Giáo trình Linh kiện điện tử - Trương Văn Tám (Phần 2)

103 trang phuongnguyen 7830

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Linh kiện điện tử - Trương Văn Tám (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_linh_kien_dien_tu_truong_van_tam_phan_2.pdf

Nội dung text: Giáo trình Linh kiện điện tử - Trương Văn Tám (Phần 2)

Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chương V TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR-BJT) I. CẤU TẠO CƠ BẢN CỦA BJT Transistor lưỡng cực gồm cĩ hai mối P-N nối tiếp nhau, được phát minh năm 1947 bởi hai nhà bác học W.H.Britain và J.Braden, được chế tạo trên cùng một mẫu bán dẫn Germanium hay Silicium. Hình sau đây mơ tả cấu trúc của hai loại transistor lưỡng cực PNP và NPN. E C Cực phát Cực thu E n+ p n- C Emitter Collecter B B Cực nền (Base) Transistor PNP E C Cực phát Cực thu E p+ n p- C Emitter Collecter B B Cực nền (Base) Transistor NPN Hình 1 Ta nhận thấy rằng, vùng phát E được pha đậm (nồng độ chất ngoại lai nhiều), vùng nền B được pha ít và vùng thu C lại được pha ít hơn nữa. Vùng nền cĩ kích thước rất hẹp (nhỏ nhất trong 3 vùng bán dẫn), kế đến là vùng phát và vùng thu là vùng rộng nhất. Transistor NPN cĩ đáp ứng tần số cao tốt hơn transistor PNP. Phần sau tập trung khảo sát trên transistor NPN nhưng đối với transistor PNP, các đặc tính cũng tương tự. II. TRANSISTOR Ở TRẠNG THÁI CHƯA PHÂN CỰC. Ta biết rằng khi pha chất cho (donor) vào thanh bán dẫn tinh khiết, ta được chất bán dẫn loại N. Các điện tử tự do (cịn thừa của chất cho) cĩ mức năng lượng trung bình ở gần dải dẫn điện (mức năng lượng Fermi được nâng lên). Tương tự, nếu chất pha là chất nhận (acceptor), ta cĩ chất bán dẫn loại P. Các lỗ trống của chất nhận cĩ mức năng lượng trung bình nằm gần dải hố trị hơn (mức năng lượng Fermi giảm xuống). Trang 61 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi nối P-N được xác lập, một rào điện thế sẽ được tạo ra tại nối. Các điện tử tự do trong vùng N sẽ khuếch tán sang vùng P và ngược lại, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N. Kết quả là tại hai bên mối nối, bên vùng N là các ion dương, bên vùng P là các ion âm. Chúng đã tạo ra rào điện thế. Hiện tượng này cũng được thấy tại hai nối của transistor. Quan sát vùng hiếm, ta thấy rằng kích thước của vùng hiếm là một hàm số theo nồng độ chất pha. Nĩ rộng ở vùng chất pha nhẹ và hẹp ở vùng chất pha đậm. Hình sau đây mơ tả vùng hiếm trong transistor NPN, sự tương quan giữa mức năng lượng Fermi, dải dẫn điện, dải hố trị trong 3 vùng, phát nền, thu của transistor. n+ p n- Vùng phát Vùng nền Vùng thu Vùng hiếm E(eV) n+ Vùng phát p Vùng nền n- Vùng thu Dải dẫn điện Mức Fermi tăng cao Mức Fermi giảm Mức Fermi tăng nhẹ Dải hố trị Dải dẫn điện (Conductance band) Mức Fermi xếp thẳng Dải hố trị (valence band) Hình 2 Trang 62 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử III. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC. Trong ứng dụng thơng thường (khuếch đại), nối phát nền phải được phân cực thuận trong lúc nối thu nền phải được phân cực nghịch. Vì nối phát nền được phân cực thuận nên vùng hiếm hẹp lại. Nối thu nền được phân cực nghịch nên vùng hiếm rộng ra. Nhiều điện tử từ cực âm của nguồn VEE đi vào vùng phát và khuếch tán sang vùng nền. Như ta đã biết, vùng nền được pha tạp chất ít và rất hẹp nên số lỗ trống khơng nhiều, do đĩ lượng lỗ trống khuếch tán sang vùng phát khơng đáng kể. Mạch phân cực như sau: Phân cực thuận Phân cực nghịch Dịng điện tử n+ p n- IE IC RE RC IB Dịng điện tử VEE VCC Hình 3 Do vùng nền hẹp và ít lỗ trống nên chỉ cĩ một ít điện tử khuếch tán từ vùng phát qua tái hợp với lỗ trống của vùng nền. Hầu hết các điện tử này khuếch tán thẳng qua vùng thu và bị hút về cực dương của nguồn VCC. Các điện tử tự do của vùng phát như vậy tạo nên dịng điện cực phát IE chạy từ cực phát E. Các điện tử từ vùng thu chạy về cực dương của nguồn VCC tạo ra dịng điện thu IC chạy vào vùng thu. Mặt khác, một số ít điện tử là hạt điện thiểu số của vùng nền chạy về cực dương của nguồn VEE tạo nên dịng điện IB rất nhỏ chạy vào cực nền B. Như vậy, theo định luật Kirchoff, dịng điện IE là tổng của các dịng điện IC và IB. Ta cĩ: I E = IC + I B Trang 63 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dịng IB rất nhỏ (hàng microampere) nên ta cĩ thể coi như: IE # IC IV. CÁC CÁCH RÁP TRANSISTOR VÀ ĐỘ LỢI DỊNG ĐIỆN. Khi sử dụng, transistor được ráp theo một trong 3 cách căn bản sau: − Ráp theo kiểu cực nền chung (1) − Ráp theo kiểu cực phát chung (2) − Ráp theo kiểu cực thu chung (3) IE IC IC IB ra vào ra vào Kiểu cực nền chung Kiểu cực phát chung IE IB Hình 4 vào ra Kiểu cực thu chung Trong 3 cách ráp trên, cực chung chính là cực được nối mass và dùng chung cho cả hai ngõ vào và ngõ ra. Trong mỗi cách ráp, người ta định nghĩa độ lợi dịng điện một chiều như sau: Dòng điện ngỏ ra Độ lợi dòng điên = Dòng điện ngỏ vào Độ lợi dịng điện của transistor thường được dùng là độ lợi trong cách ráp cực phát chung và cực nền chung. Độ lợi dịng điện trong cách ráp cực phát chung được cho bởi: Trang 64 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC h FE ≈ βDC = I B Như vậy: IC = βDC.IB Nhưng: IE = IC + IB = βDC.IB+IB ⇒ IE = (βDC + 1).IB Độ lợi dịng điện trong cách ráp cực nền chung được cho bởi: IC h FB ≈ α DC = I E βDC cĩ trị số từ vài chục đến vài trăm, thậm chí cĩ thể lên đến hàng ngàn. αDC cĩ trị từ 0,95 đến 0,999 tuỳ theo loại transistor. Hai thơng số βDC và αDC được nhà sản xuất cho biết. Từ phương trình căn bản: IE = IC + IB Ta cĩ: IC = IE – IB Chia cả hai vế cho IC, ta được: I I 1 1 1 = E − B = − IC IC IC IC I E I B 1 1 Như vậy: 1 = − α DC β DC Giải phương trình này để tìm βDC hay αDC, ta được: α DC βDC βDC = và α DC = 1− α DC 1+ βDC * Ghi chú: các cơng