguyên tử cho v = 2 điện tử tự do, do đĩ số điện tử tự do trong mỗi m3 là: d n = .A .v.106 A 0 Với Tungsten, ta cĩ: 18,8 n = .6,203.10 23.2.106 ≈ 1,23.10 29 điện tử/m3 184 2 −19 29 3 ⇒ E F = 3,64.10 .()1,23.10 ⇒ E F ≈ 8,95eV IV. CƠNG RA (HÀM CƠNG): 0 Ta thấy rằng ở nhiệt độ thấp (T #0 K), năng lượng tối đa của điện tử là EF (E<EF<EB), do đĩ, khơng cĩ điện tử nào cĩ năng lượng lớn hơn rào thế năng EB, nghĩa là khơng cĩ điện tử nào cĩ thể vượt ra ngồi khối kim loại. Muốn cho điện tử cĩ thể vượt ra ngồi, ta phải cung cấp cho điện tử nhanh nhất một năng lượng là: EW = EB-EF EW được gọi là cơng ra của kim loại. E 25000K U EB EW EF EF EB 0 0 K 0 ρ(E) 0 Hình 9 Nếu ta nung nĩng khối kim loại tới nhiệt độ T=2.5000K, sẽ cĩ một số điện tử cĩ năng lượng lớn hơn EB, các điện tử này cĩ thể vượt được ra ngồi kim loại. Người ta chứng minh được rằng, số điện tử vượt qua mỗi đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian là: Trang 20 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử −E w 2 KT 23 -23 0 J th = A 0T e Trong đĩ, A0 = 6,023.10 và K = 1,38.10 J/ K Đây là phương trình Dushman-Richardson. Người ta dùng phương trình này để đo EW vì ta cĩ thể đo được dịng điện Jth; dịng điện này chính là dịng điện bảo hịa trong một đèn hai cực chân khơng cĩ tim làm bằng kim loại muốn khảo sát. V. ĐIỆN THẾ TIẾP XÚC (TIẾP THẾ): Xét một nối C giữa hai kim loại I và II. Nếu ta dùng một Volt kế nhạy để đo hiệu điện thế giữa hai đầu của nối (A và B), ta thấy hiệu số điện thế này khơng triệt tiêu, theo định nghĩa, hiệu điện thế này gọi là tiếp thế. Ta giải thích tiếp thế như sau: → A B I Ei II + + - - + + - - + + - - I II A B + + - - EW1 EW2 E VB + + - - + - Hình 10 Giả sử kim loại I cĩ cơng ra EW1 nhỏ hơn cơng ra EW2 của kim loại II. Khi ta nối hai kim loại với nhau, điện tử sẽ di chuyển từ (I) sang (II) làm cho cĩ sự tụ tập điện tử bên (II) và cĩ sự xuất hiện các Ion dương bên (I). Cách phân bố điện tích như trên tạo ra một điện trường Ei hướng từ (I) sang (II) làm ngăn trở sự di chuyển của điện tử. Khi Ei đủ mạnh, các điện tử khơng di chuyển nữa, ta cĩ sự cân bằng nhiệt động học của hệ thống hai kim loại nối với nhau. Sự hiện hữu của điện trường Ei chứng tỏ cĩ một hiệu điện thế giữa hai kim loại. Trang 21 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương III CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR) Trong chương này nội dung chính là tìm hiểu kỹ cấu trúc và đặc điểm của chất bán dẫn điện, chất bán dẫn loại N, chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn tổng hợp. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ lên chất bán dẫn, từ đĩ hiểu được cơ chế dẫn điện trong chất bán dẫn. Đây là vật liệu cơ bản dùng trong cơng nghệ chế tạo linh kiện điện tử, sinh viên cần nắm vững để cĩ thể học tốt các chương sau. I. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN THUẦN HAY NỘI BẨM: (Pure semiconductor or intrinsic semiconductor) Hầu hết các chất bán dẫn đều cĩ các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều cĩ 4 điện tử ở ngồi cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hĩa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện. Điện tử trong dải hĩa trị Nối hĩa trị Hình 1: Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T = 00K) Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hĩa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và cĩ thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hĩa trị bị gãy ta cĩ các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta cĩ thể nĩi rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hĩa trị. Trang 22 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Điện tử tự do trong dải dẫn điện Nối hĩa trị bị gãy. Lỗ trống trong dải hĩa trị Hình 2: Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 3000K) Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử cĩ thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hĩa trị). Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hĩa trị. Nếu ta gọi n là mật độ điện tử cĩ năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống cĩ năng lượng trong dải hĩa trị. Ta cĩ:n=p=ni Người ta chứng minh được rằng: 2 3 ni = A0.T . exp(-EG/KT) 23 Trong đĩ: A0 : Số Avogadro=6,203.10 T : Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin) K : Hằng số Bolzman=8,62.10-5 eV/0K EG : Chiều cao của dải cấm. E Dải dẫn điện Điện tử trong dải dẫn điện Mức fermi Dải hĩa trị Lỗ trống trong Dải hĩa trị Ở nhiệt độ thấp (00K) Ở nhiệt độ cao (3000K) Hình 3 Ta gọi chất bán dẫn cĩ tính chất n=p là chất bán dẫn nội bẩm hay chất bán dẫn thuần. Thơng thường người ta gặp nhiều khĩ khăn để chế tạo chất bán dẫn loại này. Trang 23 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử II. CHẤT BÁN DẪN NGOẠI LAI HAY CĨ CHẤT PHA: (Doped/Extrinsic Semiconductor) 1. Chất bán dẫn loại N: (N - type semiconductor) Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhĩm V của bảng phân loại tuần hồn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên cĩ thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hĩa trị, Cịn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hĩa trị đều cĩ năng lượng trong dải hĩa trị, trừ những điện tử thừa của As khơng tạo nối hĩa trị cĩ năng lượng ED nằm trong dải cấm và cách dẫy dẫn điện một khỏang năng lượng nhỏ chừng 0,05eV. Điện tử thừa của As E trong dải cấm Si Si Si Dải dẫn điện 0,05eV Si As Si 1,12eV Mức fermi tăng Điện tử thừa của As Si Si Si Dải hĩa trị Hình 4: Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 3000K) Ở nhiệt độ T = 00K Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hĩa trị bị gãy, ta cĩ những lỗ trống trong dải hĩa trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngồi ra, các điện tử của As cĩ năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử cĩ năng lượng trong dải dẫn điện. Vì thế ta cĩ thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hĩa (vì khỏang năng lượng giữa ED và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu cĩ năng lượng ED đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do. E Dải dẫn điện Dải hĩa trị Hình 5 Trang 24 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nếu ta gọi ND là mật độ những nguyên tử As pha vào (cịn gọi là những nguyên tử cho donor atom). Ta cĩ: n = p + ND Với n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. P: mật độ lỗ trống trong dải hĩa trị. 2 Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni (n<p) ni: mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha. Chất bán dẫn như trên cĩ số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống trong dải hĩa trị gọi là chất bán dẫn loại N. 2. Chất bán dẫn loại P: Thay vì pha vào Si thuần một nguyên tố thuộc nhĩm V, ta pha vào những nguyên tố thuộc nhĩm III như Indium (In), Galium (Ga), nhơm (Al), Bán kính nguyên tử In gần bằng bán kính nguyên tử Si nên nĩ cĩ thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Ba điện tử của nguyên tử In kết hợp với ba điện tử của ba nguyên tử Si kế cận tạo thành 3 nối hĩa trị, cịn một điện tử của Si cĩ năng lượng trong dải hĩa trị khơng tạo một nối với Indium. Giữa In và Si này ta cĩ một trang thái năng lượng trống cĩ năng lượng EA nằm trong dải cấm và cách dải hĩa trị một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,08eV. Si Si Si Lỗ trống Nối hĩa trị khơng được Si In thành lập Si Si Si Hình 6 ể ấ ẫ 0 Ở nhiệt độ thấp (T=00K), tất cả các điện tử đều cĩ năng lượng trong dải hĩa trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ cĩ một số điện tử trong dải hĩa trị nhận năng lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng cĩ những điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống cĩ năng lượng EA. E Trang 25 Biên soạn: Trương Văn Tám Dải dẫn điện 1 12eV
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nếu ta gọi NA là mật độ những nguyên tử In pha vào (cịn được gọi là nguyên tử nhận), ta cũng cĩ: p = n + NA p: mật độ lỗ trống trong dải hĩa trị. n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. Người ta cũng chứng minh được: 2 n.p = ni (p>n) ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha. Chất bán dẫn như trên cĩ số lỗ trống trong dải hĩa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại P. Như vậy, trong chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử. 3. Chất bán dẫn hỗn hợp: Ta cũng cĩ thể pha vào Si thuần những nguyên tử cho và những nguyên tử nhận để cĩ ch ất bán dẫn hỗn hợp. Hình sau là sơ đồ năng lượng của chất bán dẫn hỗn hợp. Dải dẫn điện ED ND ED EA NA EA Dãi hĩa trị Ở nhiệt độ thấp Ở nhiệt độ cao (T = 00K) (T = 3000K) Hình 8 Trang 26 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta cĩ: n+NA = p+ND 2 n.p = ni Nếu ND > NA => n>p, ta cĩ chất bán dẫn hỗn hợp loại N. Nếu ND n<p, ta cĩ chất bán dẫn hỗn hợp loại P. III. DẪN SUẤT CỦA CHẤT BÁN DẪN: Dưới tác dụng của điện truờng, những điện tử cĩ năng lượng trong dải dẫn điện di chuyển tạo nên dịng điện In, nhưng cũng cĩ những điện tử di chuyển từ một nối hĩa trị bị gãy đến chiếm chỗ trống của một nối hĩa trị đã bị gãy. Những điện tử này cũng tạo ra một dịng điện tương đương với dịng điện do lỗ trống mang điện tích dương di chuyển ngược chiều, ta gọi dịng điện này là Ip. Hình sau đây mơ tả sự di chuyển của điện tử (hay lỗ trống) trong dải hĩa trị ở nhiệt độ cao. Lỗ trống Điện tử trong dải hĩa trị di chuyển về bên trái tạo lỗ trống mới Nối hĩa trị bị gãy Hình 9 Lỗ trống mới Lỗ trống mới Nối hĩa trị mới bị gãy Trang 27 Biên soạn: Trương Văn Tám Hình 10
