Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 2) - Hồ Trung Mỹ
ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT
BMĐT
GVPT: Hồ Trung Mỹ
Môn học: Dụng cụ bán dẫn
Chương 5
BJT
1
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
2
5.4 Thiết kế dụng cụ và
các tham số hiệu năng của dụng cụ
• Trong phần này ta sẽ khảo sát làm thế nào việc thiết kế
dụng cụ làm ảnh hưởng hiệu năng của BJT. Qua các
tham số hình học và vật liệu mà ta có thể điều khiển/kiểm
soát là nồng độ tạp chất, bề rộng miền nền, diện tích
dụng cụ, và trong 1 số trường hợp là sự lựa chọn dụng
cụ (TD: Si hoặc GaAs,...). Thường thì ta khó thay đổi hệ
thống vật liệu vì khó thay đổi công nghệ xử lý.
• Các tham số hiệu năng chính mà ta muốn cải thiện là độ
lợi dòng và tần số hoạt động của dụng cụ.
• Ta sẽ tập trung vào chế độ tích cực thuận của BJT NPN
để có
VBE >> VT và VBC >> VT
• Với BJT được thiết kế tốt, ta luôn có Wb << Lb
3
Hiệu suất phát
Theo định nghĩa:
IEN
1
IEP
IEP
IEN
e
1
(vì thực tế IEP << IEN)
IEN IEP
1
IEN
Theo phần chứng minh trước (5.3.1), ta có
IEN qA(DB/WB)nb0 exp(VBE/VT) + qA(W B/B) nb0 exp(VBE/VT)
IEN qA(DB/WB)nb0 exp(VBE/VT)
và
IEP qA(DE/LE) pe0 exp(VBE/VT)
Suy ra:
Như vậy muốn có hiệu suất phát 1, ta nên thiết kế dụng cụ có WB << LE
và peo << nbo. Suy ra ta cần có bề rộng miền nền nhỏ và pha tạp chất ở
E >> pha tạp chất ở B. Dĩ nhiên bề rộng miền nền cũng có giới hạn không
thể quá ngắn!
4
Hệ số vận chuyển miền nền
IC
Theo định nghĩa:
B
IEN
Với IC và IEN (từ 5.3.1)
IC = qA(DB/WB) nb0 exp(VBE/VT)
IEN qA(DB/WB)nb0 exp(VBE/VT) + qA(WB/2B)nb0 exp(VBE /VT)
(chú ý là thành phần thứ 2 ở IEN luôn luôn << thành phần 1)
Suy ra:
2
1
1
1
1 W
Bn
B
1
với WBn << LB
WB2n
WB2n
2L2B
2
2 LB
W
1
Bn
1
1
1
2DBB
2 LB
Chú ý: Hệ số vận chuyển miền nền B phụ thuộc vào bề rộng miền nền trung
hòa (WBn) chứ không phải bề rộng miền nền khi được chế tạo. Như vậy nó
phụ thuộc vào điều kiện phân cực. Điều này làm gây ra hiệu ứng Early mà ta
sẽ xét sau.
5
Độ lợi dòng và hỗ dẫn
Độ lợi dòng B chung:
2
WBn
1
IC
IE IEN IEP
BIEN
pe0
DE WB
eB 1
1
nb0 DB LE
2 LB
Suy ra để có được độ lợi dòng cao, cần có WB nhỏ, NAB thấp và NDE cao
Tỉ số của dòng thu IC trên dòng nền IB rất quan trọng vì người ta dùng dòng
nền để điều khiển dụng cụ.
Độ lợi dòng E chung (DC):
Từ biểu thức trên, ta thấy để có cao ta cần pha tạp chất cao ở miền phát và
bề rộng miền nền nhỏ. Một tham số quan trọng khác cho thấy hiệu năng của
dụng cụ là hỗ dẫn, nó mô tả việc điều khiển dòng ra (IC) bằng phân cực ngõ
vào (VBE). Hỗ dẫn có trị là
Hỗ dẫn của BJT rất cao so với FET có cùng kích thước.Điều này có được do
IC là hàm mũ theo VBE.
6
• Các tham số hiệu năng của BJT loại PNP:
IC
e
– Hiệu suất phát
IEp IEn
IC
– Hệ số vận chuyển miền nền
B
IEp
IC
– Độ lợi dòng B chung
eB
IE
– Độ lợi dòng E chung
IC
IB 1
7
5.5 Các hiệu ứng thứ cấp
• Điều chế miền nền-hiệu ứng Early
• Đánh thủng: xuyên qua và thác lũ
8
Điều chế miền nền
Dòng điện thu tỉ lệ nghịch với WBn (bề rộng miền nền trung hòa)
Miền nền
Tăng VCE làm giảm WBn
dòng IC tăng.
