bài giảng điện tử công nghiệp, chương 7 pdf

1
Chương 7: PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N
Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp
công nghệ p-n
g
ầ
n
nhau thì ta được một dụng cụ bán dẫn 3
cực gọi là tranzito bipolar, có khả
n
ă
ng
khuếch đại tín hiệu
điện. Nguyên lí làm việc của tranzito dựa trên đặc tính điện
c
ủ
a
từng tiếp giáp p-n và tác dụng tương hỗ giữa chúng.
2.2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số
của tranzito bipolar
a) Cấu tạo: tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn p và n
xen kẽ nhau, tùy theo trình tự sắp xếp các miền p và n mà ta có
hai loại cấu tạo điển hình là pnp và npn
nh
ư
trên hình 2.16. Để
tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp
công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phương pháp
khuếch tán,
ph
ươ

ng
pháp epitaxi
p n
p
E
C
J
E
J
C
n p
n
E
C
J
E
J
C
B B
a) b)
Hình 2.16 : Mô hình lí tưởng hóa cùng kí hiệu của tranzito pnp
(a) và npn (b)
Miền bán dẫn thứ nhất của tranzito là miền emitơ với đặc điểm
là có nồng độ t
ạ
p
chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là
cực emitơ. Miền thứ hai là miền
baz
ơ

với nồng độ tạp chất nhỏ
2
và độ dày của nó nhỏ cỡ µm, điện cực nối với miền này
g
ọ
i
là
cực bazơ. Miền còn lại là miền colectơ với nồng độ tạp chất trung
hình và điện
c
ự
c
tương ứng là colectơ. Tiếp giáp p-n giữa miền
emitơ và bazơ gọi là tiếp giáp
emi
t
ơ
(J
E
) tiếp giáp pn giữa miền
bazơ và miền colectơ là tiếp giáp colectơ (J
C
) Về kí
hi
ệ
u
tranzito
cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực emitơ và bazơ có chiều từ
bán dẫn p sang bán dẫn n. Về mặt cấu trúc, có thể coi tranzito
như 2 điôt mắc đối nhau như hình

2.17. (Điều này hoàn toàn không có nghĩa là cứ mắc 2 đốt như
hình 2-17 là có t
h
ể
thực hiện được chức năng của tranzito. Bởi
vì khi đó không có tác dụng tương hỗ
l
ẫ
n
nhau của 2 tiếp p-n.
Hiệu ứng tranzito
ch
ỉ
xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp
nh
ỏ
hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt
d
ẫ
n)
.
3
n p
n
E
C
B
Hình 2.17: Phân tích cấu tạo tranzito thành hai điốt
và mạch tương
h

ỗ
b) Nguyên lí làm việc: Để tranzito làm việc, người ta phải đưa
điện áp 1 chiều tới các điện cực của nó, gọi là phân cực cho
tranzito. Đối với chế độ khuếch đại thì J
E
phân cực thuận và J
C
phân cực ngược như hình 2-18.
Hình 2.18: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở
chế độ khuếch
đ
ạ
i
Để phân tích nguyên lí làm việc ta lấy tranzito pnp làm ví dụ.
Do J
E
phân cực t
hu
ậ
n
các hạt đa số (lỗ trống) từ miền p phun
qua J
E
tạo nên dòng emitơ (I
E
). Chúng t
ớ
i
vùng bazơ trở
thành hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùng bazơ

hướng t
ớ
i
J
C
. Trên đường khuếch tán một phần nhỏ
b
ị
tái hợp
với hạt đa số của bazơ tạo nên dòng điện cực bazơ (I
B
). Do cấu
tạo miền bazơ mỏng nên gần như toàn bộ các
h
ạ
t khuếch tán
tới được bờ của J
C
và
b
ị
trường gia tốc (do J
C
phân cực ngược)
cuộn qua tới được miền colectơ tạo nên dòng điện colectơ (I
C
)
Qua việc phân tích trên rút ra được hệ thức cơ bản về các
dòng điện trong tranzito (hệ thức gần đúng do bỏ qua dòng
ngược của J

C
)
I
E
= I
B
+ I
C
(2-37)
4
Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ
người ta
đ
ị
nh
nghĩa hệ số truyền đạt dòng điện α của tranzito.
α = I
C
/ I
E
(2-38)
hệ số α xác
đ
ị
nh
chất lượng của tranzito và có giá
tr
ị
càng gần 1
với các tranzito

lo
ạ
i
t
ố
t.
40
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện I
B
tới dòng
colectơ I
C
người ta
đ
ị
nh
nghĩa hệ số khuếch đại dòng điện β của tranzito.
β = I
C
/ I
B
(2:39)
β thường có giá
tr
ị
trong khoảng vài chục đến vài trăm. Từ các
biểu thức (2-37), (2-
38), (2-39) có thể suy ra vài hệ thức hay được sử dụng đối với
tranzito:
I