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vậy ta cĩ thể coi như dịng điện trong chất bán dẫn là sự hợp thành của dịng điện do những điện tử trong dải dẫn điện (đa số đối với chất bán dẫn loại N và thiểu số đối với chất bán dẫn loại P) và những lỗ trống trong dải hĩa trị (đa số đối với chất bán dẫn loại P và thiểu số đối với chất bán dẫn loại N). Dịng điện tử trong Dịng điện tử trong dải dẫn điện dải dẫn điện Chất bán dẫn thuần Dịng điện tử Dịng lỗ trống trong dải hĩa trị + - + - V V Hình 11 Tương ứng với những dịng điện này, ta cĩ những mật độ dịng điện J, Jn, Jp sao cho: J = Jn+Jp Ta đã chứng minh được trong kim loại: J = n.e.v = n.e.µ.E Tương tự, trong chất bán dẫn, ta cũng cĩ: Jn=n.e.vn=n.e. µn.E (Mật độ dịng điện trơi của điện tử, µn là độ linh động của điện tử, n là mật độ điện tử trong dải dẫn điện) Jp=p.e.vp=p.e.µp.E (Mật độ dịng điện trơi của lỗ trống, µp là độ linh động của lỗ trống, p là mật độ lỗ trống trong dải hĩa trị) Như vậy: J=e.(n.µn+p.µp).E Theo định luật Ohm, ta cĩ: J = σ.E => σ = e.(n.µn+p.µp) được gọi là dẫn suất của chất bán dẫn. Trang 28 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trong chất bán dẫn loại N, ta cĩ n>>p nên σ ≅ σn = n.µn.e Trong chất bán dẫn loại P, ta cĩ p>>n nên σ ≅ σp = n.µp.e IV. CƠ CHẾ DẪN ĐIỆN TRONG CHẤT BÁN DẪN: Dưới tác dụng của điện trường, các điện tử và lỗ trống di chuyển với vận tốc trung bình vn=µn.E và vp=µp.E. Số điện tử và lỗ trống di chuyển thay đổi theo mỗi thời điểm, vì tại mỗi thời điểm cĩ một số điện tử và lỗ trống được sinh ra dưới tác dụng của nhiệt năng. Số điện tử sinh ra trong mỗi đơn vị thời gian gọi là tốc độ sinh tạo g. Những điện tử này cĩ đời sống trung bình τn vì trong khi di chuyển điện tử cĩ thể gặp một lỗ trống cĩ cùng năng lượng và tái hợp với lỗ trống này. Nếu gọi n là mật độ điện tử, trong một đơn vị thời gian số điện tử bị mất đi vì sự tái hợp là n/τn. Ngồi ra, trong chất bán dẫn, sự phân bố của mật độ điện tử và lỗ trống cĩ thể khơng đều, do đĩ cĩ sự khuếch tán của điện tử từ vùng cĩ nhiều điện tử sang vùng cĩ ít điện tử. Xét một mẫu bán dẫn khơng đều cĩ mật độ điện tử được phân bố như hình vẽ. Tại một điểm M trên tiết diện A, số điện tử đi ngang qua tiết diện này (do sự khuếch tán) tỉ lệ với dn/dx, với diện tích của điện tử và với tiết diện A. M vkt x Hình 12 dn In kt = D n .e. A 0 kt p dx Và mật độ dịng điện khuếch tán của lỗ trống là: Trang 29 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử dp Jp = e.D . kt p dx Người ta chứng minh được rằng: D p D n KT T = = = VT = µ p µ n e 11.600 Với: K là hằng số Boltzman = 1,382.10-23J/0K T là nhiệt độ tuyệt đối. Hệ thức này được gọi là hệ thức Einstein. 0 Ở nhiệt độ bình thường (300 K): VT=0,026V=26mV V. PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC: Xét một hình hộp cĩ tiết diện A, chiều dài dx đặt trong một mẩu bán dẫn cĩ dịng điện lỗ trống Ip đi qua. Tại một điểm cĩ hồnh độ x, cường độ dịng điện là Ip. Tại mặt cĩ hồnh độ là x+dx, cường độ dịng điện là Ip+dIp. Gọi P là mật độ lỗ trống trong hình p hộp, τp là đời sống trung bình của lỗ trống. Trong mỗi giây cĩ lỗ trống bị mất đi do sự τp tái hợp. Vậy mỗi giây, điện tích bên trong hộp giảm đi một lượng là: p G1 = e.A.dx. (do tái hợp) τp Đồng thời điện tích trong hộp cũng mất đi một lượng: G2=dIp (do khuếch tán). dx A Ip Ip+dIp x+dx x x Ip Gọi g là mật độ lỗ trống được sinh ra do tác dụng nhiệt, trong mỗi giây, điện tích trong hộp Hình 13 tăng lên một lượng là: T1=e.A.dx.g Vậy điện tích trong hộp đã biến thiên một lượng là: p T1 − (G1 + G 2 ) = e.A.dx.g − e.A.dx. − dIp τp dp Độ biến thiên đĩ bằng: e.A.dx. dt Vậy ta cĩ phương trình: dp p dIp 1 = g − − . (1) dt τp dx e.A Nếu mẩu bán dẫn ở trạng thái cân bằng nhiệt và khơng cĩ dịng điện đi qua, ta cĩ: Trang 30 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử dp = 0; dIp=0; P=P0=hằng số dt Phương trình (1) cho ta: p P 0 = g − ⇒ g = 0 τp τp Với P0 là mật độ lỗ trống ở trạng thái cân bằng nhiệt. Thay trị số của g vào phương trình (1) và để ý rằng p và IP vẫn tùy thuộc vào thời gian và khoảng cách x, phương trình (1) trở thành: ∂p p − p ∂I 1 = − 0 − p . (2) ∂t τ p ∂x eA Gọi là phương trình liên tục. Tương tự với dịng điện tử In, ta cĩ: ∂n n − n ∂I 1 = − 0 − n . (3) ∂t τn ∂x eA TD: ta giải phương trình liên tục trong trường hợp p khơng phụ thuộc vào thời gian và dịng điện Ip là dịng điện khuếch tán của lỗ trống. dp dp Ta cĩ: = 0 và I p = −D p .eA. dt dx P-P0 dIp d 2 p P(x )-P Do đĩ, = −D .eA. 0 0 dx p dx 2 Phương trìng (2) trở thành: 2 d p P − P0 P − P0 2 = = 2 dx D p .τp L p Trong đĩ, ta đặt L p = D p .τp x x Nghiệm số của phương trình (4) là: 0 x ⎛ x ⎞ Hình 14 ⎜ − ⎟ ⎜ ⎟ Lp ⎝ Lp ⎠ P − P0 = A1.e + A 2 .e Vì mật độ lỗ trống khơng thể tăng khi x tăng nên A1 = 0 ⎛ x ⎞ ⎜ − ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Lp ⎠ P-P0 Do đĩ: P − P = A .e tại x = x0. 0 2 Mật độ lỗ trống là p(x0), ⎛ x ⎞ ⎜ − ⎟ P(x0)-P0 ⎜ ⎟ ⎝ Lp ⎠ Do đĩ: P(x 0 ) − P0 = A 2 .e Suy ra, nghiệm của phương trình (4) là: ⎛ x−x ⎞ ⎜ − 0 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ Lp ⎠ P(x) − P0 = []P(x 0 ) − P0 .e x0 x Hình 15 Trang 31 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương IV NỐI P-N VÀ DIODE (THE P-N JUNCTION AND DIODES) Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử và là cấu trúc cơ bản của các loại Diode. Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực. Khảo sát việc thiết lập cơng thức liên quan giữa dịng điện và hiệu điện thế ngang qua một nối P-N khi được phân cực. Tìm hiểu về ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của một nối P-N cũng như sự hình thành các điện dung của mối nối. Sinh viên cần hiểu thấu đáo nối P-N trước khi học các linh kiện điện tử cụ thể. Phần sau của chương này trình bày đặc điểm của một số Diode thơng dụng, trong đĩ, diode chỉnh lưu và diode zenner được chú trọng nhiều hơn do tính phổ biến của chúng. I. CẤU TẠO CỦA NỐI P-N: Hình sau đây mơ tả một nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi. SiO2 (Lớp cách điện) (1) (2) Si-n+ Si-n+ (Thân) SiO2 Lớp SiO2 SiO2 bị rửa mất Anod Kim loại SiO2 (3) (4) P Si-n+ Si-n+ Catod Kim loại Hình 1 Trước tiên, người ta dùng một thân Si-n+ (nghĩa là pha khá nhiều nguyên tử cho). Trên thân này, người ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp verni nhạy sáng. Xong người ta đặt lên lớp verni một mặt nạ cĩ lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ, vùng verni bị chiếu cĩ thể rửa được bằng một loại axid và chừa ra một phần Si-n+, phần cịn lạivẫn được phủ verni. Xuyên qua phần khơng phủ verni, người ta cho khuếch tán những nguyên tử nhận vào thân Si-n+ để biến một vùng của thân này thành Si-p. Sau Trang 32 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử cùng, người ta phủ kim loại lên các vùng p và n+ và hàn dây nối ra ngồi. Ta được một nối P-N cĩ mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng. Khi nối PN được thành lập, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N và ngược lại, các điện tử trong vùng N khuếch tán sang vùng P. Trong khi di chuyển, các điện tử và lỗ trống cĩ thể tái hợp với nhau. Do đĩ, cĩ sự xuất hiện của một vùng ở hai bên mối nối trong đĩ chỉ cĩ những ion âm của những nguyên tử nhận trong vùng P và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng N. các ion dương và âm này tạo ra một điện trường Ej chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, nghĩa là điện trường Ei sẽ tạo ra một dịng điện trơi ngược chiều với dịng điện khuếch tán sao cho dịng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. Lúc đĩ, ta cĩ trạng thái cân bằng nhiệt. Trên phương diện thống kê, ta cĩ thể coi vùng cĩ những ion cố định là vùng khơng cĩ hạt điện di chuyển (khơng cĩ điện tử tự do ở vùng N và lỗ trống ở vùng P). Ta gọi vùng này là vùng khiếm khuyết hay vùng hiếm (Depletion region). Tương ứng với điện trường Ei, ta cĩ một điện thế V0 ở hai bên mặt nối, V0 được gọi là rào điện thế. - + - + P N V0 - + - + - + - + + - - + x1 Ei x2 V0= Rào điện thế Tại mối nối x1 0 x2 Hình 2 Tính V0: ta để ý đến dịng điện khuếch tán của lỗ trống: dp J = −e.D . > 0 pkt p dx và dịng điện trơi của lỗ trống: J ptr = e.p.µ p .E i < 0 Khi cân bằng, ta cĩ: Jpkt+Jptr = 0 Trang 33 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử dp Hay là: e.D . = e.p.