(base)
Khi thay đổi VCE WBn thay
đổi (điều chế miền nền)
Tăng
gradient
hạt dẫn
thiểu số
9
Điện áp Early VA
Nếu pha tạp chất sao
cho NDC << NAB bề
rộng miền nghèo ở JC
sẽ nằm bên phía miền
thu (Collector) điện
áp Early VA lớn.
Q
ICQ
Điện trở ra ro
-VA
VCE
VCEQ
Với VA = 50V đến 200V
10
Hiệu ứng Early
IC
Saturation region
Active region
VBE3
VBE2
VBE1
-VA
VCE
• Hiệu ứng Early
– Dòng điện trong miền tích cực (hơi) phụ thuộc vào VCE
– VA là tham số của BJT (50 đến 100) và được gọi là điện áp Early
– Do sự giảm bề rộng miền nghèo hiệu dụng WBn khi phân cực ngược tăng
– Làm xuất hiện thêm đại lượng điện áp Early trong phương trình dòng điện
– Độ dốc khác không nghĩa là điện trở KHÔNG phải vô hận.
11
Hiệu ứng Early
• Cái gì gây ra hiệu ứng Early?
– Tăng VCB làm cho bề rộng miền nghèo của JC tăng lên và
như vậy bề rộng miền nền giảm (điều chế miền nền)
– Bề rộng miền nền hiệu dụng WBn càng ngắn thì dn/dx
càng cao.
EBJ
CBJ
dn/dx
WBn
12
Đánh thủng trong BJT
Có 2 cơ chế đánh thủng quan trọng trong BJT:
(1) đánh thủng xuyên qua (punch-through breakdown)
(2) đánh thủng thác lũ (avalanche breakdown)
[tương tự với đánh thủng trong các chuyển tiếp PN]
13
• Đánh thủng xuyên qua (punch-through breakdown) xảy ra khi
điện áp phân cực ngược VBC lớn đến nỗi mà các miền ghèo của JE
và JC trộn lẫn nhau (WBn 0).
Độ cao của rào E-B với lỗ bị ảnh hưởng bởi VBC, nghĩa là sự tăng
nhỏ trong VBC cần cho sự tăng lớn ở IC.
VBC tăng
p+
n
p
Chú ý: Điện áp xuyên-qua thường
lớn hơn nhiều điện áp đánh thủng
thác lũ
• Cơ chế đánh thủng thác lũ (avalance breakdown) trong BJT phụ
thuộc vào cấu hình mạch (CE hay CB).
14
• Với cấu hình CB, đánh thủng thác lũ trong JC (E hở) BVBC có được
từ điện trường (đánh thủng) cực đại EBR (~300 kV/cm với Si và
400 kV/cm với GaAs):
• Sự tăng dòng điện do điện áp BVBC cao hơn được phản ánh qua hệ
số nhân (multiplication factor) MCB trong biểu thức dòng điện.
Nó bằng trong các điều kiện làm việc bình thường, và lớn hơn 1
khi đánh thủng thác lũ xảy ra.
• Khi cực E hở, hệ số nhân của JC là :
1
VBC m
b
MCB 1
BV
BC
15
• Với cấu hình CE, điện áp đánh thủng CE là BVEC có liên hệ với
với BVBC:
IE IC
Cấu hình B hở
M BC IBC0
IC M BC dc IE IBC0 IC
M EC IEC0
1 dcM BC
M BC (1 dc )
1 dcM BC
1/ m
b
M EC
BVEC BVBC 1 dc
Phải nhỏ hơn nhiều BVBC
do hoạt động của BJT.
50
40
30
20
10
MEC
MBC
Điện áp ngược
20
40
16
IC
IC
VEC
BVEC0
VBC
BVBC0
Đặc tuyến ra CB
Đặc tuyến ra CE
17
Avalanche breakdown related characteristics of a bipolar transistor in the commonbase
and common-emitter configurations.
18
Transistor (NPN) Voltage Ratings
Rating
Description
2N3904
VCBO
VCB with emitter circuit open
60 Vdc
VCEO
VEBO
VCE with base circuit open
40 Vdc
6 Vdc
VEB with collector circuit open
o = with the 3rd terminal open circuit
s = with the 3rd terminal short circuit (usually B and E)
x = with some specified circuit conditions
19
5.5 Các đặc tuyến của BJT
• Đặc tuyến vào
• Đặc tuyến ra
• Đặc tuyến truyền đạt
• Các giới hạn hoạt động với BJT
20
Tải về để xem bản đầy đủ
47 trang
25720
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 5: BJT (Phần 2) - 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_phan_2_ho_trung_my.pdf
