Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ
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
Field Effect Transistors
Bipolar transistors
NPN,PNP
Junction-FETs (JFETS)
N-channel, P-channel
Insulated Gate FET’s
MOSFETs
Enhancement, Depletion
N-channel, P-channel
2
BJT
• Giới thiệu
• Bức tranh ý niệm
• Đặc tính tĩnh của BJT
• Các tham số hiệu năng của dụng cụ
• 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, …
• Thyristor
3
5.1 Giới thiệu
• BJT được phát minh vào năm 1947 do William Shockley, John
Bardeen và Walter Brattain tại Bell Labs (Mỹ)
• BJT=Bipolar Junction Transistor và 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: Khuếch đại dòng/áp/công suất tín hiệu, 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
4
CS lớn và độ tích hợp nhỏ trong IC.
BJT
Original
point-contact
transistor
(1947)
Inventors of the transistor:
William Shockley, John Bardeen
and Walter Brattain.
They received Nobel Prize in Physics in 1956 "for their researches on semiconductors and
their discovery of the transistor effect"
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
VBC = VB – VC
VCE = VC – VE
= VCB - VEB
VCB = VC – VB
VEC = VE – VC
= VEB - VCB
IE = IB + IC
Hình 5.1 Ký hiệu của hai loại BJT
6
Cấu trúc của BJT
• 3 miền được pha tạp chất riêng:
– Miền phát (E = Emitter)
– Miền nền (B = Base)
– Miền thu (C = Collector)
• 2 chuyển tiếp P-N
– Chuyển tiếp PN giữa B và E (gọi là JE hay EBJ)
– Chuyển tiếp PN giữa B và C (gọi là JC hay CBJ)
• Nồng độ tạp chất ở các miền khác nhau:
– Nồng độ tạp chất ở E > B > C (TD: n+-p-n, p+-n-p)
• Bề rộng của miền nền nhỏ so với chiều dài khuếch tán của
hạt dẫn thiểu số
7
Transistor Outlines (TO)
For some transistors, the pin function can be identified from
packaging:
8
Types of transistors
Base
Emitter
• Discrete (double-
diffused) p+np transistor
5 mm
200 mm
Collector
• Integrated-circuit n+pn
transistor
6 mm
200 mm
9
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
10
• BJTs are usually constructed vertically
– Controlling depth of the emitter’s n doping sets the
base width
11
Bức tranh ý niệm
So sánh BJT và FET
BJT
Dụng cụ dựa trên diode mà Sự dẫn điện được điều
thường bị chặn, trư khi các khiển bằng điện trường
FET
̀
cực điều khiển (Base va
Emitter) được phân cực
thuận.
̀
được tạo bởi điện áp đưa
vào các cực điều khiển.
Vì vậy điều khiển là dòng
điện, va BJT bản chất là
mạch khuếch đại dòng.
Vì vậy điều khiển không có
dòng điện và FET là dụng
cụ được điều khiển bằng
điện áp.
̀
12
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
luồng chất lỏng
Độ rộng được điều khiển bằng “cổng”
Trạng thái OFF
Trạng thái OFF
13
BJT và FET (2/2)
Giảm thế năng cho phép
Tăng độ rộng kênh làm cho
chất lỏng chảy
luồng chất lỏng chảy
BJT, HBT
FET
Thế năng được điều khiển
bằng điện áp nền-phát
Độ rộng kênh dẫn được điều
khiển bằng phân cực cổng
Hình 5.2 Các cách điều khiển luồng nước (dòng điện) trong BJT và FET
14
5.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của BJT
• BJT dùng 2 chuyển tiếp PN mắc ngược nhau để có hệ số
khuếch đại cao và hoạt động tần số cao. Hình sau cho thấy cấu
tạo của BJT NPN và mặt cắt của nó.
a) Cấu tạo của BJT
15
b) Mặt cắt ngang được đơn giản hóa của BJT
Hình 5.3 Cấu tạo của BJT
16
Giản đồ năng lượng của BJT NPN
chưa phân cực (ở đkcb)
• Nồng độ ND ở Emitter (Nde) >> ND ở Collector (Ndc)
• Không có dòng điện
• 2 diode đấu ngược nhau
Để hiểu làm thế nào BJT có độ lợi, ta xét BJT NPN ở chế độ
tích cực thuận, nghĩa là chuyển tiếp JE được phân cực thuận
và chuyển tiếp JC được phân cực ngược. Khi đó nó có giản
đồ năng lượng như sau:
17
Giản đồ năng lượng của BJT khi được phân cực ở chế độ tích
cực thuận với JE được phân cực thuận và JC được phân cực
ngược.
Phát (Emitter)
Dòng điện tử
Nền (Base)
Thu (Collector)
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
miền thu do điện trường
ngược
Dòng lỗ = dòng nền
Hình 5.4 Giản đồ năng lượng của BJT NPN ở chế độ tích cực thuận.
18
• Các yêu cầu quan trọng đối với dụng cụ điện tử:
– Hệ số khuếch đại (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
• Chú ý là bề rộng miền nền WB rất nhỏ hơn nhiều chiều dài
khuếch tán điện tử trong miền nền bán dẫn P. Để cho khi điện
tử được bơm vào từ miền phát, hầu hết chúng đi qua miền nền
và không tái hợp với lỗ. Và một khi đến miền thu thì chịu tác
dụng của điện trường mạnh (do phân cực ngược JC) làm cho
nó đi đến cực thu và tạo nên dòng điện thu.
• Ta nên nhớ rằng nếu diode do chuyển tiếp JE được pha bất đối
xứng (p-n+), dòng phân cực thuận chủ yếu được tạo ra từ sự
bơm điện tử vào miền P. Dòng phân cực thuận này cũng bị
thay đổi bởi sự thay đổi rất nhỏ trong điện áp phân cực thuận vì
dòng điện phụ thuộc vào điện áp phân cực thuận theo hàm mũ.
19
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
– Chú ý: Hệ số vận chuyển miền nền còn được gọi là hệ
số truyền đạt miền nền
20
Tải về để xem bản đầy đủ
51 trang
21740
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 1) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_5_bjt_ho_trung_my.pdf