µ .E p dx p i D p dp ⇒ . = E i .dx µ p p D p KT Mà = VT = µ p e − dV Và E = i dx dp Do đĩ: dV = −V . T p Lấy tích phân 2 vế từ x1 đến x2 và để ý rằng tại x1 điện thế được chọn là 0volt, mật độ lỗ trống là mật độ Ppo ở vùng P lúc cân bằng. Tại x2, điện thế là V0 và mật độ lỗ trống là Pno ở vùng N lúc cân bằng. V 0 P no dp − dV = VT ∫ ∫P P 0 o p n 2 Mà: P ≈ i và P ≈ N no Po A N D ⎛ P ⎞ Nên: V= V log⎜ Po ⎟ 0 T ⎜ P ⎟ ⎝ no ⎠ KT ⎛ N N ⎞ Hoặc: V = log⎜ D A ⎟ 0 ⎜ 2 ⎟ e ⎝ n i ⎠ Tương tự như trên, ta cũng cĩ thể tìm V0 từ dịng điện khuếch tán của điện tử và dịng điện trơi của điện tử. dn e.D + e.n.µ .E = 0 n dx n i V ≈ 0,7 volt Thơng thường 0 nếu nối P-N là Si V0 ≈ 0,3 volt nếu nối P-N là Ge Với các hợp chất của Gallium như GaAs (Gallium Arsenide), GaP (Gallium Phospho), GaAsP (Gallium Arsenide Phospho), V0 thay đổi từ 1,2 volt đến 1,8 volt. Thường người ta lấy trị trung bình là 1,6 volt. II. DỊNG ĐIỆN TRONG NỐI P-N KHI ĐƯỢC PHÂN CỰC: Ta cĩ thể phân cực nối P-N theo hai cách: Trang 34 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - Tác dụng một hiệu điện thế giữa hai cực của nối sao cho điện thế vùng P lớn hơn vùng N một trị số V. Trường hợp này ta nĩi nối P-N được phân cực thuận (Forward Bias). - Nếu điện thế vùng N lớn hơn điện thế vùng P, ta nĩi nối P-N được phân cưc nghịch (Reverse Bias). 1. Nối P-N được phân cực thuận: - V + Dịng điện tử N Vùng hiếm P + V0 - R I (Giới hạn dịng điện) - VS + V V P N Jpp Jnn V V0 VB Jnp Jnn x1 x x1 x2 x Hình 3 Khi chưa được phân cực, ngang mối nối ta cĩ một rào điện thế V0. Khi phân cực thuận bằng hiệu điện thế V thì rào điện thế giảm một lượng V và trở thành VB = V0-V, do đĩ nối P-N mất thăng bằng. Lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang vùng N tạo ra dịng điện Ip. Điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P tạo ra dịng điện In. Dịng điện I qua nối P- N là : I = I p + I n Dịng điện I khơng phụ thuộc vào thời gian và vị trí của tiết diện A vì ta cĩ một trạng thái thường xuyên nhưng dịng điện In và Ip phụ thuộc vào vị trí của tiết diện. Trong vùng P xa vùng hiếm, lỗ trống trơi dưới tác dụng của điện trường tạo nên dịng Jpp. Khi các lỗ trống này đến gần vùng hiếm, một số bị tái hợp với các điện tử từ vùng N khuếch tán sang. Vì vùng hiếm rất mỏng và khơng cĩ điện tử nên trong vùng này Trang 35 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử các lỗ trống khuếch tán thẳng ngang qua mà khơng bị mất và tiếp tục khuếch tán sang vùng N nhưng bị mất lần vì cĩ sự tái hợp với các điện tử trong vùng này. Tương tự, sự khuếch tán của điện tử từ vùng N sang vùng P cũng tuân theo qui chế trên. Ta để ý là các đồ thị nhận một trục đối xứng vì tổng số các dịng điện lỗ trống và dịng điện tử phải bằng một hằng số. Ta cĩ: Jpp (x1) = Jpn(x2) Jnp (x1) = Jnn(x2) Dịng điện J tại một tiết diện bất kỳ là hằng số. Vậy tại x1 hoặc x2 ta cĩ: J = Jpp(x1) + Jnp (x1) = Jpn(x2) + Jnn(x2) Dịng điện Jpn là dịng khuếch tán các lỗ trống, nên cĩ trị số tại tiết diện x là: dP (x) J (x) = −e.D . n pn p dx Trong đĩ, Pn(x) là mật độ lỗ trống trong vùng N tại điểm x. Ta tính Pn(x) Ta dùng phương trình liên tục: ∂P Pn − Pn ∂I 1 n = − 0 − p . ∂t τp ∂x e.A Vì dịng điện Jpn khơng phụ thuộc vào thời gian nên phương trình trở thành: 2 P − P d Pn n n0 2 = 2 Trong đĩ L p = D p .τp dx Lp x−x − 2 Và cĩ nghiệm số là: P (x) − P = []P (x ) − P .e Lp n n0 n 2 n0 dP e.D Suy ra, J (x ) = −e.D n = p []P (x ) − P pn 2 p dx L n 2 n0 x=x2 p dp Ta chấp nhận khi cĩ dịng điện qua mối nối, ta vẫn cĩ biểu thức: dv = −V như trong T p trường hợp nối cân bằng. Lấy tích phân hai vế từ x1 đến x2 ta được: VB pn (x 2 ) dp dv = −V ∫ T ∫ 0 p ≈p p p( x1) p0 Ta được: ⎛ P ⎞ Mà: V = V − V = V log⎜ p0 ⎟ − V B 0 T ⎜ P ⎟ ⎝ n 0 ⎠ ⎛ P (x ) ⎞ Suy ra: V= V log⎜ n 2 ⎟ T ⎜ P ⎟ ⎝ n 0 ⎠ Trang 36 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử V Nên: P (x ) = P .e VT n 2 n0 1 Do đĩ: J (x ) = e.D . [P(x ) − P ] pn 2 p 2 n0 Lp ⎡ V ⎤ Dp J (x ) = e. .P .⎢e VT −1⎥ pn 2 L n0 p ⎣⎢ ⎦⎥ Tương tự, ta cĩ: 1 J (x ) = e.D . []n (x ) − n np 1 n p 1 p0 Ln V D ⎡ ⎤ J (x ) = e. n .n ⎢e VT −1⎥ np 1 L p0 n ⎣⎢ ⎦⎥ Suy ra, mật độ dịng điện J trong mối nối P-N là: J = J pn (x 2 ) + J np (x1) ⎡ ⎤ ⎡ V ⎤ DP Dn VT J = e⎢ .pno + .n po ⎥.⎢e −1⎥ L L ⎣ P n ⎦ ⎣⎢ ⎦⎥ Như vậy, dịng điện qua mối nối P-N là: ⎡ ⎤ ⎡ V ⎤ D P D n VT I = A.e⎢ .p no + .n po ⎥.⎢e − 1⎥ L L ⎣ P n ⎦ ⎣⎢ ⎦⎥ ⎡DP Dn ⎤ Đặt: I0 = A.e.⎢ .pno + .n po ⎥ ⎣ LP Ln ⎦ ⎡ V ⎤ VT Ta được: I = I0 ⎢e −1⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ Phương trình này được gọi là phương trình Schockley kT D D Trong đĩ: V = = p = n T e µp µn Với k =1,381.10−23 J / 0 K là hằng số Boltzman e = −1,602.10−19 coulomb , là điện tích của electron T là nhiệt độ tuyệt đối. 0 Ở nhiệt độ bình thường, T=273 K, VT=0,026 volt. Khi mối nối chuyển vận bình V V thường, V thay đổi từ 0,3 V đến 0,7 V tùy theo mối là Ge hay Si, >10 ⇒ e VT >>1 VT V VT Vậy, I ≈ I0.e Ghi chú: Cơng thức trên chỉ đúng trong trường hợp dịng điện qua mối nối khá lớn (vùng đặc tuyến V-I thẳng, xem phần sau); với dịng điện I tương đối nhỏ (vài mA trở xuống), người ta chứng minh được dịng điện qua mối nối là: Trang 37 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ⎡ V ⎤ ηVT I = I0 ⎢e −1⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ Với η = 1 khi mối nối là Ge η = 2 khi mối nối là Si 2. Nối P-N khi được phân cực nghịch: Ion âm Ion dương Dịng electron (khác 0) - + - + - + + - - + P - + N Rào điện thế VB=VS R V VB V0 - VS + Hình 4 Khi nối P-N được phân cực nghịch, rào điện thế tăng một lượng V. Lỗ trống và điện tử khơng thể khuếch tán ngang qua mối nối. Tuy nhiên, dưới tác dụng của nhiệt, một số ít điện tử và lỗ trống được sinh ra trong vùng hiếm tạo ra một dịng điện cĩ chiều từ vùng N sang vùng P. Vì điện tử và lỗ trống sinh ra ít nên dịng điện ngược rất nhỏ, thường chừng vài chục µA hay nhỏ hơn. Để ý là dịng điện ngược này là một hàm số của nhiệt độ. Người ta cũng chứng minh được trong trường hợp nối P-N phân cực nghịch với hiệu điện thế V<0, dịng điện qua nối là: ⎡ V ⎤ ηVT I = I0 ⎢e −1⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ I0 cũng cĩ trị số: ⎡ DP Dn ⎤ I 0 = A.e.⎢ .pno + .n po ⎥ ⎣ LP Ln ⎦ V ηVT Thơng thường, e <<1 nên I # I0 Thí dụ: Xem mạch sau đây Trang 38 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử +5V D2 I + V2 - + V1 - D1 Hình_5 D1 và D2 là 2 nối P-N Si. Tìm điện thế V1 và V2 xuyên qua nối. Giải: Dịng điện qua 2 nối P-N là như nhau. Chú ý là dịng điện qua D2 là dịng thuận và dịng qua D1 là dịng nghịch. ⎡ V ⎤ ηVT Vậy: I = I0 ⎢e −1⎥ = I0 với η = 2 và VT = 0,026V ⎣⎢ ⎦⎥ V2 ⇒ e0,052 = 2 ⇒ V2 = 0,693.0,052 = 0,036(V) Do đĩ, điện thế ngang qua nối phân cực nghịch là: V1 = 5–V2 =5 – 0,036 = 4,964 (V) I0 là dịng điện bảo hịa ngược. Dịng điện trong nối P-N cĩ thể diễn tả bằng đồ thị sau đây, được gọi là đặc tuyến V-I của nối P-N. Khi hiệu thế phân cực thuận cịn nhỏ, dịng điện I tăng chậm. Khi hiệu thế phân cực thuận đủ lớn, dịng điện I tăng nhanh trong lúc hiệu điện thế hai đầu mối nối tăng rất ít. Khi hiệu thế phân cực nghịch cịn nhỏ, chỉ cĩ 1 dịng điện rỉ I0 chạy qua. Khi hiệu điện thế phân cực nghịch đủ lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng của nhiệt được điện trường trong vùng hiếm tăng vận tốc và cĩ đủ năng lượng rứt nhiều điện tử khác từ các nối hĩa trị. Cơ chế này cứ chồng chất, sau cùng ta cĩ một dịng điện ngược rất lớn, ta nĩi nối P-N ở trung vùng phá hủy theo hiện tượng tuyết đổ (avalanche). Trang 39 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử I Ge Si V 0,3V 0,7V Vài chục µA Si Ge Phân cực nghịch Phân cực thuận P N P N - V 0 + I 0 Hình 6 III. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN NỐI P-N: 1. Dịng điện bảo hịa ngược I0 tùy thuộc vào nồng độ chất pha, diện tích mối nối và nhất là nhiệt độ. 0 Thơng thường ta thấy rằng I0 sẽ tăng lên gấp đơi khi nhiệt độ mối nối tăng lên 10 C t−25 0 0 10 0 I0 (t C) = I0 (25 C).2 với t là nhiệt độ ( C) Hình sau đây mơ tả sự biến thiên của dịng điện bảo hịa ngược theo nhiệt độ. I0 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 V 1 2 0 25 C 3 4 350C 5 0 6 45 C 7 550C 8 Hình 7 0 Thí dụ: 1N914B là diode Si chuyển mạch nhanh cĩ dịng bảo hịa ngược I0=25nA ở 25 C. 0 Tìm I0 ở 100 C. Trang 40 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2t −25 Áp dụng: I (t0C) = I (250 C). 0 0 10 2100−25 = 25nA. 10 = 25nA.181 0 ⇒ I0 (100 C) = 4,525µA 2. Tính chất của nối P-N khi phân cực thuận cũng thay đổi theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ của nối P-N tăng, điện thế thềm của mối nối giảm (nối dễ dẫn điện hơn). Người ta thấy rằng, khi nhiệt độ tăng lên 10C điện thế thềm giảm 1,8mV ở diode Si và giảm 2,02mV ở diode Ge. Một cách tổng quát cĩ thể coi như điện thế thềm giảm 2mV khi nhiệt độ tăng lên 10C. ∆V D = −2mV /0 C ∆t I(mA) 450C 350C 250C 0 0,66 0,68 0,7 V Hình 8 3. Nhiệt độ của nối P-N cũng quyết định điện thế sụp đổ. Nếu nhiệt độ tăng lên đến một trị nào đĩ thì điện thế sụp đổ sẽ giảm xuống rất nhỏ và mối nối P-N khơng cịn sử dụng được nữa. Nhiệt độ này là 1500C đối với Si và 850C đối với Ge. IV. NỘI TRỞ CỦA NỐI P-N. Người ta thường chú ý đến hai loại nội trở của nối P-N 1. Nội trở tĩnh: (Static resistance). Nội trở tĩnh là điện trở nội của nối P-N trong mạch điện một chiều. Người ta định nghĩa điện trở một chiều ở một điểm phân cực là tỉ số V/I ở điểm đĩ. Vs I (mA) Rs I I Q P V N 0 V V Trang 41 Biên soạn:(Vo Trlt)ương Văn Tám Hình 9