E
= I
B
(1 + β) (240)
α = β / (1+ β) (2-41)
c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế đố tín hiệu
nh
ỏ
Khi sử dụng, về nguyên tắc có thể lấy 2 trong số 3 cực của
tranzito là đầu vào và cực thứ 3 còn lại cùng với một cực đầu vào
làm đầu ra. Như vậy có tất cả 6 cách
m
ắ
c
mạch khác nhau.
Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu
vào và đầu ra. Trong số 6 cách mắc ấy
ch
ỉ
có 3 cách là tranzito
có thể khuếch đại công suất đó là cách mắc chung emitơ (E
C
),
chung bazơ (B
C
), chung colectơ (C
C
) như hình
2.19. Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực t
ế

.
U
1
(vao)
U
2
(ra)
U
1 (vao)
U
2
(ra)
U
1
(vao)
U
2 (ra)
E
chung
Bchu
ng
Cchung
Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito
trong thực t
ế
Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ,
chung
colec
t
ơ

Từ cách mắc được dùng trong thực tế của tranzito về mặt
sơ đồ có thể coi tranzito là một phần tử 4 cực gần tuyến tính có
2 đầu vào và 2 đầu ra (h.2.20).
U
1 (vao)
T
U
2 (ra)
41
Hình 2.20: Tranzito như mạng bốn
c
ự
c
Có thể viết ra 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa đầu
vào và đầu ra
c
ủ
a
mạng 4 cực trong đó dòng điện và điện áp
là những biến số độc lập. Nhưng trong thực tế tính toán thường
dùng nhất là 3 cặp phương trình tuyến tính sau:
Cặp phương trình trở kháng có được khi coi các điện áp là
hàm, các dòng điện là biến có dạng sau:
U
1
= f(I
1
, I
2
) = r

11
I
1
+ r
12
I
2
U
2
= f(I
1
, I
2
) = r
21
I
1
+ r
22
I
2
42
∂
I
Cặp phương trình dẫn nạp có được khi coi các dòng điện là hàm
của các biến điện áp
I
1
= f(U
1

, U
2
) = g
11
. U
1
+ g
12
. U
2
I
2
= f(U
1
, U
2
) = g
21
. U
1
+ g
22
. U
2
Cặp phương trình hỗn
h
ợ
p
U
1

=
f
(
I
1
,
U
2
)
h
1
1
I
1
U
2
= f(I
1
, U
2
) h
2
1
U
2
trong đó r
ij
, g
ij
, và h

ij
tương ứng là các tham số trở kháng
dẫn nạp và hỗn hợp
c
ủ
a
tranzito.
Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phương trình trên,
ta sẽ xác
đ
ị
nh
đ
ượ
c
các tham số vi phân tương ứng của tranzito.
Ví dụ :
r
22
∂
U
=
2
∂
I
2
∂I
2
I
1

=co
nst
1
=
h
2
2
1
gọi là điện trở ra vi phân (2-42)
g
22
=
∂U
2
U
2
=
cons
t
=
r
1
2
= S được gọi là hỗ dẫn truyền đạt (2-43)
r
11
h
∂
U
=

1
∂
I
1
∂I
=

2
I
2
=const
= h
11
=
β
là điện trở vào vi phân (2-44)
là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân (2-45)
21 U
2
=
cons
t
2
Khi xác
đ
ị
nh
đặc tuyến tĩnh (chế độ chưa có tín hiệu đưa tới)
của tranzito, dùng hệ phương trình hỗn hợp là thuận tiện vì khi
đó dễ dàng xác

đ
ị
nh
các tham số của
h
ệ
phương trình này.
d) Đặc tuyến tĩnh dựa vào các hệ phương trình nêu trên có thể
đưa ra các họ
đ
ặ
c
tuyến tĩnh của tranzito khi coi một đại lượng
là hàm 1 biến còn đại lượng thứ 3 coi như một tham số. Trong
trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh:
Đ
ặ
c
tu
y
ế
n
v
à
o
U
1
=
f
(

I
1
)
|U
2
=
c
on
st
Đ
ặ
c
tu
y
ế
n
p
h
ả
n
U
1
=
f
(
U
2
)
|
I

1
=
c
on
st
(
2
-
43
Đ
ặ
c
tu
y
ế
n
t
r
u
y
ề
n
I
2
2
=
f
(
I
1

)
│
U
2
=
c
on
st
Đặc tuyến ra
I
2
= f(U
2
) │I
1
=const
Tùy theo cách mắc tranzito mà các quan hệ này có tên gọi cụ
thể dòng điện và
đ
i
ệ
n
áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc E
C
: đặc
tuyến vào là quan hệ I
B
= f(U
BE
)│U