thức trên là tổng quát, nghĩa là vẫn đúng với transistor PNP. Ta chú ý dịng điện thực chạy trong hai transistor PNP và NPN cĩ chiều như sau: NPN PNP IC IC IB IB IE IE Hình 5 Thí dụ: Một transistor NPN, Si được phân cực sau cho IC = 1mA và IB = 10µA. Tính βDC, IE, αDC. Giải: từ phương trình: IC 1mA βDC = , Ta cĩ: βdc = = 100 IB 10µA Từ phương trình: Trang 65 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IE = IC + IB, ta cĩ: IE = 1mA + 0,01mA = 1,01mA IC 1mA Và từ phương trình: α DC = = = 0,99 I E 1,01mA Một transistor Si PNP cĩ βDC = 50 khi IE = 1,5mA. Xác định IC. Giải: βDC 50 α DC = = = 0,98 1+ βDC 1+ 50 IC = βDC.IE = 0,98 x 1,5 = 1,47mA V. DỊNG ĐIỆN RỈ TRONG TRANSISTOR. Vì nối thu nền thường được phân cực nghịch nên cũng cĩ một dịng điện rỉ ngược (bảo hồ nghịch) đi qua mối nối như trong trường hợp diode được phân cực nghịch. Dịng điện rỉ ngược này được ký hiệu là ICBO, được nhà sản xuất cho biết, được mơ tả bằng hình vẽ sau: Current (dịng điện) IE = 0 RC Base (cực nền) VCC ICBO Openemitter (cực phát hở) Cực E ICBO để hở Collector (cực thu) Hình 6 Đây là dịng điện đi từ cực thu qua cực nền khi cực phát để hở. Hình vẽ sau đây cho ta thấy thành phần các dịng điện chạy trong transistor bao gồm cả dịng điện ICBO. n+ p n- IC = αDCIE + ICBO αDCIE IE IE ICBO IB RE RC VEE VCC Hình 7 Trang 66 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, ta cĩ: IC = αDCIE + ICBO Nếu ICBO xấp xỉ 0, xem như khơng đáng kể. Ta cĩ: IC ≅ αDCIE Đĩ là cơng thức lý tưởng mà ta đã thấy ở phần trên. Ngồi ta, từ phương trình dịng điện căn bản: IE = IB + IC Suy ra, IC = αDC(IC + IB) + ICBO IC = αDCIC + αDC IB + ICBO Ta tìm thấy: α DC ICBO IC = I B + 1− α DC 1− α DC α DC α DC Nhưng: βDC = ⇒ 1+ βDC = +1 1− α DC 1− α DC α DC +1− α DC 1 1+ βDC = = 1− α DC 1− α DC Thay vào phương trình trên, ta tìm được: IC = βDCIB + (βDC + 1)ICBO Người ta đặt: ICEO = (βDC + 1)ICBO và phương trình trên được viết lại: IC = βDCIB + ICEO Như vậy, ta cĩ thể hiểu dịng điện rỉ ICEO như là dịng điện chạy từ cực C qua cực E của transistor khi cực B để hở. Trị số của I cũng được nhà sản xuất cho biết. CEO Current (dịng điện) RC ICEO Emitter (cực phát) VCC ICEO Openbase (cực nền hở) IB = 0 Cực nền hở Collector (cực thu) Hình 8 Các thơng số βDC, αDC, ICBO, ICEO rất nhạy với nhiệt độ. VI. ĐẶC TUYẾN V-I CỦA TRANSISTOR. Người ta thường chú ý đến 3 loại đặc tuyến của transistor: − Đặc tuyến ngõ vào. − Đặc tuyến ngõ ra − Đặc tuyến truyền Mạch tổng quát Rđể1 xác định 3 đặc tuyến trên được biểu diễnR 2b ằng mơ hình sau: I1 BJT I2 V1 V2 V11 Ngõ vào Trang 67 Ngõ raBiên V22 soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Điểm cần chú ý: tuỳ theo loại transistor và các cách ráp mà nguồn V11, V22 phải mắc đúng cực (sao cho nối thu nền phân cực nghịch và nối phát nền phân cực thuận). Các Ampe kế I1, I2, các volt kế V1 và V2 cũng phải mắc đúng chiều. Chúng ta khảo sát