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nội trở của nối tại điểm Q là: V R = D I Khi nối P-N phân cực thuận càng mạnh, dịng điện I càng lớn trong lúc điện thế V gần như khơng đổi nên nội trở càng nhỏ. 2. Nội trở động của nối P-N: (Dynamic Resistance) Giả sử dịng dịng điện ngang qua nối P-N là IQ tương ứng với một điện thế phân cực thuận VQ. Vs ωw I Rs ~ I P V ∆I Q N ∆V V Hình 10 Khi V biến thiên một lượng ∆V từ trị số VQ thì I cũng biến thiên một lượng tương ∆I ứng ∆I từ trị số IQ. Tỉ số bằng với độ dốc của tiếp tuyến tại điểm Q với đặc tuyến của ∆V nối P-N. ∆I 1 Đặt: = ;rd được gọi là điện trở động của nối P-N khi phân cực thuận. ∆V rd Với tín hiệu u nhỏ, ta cĩ: ∆V dV rd = = ∆I dI Q ⎡ V ⎤ ηVT Với I = I0.⎢e −1⎥ ⎣⎢ ⎦⎥ Suy ra: Trang 42 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử V dI ⎡ 1 ⎤ = I ⎢ .eηV T ⎥ dV 0 ηV ⎣⎢ T ⎦⎥ Ngồi ra, ⎡ V ⎤ V ηVT ηVT I = I0.⎢e −1⎥ = I0.e − I0 ⎣⎢ ⎦⎥ V ηVT Hay I + I0 = I0.e dI I + I Do đĩ, = 0 dV ηVT Và điện trở động là: dI ηVT rd = = dV I + I0 ηV Thơng thường, I >> I nên r = T 0 d I 0 Ở nhiệt độ bình thường (25 C), VT = 26mV, điện trở động là: η.26mV r = d I(mA) Với dịng điện I khá lớn, η=1, điện trở động rd cĩ thể được tính theo cơng thức: 26mV r = d I(mA) Ở nhiệt độ bình thường, nếu IQ = 100mA thì rd = 0,26Ω. Trong một nối P-N thực, vì cĩ tiếp trở giữa các mối nối, điện trở giữa hai vùng bán dẫn P và N nên điện trở động thực sự lớn hơn nhiều so với trị số tính được, thơng thường khoảng vài chục Ω. Điện trở nối rp rd rn rac=ro = rac = rp+rn+rd Điện trở vùng P Điện trở vùng N = r +r b d Hình 11 Đây cũng chính là kiểu mẫu của Diode với tín hiệu nhỏ. Người ta cũng định nghĩa điện trở động khi phân cực nghịch dV rr = dI Q Trang 43 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vì độ dốc của tiếp tuyến tại Q khi nối P-N phân cực nghịch rất nhỏ nên điện trở động rr rất lớn, hàng MΩ. V. ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N. 1. Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối) Khi nối P-N được phân cực nghịch, vùng hiếm được nới rộng do cĩ sự gia tăng điện tích trong vùng này. Với một sự biến thiên ∆V của hiệu điện thế phân cực nghịch, điện tích trong vùng hiếm tăng một lượng ∆Q. Vùng hiếm cĩ tác dụng như một tụ điện gọi là điện dung chuyển tiếp CT. ∆Q ε.A CT = = ∆V Wd Trong đĩ, ε là hằng số điện mơi của chất bán dẫn, A là điện tích của nối P-N và Wd là độ rộng của vùng hiếm. Khi điện thế phân cực nghịch thay đổi, độ rộng của vùng hiếm thay đổi nên điện dung chuyển tiếp CT cũng thay đổi. Người ta chứng minh được CT cĩ trị số: K CT = n ()V0 + VR Trong đĩ, K là hằng số tùy thuộc vào chất bán dẫn và kỹ thuật chế tạo. V0 là rào điện thế của nối P-N (Si là 0,7V và Ge là 0,3V). VR là điện thế phân cực nghịch. 1 1 n = trong trường hợp nối P-N là dốc lài (linearly graded juntion) và n = trong trường 3 2 hợp nối P-N thuộc loại dốc đứng (brupt juntion). Nếu gọi Cj(0) là trị số của CT đo được khi VR=0, ta cĩ: C j (0) CT = n ⎛ VR ⎞ ⎜1+ ⎟ ⎝ V0 ⎠ - + - + - + + - - + P - + N VR # VS RL P P N N - VS + Nối P-N khi phân cực nghịchTrang 44 Dốc lài Biên soạn: DTrốươc đứngng Vă n Tám Hình 12
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trong các nối P-N thơng thường, CT cĩ trị số từ 5pF đến 100pF 2. Điện dung khuếch tán. (Difusion capacitance) Khi nối P-N được phân cực thuận, lỗ trống được khuếch tán từ vùng P sang vùng N và điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P. Sự phân bố các hạt tải điện thiểu số ở hai bên vùng hiếm tạo nên một điện dung gọi là điện dung khuếch tán CD Người ta chứng minh được điện dung khuếch tán CDtỉ lệ với dịng điện qua nối P-N theo cơng thức: τI C D = ηVT 2 L P Trong đĩ, τ = τP = , là đời sống trung bình của lỗ trống; η = 2 đối với nối P-N là DP Si, η=1 đối với nối P-N là Ge. Thơng thường, CD cĩ trị số từ 2000pF đến 15000pF. VI. CÁC LOẠI DIODE THƠNG DỤNG Diode cơ bản là một nối P-N. Thế nhưng, tùy theo mật độ chất tạp pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của diode và một số yếu tố khác nữa mà ta cĩ nhiều loại diode khác nhau và tầm ứng dụng của chúng cũng khác nhau. 1. Diode chỉnh lưu: Là diode thơng dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều. Diode này tùy loại cĩ thể chịu đựng được dịng từ vài trăm mA đến loại cơng suất cao cĩ thể chịu được đến vài trăm ampere. Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si. Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dịng thuận tối đa và điện áp ngược tối đa (Điện áp sụp đổ). Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết. Anod Catod A K Ký hiệu P N P N Hình 13 Trang 45 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trước khi xem qua một số sơ đồ chỉnh lưu thơng dụng, ta xem qua một số kiểu mẫu thường dùng của diode. Kiểu mẫu một chiều của diode. Diode lý tưởng (Ideal diode) Trong trường hợp này, người ta xem như điện thế ngang qua diode khi phân cực thuận bằng khơng và nội trở của nĩ khơng đáng kể. Khi phân cực nghịch, dịng rỉ cũng xem như khơng đáng kể. Như vậy, diode lý tưởng được xem như một ngắt (switch): ngắt điện đĩng mạch khi diode được phân cực thuận và ngắt điện hở mạch khi diode được phân cực nghịch. ID Diode lý tưởng ⇒ 0 VD Hình 14 ISW ISW ISW ISW = 0 + - + - VSW = 0V VSW 0 VSW 0 VSW Hình 15 V Đặc tuyến R R S ID ID = V-I R + + + VS ≅ VS 0V ⇒ 0 VD - - - Phân cực thuận Trang 46 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Đặc tuyến R R − ID = 0 I D V-I + + + VS ≅ VS VD = -VS ⇒ 0 VD - - - Phân cực nghịch Hình 15 Kiểu mẫu điện thế ngưỡng (Knee-Voltage model) Trong kiểu mẫu này, điện thế ngang qua diode khi được phân cực thuận là một hằng số và được gọi là điện thế ngưỡng VK (khoảng 0,3V đối với diode Ge và 0,7 volt đối với diode Si). Như vậy, khi phân cực thuận, diode tương đương với một diode lý tưởng nối tiếp với nguồn điện thế VK, khi phân cực nghịch cũng tương đương với một ngắt điện hở. ID ≅ ≅ +V - ID + VK - VD≥VK VD 0 VD VK VK = VD - - - - - Hình 17 Kiểu mẫu diode với điện trở động: Khi điện thế phân cực thuận vượt quá điện thế ngưỡng VK, dịng điện qua diode tăng nhanh trong lúc điện thế qua hai đầu diode VD cũng tăng (tuy chậm) chứ khơng phải là hằng số như kiểu mẫu trên. Để chính xác hơn, lúc này người ta phải chú ý đến độ giảm thế qua hai đầu điện trở động r0. Trang 47 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử + VD – ID ID Diode thực ID - 1 ∆V ≅ Q D r0 = = độ dốc ∆ID 0 VK VD 0 V0 VD V : điện thế offset Diode lý tưởng 0 + VD – ID - + r0 - + V0 – ID VD= V0+r0ID Hình 18 - 19 Thí dụ: Từ đặc tuyến V-I của diode 1N917(Si), xác định điện trở động r0 và tìm điểm điều hành Q(ID và VD) khi nĩ được dùng trong mạch hình bên. ID (mA) 6 Vs=15V I =4,77mA 5 D Q’ R=3K ID=? Q 4 ID=4,67mA 3 + 2 VD=? - 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9 V (volt) D Hình 20 Giải: Bước 1: dùng kiểu điện thế ngưỡng: Vs=15V R=3K I’D=? VS −VK 15 − 0,7 I'D = = = 4,77mA R 3KΩ + V’D=0,7V - Hình 21 Trang 48 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bước 2: với I’D =4,77mA, ta xác định được điểm Q’ (V’D=0,9V) Bước 3: vẽ tiếp tuyến tại Q’ với đặc tuyến để tìm điện thế offset V0. V0=0,74V Bước 4: Xác định r0 từ cơng thức: ∆VD 0,9 − 0,74 0,16 r0 = = = ≈ 32Ω ∆DID 4,77 4,77 R ID Bước 5: Dùng kiểu mẫu với điện trở động r0. + VS −V 0 15 − 0,74 r0=32Ω I D = = = 0,00467A V =15V R + r 3000 + 32 S + 0 - ID=4,67mA VK= 0,74V - Hình 22 Và VD=V0+r0ID=0,74+0,00467x32=0,89V Chú ý: Trong trường hợp diode được dùng với tín hiệu nhỏ, điện trở động r0 chính là điện trở động rd mà ta đã thấy ở phần trước cộng với điện trở của hai vùng bán dẫn P và N. r0=rac=rp+rn+rd=rB+rd 26mV với rd=η I D mA Ví dụ: Xem mạch dùng diode 1N917 với tín hiệu nhỏ VS(t)=50 Sinωt (mV). Tìm điện thế VD(t) ngang qua diode, biết rằng điện trở rB của hai vùng bán dẫn P-N là 10Ω. 50mV Vs=15V R=3K +-Vs(t) + -50mV VD(t)? - Hình 23 Giải: Theo ví dụ trước, với kiểu mẫu điện thế ngưỡng ta cĩ VD=0,7V và ID=4,77mA. Từ đĩ ta tìm được điện trở nối rd: 26mV 26mV rd = = = 5,45Ω I D 4,77mA rac=10 + 0,45=10,45Ω Mạch tương đương xoay chiều: Trang 49 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử rac 15,45 Điện thế đỉnh Vdm ngang qua diode là Vdm = Vm = .50 R + rac 15,45 + 3000 Vdm=0,256 Sinωt (mV). Vậy điện thế tổng cộng ngang qua diode là: VD(t) = 700mV + 0,256 Sin ωt (mV). 