CE
= const hay đặc tuyến ra
là quan hệ I
C
= f(U
CE
)│I
B
= const …
Bảng (2.1) dưới đây cho các phương trình của họ đặc tuyến
tương ứng suy ra t
ừ
hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, EC
và CC.
44
Bảng 2.1. Quan hệ hàm xác
đ
ị
nh
họ đặc tuyến
t
ĩ
nh
của
tranzito
Tổng quát
B
C
EC CC
U

1
=
f(I
1
)│U
2
=con
st
U
1
=
f
(
U
2
)
│
I
1
=
c
on
U
E
B
=
f(I
E
)│U
CB

U
EB
=
f(U
CB
)│I
E
U
B
E
=
f(I
B
)│U
CE
U
BE
=
f(U
CE
)│I
B
U
B
C
=
f(I
B
)│U
EC

U
BC
=
f(U
EC
)│I
B
Có thể xây dựng sơ đồ tương đương xoay chiều tín
hiệu nhỏ của tranzito theo hệ phương trình tham số hỗn
h
ợ
p
∆U
1
= h
11
∆I
1
+ h
22
∆U
2
(2-47)
∆I
2
= h
2
∆I
1
+ h

22
∆U
2
Dạng như trên hình 2.21.
Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạng 4 cực theo tham số h
Chú ý: đối với các sơ đồ EC, BC, CC các đại lượng ∆I
1
,
∆U
1
, ∆I
2
, ∆U
2
t
ươ
ng
đương với các dòng vào (ra), điện áp vào
(ra) của từng cách mắc. Ngoài ra còn có t
h
ể
biểu
th
ị
sơ đồ tương
đương của tranzito theo các tham số vật lý. Ví dụ với các
ki
ể
u
mắc BC có sơ đồ 2.22

Hình 2.22: Sơ đồ tương đương mạch BC
45
Ở
đ
ây
:
- r
E
là điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và chất bán dẫn
làm cực E.
- r
B
điện trở khối của vùng
baz
ơ
.
- r
C
(B) điện trở vi phân của tiếp giáp
colec
t
ơ
.
- C
C
(B) điện dung tiếp giáp
colec
t
ơ
.

- αI
E
nguồn dòng tương đương của cực emitơ đưa tới
colec
t
ơ
.
Mối liên hệ giữa các tham số của hai cách biểu diễn trên như
sau khi ∆U
2
= 0
v
ớ
i
mạch đầu vào ta có : ∆U
1
= ∆I
1
[r
E
+ (1-
α
)
r
B
]
hay h
11
=
∆U

1
/∆I
1
=
[r
E
+ (1-
α
)
r
B
]
với mạch đầu ra : ∆I
2
= α.∆I
1
do đó
α
= h
21
khi ∆I
1
= 0
Dòng mạch ra ∆I
2
= ∆U
2
/(r
C(B)
+ r

B
) ≈
∆U
2
/
τ
C(B)
do
đ
ó
h
22
=
1/r
c(B)
và ∆U
1
= ∆I
2
.r
B
nên ta có h
12
= r
B
/ r
C(B)
∆U
2
=

∆
I
2
.
r
C(B)
2.2.2. Các dạng mắc mạch
c
ơ
bản của
tranzito
a - Mạch chung emitơ (EC)
Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực bazơ
và cực emitơ, còn điện áp ra lấy từ cực colectơ và cực emitơ.
Dòng vào, điên áp vào và dòng điện ra được đo bằng các
miliampe kế và vôn kế mắc như hình 2.23. Từ mạch hình 2.23,
có thể vẽ được các họ đặc tuyến tĩnh quan trọng nhất của mạch
EC :
46
1
0
I
B
µ
A
U
CE
= 2V
U
BE

(vao)
U
CE (ra)
U
CE
= 6V
E
U
BE
V
1
Hình 2.23: Sơ đồ Ec Hình 2.24: Họ đặc tuyến vào
Ec
47
Để xác
đ
ị
nh
đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp U
CE
,
thay đổi
tr
ị
số điện áp U
BE
ghi các
tr
ị
số I

