Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: BJT (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: BJT (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 5 BJT 1 Transistors (Transfer Resistor) Transistors Bipolar transistors Field Effect Transistors NPN,PNP Junction-FETs (JFETS) Insulated Gate FET’s N-channel, P-channel MOSFETs Enhancement, Depletion N-channel, P-channel 2 1
2. BJT • Giới thiệu • Bức tranh ý niệm • Đặc tính tĩnh của BJT • Các tham số • Các hiệu ứng thứ cấp • Các đặc tuyến của BJT • Mô hình tín hiệu nhỏ của BJT – TD: Các mạch KĐ • BJT ở tần số cao • Các loại BJT khác • Các ứng dụng của BJT: Gương dòng điện, 3 Giới thiệu • BJT được phát minh vào năm 1947 do William Shockley, John Bardeen và Walter Brittain tại Bell Labs (Mỹ) • BJT=Bipolar Junction Transistor • Transistor = Transfer resistor • BJT là dụng cụ tích cực có 3 cực. • BJT là dụng cụ 3 cực đầu tiên của các dụng cụ bán dẫn và tiếp tục là dụng cụ được chọn cho nhiều ứng dụng số và vi ba (microwave). Một thập niên sau khi BJT được phát minh, nó vẫn giữ dụng cụ 3 cực duy nhất trong các ứng dụng thương mại. Tuy nhiên khi giao tiếp Si-SiO2 được cải tiến, MOSFET đã trở nên thắng thế. Hiện nay HBT (Heterojunction Bipolar Transistor=transistor lưỡng cực chuyển tiếp dị thể) có hiệu năng rất cao về tần số và độ lợi. • Các ứng dụng của BJT: KĐ, mạch CS, mạch logic, • BJT vẫn còn được ưa chuộng trong 1 số ứng dụng mạch số và analog do tốc độ nhanh và độ lợi lớn. Tuy nhiên nó khuyết điểm là có tiêu tán CS lớn và tích hợp nhỏ trong IC. 4 2
3. BJT Original point-contact transistor Inventors of the transistor: (1947) William Shockley, John Bardeen and Walter Brattain First grown transistor (1950) 5 Có 2 loại BJT: NPN và PNP Ký hiệu: • E = Emitter=Phát, B=Base=Nền, và C=Collector=Thu • JE : chuyển tiếp PN giữa B và E • JC : chuyển tiếp PN giữa B và C VEB = VE – VB VBE = VB – VE VCB = VC – VB VBC = VB – VC VEC = VE – VC VCE = VC – VE = VEB - VCB = VCB - VEB IE = IB + IC 6 3
4. Transistor Outlines (TO) For some transistors, the pin function can be identified from packaging: 7 Types of transistors Emitter Base • Discrete (double-diffused) p+np transistor 5 m 200 m Collector • Integrated-circuit n+pn transistor 6 m 200 m 8 4
5. BJT Structure - Planar The “Planar Structure” developed by Fairchild in the late 50s shaped the basic structure of the BJT, even up to the present day. • In the planar process, all steps are performed from the surface of the wafer 9 • BJTs are usually constructed vertically – Controlling depth of the emitter’s n doping sets the base width 10 5
6. Bức tranh ý niệm So sánh BJT và FET BJT FET Dụng cụ dựa trên diode mà Sự dẫn điện được điều thường bị chặn, trừ khi các khiển bằng điện trường cực điều khiển (Base và được tạo bởi điện áp đưa Emitter) được phân cực vào các cực điều khiển. thuận. Vì vậy điều khiển là dòng Vì vậy điều khiển không có điện, và BJT bản chất là dòng điện và FET là dụng mạch khuếch đại dòng. cụ được điều khiển bằng điện áp. 11 BJT và FET (1/2) Điều khiển luồng [nước] Điều khiển luồng [nước] bằng sự thay đổi thế năng bằng thay đổi độ rộng kênh Luồng chất lỏng Luồng chất lỏng trong miền bị giới hạn Tăng thế năng làm dừng Độ rộng được điều khiển bằng “cổng” luồng chất lỏng Trạng thái OFF Trạng thái OFF 12 6
7. BJT và FET (2/2) Giảm thế năng cho phép Tăng độ rộng kênh làm cho luồng chất lỏng chảy chất lỏng chảy BJT, HBT FET Thế năng được điều khiển Độ rộng kênh dẫn được điều bằng điện áp nền-phát khiển bằng phân cực cổng 13 5.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của BJT 14 7