0,256mV R=3K VD(t) + 700mV + Vs(t) rac V d(t) - - t Hình 24 Kiểu mẫu tín hiệu rộng và hiệu ứng tần số. Hình sau đây mơ tả một diode được dùng với tín hiệu hình sin cĩ biên độ lớn. vS(t) 30V + + R V (t) Vs(t) L L - - -30V Bán kỳ dương Diode dẫn +30V + +30V + Vs(t) RL - -30V - vS(t) Diode ngưng 0 Bán kỳ âm +30V Diode dẫn + + vL(t) V (t)=0 RL Vs(t) L Diode ngưng - - -30V 0 Hình 25 Trang 50 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi diode được dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hiệu nhỏ khơng thể áp dụng được. vì vậy, người ta dùng kiểu mẫu một chiều tuyến tính. Kết quả là ở nữa chu kỳ dương của tín hiệu, diode dẫn và xem như một ngắt điện đĩng mạch. ở nửa chu kỳ âm kế tiếp, diode bị phân cực nghịch và cĩ vai trị như một ngắt điện hở mạch. Tác dụng này của diode được gọi là chỉnh lưu nửa sĩng (mạch chỉnh lưu sẽ được khảo sát kỹ ở giáo trình mạch điện tử). Đáp ứng trên chỉ đúng khi tần số của nguồn xoay chiều VS(t) thấp-thí dụ như điện 50/60Hz, tức chu kỳ T=20ms/16,7ms-khi tần số của nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ ở hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm của tín hiệu. Khi tần số của tín hiệu cao, điện thế ngõ ra ngồi bán kỳ dương (khi diode được phân cực thuận), ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng qua được một phần và cĩ dạng như hình vẽ. Chú ý là tần số của nguồn tín hiệu càng cao thì thành phần bán kỳ âm xuất hiện ở ngõ ra càng lớn. vS(t) vS(t) t(ms) t(ms) vL(t) vL(t) t(ms) t(ms) Hình 26 Hiệu ứng này do điện dung khuếch tán CD của nối P-N khá lớn khi được phân cực thuận (CD cĩ trị từ 2000pF đến 15000pF). Tác dụng của điện dung này làm cho diode khơng thể thay đổi tức thời từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn mà phải mất đi một thời gian (thường được gọi là thời gian hồi phục, kiểu mẫu diode phải kể đến tác dụng của điện dung của nối. rB rd rB rr A K A K Phân cực thuận Phân cực nghịch CD CT TrangHình 51 27 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử rB: Điện trở hai vùng bán dẫn P và N rd: Điện trở động của nối P-N khi phân cực thuận (rất nhỏ) CD: Điện dung khuếch tán rr: Điện trở động khi phân cực nghịch (rất lớn) CT: Điện dung chuyển tiếp Để thấy rõ hơn thời gian hồi phục, ta xem đáp ứng của diode đối với hàm nấc (dạng sĩng chữ nhật) được mơ tả bằng hình vẽ sau. vS(t) v i f + Vd - + 0 t R Vs(t) L - -vr vd 0,7V t 0 -Vr id V i = f f R L t 0 I0 ir − Vr Hình 28 ir = R L t r Thơng thường, giá trị của tr cĩ thể thay đổi từ nhỏ hơn 1 nano giây đến xấp xĩ 1µs. Hiệu ứng của tr trên diode chỉnh lưu (sĩng sin) được diễn tả như hình sau. Người ta nhận thấy rằng, cĩ thể bỏ qua thời gian hồi phục trên mạch chỉnh lưu khi tr<0,1T, với T là chu kỳ của sĩng sin được chỉnh lưu. Trang 52 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử vS(t) vS(t) T=10tr T=2tr t t 0 0 Tín hiệu tần Tín hiệu tần số cao số thấp id(t) id(t) t t 0 0 Hình 29 2. Diode tách sĩng. Cũng làm nhiệm vụ như diode chỉnh lưu nhưng thường với tín hiệu cĩ biên độ nhỏ và tần số cao. Diode tách sĩng thường được chế tạo cĩ dịng thuận nhỏ và cĩ thể là Ge hay Si nhưng diode Ge được dùng nhiều hơn vì điện thế ngưỡng VK nhỏ. 3. Diode schottky: Ta đã thấy ảnh hưởng của thời gian hồi phục (tức thời gian chuyển mạch) lên dạng sĩng ngõ ra của mạch chỉnh lưu. Để rút ngắn thời gian hồi phục. Các hạt tải điện phải di chuyển nhanh, vùng hiếm phải hẹp. Ngồi ra, cịn phải tạo điều kiện cho sự tái hợp giữa lỗ trống và điện tử dễ dàng và nhanh chĩng hơn. Đĩ là nguyên tắc của diode schottky. Mơ hình sau đây cho biết cấu tạo căn bản của diode schottky. Anod Catod SiO2 Nhơm Tiếp xúc Ohm Anod Catod N.Si ∫ P-thân Rào điện thế Schottky Hình 30 Ta thấy trong diode schottky, thường người ta dùng nhơm để thay thế chất bán dẫn loại P và chất bán dẫn loại N là Si. Do nhơm là một kim loại nên rào điện thế trong diode schottky giảm nhỏ nên điện thế ngưỡng của diode schottky khoảng 0,2V đến 0,3V. Để ý là diode schottky cĩ điện thế bảo hồ ngược lớn hơn diode Si và điện thế sụp đổ cũng nhỏ hơn diode Si. Do thời gian hồi phục rất nhỏ ( đổi trạng thái nhanh) nên diode schottky được dùng rất phổ biến trong kỹ thuật số và điều khiển. Trang 53 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử I (mA) d Diode Si Schottky VD (Volt) 0 0,2 0,4 0,6 0,7 Diode Si Schottky Hình 31 4. Diode ổn áp (diode Zener): Như đã khảo sát ở phần trước, khi điện thế phân cực nghịch của diode lớn, những hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh trong vùng hiếm tăng vận tốc và phá vỡ các nối hố trị trong chất bán dẫn. Cơ chế này cứ chồng chất vầ sau cùng ta cĩ dịng điện ngược rất lớn. Ta nĩi diode đang ở trong vùng bị phá huỷ theo hiện tượng tuyết đổ và gây hư hỏng nối P-N. Ta cũng cĩ một loại phá huỷ khác do sự phá huỷ trực tiếp các nối hố trị dưới tác dụng của điện trường. Sự phá huỷ này cĩ tính hồn nghịch, nghĩa là khi điện trường hết tác dụng thì các nối hố trị được lập lại, ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng Zener. Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các diode Zener. Bằng cách thay đổi nồng độ chất pha, người ta cĩ thể chế tạo được các diode Zener cĩ điện thế Zener khoảng vài volt đến vài hàng trăm volt. Để ý là khi phân cực thuận, đặc tuyến của diode Zener giống hệt diode thường (diode chỉnh lưu). Đặc tuyến được dùng của diode Zener là khi phân cực nghịch ở vùng Zener, điện thế ngang qua diode gần như khơng thay đơi trong khi dịng điện qua nĩ biến thiên một khoảng rộng. Trang 54 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử I (mA) + VD - D I D Vùng phân cực nghịch Vùng phân cực thuận V (Volt) VZ=Vzener D 0 VK=0,7V V=-VD=VZ - + I=-ID=IZ Hình 32 * Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ thay đổi, các hạt tải điện sinh ra cũng thay đổi theo: − Với các diode Zener cĩ điện thế Zener VZ 5V (cịn được gọi là diode tuyết đổ-diode avalanche) lại cĩ hệ số nhiệt dương (VZ tăng khi nhiệt độ tăng). − Với các diode Zener cĩ VZ nằm xung quanh 5V gần như VZ khơng thay đổi theo nhiệt độ. ID (mA) ID (mA) -4 -3 -2 -1 0 VD(Volt) -40 -30 -20 -10 0 VD(Volt) -5 -5 -10 -10 -15 -15 -20 -20 -25 -25 0 0 -30 0 0 -30 25 C 60 C -35 60 C 25 C -35 -40 -40 -45 -45 (a) Diode cĩ VZ 5V Hình 33 * Kiểu mẫu lý tưởng của diode Zener: Trong kiểu mẫu lý tưởng, diode Zener chỉ dẫn điện khi điện thế phân cực nghịch lớn hay bằng điện thế VZ. Điện thế ngang qua diode Zener khơng thay đổi và bằng điện thế Trang 55 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VZ. Khi điện thế phân cực nghịch nhỏ hơn hay bằng điện thế VZ, diode Zener khơng dẫn điện (ID=0). + VZ - + VZ - ID ≅ -VZ 0 VD IZ V =-V D Z Diode lý tưởng ID=-IZ Hình 34 Do tính chất trên, diode zener thường được dùng để chế tạo điện thế chuẩn. Thí dụ: mạch tao điện thế chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 như sau: R=470Ω R=470Ω IN749 I VS=6→15V + I V S=6→15V 4,3V X Tải ≅ VZ=4,3V X Tải - Hình 35 Khi chưa mắc tải vào, thí dụ nguồn VS=15V, thì dịng qua zener là: V − V 15 − 4,3 I = S Z = = 22,8mA R 470 * Kiểu mẫu của diode zener đối với điện trở động: Thực tế, trong vùng zener, khi dịng điện qua diode tăng, điện thế qua zener cũng tăng chút ít chứ khơng phải cố định như kiểu mẫu lý tưởng. Người ta định nghĩa điện trở động của diode là: VZT − VZO r = ZZ = I ZT Trong đĩ: VZO là điện thế nghịch bắt đầu dịng điện tăng. VZT là điện thế ngang qua hai đầu diode ở dịng điện sử dụng IZT. Trang 56 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IZ + V Z - ZZ + VZ0 - ≅ ⇒ IZT IZ Diode lý tưởng VZ 0 VZ0 VZT Hình 36 5. Diode biến dung: (Varicap – Varactor diode) Phần trên ta đã thấy, sự phân bố điện tích dương và âm trong vùng hiếm thay đổi khi điện thế phân cực nghịch thay đổi, tạo ra giữa hai đầu diode một điện dung: ∆Q A CT = = ε ∆V Wd Điện dung chuyển tiếp CT tỉ lệ nghịch với độ rộng của vùng hiếm, tức tỉ lệ nghịch với điện thế phân cực. Đặc tính trên được ứng dụng để chế tạo diode biến dung mà trị số điện dung sẽ thay đổi theo điện thế phân cực nghịch nên cịn được gọi là VVC diode (voltage-variable capacitance diode). Điện dung này cĩ thể thay đổi từ 5pF đến 100pF khi điện thế phân cực nghịch thay đổi từ 3 đến 25V. C(pF) Đặc tuyến của điện dung theo 80 điện thế cĩ dạng như sau: 60 40 20 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 VR(Volt) 16 Hình 37 Một ứng dụng của diode là dùng nĩ như một tụ điện thay đổi. Thí dụ như muốn thay đổi tần số cộng hưởng của một mạch, người ta thay đổi điện thế phân cực nghịch của một diode biến dung. Trang 57 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử R Ci U Diode L ≅ L biến dung Hình 38 6. Diode hầm (Tunnel diode) Được chế tạo lần đầu tiên vào năm 1958 bởi Leo-Esaki nên cịn được gọi là diode Esaki. Đây là một loại diode đặc biệt được dùng khác với nhiều loại diode khác. Diode hầm cĩ nồng độ pha chất ngoại lai lớn hơn diode