Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lại Nguyễn Duy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP HỒ CHÍ MINHKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNGBỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNGCÁC LINH KIỆN BÁN DẪN08/09/20211Lại Nguyễn DuyBộ Môn Điện Tử Viễn ThôngEmail: lainguyenduy@hcmutrans.edu.vn08/09/202121. 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 hoá 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 trôi 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 hoá trịSi hay Ge có 4 điện tử hoá trị. Cần liên kết ->có 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 hóa trịVùng dẫnKhe năng lượngKhông có 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 hóa 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 điện7Dòng e và lỗ trống Ve-Lỗ trốngDòng e-Dòng 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 hóa trịNăng lượngVùng dẫnKhe năng lượngVùng hóa trịNăng lượngVùng dẫnKhe năng lượngVùng hóa 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 có 5 điện tử ở lớp ngoài 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 có điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Tạp chất nhóm 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 điện08/09/202110* 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 có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng. Khi tham gia liên kết với các nguyên tử khác, liên kết thứ 4 bị bỏ hở. Khi có kích thích 1 trong những điện tử ở các mối liên kết hoàn chỉnh sẽ đến thế chỗ vào liên kết nói trên. Nguyên tử tạp chất lúc này thành ion âm và lỗ trống xuất hiện.- Khi có điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện. Tạp chất nhóm 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 trôi và khuếch tán của hạt dẫnChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện* Chuyển động trôiChuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường gọi là chuyển động trôi.Chuyển động trôi tạo thành dòng điện trôi.* Chuyển động khuếch tán - Dòng chuyển động khuếch tán xảy ra khi có sự phân bố không đều đồng nồng độ hạt dẫn trong một khối thể tích, khuếch tán từ nơi có nồng độ cao –thấp. Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra được gọi là dòng điện khuếch tán. 121. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng.2. Chuyển tiếp P – N khi có điện áp ngoài & 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 còn lại các ion âm, N còn 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 dòng điện trôi, ngược chiều với dòng 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 dòng điện trôi cũng tăng. Sau 1 thời gian dòng khuếch tán và dòng trôi cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng 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 có giá trị nhất định. Thông t hường là 0.3 V đối với Ge và 0.7V đối với Si. Hiệu điện thế này ngăn không 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 hoà là không đáng kể. Khi đó điện áp V gần như đặt toàn bộ lên vùng nghèo, chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc. Tình trạng cân bằng không còn. 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 dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm rất nhỏ còn dòng trôi của hạt dẫn tăng theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số rất nhỏ nên trị số dòng này rất thấp. Nó nhanh chóng đạt trạng thái bão hoà khi V còn rất thấp. Dòng điện qua chuyển tiếp P – N rất bé và mang dấu âm I = -Is. Is là dòng ngược bão hoà.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 còn 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. Dòng khuếch tán tăng nhanh theo V còn dòng điện trôi giảm theo V. Dòng điện trôi rất bé và coi như không đổi. Dòng qua chuyển tiếp P – N lúc này là dòng điên thuận và lớn hơn rất nhiều so với dòng điện ngược. - Khi V càng tăng, bề dày vùng nghèo càng giảm và hàng rào thế càng giảm. Khi V = Vtx thì dòng thuận vô 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 dòng điện lớn và tăng nhanh theo điện áp. Khi phân cực ngược, điện trở rất lớn, dòng rất nhỏ và hâu như không thay đổi theo V. - Khi có điện áp xoay chiều đặt vào thì nó chủ yếu dẫn điện theo 1 chiều. Đó 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 -Lôùp Tieáp Giaùp P-NChương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫnDIODE CHỈNH LƯU20Kyù hieäu vaø hình daùngDAK+Vaïch maøu traéng (Cöïc aâm)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, có đặc tính chủ yếu là dẫn điện theo 1 chiều. - Ứng dụng: biến điện xoay chiều thành điện 1 chiều nên có 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 dòng điện thuận còn bé, chưa đáng kể. Chỉ khi điện áp vượt quá điện áp mở V thì dòng điện mới tăng nhanh theo điện áp. Đoạn đặc tuyến này gần như 1 đường thẳng có độ dốc không đổi. - Dòng điện ngược có giá trị rất nhỏ. Khi điện áp ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến điện áp đánh thủng VB thì dòng 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 đó khi có điện áp ngược đủ lớn để xảy ra quá trình đánh thủng về điện (không xảy ra quá trình đánh thủng về nhiệt) vẫn không phá hỏng diode. * Đặc tuyến Volt – Ampere- Điện áp trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục dòng 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 dòng ngược tối đa cho phép, xác định bởi công 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 không có 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 dòng 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, còn đa số vẫn đến được miền N. Khi đến JC, do tác dụng của điện trường, các điện tử nói trên bị hút về phía collector tạo nên dòng điện trong mạch collector. .Ic= IE + ICBO 30Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)* Dòng của transistorIBIEICPNNIBIEICNPPIEIEIBIBICICIB31Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)* Các thông số của transistor20 ÷ 200 còn được gọi là hfe trong data sheet0.95 ÷ 0.99hệ số truyền đạt dòng điện pháthệ số khuếch đại dòng điện 32Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT)Ba sơ đồ cơ bản của BJTMạch base chungDòng điện vào: IE.Dòng 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 chungDòng điện vào: IB.Dòng 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 dòng 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) Dòng điện cực đại IEmax, IBmax, ICmax  Điện áp cực đại VCBmax, VCEmax, VBEmax  Công 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 có 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 có 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 còn 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, thông qua RD, đặt điện áp VDS giữa cực D và cực S, gây ra dòng chuyển động qua kênh dẫn của điện tử, tạo nên dòng 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 không 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 có tải mắc giữa 2 cực D – S thì dòng điện tải là: => VDS = - VDS + iDrD43HOÛI VAØ TRAÛ LÔØI08/09/202144CHAÂN THAØNH CAÙM ÔN!08/09/202145