hai cách mắc căn bản:L 1. Mắc theo kiểu cực nền chung: Mạch điện như sau: RE RC IE IC I1 I2 + + + V1 V2 VEE VCC + VBE VCB Hình 10 Đặc tuyến ngõ vào (input curves). Là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dịng điện IE theo điện thế ngõ vào VBE với VCB được chọn làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: IE (mA) VCB = 20V VCB = 10V VCB = 01V VCB = 00V VCB để hở 0 0,2 0,4 0,6 VBE (Volt) Hình 11 Nhận xét: Trang 68 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử − Khi nối thu nền để hở, đặc tuyến cĩ dạng như đặc tuyến của diode khi phân cực thuận. − Điện thế ngưỡng (knee voltage) của đặc tuyến giảm khi VCB tăng. Đặc tuyến ngõ ra (output curves) Là đặc tuyến biểu diễn sự thay đổi của dịng điện cực thu IC theo điện thế thu nền VCB với dịng điện cực phát IE làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: Ta chú ý đến ba vùng hoạt động của transistor. Vùng tác động: Nối nền phát phân cực thuận, nối thu nền phân cực nghịch. Trong vùng này đặc tuyến là những đường thẳng song song và cách đều. Trong các ứng dụng thơng thường, transistor được phân cực trong vùng tác động. Vùng tác động IC (mA) 6 6 mA 5 5 mA 4 mA 4 3 mA 3 2 2 mA Vùng bão hịa 1 1 mA ICBO IE= 0mA 0 2 4 6 8 VCB (V) Vùng ngưng Hình 12 Vùng ngưng: nối nền phát phân cực nghịch (IE=0), nối thu nền phân cực nghịch. Trong vùng này transistor khơng hoạt động. Vùng bảo hồ: nối phát nền phân cực thuận, nối thu nền phân cực thuận. Trong các ứng dụng đặc biệt, transistor mới được phân cực trong vùng này. 2. Mắc theo kiểu cực phát chung. Đây là cách mắc thơng dụng nhất trong các ứng dụng của transistor. Mạch điện như sau: Trang 69 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử RC IC RB I2 + IB I + 1 + + VCC V1 V2 VBB VBE VCB Hình 13 Đặc tuyến ngõ vào: Biểu diễn sự thay đổi của dịng điện IB theo điện thế ngõ vào VBE. Trong đĩ hiệu thế thu phát VCE chọn làm thơng số. IB (µA) V = 0V Đặc tuyến như sau: CE 100 VCE = 1V 80 VCE = 10V 60 40 20 VBE (V) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Hình 14 Đặc tuyến ngõ ra: Biểu diễn dịng điện cực thu IC theo điện thế ngõ ra VCE với dịng điện ngõ vào IB được chọn làm thơng số. Dạng đặc tuyến như sau: Trang 70 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vùng tác động IC (mA) 120 µA 6 100 µA 5 80 µA 4 60 µA 3 40 µA 2 Vùng bão hịa 20 µA 1 ICEO IB= 0 µA 0 2 4 6 8 VCE (V) Vùng ngưng Hình 15 − Ta thấy cũng cĩ 3 vùng hoạt động của transistor: vùng bảo hồ, vùng tác động và vùng ngưng. − Khi nối tắt VBE (tức IB=0) dịng điện cực thu xấp xĩ dịng điện rĩ ICEO. Đặc tuyến truyền: (Transfer characteristic curve) Từ đặc tuyến ngõ vào và đặc tuyến ngõ ra. Ta cĩ thể suy ra đặc tuyến truyền của transistor. Đặc tuyến truyền biểu diễn sự thay đổi của dịng điện ngõ ra IC theo điện thế ngõ vào VBE với điện thế ngõ ra VCE làm thơng số. Đặc tuyến cĩ dạng như sau: Trang 71 