Bài giảng Điện tử viễn thông - Các linh kiện bán dẫn - Lại Nguyễn Duy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNGBỘ MƠN: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNGCÁC LINH KIỆN BÁN DẪN30/09/20211Lại Nguyễn DuyBộ Mơn Điện Tử Viễn ThơngEmail: lainguyenduy@hcmutrans.edu.vn30/09/202121. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện. 2. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu. 3. Diode bán dẫn. 4. Transistor 2 cực tính (BJT – Bipolar Junction Transistor).5. Transistor trường (FET: Field Effect Transistor).3Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện1. Mạng tinh thể và liên kết hố trị. 2. Điện tử tự do và lỗ trống – bán dẫn loại i. 3. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. 4. Chuyển động trơi và khuếch tán của hạt dẫn.Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện4Mạng tinh thể và liên kết hố trịSi hay Ge cĩ 4 điện tử hố trị. Cần liên kết ->cĩ 8 điện tử, và trở thành bền vững ->bán dẫn thuần khiết – bán dẫn loại iChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện5Năng lượngVùng 1Vùng 2Vùng hĩa trịVùng dẫnKhe năng lượngKhơng cĩ e-e-Điện tử tự do và lỗ trống Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện6Năng lượngVùng 1Vùng 2Vùng hĩa trịVùng dẫne-Lỗ trốngNăng lượng toGiản đồ năng lượngĐiện tử tự do và lỗ trống Điện tử và lỗ trống được gọi là hạt dẫnChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện7Dịng e và lỗ trống Ve-Lỗ trốngDịng e-Dịng lỗ trốngChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện8Chất bán dẫn, chất dẫn và chất cách điệnVùng dẫnVùng hĩa trịNăng lượngVùng dẫnKhe năng lượngVùng hĩa trịNăng lượngVùng dẫnKhe năng lượngVùng hĩa trịNăng lượngChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện9* Bán dẫn loại N - Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết với As (đối với Ge) hoặc P (đối với Si). - As/P cĩ 5 điện tử ở lớp ngồi cùng. Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với các nguyên tử xung quanh và hạt nhân nên dễ trở thành hạt dẫn tự do. Nguyên tử tạp chất lúc này thành ion dương. - Khi cĩ điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động cĩ hướng tạo thành dịng điện. Tạp chất nhĩm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho. - Trong chất bán dẫn loại N, ne > pe, điện tử là hạt dẫn đa số và lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện30/09/202110* Bán dẫn loại P- Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết với In (đối với Ge) hoặc B (đối với Si). - B/In cĩ 3 điện tử ở lớp ngồi cùng. Khi tham gia liên kết với các nguyên tử khác, liên kết thứ 4 bị bỏ hở. Khi cĩ kích thích 1 trong những điện tử ở các mối liên kết hồn chỉnh sẽ đến thế chỗ vào liên kết nĩi trên. Nguyên tử tạp chất lúc này thành ion âm và lỗ trống xuất hiện.- Khi cĩ điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động cĩ hướng tạo thành dịng điện. Tạp chất nhĩm 3 tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất nhận. - Trong chất bán dẫn loại P, pe > ne, lỗ trống là hạt dẫn đa số và điện tử là hạt dẫn thiểu số. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện11Chuyển động trơi và khuếch tán của hạt dẫnChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện* Chuyển động trơiChuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường gọi là chuyển động trơi.Chuyển động trơi tạo thành dịng điện trơi.* Chuyển động khuếch tán - Dịng chuyển động khuếch tán xảy ra khi cĩ sự phân bố khơng đều đồng nồng độ hạt dẫn trong một khối thể tích, khuếch tán từ nơi cĩ nồng độ cao –thấp. Dịng điện do chuyển động cĩ hướng này gây ra được gọi là dịng điện khuếch tán. 121. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng.2. Chuyển tiếp P – N khi cĩ điện áp ngồi & Đặc tính chỉnh lưu. 3. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N (đọc giáo trình).Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưuChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu13Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng- Trước tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn cân bằng về điện tích. - Khi tiếp xúc, do chênh lệch nồng đồ nên lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán N -> P. - Trên đường khuếch tán, các hạt dẫn trái dấu tái hợp làm tại bề mặt ranh giới, nồng độ hạt giảm rất thấp: bên P chỉ cịn lại các ion âm, N cịn lại các ion dương. Xuât hiện hiệu điện thế và điện trường tiếp xúc. Vùng hẹp gọi là vùng nghèo. - Do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên lỗ trống từ N chạy sang P và điện tử từ P chạy sang N tạo thành dịng điện trơi, ngược chiều với dịng khuếch tán. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu14Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng (tt)- Nồng độ hạt dẫn đa số trong 2 khối càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán và tái hợp càng nhiều => điện trường tiếp xúc càng tăng nên dịng điện trơi cũng tăng. Sau 1 thời gian dịng khuếch tán và dịng trơi cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dịng qua mặt ranh giới bằng 0. Chuyển tiếp P – N đạt trạng thái cân bằng. - Ứng với trạng thái cân bằng thì hiệu điện thế tiếp xúc giữa P và N cĩ giá trị nhất định. Thơng t hường là 0.3 V đối với Ge và 0.7V đối với Si. Hiệu điện thế này ngăn khơng cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng gọi là “hàng rào điện thế”. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu15Chuyển tiếp P – N khi phân cực nghịch- Giả thiết điện trở chất bán dẫn ở vùng trung hồ là khơng đáng kể. Khi đĩ điện áp V gần như đặt tồn bộ lên vùng nghèo, chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc. Tình trạng cân bằng khơng cịn. Điện trường E do V gây ra cùng chiều Etx làm hạt dẫn đa số của 2 bán dẫn xa khỏi mặt ranh giới đi về 2 phía. => Vùng nghèo bị mở rộng và điện trở vùng nghèo tăng. - Hàng rào điện thế trở thành V + Vtx khiến dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm rất nhỏ cịn dịng trơi của hạt dẫn tăng theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số rất nhỏ nên trị số dịng này rất thấp. Nĩ nhanh chĩng đạt trạng thái bão hồ khi V cịn rất thấp. Dịng điện qua chuyển tiếp P – N rất bé và mang dấu âm I = -Is. Is là dịng ngược bão hồ.Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu16Chuyển tiếp P – N khi phân cực thuận- Trong trường hợp này hàng rào điện thế chỉ cịn Vtx – V nên hạt dẫn đa số của 2 bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện . Tình trạng thiếu hạt dẫn bị giảm bớt nên bề dày vùng nghèo bị thu hẹp và điện trở vùng nghèo giảm. Dịng khuếch tán tăng nhanh theo V cịn dịng điện trơi giảm theo V. Dịng điện trơi rất bé và coi như khơng đổi. Dịng qua chuyển tiếp P – N lúc này là dịng điên thuận và lớn hơn rất nhiều so với dịng điện ngược. - Khi V càng tăng, bề dày vùng nghèo càng giảm và hàng rào thế càng giảm. Khi V = Vtx thì dịng thuận vơ cùng lớn, phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là hiện tượng cần tránh. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu17Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưuĐặc tính chỉnh lưu- Chuyển tiếp P – N là bộ phận quan trọng nhất của 2 bán dẫn khác loại. Khi phân cực thuận, vùng nghèo nhỏ, điện trở thấp và dịng điện lớn và tăng nhanh theo điện áp. Khi phân cực ngược, điện trở rất lớn, dịng rất nhỏ và hâu như khơng thay đổi theo V. - Khi cĩ điện áp xoay chiều đặt vào thì nĩ chủ yếu dẫn điện theo 1 chiều. Đĩ là đặc tính chỉnh lưu.18Phần 3: Diode bán dẫn1. Diode chỉnh lưu. 2. Diode zener.3. Diode biến dung (đọc giáo trình).4. Diode tunnel (đọc giáo trình).19Cấu tạo: PA +NK -Lớp Tiếp Giáp P-NChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDIODE CHỈNH LƯU20Ký hiệu và hình dángDAK+Vạch màu trắng (Cực âm)Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDIODE CHỈNH LƯU21- Bộ phận cơ bản của diode là chuyển tiếp P – N, cĩ đặc tính chủ yếu là dẫn điện theo 1 chiều. - Ứng dụng: biến điện xoay chiều thành điện 1 chiều nên cĩ tên là diode chỉnh lưu. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDIODE CHỈNH LƯU22* Đặc tuyến Volt - Ampere - Khi điện áp thuận nhỏ hơn V = 0.7V (đối với Ge là 0.3V) thì dịng điện thuận cịn bé, chưa đáng kể. Chỉ khi điện áp vượt quá điện áp mở V thì dịng điện mới tăng nhanh theo điện áp. Đoạn đặc tuyến này gần như 1 đường thẳng cĩ độ dốc khơng đổi. - Dịng điện ngược cĩ giá trị rất nhỏ. Khi điện áp ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến điện áp đánh thủng VB thì dịng điện ngược tăng rất nhanh. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDIODE CHỈNH LƯU23Các loại Diode khác Diode zener2. Diode biến dung (đọc giáo trình). 3. Diode tunnel (đọc giáo trình).Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn24Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDiode zener* Cấu tạo: - Vẫn là chuyển tiếp P – N nhưng được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và toả nhiệt tốt, do đĩ khi cĩ điện áp ngược đủ lớn để xảy ra quá trình đánh thủng về điện (khơng xảy ra quá trình đánh thủng về nhiệt) vẫn khơng phá hỏng diode. * Đặc tuyến Volt – Ampere- Điện áp trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục dịng điện nên diode zener thường được dùng để ổn định áp. 25Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDiode zener (tt)- Giới hạn trên của phạm vi làm việc là trị số dịng ngược tối đa cho phép, xác định bởi cơng suất tiêu hao cực đại của diode Pmax.- Mạch ổn áp dùng zener: 26Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)1. Cấu tạo 2. Nguyên lý hoạt động.3. Ba sơ đồ cơ bản của BJT. 4. Đặc tuyến Volt – Ampere. 5. Các tham số giới hạn của BJT. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)27Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Loại NPNLoại PNPCCEBBECấu tạo28Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Nguyên lý hoạt động của BJT- Ban đầu khi khơng cĩ 2 nguồn E1 và E2 tác dụng, nhờ hàng rào điện thế duy trì trạng thái cân bằng của các chuyển tiếp. - Khi nguồn E2 tác dụng, JC bị phân cực nghịch, hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc tăng lên, xuất hiện dịng ICBO. - Khi thêm nguồn E1 tác dụng, JE phân cực thuận. Hàng rào điện thế hạ thấp khiến điện tử từ miền N+ tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn qua miền N+ . 29Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Nguyên lý hoạt động của BJT (tt)- Do chênh lệch nồng độ nên các hạt dẫn tiếp tục khuếch tán.Trên đường khuếch tán chỉ 1 bộ phận nhỏ bị tái hợp, cịn đa số vẫn đến được miền N. Khi đến JC, do tác dụng của điện trường, các điện tử nĩi trên bị hút về phía collector tạo nên dịng điện trong mạch collector. .Ic= IE + ICBO 30Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)* Dịng của transistorIBIEICPNNIBIEICNPPIEIEIBIBICICIB31Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)* Các thơng số của transistor20 ÷ 200 cịn được gọi là hfe trong data sheet0.95 ÷ 0.99hệ số truyền đạt dịng điện pháthệ số khuếch đại dịng điện 32Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Ba sơ đồ cơ bản của BJTMạch base chungDịng điện vào: IE.Dịng điện ra: IC.Điện áp vào: VEB. Điện áp ra: VCB. 33Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Ba sơ đồ cơ bản của BJT(tt)Mạch emitter chungDịng điện vào: IB.Dịng điện ra: IC.Điện áp vào: VBE. Điện áp ra: VCE. 34Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Ba sơ đồ cơ bản của BJT(tt)Mạch collector chung35Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Đặc tuyến Volt – Ampere của mạch EC* Đặc tuyến vào: * Đặc tính truyền đạt dịng điện 36Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Đặc tuyến Volt – Ampere của mạch EC (tt)* Đặc tuyến ra:37Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 	Dịng điện cực đại IEmax, IBmax, ICmax 	Điện áp cực đại VCBmax, VCEmax, VBEmax 	Cơng suất tiêu tán cực đại PC.max  	Tần số giới hạnCác tham số giới hạn của BJT38Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Phần 5: Transistor trường (FET)1. Transistor trường dùng chuyển tiếp P – N (JFET). 2. Transistor trường cĩ cực cửa cách ly (MOSFET) (đọc giáo trình). 39Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)JFET: Junction field – Effect TransistorNPPKênh dẫnSourceGateDrainPNNKênh dẫnSourceGateDrainKênh dẫn loại NKênh dẫn loại P40Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Cấu tạo JFETXét JFET loại N: Thỏi bán dẫn Si cĩ nồng độ tạp tương đối thấp, gắn với 2 sợi dây kim loại: đáy trên – cực D; đáy dưới – cực S. Bao quanh hỏi bán dẫn loại N là lớp bán dẫn loại P, hình thành chuyển tiếp P – N. Phần thể tích cịn lại của thỏi Si là kênh dẫn. Lớp bán dẫn loại P được gắn 1 sợi dây kim loại – cực G. 41Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Nguyên tắc hoạt động của JFET- ED, thơng qua RD, đặt điện áp VDS giữa cực D và cực S, gây ra dịng chuyển động qua kênh dẫn của điện tử, tạo nên dịng máng ID. - EG tạo điện áo giữa cực G và cực S, làm chuyển tiếp P – N bị phân cực nghịch, bề dày vùng nghèo tăng lên, thu hẹp diện tích kênh dẫn. - Nếu giữ ED khơng đổi, tăng giá trị EG, tình trạng phân cực nghịch P – N sẽ ngày càng tăng: vùng nghèo mở rộng, kênh dẫn thu hẹp, ID càng giảm. 42Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Đặc tuyến Volt - Ampere của JFET* Đặc tuyến ra * Đặc tuyến truyền đạtSơ đồ tương đương của JFETgm: hỗ dẫn : hệ số khuếch đạiChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 5: Transistor trường (FET)Nếu cĩ tải mắc giữa 2 cực D – S thì dịng điện tải là: => VDS = - VDS + iDrD43HỎI VÀ TRẢ LỜI30/09/202144CHÂN THÀNH CÁM ƠN!30/09/202145