B
tương ứng sau đó
dựng đồ
th
ị
quan hệ này, sẽ thu được kết
qu
ả
như hình 2.24.
Thay đổi U
EC
đến một giá
tr
ị
cố
đ
ị
nh
khác và làm lại tương tự sẽ
đ
ượ
c
đường cong thứ hai. Tiếp làm tục như vậy sẽ có một họ
đặc tuyến vào của tranzito mắc chung
emi
t
ơ
.
Từ hình 2.24, ta có nhận xét đặc tuyến vào của tranzito mắc
chung emitơ

gi
ố
ng
như đặc tuyến của chuyến tiếp p-n phân cực
thuận, vì dòng I
B
trong trường hợp này là một phần của dòng
tổng I
E
chảy qua chuyển tiếp emitơ phân cực thuận (h 2.23).
Ứ
ng
với một giá
tr
ị
U
CE
nhất
đ
ị
nh
dòng I
B
càng nhỏ khi U
CE
càng lớn vì khi tăng U
CE
tức là tăng U
CB
(ở đây giá

tr
ị
điện áp
là giá
tr
ị
tuyệt đối) làm cho miền điện tích không gian của
chuyến tiếp colectơ rộng ra chủ yếu về phía miền bazơ pha tạp
yếu. Diện áp U
CB
càng lớn thì
t
ỉ
lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn,
số hạt dẫn
b
ị
tái hợp trong miền
baz
ơ
và đến cực bazơ để tạo
thành dòng bazơ càng ít, do đó dòng bazơ nhỏ
đ
i
.
Để vẽ đặc tuyến ra của tranzito mắc EC, cần giữ dòng I
B
ở
một
tr

ị
số cố
đ
ị
nh
nào đó, thay đổi điện áp U
CE
và ghi lại giá
tr
ị
tương ứng của dòng I
C
kết quả vẽ
đ
ượ
c
đường cong mô tả
sự phụ thuộc của I
C
vào U
CE
khi coi dòng I
B
là tham số như
hình
2.25. Từ họ đặc tuyến này có nhận xét sau: Tại miền khuyếch
đại, độ dốc của
đ
ặ
c

tuyến khá lớn vì trong cách mắc này dòng
I
E
không giữ cố
đ
ị
nh
khi tăng U
CE
độ
r
ộ
ng
hiệu dụng miền bazơ
hẹp lại làm cho hạt dẫn đến miền colectơ nhiều hơn nên dòng I
C
tăng lên. Khi U
CE
giảm xuống 0 thì I
C
cũng giảm xuống 0 (các
đặc tuyến đều qua
g
ố
c
tọa độ). Sở dĩ như vậy vì điện áp ghi trên
trục hoành là U
CE
= U
CB

+ U
BE
và nếu t
i
ế
p
tục giảm U
CE
sẽ
làm cho chuyển tiếp colectơ phân cực thuận. Điện áp phân cực
này đẩy những hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở
lại miền bazơ, kết quả khi U
CE
= 0 thì I
C
cũng bằng 0. ngược lại
nếu tăng U
CE
lên quá lớn thì dòng I
C
sẽ tăng lên đột ngột
(đường đứt đoạn trên hình 2.25), đó là miền đánh thủng tiếp xúc
(điốt) J
C
c
ủ
a
tranzito.(Tương tự như đặc tuyến ngược của điốt,
khi U
CE

tăng quá lớn tức là điện áp phân cực ngược U
CB
lớn
lớn tới một giá
tr
ị
nào đó, tại chuyển tiếp colectơ sẽ sảy ra hiện
tương đánh thủng do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm
dòng I
C
tăng
độ
t ngột ). Bởi vì khi tranzito làm việc ở điện áp
U
CE
lớn cần có biện pháp hạn chế dòng I
C
để phồng tránh
tranzito
b
ị
hủy bởi dòng I
C
quả
l
ớ
n
.
48
U

CE
=
6V
I
C
mA
U
CE
=
2V
I
B
=60µA
4
I
B
=40µA
I
B
µA
I
B
=20µA
100
5 U
CE
V
Hình 2.25: Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của
tranzito mắc Ec
49

Đặc tuyến truyền đạt biểu
th
ị
mối quan hệ giữa dòng
ra (I
C
) và dòng vào I
B
khi U
CE
cố
đ
ị
nh
. Đặc tuyến này có
thể nhận được bằng cách giữ nguyên diện áp U
CE
, thay đổi
dòng bazơ I
B
ghi lại giá
tr
ị
tương ứng I
C
trên trục tọa độ.
Khi thay đổi các giá
tr
ị
c

ủ
a
U
CE
và làm tương tự như trên
ta có họ đặc tuyến truyền đạt, cũng có thể suy ra họ
đ
ặ
c
tuyến này từ các đặc tuyến ra (h 2.25). Cách làm như sau:
tại
v
ị
trí U
CE
cho trước trên đặc tuyến ra vẽ đường song
song với trục tung, đường này cắt họ đặc tuyến ra
ở
những điểm khác nhau. Tương ứng với các giao điểm này
tìm được giá
tr
ị
I
C
. Trên
h
ệ
tạo độ I
C
, I

B
có thể vẽ được
nhữnh điểm thảo mãn cặp
tr
ị
số I
C
, I
B
vừa tìm được,
n
ố
i
các điểm này với nhau sẽ được đặc tuyến truyền đạt cần
tìm.