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) VCE =10(V) ICES = ICBO VBE (V) 0 .1 .2 .3 .4 .5 6 7 8 Vùng ngưng Vùng Vùng bảo hồ tác động cut-in VBE(sat) Hình 16 Đối với transistor Si, vùng hoạt động cĩ VBE nằm trong khoảng 0,5-0,8V. Trong vùng này, đặc tuyến truyền cĩ dạng hàm mũ. Ở vùng bão hồ, dịng IC tăng nhanh khi VBE thay đổi. Ở vùng ngưng, khi VBE cịn nhỏ, dịng rỉ qua transistor ICES rất nhỏ, thường xấp xĩ ICBO. Ngay cả trong vùng hoạt động, khi VBE thay đổi một lượng nhỏ (từ dịng IB thạy đổi) thì dịng IC thay đổi một lượng khá lớn. Vì thế, trong các ứng dụng, người ta dùng điện thế cực nền VBE làm điện thế điều khiển và cực B cịn gọi là cực khiển. 3. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến của BJT. Như ta đã thấy, các tính chất điện của chất bán dẫn đều thay đổi theo nhiệt độ. Do đĩ, các đặc tuyến của BJT đều thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. − Khi nhiệt độ tăng, các dịng điện rỉ của cực thu (ICBO,Iceo, ICES) đều tăng. − Khi nhiệt độ tăng, các độ lợi điện thế αDC, βDC cũng tăng. − Khi nhiệt độ tăng, điện thế phân cực thuận (điện thế ngưỡng) nối nền phát VBE 0 giảm. Thơng thường, VBE giảm 2,2mV khi nhiệt độ tăng 1 C. 0 − Dịng điện rỉ ICBO tăng gấp đơi khi nhiệt độ tăng 8 C trong transistor Si. ⎡ t−25 ⎤ 0 0 8 ICBO (t C) = ICBO (25 C).⎢2 ⎥ ⎣ ⎦ Tác động của nhiệt độ ảnh hưởng quan trọng đến điểm điều hành của transistor. Nĩ là nguyên nhân làm cho thơng số của transistor thay đổi và kết quả là tín hiệu cĩ thể bị biến dạng. Trang 72 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 250C 500C I (mA) C 250µA IB (µA) 0 50 C 200µA 250C 150µA (2,2mV/0C) 100µA 50µA IB =0µA VBE (mV) 0 645 700 0 VCE (Volt) IC (mA) 500C 250C VCE =15V (2,2mV/0C) 10 Hình 17 VBE (mV) 0 645 700 VII. ĐIỂM ĐIỀU HÀNH – ĐƯỜNG THẲNG LẤY ĐIỆN MỘT CHIỀU. Ta xem mạch dùng transistor BJT NPN trong mơ hình cực nền chung như sau: RE RC + IE IC + VBE VCB VEE VCC Vào Ra Hình 18 Để xác định điểm tỉnh điều hành Q và đường thẳng lấy điện một chiều, người ta thường dùng 3 bước: Trang 73 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 1. Mạch ngõ vào: Ta cĩ: VBE + REIE - VEE = 0 VEE − VBE ⇒ I E = R E Chú ý là VBE = 0,7V với BJT là Si và VBE = 0,3V nếu BJT là Ge. 2. Từ cơng thức IC = αDCIE ≅ IE. Suy ra dịng điện cực thu IC. 3. Mạch ngõ ra: Ta cĩ: VCB - VCC + RCIC = 0 VCB VCC ⇒ IC = − + R C R C Đây là phương trình đường thẳng lấy điện một chiều (đường thẳng lấy điện tỉnh). Trên đặc tuyến ra, giao điểm của đường thẳng lấy điện với IE tương ứng (thơng số) của đặc tuyến ra chính là điểm tỉnh điều hành Q. Ta chú ý rằng: VCC − Khi VCB = 0 ⇒ IC = ISH = (Dịng điện bảo hồ) R C − Khi IC = 0 (dịng ngưng), ta cĩ: VCB = VCC = VOC IC (mA) IE = 6mA IE = 5mA IE = 4mA V CC IE = 3mA ISH = R C Q IE = 2mA IE = 1mA 0mA VCB(Volt) 0 VCBQ VCB=VCC=VOC Hình 19 Một số nhận xét: Để thấy ảnh hưởng tương đối của RC,VCC, IE lên điểm