thường rất nhiều (cả vùng P lẫn vùng N) Đặc tuyến V-I cĩ dạng như sau: I(mA) Đỉnh A IP Diode thường Diode hầm Anod Catod B Thung lũng IV V(volt) 0 VP 0,25 0,5V Hình 39 Khi phân cực nghịch, dịng điện tăng theo điện thế. Khi phân cực thuận, ở điện thế thấp, dịng điện tăng theo điện thế nhưng khi lên đến đỉnh A (VP IP), dịng điện lại tự động giảm trong khi điện thế tăng. Sự biến thiên nghịch này đến thung lũng B (VV IV). Sau đĩ, dịng điện tăng theo điện thế như diode thường cĩ cùng chất bán dẫn cấu tạo. Đặc tính cụ thể của diode hầm tùy thuộc vào chất bán dẫn cấu tạo Ge, Si, GaAs (galium Asenic), GaSb (galium Atimonic) Vùng AB là vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng 50 đến 500 mV). Diode được dùng trong vùng điện trở âm này. Vì tạp chất cao nên vùng hiếm của diode hầm quá hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng hiếm của diode thường), nên các hạt tải điện cĩ thể xuyên qua mối nối theo hiện tượng chui hầm nên được gọi là diode hầm. Tỉ số Ip/Iv rất quan trọng trong ứng dụng. Tỉ số này khoảng 10:1 đối với Ge và 20:1 đối với GaAs. Mạch tương đương của diode hầm trong vùng điện trở âm như sau: Trang 58 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử -Rd Ls RD Cd Hình 40 Ls: Biểu thị điện cảm của diode, cĩ trị số từ 1nH đến 12nH. RD: Điện trở chung của vùng P và N. CD: Điện dung khuếch tán của vùng hiếm. Thí dụ, ở diode hầm Ge 1N2939: Ls=6nH, CD=5pF,Rd=-152Ω, RD=1,5Ω Diode cĩ vùng hiếm hẹp nên thời gian hồi phục nhỏ, dùng tốt ở tần số cao. Nhược điểm của diode hầm là vùng điện trở âm phi tuyến, vùng điện trở âm lại ở điện thế thấp nên khĩ dùng với điện thế cao, nồng độ chất pha cao nên muốn giảm nhỏ phải chế tạo mỏng manh. Do đĩ, diode hầm dần dần bị diode schottky thay thế. Ứng dụng thơng dụng của diode hầm là làm mạch dao động ở tần số cao. Bài tập cuối chương 1. Dùng kiểu mẫu lý tưởng và điện thế ngưỡng của diode để tính dịng điện I1, I2, ID2 trong mạch điện sau: I I 1 2 D /Si ID2 10V 1 R2=350 Ω D /Ge 2 R1=1K 2. Tính dịng điện I1 và VO trong mạch sau (dùng kiểu mẫu lý tưởng và điện thế ngưỡng của diode) +12V I VO D1 /Si R1=1K R2=3K D2 /Si -12V I2 Trang 59 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 3. Tính IZ, VO trong mạch điện sau khi R2 = 50Ω và khi R2 = 200Ω. Cho biết Zener sử dụng cĩ VZ = 6V. 100Ω 12V IZ R2 4. Tính I, VO trong mạch sau, cho biết Zener cĩ VZ = 8V. +20V R1=1K I R2=3K Trang 60 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương V TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR-BJT) I. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT Transistor lưỡng cực gồm cĩ hai mối P-N nối tiếp nhau, được phát minh năm 1947 bởi hai nhà bác học W.H.Britain và J.Braden, được chế tạo trên cùng một mẫu bán dẫn Germanium hay Silicium. Hình sau đây mơ tả cấu trúc của hai loại transistor lưỡng cực PNP và NPN. E C Cực phát Cực thu E n+ p n- C Emitter Collecter B B Cực nền (Base) Transistor PNP E C Cực phát Cực thu E p+ n p- C Emitter Collecter B B Cực nền (Base) Transistor NPN Hình 1 Ta nhận thấy rằng, vùng phát E được pha đậm (nồng độ chất ngoại lai nhiều), vùng nền B được pha ít và vùng thu C lại được pha ít hơn nữa. Vùng nền cĩ kích thước rất hẹp (nhỏ nhất trong 3 vùng bán dẫn), kế đến là vùng phát và vùng thu là vùng rộng nhất. Transistor NPN cĩ đáp ứng tần số cao tốt hơn transistor PNP. Phần sau tập trung khảo sát trên transistor NPN nhưng đối với transistor PNP, các đặc tính cũng tương tự. II. TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC. Ta biết rằng khi pha chất cho (donor) vào thanh bán dẫn tinh khiết, ta được chất bán dẫn loại N. Các điện tử tự do (cịn thừa của chất cho) cĩ mức năng lượng trung bình ở gần dải dẫn điện (mức năng lượng Fermi được nâng lên). Tương tự, nếu chất pha là chất nhận (acceptor), ta cĩ chất bán dẫn loại P. Các lỗ trống của chất nhận cĩ mức năng lượng trung bình nằm gần dải hố trị hơn (mức năng lượng Fermi giảm xuống). Trang 61 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi nối P-N được xác lập, một rào điện thế sẽ được tạo ra tại nối. Các điện tử tự do trong vùng N sẽ khuếch tán sang vùng P và ngược lại, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N. Kết quả là tại hai bên mối nối, bên vùng N là các ion dương, bên vùng P là các ion âm. Chúng đã tạo ra rào điện thế. Hiện tượng này cũng được thấy tại hai nối của transistor. Quan sát vùng hiếm, ta thấy rằng kích thước của vùng hiếm là một hàm số theo nồng độ chất pha. Nĩ rộng ở vùng chất pha nhẹ và hẹp ở vùng chất pha đậm. Hình sau đây mơ tả vùng hiếm trong transistor NPN, sự tương quan giữa mức năng lượng Fermi, dải dẫn điện, dải hố trị trong 3 vùng, phát nền, thu của transistor. n+ p n- Vùng phát Vùng nền Vùng thu Vùng hiếm E(eV) n+ Vùng phát p Vùng nền n- Vùng thu Dải dẫn điện Mức Fermi tăng cao Mức Fermi giảm Mức Fermi tăng nhẹ Dải hố trị Dải dẫn điện (Conductance band) Mức Fermi xếp thẳng Dải hố trị (valence band) Hình 2 Trang 62 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử III. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC. Trong ứng dụng thơng thường (khuếch đại), nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch. Vì nối phát nền được phân cực thuận nên vùng hiếm hẹp lại. Nối thu nền được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra. Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và khuếch tán sang vùng nền. Như ta đã biết, vùng nền được pha tạp chất ít và rất hẹp nên số lỗ trống khơng nhiều, do đĩ lượng lỗ trống khuếch tán sang vùng phát khơng đáng kể. Mạch phân cực như sau: Phân cực thuận Phân cực nghịch Dịng điện tử n+ p n- IE IC RE RC IB Dịng điện tử VEE VCC Hình 3 Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên chỉ cĩ một ít điện tử khuếch tán từ vùng phát qua tái hợp với lỗ trống của vùng nền. Hầu hết các điện tử này khuếch tán thẳng qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC. Các điện tử tự do của vùng phát như vậy tạo nên dịng điện cực phát IE chạy từ cực phát E. Các điện tử từ vùng thu chạy về cực dương của nguồn VCC tạo ra dịng điện thu IC chạy vào vùng thu. Mặt khác, một số ít điện tử là hạt điện thiểu số của vùng nền chạy về cực dương của nguồn VEE tạo nên dịng điện IB rất nhỏ chạy vào cực nền B. Như vậy, theo định luật Kirchoff, dịng điện IE là tổng của các dịng điện IC và IB. Ta cĩ: I E = IC + I B Trang 63 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dịng IB rất nhỏ (hàng microampere) nên ta cĩ thể coi như: IE # IC IV. CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DỊNG ĐIỆN. Khi sử dụng, transistor được ráp theo một trong 3 cách căn bản sau: − Ráp theo kiểu cực nền chung (1) − Ráp theo kiểu cực phát chung (2) − Ráp theo kiểu cực thu chung (3) IE IC IC IB ra vào ra vào Kiểu cực nền chung Kiểu cực phát chung IE IB Hình 4 vào ra Kiểu cực thu chung Trong 3 cách ráp trên, cực chung chính là cực được nối mass và dùng chung cho cả hai ngõ vào và ngõ ra. Trong mỗi cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dịng điện một chiều như sau: Dòng điện ngỏ ra Độ lợi dòng điên = Dòng điện ngỏ vào Độ lợi dịng điện của transistor thường được dùng là độ lợi trong cách ráp cực phát chung và cực nền chung. Độ lợi dịng điện trong cách ráp cực phát chung được cho bởi: Trang 64 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC h FE ≈ βDC = I B Như vậy: IC = βDC.IB Nhưng: IE = IC + IB = βDC.IB+IB ⇒ IE = (βDC + 1).IB Độ lợi dịng điện trong cách ráp cực nền chung được cho bởi: IC h FB ≈ α DC = I E βDC cĩ trị số từ vài chục đến vài trăm, thậm chí cĩ thể lên đến hàng ngàn. αDC cĩ trị từ 0,95 đến 0,999 tuỳ theo loại transistor. Hai thơng số βDC và αDC được nhà sản xuất cho biết. Từ phương trình căn bản: IE = IC + IB Ta cĩ: IC = IE – IB Chia cả hai vế cho IC, ta được: I I 1 1 1 = E − B = − IC IC IC IC I E I B 1 1 Như vậy: 1 = − α DC β DC Giải phương trình này để tìm βDC hay αDC, ta được: α DC βDC βDC = và α DC = 1− α DC 1+ βDC * Ghi chú: các cơng thức trên là tổng quát, nghĩa là vẫn đúng với transistor PNP. Ta chú ý dịng điện thực chạy trong hai transistor PNP và NPN cĩ chiều như sau: NPN PNP IC IC IB IB IE IE Hình 5 Thí dụ: Một transistor NPN, Si được phân cực sau cho IC = 1mA và IB = 10µA. Tính βDC, IE, αDC. Giải: từ phương trình: IC 1mA βDC = , Ta cĩ: βdc = = 100 IB 10µA Từ phương trình: Trang 65 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IE = IC + IB, ta cĩ: IE = 1mA + 0,01mA = 1,01mA IC 1mA Và từ phương trình: α DC = = = 0,99 I E 1,01mA Một transistor Si PNP cĩ βDC = 50 khi IE = 1,5mA. Xác định IC. Giải: βDC 50 α DC = = = 0,98 1+ βDC 1+ 50 IC = βDC.IE = 0,98 x 1,5 = 1,47mA V. DỊNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR. Vì nối thu nền thường được phân cực nghịch nên cũng cĩ một dịng điện rỉ ngược (bảo hồ nghịch) đi qua mối nối như trong trường hợp diode được phân cực nghịch. Dịng điện rỉ ngược này được ký hiệu là ICBO, được