8. Giản đồ năng lượng của BJT NPN chưa phân cực (ở đkcb) • Nồng độ ND ở Emitter >> ND ở Collector • Không có dòng điện • 2 diode đấu ngược nhau 15 Giản đồ năng lượng của BJT khi được phân cực ở chế độ tích cực thuận, ở đó JE được phân cực thuận và JC được phân cực ngược. Phát (Emitter) Nền (Base) Thu (Collector) Dòng điện tử JE được phân cực thuận: • Điện tử được bơm từ E vào B. • Điện tử đi ngang miền nền vào miền thu. Độ rộng miền nền nhỏ hơn chiều dài khuếch tán LNđể điện tử có thể tới được JC JC được phân cực ngược: • Điện tử được kéo vào Dòng lỗ = dòng nền miền thu do điện trường ngược 16 8
9. • Các yêu cầu quan trọng đối với dụng cụ điện tử: – Hệ số KĐ cao và fanout lớn. – Ngõ vào nên được cách ly với ngõ ra • Nhắc lại tiếp xúc PN với phân cực thuận và phân cực ngược: – Dòng ngược tiếp xúc PN được tạo bởi hạt dẫn thiểu số – Dòng thuận tiếp xúc PN phụ thuộc vào sự phun hạt dẫn 17 Hệ số vận chuyển miền nền B và hiệu suất phát e • IC = B IEn • hiệu suất phát e • Tỉ số truyền đạt dòng điện 18 9
10. Độ lợi dòng  • Dòng nền được tạo bởi dòng lỗ được phun vào E (IEp) và dòng lỗ do tái hợp trong miền nền với các điện tử được phun vào từ E (= (1−B)IEn). Như vậy IB = IEp + (1 − B)IEn • Độ lợi dòng E chung  (có giá trị 50 200) và 19 Sự thay đổi trong dòng điện nền làm ảnh hưởng cường độ bơm hạt dẫn đa số và dòng thu trong BJT Collector (Thu) Base (Nền) Dòng thu IC Emitter Dòng nền IB (dẫn đến (Phát) thay đổi điện tích miền nền) 20 10
11. 5.2 Đặc tính tĩnh của BJT 21 Nếu ta giả sử rằng miền phát rộng và dùng phân tích 1 chiều để hiểu dụng cụ. Ta sẽ sử dụng các giả thiết đơn giản hóa sau. 1. Điện tử được bơm từ miền phát tiếp tục khuếch tán qua miền nền và điện trường trên miền nền đủ nhỏ để không có hiện tượng trôi. 2. Điện trường chỉ khác zero trong các miền nghèo và bằng zero trong các vật liệu khối. 3. Dòng bơm collector bỏ qua được khi BJT được phân cực ngược. 4. Qui ước ký hiệu mô tả điện áp: VBE= VB – VE, với VB và VE là điện thế đo được tại các cực B và E. TD: VBE > 0 nghĩa là VB > VE,. Tổng quát, có các dòng điện sau trong BJT: • Dòng [điện] nền IB: được tạo ra từ lỗ kết hợp với điện tử được bơm vào từ miền phát (Thành phần I) và lỗ được bơm qua tiếp xúc JE vào miền phát (Thành phần II). Một lần nữa ta bỏ qua JC với chế độ tích cực thuận. • Dòng [điện] phát IE: gồm dòng điện tử tái hợp với lỗ trong miền nền (III), dòng điện tử được bơm vào miền thu (IV), và dòng lỗ được bơm vào miền phát (II). 22 11
12. Thành phần dòng điện Dòng phát được bơm vào miền nền Dòng nền được bơm vào miền phát Dòng tái hợp trong miền nền Dòng lỗ được bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử được bơm qua tiếp xúc JC phân cực ngược Dòng điện tử đến từ miền phát Để có dụng cụ hiệu năng cao, ta cần gì? • Hiệu suất phát cao • Hệ số vận chuyển miền nền cao 23 Các dòng điện trong BJT N+PN • EBJ (JE)：Khuếch tán đa số −IEN −IEP c • CBJ(JC)：Trôi thiểu số −ICBO Rc  JC thu thập những điện tử từ E và tạo nên dòng ICN I CN I  Dòng nền CBO EC −Dòng tái hợp IBN b IBN Maj. Rb IEP IEN EB e 24 12
13. Các chế độ làm việc của BJT Common-emitter output characteristics (IC vs. VCE) Chế độ (Mode) Tiếp xúc emitter JE Tiếp xúc collector JC TẮT (CUTOFF) p/c ngược p/c ngược TÍCH CỰC thuận p/c thuận p/c ngược Forward ACTIVE TÍCH CỰC ngược p/c ngược p/c thuận Reverse ACTIVE BÃO HÒA (SATURATION) p/c thuận p/c thuận 25 Tóm tắt các chế độ làm việc của BJT Tích cực thuận Tích cực ngược Bão hòa Tắt IC = FIB IE = RIB Chú ý: • F = độ lợi dòng  thuận (đầu vào B, đầu ra C, JE được p/c thuận và JC được p/c ngược) • R = độ lợi dòng  ngược (đầu vào B, đầu ra E, JE được p/c ngược và JC được p/c thuận) 26 13
14. BT tại lớp 27 BJT NPN ở chế độ tích cực thuận. (a) nồng độ hạt dẫn cân bằng của điện tử và lỗ của các miền nghèo chuyển tiếp trong BJT NPN. (b) sự phân bố hạt dẫn thiểu số trong các miền phát, nền, và thu. 28 14