điều hành, ta xem ví dụ sau đây: Trang 74 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 1. Ảnh hưởng của điện trở cực thu RC: RC = 1,5KΩ; 2KΩ; 3 KΩ R = 100Ω RC E IC I = 3mA E VCC = 12V VEE = 1V Hình 20 VEE − VBE 1−1,7 Ta cĩ: I E = = = 3mA ≈ IC R E 0,1 VCB VCC * Khi RC = 2 KΩ, IC = − + R C R C V 12 3 = − CB + ⇒ V = 6mA 2 2 CB IC (mA) 6 5 4 Q IE = 3mA 3 2 1 VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) * Khi RC = 1,5 KΩ (RC giảm), giHìnhữ RE ,21 VEE, VCC khơng đổi. IC # IE # 3mA VCB = VCC - RC.IC = 12 - 1,5x3 =7,5V VCC 12 ISH = = = 8mA R C 1,5 Trang 75 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) 8 7 6 5 4 Q I = 3mA 3 E 2 1 7,5V VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) Hình 22 * Khi RC = 3 KΩ (RC tăng) IC # IE =3mA VCB = VCC - RC.IC = 12 - 3x3 = 3V VCC 12 ISH = = = 4mA R C 3 IC (mA) 4 Q IE = 3mA 3 2 1 VOC 0 2 4 6 8 10 12 VCB(Volt) Hình 23 Như vậy, khi giữ các nguồn phân cực VCC, VEE và RE cố định, thay đổi RC, điểm điều hành Q sẽ chạy trên đặc tuyến tương ứng với IE = 3mA. Khi RC tăng thì VCB giảm và ngược lại. 2. Ảnh hưởng của nguồn phân cực nối thu nền VCC. Nếu giữ IE là hằng số (tức VEE và RE là hằng số), RC là hằng số, thay đổi nguồn VCC, ta thấy: Khi VCC tăng thì VCB tăng, khi VCC giảm thì VCB giảm. Trang 76 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Thí dụ: RE = 100Ω RC = 2KΩ IC (mA) VCC = 14V + VCC = 12V I 7 C V = 10V 6 CC V : 10V CC 5 VEE = 1V 12V 14V 4 Q1 Q1 I =3 (mA) 3 E Q2 2 1 VCB 0 2 4 6 8 10 12 14 Hình 24 3. Ảnh hưởng của IE lên điểm điều hành: Nếu ta giữ RC và VCC cố định, thay đổi IE (tức thay đổi RE hoặc VEE) ta thấy: khi IE tăng thì VCB giảm (tức IC tăng), khi IC giảm thì VCB tăng (tức IC giảm). V IC (mA) CC IC(sat) = ISH = R C 7 I =6 (mA) 6 E Q 2 IE =5 (mA) Tăng 5 Q1 I =4 (mA) 4 E Q I =3 (mA) 3 E Q 3 IE =2 (mA) Giảm 2 Q4 IE =1 (mA) 1 ICBO VCB 0 2 4 6 8 10 12 14 Hình 25 Khi IE tăng thì IC tăng theo và tiến dần đến trị ISH. Transistor dần dần đi vào vùng bảo hồ. Dịng tối đa của IC, tức dịng bảo hồ gọi là IC(sat). Như vậy: VCC IC (sat) = ISH = R C Lúc này, VCB giảm rất nhỏ và xấp xĩ bằng 0V (thật sự là 0,2V). Khi IE giảm thì IC giảm theo. Transistor đi dần vào vùng ngưng, VCB lúc đĩ gọi là VCB(off) và IC = ICBO. Trang 77 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, VCB(off) = VOC = VCC. Vùng bảo hồ và vùng ngưng là vùng hoạt động khơng tuyến tính của BJT. Đối với mạch cực phát chung, ta cũng cĩ thể khảo sát tương tự. VIII. KIỂU MẪU MỘT CHIỀU CỦA BJT. Qua khảo sát ở phần trước, người ta cĩ thể dùng kiểu mẫu gần đúng sau đây của transistor trong mạch điện một chiều: E C E C IE IC=αDCIE≈IE ≈ αDCIE B Transistor NPN B E C E C IE IC=αDCIE≈IE ≈ αDCIE B Transistor PNP B Hình 26 Tuy nhiên, khi tính các thành phần dịng điện và điện thế một chiều của transistor, người ta thường tính trực tiếp trên mạch điện với chú ý là điện thế thềm VBE khi