nhà sản xuất cho biết, được mơ tả bằng hình vẽ sau: Current (dịng điện) IE = 0 RC Base (cực nền) VCC ICBO Openemitter (cực phát hở) Cực E ICBO để hở Collector (cực thu) Hình 6 Đây là dịng điện đi từ cực thu qua cực nền khi cực phát để hở. Hình vẽ sau đây cho ta thấy thành phần các dịng điện chạy trong transistor bao gồm cả dịng điện ICBO. n+ p n- IC = αDCIE + ICBO αDCIE IE IE ICBO IB RE RC VEE VCC Hình 7 Trang 66 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, ta cĩ: IC = αDCIE + ICBO Nếu ICBO xấp xỉ 0, xem như khơng đáng kể. Ta cĩ: IC ≅ αDCIE Đĩ là cơng thức lý tưởng mà ta đã thấy ở phần trên. Ngồi ta, từ phương trình dịng điện căn bản: IE = IB + IC Suy ra, IC = αDC(IC + IB) + ICBO IC = αDCIC + αDC IB + ICBO Ta tìm thấy: α DC ICBO IC = I B + 1− α DC 1− α DC α DC α DC Nhưng: βDC = ⇒ 1+ βDC = +1 1− α DC 1− α DC α DC +1− α DC 1 1+ βDC = = 1− α DC 1− α DC Thay vào phương trình trên, ta tìm được: IC = βDCIB + (βDC + 1)ICBO Người ta đặt: ICEO = (βDC + 1)ICBO và phương trình trên được viết lại: IC = βDCIB + ICEO Như vậy, ta cĩ thể hiểu dịng điện rỉ ICEO như là dịng điện chạy từ cực C qua cực E của transistor khi cực B để hở. Trị số của I cũng được nhà sản xuất cho biết. CEO Current (dịng điện) RC ICEO Emitter (cực phát) VCC ICEO Openbase (cực nền hở) IB = 0 Cực nền hở Collector (cực thu) Hình 8 Các thơng số βDC, αDC, ICBO, ICEO rất nhạy với nhiệt độ. VI. ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR. Người ta thường chú ý đến 3 loại đặc tuyến của transistor: − Đặc tuyến ngõ vào. − Đặc tuyến ngõ ra − Đặc tuyến truyền Mạch tổng quát Rđể1 xác định 3 đặc tuyến trên được biểu diễnR 2b ằng mơ hình sau: I1 BJT I2 V1 V2 V11 Ngõ vào Trang 67 Ngõ raBiên V22 soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Điểm cần chú ý: tuỳ theo loại transistor và các cách ráp mà nguồn V11, V22 phải mắc đúng cực (sao cho nối thu nền phân cực nghịch và nối phát nền phân cực thuận). Các Ampe kế I1, I2, các volt kế V1 và V2 cũng phải mắc đúng chiều. Chúng ta khảo sát hai cách mắc căn bản:L 1. Mắc theo kiểu cực nền chung: Mạch điện như sau: RE RC IE IC I1 I2 + + + V1 V2 VEE VCC + VBE VCB Hình 10 Đặc tuyến ngõ vào (input curves). Là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dịng điện IE theo điện thế ngõ vào VBE với VCB được chọn làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: IE (mA) VCB = 20V VCB = 10V VCB = 01V VCB = 00V VCB để hở 0 0,2 0,4 0,6 VBE (Volt) Hình 11 Nhận xét: Trang 68 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử − Khi nối thu nền để hở, đặc tuyến cĩ dạng như đặc tuyến của diode khi phân cực thuận. − Điện thế ngưỡng (knee voltage) của đặc tuyến giảm khi VCB tăng. Đặc tuyến ngõ ra (output curves) Là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dịng điện cực thu IC theo điện thế thu nền VCB với dịng điện cực phát IE làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: Ta chú ý đến ba vùng hoạt động của transistor. Vùng tác động: Nối nền phát phân cực thuận, nối thu nền phân cực nghịch. Trong vùng này đặc tuyến là những đường thẳng song song và cách đều. Trong các ứng dụng thơng thường, transistor được phân cực trong vùng tác động. Vùng tác động IC (mA) 6 6 mA 5 5 mA 4 mA 4 3 mA 3 2 2 mA Vùng bão hịa 1 1 mA ICBO IE= 0mA 0 2 4 6 8 VCB (V) Vùng ngưng Hình 12 Vùng ngưng: nối nền phát phân cực nghịch (IE=0), nối thu nền phân cực nghịch. Trong vùng này transistor khơng hoạt động. Vùng bảo hồ: nối phát nền phân cực thuận, nối thu nền phân cực thuận. Trong các ứng dụng đặc biệt, transistor mới được phân cực trong vùng này. 2. Mắc theo kiểu cực phát chung. Đây là cách mắc thơng dụng nhất trong các ứng dụng của transistor. Mạch điện như sau: Trang 69 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử RC IC RB I2 + IB I + 1 + + VCC V1 V2 VBB VBE VCB Hình 13 Đặc tuyến ngõ vào: Biểu diễn sự thay đổi của dịng điện IB theo điện thế ngõ vào VBE. Trong đĩ hiệu thế thu phát VCE chọn làm thơng số. IB (µA) V = 0V Đặc tuyến như sau: CE 100 VCE = 1V 80 VCE = 10V 60 40 20 VBE (V) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Hình 14 Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn dịng điện cực thu IC theo điện thế ngõ ra VCE với dịng điện ngõ vào IB được chọn làm thơng số. Dạng đặc tuyến như sau: Trang 70 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vùng tác động IC (mA) 120 µA 6 100 µA 5 80 µA 4 60 µA 3 40 µA 2 Vùng bão hịa 20 µA 1 ICEO IB= 0 µA 0 2 4 6 8 VCE (V) Vùng ngưng Hình 15 − Ta thấy cũng cĩ 3 vùng hoạt động của transistor: vùng bảo hồ, vùng tác động và vùng ngưng. − Khi nối tắt VBE (tức IB=0) dịng điện cực thu xấp xĩ dịng điện rĩ ICEO. Đặc tuyến truyền: (Transfer characteristic curve) Từ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra. Ta cĩ thể suy ra đặc tuyến truyền của transistor. Đặc tuyến truyền biểu diễn sự thay đổi của dịng điện ngõ ra IC theo điện thế ngõ vào VBE với điện thế ngõ ra VCE làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: Trang 71 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) VCE =10(V) ICES = ICBO VBE (V) 0 .1 .2 .3 .4 .5 6 7 8 Vùng ngưng Vùng Vùng bảo hồ tác động cut-in VBE(sat) Hình 16 Đối với transistor Si, vùng hoạt động cĩ VBE nằm trong khoảng 0,5-0,8V. Trong vùng này, đặc tuyến truyền cĩ dạng hàm mũ. Ở vùng bão hồ, dịng IC tăng nhanh khi VBE thay đổi. Ở vùng ngưng, khi VBE cịn nhỏ, dịng rỉ qua transistor ICES rất nhỏ, thường xấp xĩ ICBO. Ngay cả trong vùng hoạt động, khi VBE thay đổi một lượng nhỏ (từ dịng IB thạy đổi) thì dịng IC thay đổi một lượng khá lớn. Vì thế, trong các ứng dụng, người ta dùng điện thế cực nền VBE làm điện thế điều khiển và cực B cịn gọi là cực khiển. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến của BJT. Như ta đã thấy, các tính chất điện của chất bán dẫn đều thay đổi theo nhiệt độ. Do đĩ, các đặc tuyến của BJT đều thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. − Khi nhiệt độ tăng, các dịng điện rỉ của cực thu (ICBO,Iceo, ICES) đều tăng. − Khi nhiệt độ tăng, các độ lợi điện thế αDC, βDC cũng tăng. − Khi nhiệt độ tăng, điện thế phân cực thuận (điện thế ngưỡng) nối nền phát VBE 0 giảm. Thơng thường, VBE giảm 2,2mV khi nhiệt độ tăng 1 C. 0 − Dịng điện rỉ ICBO tăng gấp đơi khi nhiệt độ tăng 8 C trong transistor Si. ⎡ t−25 ⎤ 0 0 8 ICBO (t C) = ICBO (25 C).⎢2 ⎥ ⎣ ⎦ Tác động của nhiệt độ ảnh hưởng quan trọng đến điểm điều hành của transistor. Nĩ là nguyên nhân làm cho thơng số của transistor thay đổi và kết quả là tín hiệu cĩ thể bị biến dạng. Trang 72 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 250C 500C I (mA) C 250µA IB (µA) 0 50 C 200µA 250C 150µA (2,2mV/0C) 100µA 50µA IB =0µA VBE (mV) 0 645 700 0 VCE (Volt) IC (mA) 500C 250C VCE =15V (2,2mV/0C) 10 Hình 17 VBE (mV) 0 645 700 VII. ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU. Ta xem mạch dùng transistor BJT NPN trong mơ hình cực nền chung như sau: RE RC + IE IC + VBE VCB VEE VCC Vào Ra Hình 18 Để xác định điểm tỉnh điều hành Q và đường thẳng lấy điện một chiều, người ta thường dùng 3 bước: Trang 73 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 1. Mạch ngõ vào: Ta cĩ: VBE + REIE - VEE = 0 VEE − VBE ⇒ I E = R E Chú ý là VBE = 0,7V với BJT là Si và VBE = 0,3V nếu BJT là Ge. 2. Từ cơng thức IC = αDCIE ≅ IE. Suy ra dịng điện cực thu IC. 3. Mạch ngõ ra: Ta cĩ: VCB - VCC + RCIC = 0 VCB VCC ⇒ IC = − + R C R C Đây là phương trình đường thẳng lấy điện một chiều (đường thẳng lấy điện tỉnh). Trên đặc tuyến ra, giao điểm của đường thẳng lấy điện với IE tương ứng (thơng số) của đặc tuyến ra chính là điểm tỉnh điều hành Q. Ta chú ý rằng: VCC − Khi VCB = 0 ⇒ IC = ISH = (Dịng điện bảo hồ) R C − Khi IC = 0 (dịng ngưng), ta cĩ: VCB = VCC = VOC IC (mA) IE = 6mA IE = 5mA IE = 4mA V CC IE = 3mA ISH = R C Q IE = 2mA IE = 1mA 0mA VCB(Volt) 0 VCBQ VCB=VCC=VOC Hình 19 Một số nhận xét: Để thấy ảnh hưởng tương đối của RC,VCC, IE lên điểm điều hành, ta xem ví dụ sau đây: Trang 74 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 1. Ảnh hưởng của điện trở cực thu RC: RC = 1,5KΩ; 2KΩ; 3 KΩ R = 100Ω RC E IC I = 3mA E VCC = 12V VEE = 1V Hình 20 VEE − VBE 1−1,7 Ta cĩ: I E = = = 3mA ≈ IC R E 0,1 VCB VCC * Khi RC = 2 KΩ, IC = − + R C R C V 12 3 = − CB + ⇒ V = 6mA 2 2 CB IC (mA) 6 5 4 Q IE = 3mA 3 2 1 VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) * Khi RC = 1,5 KΩ (RC giảm), giHìnhữ RE ,21 VEE, VCC khơng đổi. IC # IE # 3mA VCB = VCC - RC.IC = 12 - 1,5x3 =7,5V VCC 12 ISH = = = 8mA R C 1,5 Trang 75 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) 8 7 6 5 4 Q I = 3mA 3 E 2 1 7,5V VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) Hình 22 * Khi RC = 3 KΩ (RC tăng) IC # IE =3mA VCB = VCC - RC.IC = 12 - 3x3 = 3V VCC 12 ISH = = = 4mA R C 3 IC (mA) 4 Q IE = 3mA 3 2 1 VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) Hình 23 Như vậy, khi giữ các nguồn phân cực VCC, VEE và RE cố định, thay đổi