15. Giản đồ năng lượng và sự phân bố điện tích thiểu số trong BJT dưới các chế độ bão hòa, tích cực thuận và tắt. 29 Sự phân bố nồng độ hạt dẫn thiểu số • Dòng điện chính do điện tử từ miền phát vào miền nền (do thiết kế) do phân cực thuận và do khuếch tán hạt dẫn thiểu số qua miền nền  Có tái hợp (trong miền nền) làm giảm nồng độ điện tử  Miền nền được thiết kế ngắn (nhằm tối thiểu hóa sự tái hợp)  Miền phát được pha tạp chất rất nhiều (đôi khi trở thành suy biến) và miền nền được pha tạp chất ít. (NDE >> NAB) • Những dòng điện trôi thường nhỏ và bỏ qua được 30 15
16. Dòng khuếch tán đi qua miền nền • Khuếch tán điện tử qua miền nền được xác định bởi nồng độ tại JE • Dòng khuếch tán của điện tử đi qua miền nền (giả sử đường thẳng lý tưởng): AE=A=diện tích mặt cắt ngang của dụng cụ • Do sự tái hợp trong miền nền, dòng điện tại JE và dòng điện tại JC không bằng nhau và hiệu của chúng bằng dòng nền 31 Dòng [điện ở cực] thu • Điện tử khuếch tán qua miền nền vào JC lại được kéo qua miền nghèo của JC vào miền thu do phân cực ngược JC làm cho có điện thế cao tại C. với dòng bão hòa là và ta có thể viết lại dòng bão hòa như sau: • Chú ý rằng lý tưởng thì iC độc lập với vCB (điện áp phân cực JC) • Dòng bão hòa thì – tỉ lệ nghịch với W và tỉ lệ thuận với AE • Ta muốn có bề rộng miền nền ngắn và diện tích miền phát lớn để có dòng điện cao 2 – Phụ thuộc vào nhiệt độ do có số hạng ni 32 16
17. Dòng [điện] nền • Dòng nền iB được tạo nên từ 2 thành phần BE – Lỗ được bơm từ miền nền vào miền phát ( iB1=Ip ) – Lỗ tái hợp với các điện tử khuếch tán (từ E) vào miền nền và R phụ thuộc vào thời gian sống hạt dẫn thiểu số b ( iB2=IBE ) và điện tích Q ở miền nền là Do đó iB2 có trị • Dòng nền tổng cộng là 33 Hoạt động của BJT NPN ở chế độ tích cực v Dòng thu BE V T i C I Se v Dòng nền BE i C I S V T i B e   Dòng phát vBE  1  1 VT  iE iC iB iC  ISe iC IE    1 Chú ý: Với BJT-PNP, ta chỉ cần thay VBE bằng VEB 34 17
18. Mô hình tín hiệu lớn của BJT – NPN (chế độ KĐ) Large-signal equivalent-circuit models of the npn BJT operating in the active mode. 35 The pnp Transistor Current flow in an pnp transistor biased to operate in the active mode. 36 18
19. The pnp Transistor Two large-signal models for the pnp transistor operating in the active mode. 37 Summary of the BJT I-V Relationships in the Active Mode vBE vBE vBE VT iC IS VT iC IS VT iC ISe iB e iE e   Note : for pnp transitor, replace vBE for vEB iE iC iE iB 1 iE  1 iC iB iE  1 iB   iE VT 25mV  1 38 19
20. Ba cấu hình mắc BJT trong mạch (a) Three possible configurations under which a BJT can be used in circuits. (b) A schematic of the current-voltage characteristics of a BJT in the common-base and commonemitter configuration. 39 Common-emitter It is called the common-emitter configuration because (ignoring the power supply battery) both the signal source and the load share the emitter lead as a common connection point. 40 20
21. Common-collector It is called the common-collector configuration because both the signal source and the load share the collector lead as a common connection point. Also called an emitter follower since its output is taken from the emitter resistor, is useful as an impedance matching device since its input impedance is much higher than its output impedance. 41 Common-base This configuration is more complex than the other two, and is less common due to its strange operating characteristics. Used for high frequency applications because the base separates the input and output, minimizing oscillations at high frequency. It has a high voltage gain, relatively low input impedance and high output impedance compared to the common collector. 42 21
22. Dòng-áp: Mô hình Ebers-Moll The Ebers-Moll equivalent circuit of a bipolar transistor looks at the device as made up of two coupled diodes. 43 Dòng-áp: Mô hình Ebers-Moll 44 22