RC, điểm điều hành Q sẽ chạy trên đặc tuyến tương ứng với IE = 3mA. Khi RC tăng thì VCB giảm và ngược lại. 2. Ảnh hưởng của nguồn phân cực nối thu nền VCC. Nếu giữ IE là hằng số (tức VEE và RE là hằng số), RC là hằng số, thay đổi nguồn VCC, ta thấy: Khi VCC tăng thì VCB tăng, khi VCC giảm thì VCB giảm. Trang 76 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Thí dụ: RE = 100Ω RC = 2KΩ IC (mA) VCC = 14V + VCC = 12V I 7 C V = 10V 6 CC V : 10V CC 5 VEE = 1V 12V 14V 4 Q1 Q1 I =3 (mA) 3 E Q2 2 1 VCB 0 2 4 6 8 10 12 14 Hình 24 3. Ảnh hưởng của IE lên điểm điều hành: Nếu ta giữ RC và VCC cố định, thay đổi IE (tức thay đổi RE hoặc VEE) ta thấy: khi IE tăng thì VCB giảm (tức IC tăng), khi IC giảm thì VCB tăng (tức IC giảm). V IC (mA) CC IC(sat) = ISH = R C 7 I =6 (mA) 6 E Q 2 IE =5 (mA) Tăng 5 Q1 I =4 (mA) 4 E Q I =3 (mA) 3 E Q 3 IE =2 (mA) Giảm 2 Q4 IE =1 (mA) 1 ICBO VCB 0 2 4 6 8 10 12 14 Hình 25 Khi IE tăng thì IC tăng theo và tiến dần đến trị ISH. Transistor dần dần đi vào vùng bảo hồ. Dịng tối đa của IC, tức dịng bảo hồ gọi là IC(sat). Như vậy: VCC IC (sat) = ISH = R C Lúc này, VCB giảm rất nhỏ và xấp xĩ bằng 0V (thật sự là 0,2V). Khi IE giảm thì IC giảm theo. Transistor đi dần vào vùng ngưng, VCB lúc đĩ gọi là VCB(off) và IC = ICBO. Trang 77 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, VCB(off) = VOC = VCC. Vùng bảo hồ và vùng ngưng là vùng hoạt động khơng tuyến tính của BJT. Đối với mạch cực phát chung, ta cũng cĩ thể khảo sát tương tự. VIII. KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT. Qua khảo sát ở phần trước, người ta cĩ thể dùng kiểu mẫu gần đúng sau đây của transistor trong mạch điện một chiều: E C E C IE IC=αDCIE≈IE ≈ αDCIE B Transistor NPN B E C E C IE IC=αDCIE≈IE ≈ αDCIE B Transistor PNP B Hình 26 Tuy nhiên, khi tính các thành phần dịng điện và điện thế một chiều của transistor, người ta thường tính trực tiếp trên mạch điện với chú ý là điện thế thềm VBE khi phân cực thuận là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si. Thí dụ 1: tính IE, IC và VCB của mạch cực nền chung như sau: Trang 78 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Si RE RC - + IE IC 0,7V + VCB VEE - VCC Si RE RC + - IE IC 0,7V + VCB VEE - VCC Hình 27 Ta dùng 3 bước: VEE − 0,7 Mạch nền phát (ngõ vào): I E = ; IC # αDC # IE R E Áp dụng định luật kirchoff (ngõ ra), ta cĩ: − Với transistor NPN: VCB = VCC - RC.IC; VCB > 0 − Với transistor PNP: VCB = -VCC + RC.IC; VCB <0 Thí dụ 2: Tính dịng điện IB, IC và điện thế VCE của mạch cực phát chung. RB RC IB + IC VCE VBB - VCC 0,7V + - RB RC IB + IC VCE VBB + VCC 0,7V - - Hình 28 VBB − 0,7 Mạch nền phát (ngõ vào): I B = R B Dịng IC = βDC .IB Mạch thu phát (ngõ ra) Trang 79 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử − Với transistor NPN: VCE = VCC -RC IC >0 − Với transistor PNP: VCE = -VCC + RC.IC <0 Đây chính là phương trình đường thẳng lấy điện tỉnh trong mạch cực phát chung. IX. BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU. 1. Mơ hình của BJT: Ta xem lại mạch cực nền chung, bây giờ nếu ta đưa vào BJT một nguồn xoay chiều VS(t) cĩ biên độ nhỏ như hình vẽ. -VV EE +VV CC RE RC C1 C2 V + + - + - Tín hiệu ra Tín hiệu vào V (t) ~ V 0 VS(t) - Hình 29 Đây là mơ hình của một mạch khuếch đại ráp theo kiểu cực nền chung. Ở ngõ vào và ngõ ra, ta cĩ hai tụ liên lạc C1 và C2 cĩ điện dung như thế nào để dung kháng XC khá nhỏ ở tần số của nguồn tín hiệu để cĩ thể xem như nối tắt (Short circuit) đối với tín hiệu xoay chiều và cĩ thể xem như hở mạch (open circuit) đối với điện thế phân cực. Mạch tương đương một chiều như sau: Si RE RC - + IE IC≈IE 0,7V V + CB VEE - VCC Hình 30 Đây là mạch mà chúng ta đã khảo sát ở phần trước. Nguồn điện thế xoay chiều VS(t) khi đưa vào mạch sẽ làm cho thơng số transistor thay đổi. Ngồi thành phần một chiều cịn cĩ thành phần xoay chiều của nguồn tín hiệu tạo ra chồng lên. Nghĩa là: iB(t) = IB + ib(t) iC(t) = IC + ic(t) iE(t) = IE + ie(t) vCB(t) = VCB + vcb(t) Trang 80 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử vBE(t) = VBE + vbe(t) Thành phần tức thời = thành phần DC + thành phần xoay chiều. Trong mơ hình các dịng điện chạy trong transistor ta thấy: điểm B’ nằm trong vùng nền được xem như trung tâm giao lưu của các dịng điện. Do nối nền phát phân cực thuận nên giữa B’ và E cũng cĩ một điện trở động re giống như điện trở động rd trong nối P-N 26mV khi phân cực thuận nên: re = n+ p n- I E E B’ C ie ic ib’ Hình 31 B Ngồi ra, ta cũng cĩ điện trở rb của vùng bán dẫn nền phát (ở đây, ta cĩ thể coi như đây là điện trở giữa B và B’). Do giữa B’ và C phân cực nghịch nên cĩ một điện trở r0 rất lớn. Tuy nhiên, vẫn cĩ dịng điện ic = α.ie = βib chạy qua và được coi như mắc song song với r0. * α là độ lợi dịng điện xoay chiều trong cách mắc nền chung: ∆IC di C i c α = α ac = = = ∆I E di E i e Thơng thường α hoặc αac gần bằng αDC và xấp xĩ bằng đơn vị. * β là độ lợi dịng điện xoay chiều trong cách mắc cực phát chung. ∆i C di C i c β = βac = h fe = = = ∆i B di B i b Thơng thường β hoặc βac gần bằng βDC và cũng thay đổi theo dịng ic. Trị số α, β cũng được nhà sản xuất cung cấp. Như vậy, mơ hình của transistor đối với tín hiệu xoay chiều cĩ thể được mơ tả như sau: α.ie = β.ib ie B’ E C re ib rb r o rb thường cĩ trị số khoảng vài chục BΩ , r0 rấtHình lớn nên32 cĩ thể bỏ qua trong mơ hình của transistor. Trang 81 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2. Điện dẫn truyền (transconductance) Ta thấy rằng, dịng điện cực thu IC thay đổi theo điện thế nền phát VBE. Người ta cĩ thể biểu diễn sự thay đổi này bằng một đặc tuyến truyền (transfer curve) của transistor. Đặc tuyến này giống như đặc tuyến của diode khi phân cực thuận. ID (mA) IC(mA) = IE ID=IO.exp(VD/VT)IC=ICES.exp(VBE/VT) V (volt) V (volt) 0 D 0 BE IC(mA) I =I .exp(V /V ) D O D T C C ≈ gmvbe Tiếp tuyến cĩ độ B B + Q dốc =gm=IC/VT vbe - VBE(mV) 0 E E Hình 33 Người ta định nghĩa điện dẫn truyền của transistor là: ∆i c i c (t) g m = = ∆VBE v be (t) Và đĩ chính là độ dốc của tiếp tuyến với đặc tuyến truyền tại điểm điều hành Q. Tương tự như diode, ta cũng cĩ: VBE VT IC = ICES .e Trong đĩ, IC là dịng điện phân cực cực thu; ICES là dịng điện rĩ cực thu khi VBE = 0V KT V = (T: nhiệt độ Kelvin) T e 0 Ở nhiệt độ bình thường (25 C), VT = 26mV Ta cĩ thể tính gm bằng cách lấy đạo hàm của IC theo VBE. V dI I BE C CES VT g m = = .e dVBE VT Trang 82 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC Và g m = (Ω) VT I Ở nhiệt độ bình thường (250C) ta cĩ: g = C m 26mV 3. Tổng trở vào của transistor: Người ta định nghĩa tổng trở vào của transistor bằng mơ hình sau đây: iin BJT + vin - vin R in = iin Hình 34 Ta cĩ hai loại tổng trở vào: tổng trở vào nhìn từ cực phát E và tổng trở vào nhìn từ cực nền B. Tổng trở vào nhìn từ cực phát E: ie = -iin E C + vbe = -vin - B vin vbe R in = = iin ie Hình 35 Theo mơ hình của transistor đối với tín hiệu xoay chiều, ta cĩ mạch tương đương ở ngõ vào như sau: E B’ E B’ re re - - ie ie rb rb ib i β +1 e + B + B Hình 36 Trang 83 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vì ie=(β+1)ib nên mạch trên cĩ thể vẽ lại như hình phía dưới bằng cách coi như rb dịng ie chạy trong mạch và phải thay rb bằng . β +1 v be rb rb + (β +1)re Vậy: R in = = + re = i e β +1 β +1 Đặt: hie = rb+(β+1).re h Suy ra: R = ie in β +1 rb Do β>>1, rb nhỏ nên << r nên người ta thường coi như: β +1 e rb C R in = re + ≈ re i = i β +1 B b in Tổng trở vào nhìn từ cực nền B: + Xem mơ hình định nghĩa sau (hình 37): vbe = vin - E v be R in = i b Hình 37 Mạch tương đương ngõ vào: B’ B’ B rb B rb + - ib ib re ie (β +1).re ib - E + E Hình 38 Do ie=(β+1)ib nên mạch hình (a) cĩ thể được vẽ lại như mạch hình (b). Trang 84 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử v be Vậy: R in = = rb + (β +1)re = h ie i b Người ta đặt: rπ=(1+β).re≈βre Thơng thường βre>>rb nên: Rin=hie ≈rπ≈βre 26mV 26mV 1 1 β 1 Ngồi ra, re = ≈ = = ; Vậy: rπ = và re = I E IC IC g m g m g m 26mV v be 1 Ta chú ý thêm là: re ≈ = ⇒ g m v be = i e ≈ i c = βi b ; ⇒ g m vbe = βib i e g m 4. Hiệu ứng Early (Early effect) Ta xem lại đặc tuyến ngõ ra của transistor trong cách mắc cực phát chung. Năm 1952. J.Early thuộc phịng thí nghiệm Bell đã nghiên cứu và hiện tượng này được mang tên Ơng. Ơng nhận xét: Ở những giá trị cao của dịng điện cực thu IC, dịng IC tăng nhanh theo VCE (đặc tuyến cĩ dốc đứng). Ở những giá trị thấp của IC, dịng IC tăng khơng đáng kể khi VCE tăng (đặc tuyến gần như nằm ngang). Nếu ta kéo dài đặc tuyến này, ta thấy chúng hội tụ tại một điểm nằm trên trục VCE. Điểm này được gọi là điểm điện thế Early VA. Thơng thường trị số này thay đổi từ 150V đến 250V và người ta thường coi VA = 200V. IC(mA) VCE(volt) Early voltage 0 10 20 30 40 50 VCE = -V A = -200V IC(mA) Q ICQ ∆IC = ICQ VCE(volt) 0 VCEQ ∆VCE = VCE -(-VA) = VCE + VA ≈ VA Hình 39 Trang 85 Biên soạn: Trương Văn Tám