phân cực thuận là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si. Thí dụ 1: tính IE, IC và VCB của mạch cực nền chung như sau: Trang 78 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Si RE RC - + IE IC 0,7V + VCB VEE - VCC Si RE RC + - IE IC 0,7V + VCB VEE - VCC Hình 27 Ta dùng 3 bước: VEE − 0,7 Mạch nền phát (ngõ vào): I E = ; IC # αDC # IE R E Áp dụng định luật kirchoff (ngõ ra), ta cĩ: − Với transistor NPN: VCB = VCC - RC.IC; VCB > 0 − Với transistor PNP: VCB = -VCC + RC.IC; VCB <0 Thí dụ 2: Tính dịng điện IB, IC và điện thế VCE của mạch cực phát chung. RB RC IB + IC VCE VBB - VCC 0,7V + - RB RC IB + IC VCE VBB + VCC 0,7V - - Hình 28 VBB − 0,7 Mạch nền phát (ngõ vào): I B = R B Dịng IC = βDC .IB Mạch thu phát (ngõ ra) Trang 79 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử − Với transistor NPN: VCE = VCC -RC IC >0 − Với transistor PNP: VCE = -VCC + RC.IC <0 Đây chính là phương trình đường thẳng lấy điện tỉnh trong mạch cực phát chung. IX. BJT VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU. 1. Mơ hình của BJT: Ta xem lại mạch cực nền chung, bây giờ nếu ta đưa vào BJT một nguồn xoay chiều VS(t) cĩ biên độ nhỏ như hình vẽ. -VV EE +VV CC RE RC C1 C2 V + + - + - Tín hiệu ra Tín hiệu vào V (t) ~ V 0 VS(t) - Hình 29 Đây là mơ hình của một mạch khuếch đại ráp theo kiểu cực nền chung. Ở ngõ vào và ngõ ra, ta cĩ hai tụ liên lạc C1 và C2 cĩ điện dung như thế nào để dung kháng XC khá nhỏ ở tần số của nguồn tín hiệu để cĩ thể xem như nối tắt (Short circuit) đối với tín hiệu xoay chiều và cĩ thể xem như hở mạch (open circuit) đối với điện thế phân cực. Mạch tương đương một chiều như sau: Si RE RC - + IE IC≈IE 0,7V V + CB VEE - VCC Hình 30 Đây là mạch mà chúng ta đã khảo sát ở phần trước. Nguồn điện thế xoay chiều VS(t) khi đưa vào mạch sẽ làm cho thơng số transistor thay đổi. Ngồi thành phần một chiều cịn cĩ thành phần xoay chiều của nguồn tín hiệu tạo ra chồng lên. Nghĩa là: iB(t) = IB + ib(t) iC(t) = IC + ic(t) iE(t) = IE + ie(t) vCB(t) = VCB + vcb(t) Trang 80 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử vBE(t) = VBE + vbe(t) Thành phần tức thời = thành phần DC + thành phần xoay chiều. Trong mơ hình các dịng điện chạy trong transistor ta thấy: điểm B’ nằm trong vùng nền được xem như trung tâm giao lưu của các dịng điện. Do nối nền phát phân cực thuận nên giữa B’ và E cũng cĩ một điện trở động re giống như điện trở động rd trong nối P-N 26mV khi phân cực thuận nên: re = n+ p n- I E E B’ C ie ic ib’ Hình 31 B Ngồi ra, ta cũng cĩ điện trở rb của vùng bán dẫn nền phát (ở đây, ta cĩ thể coi như đây là điện trở giữa B và B’). Do giữa B’ và C phân cực nghịch nên cĩ một điện trở r0 rất lớn. Tuy nhiên, vẫn cĩ dịng điện ic = α.ie = βib chạy qua và được coi như mắc song song với r0. * α là độ lợi dịng điện xoay chiều trong cách mắc nền chung: ∆IC di C i c α = α ac = = = ∆I E di E i e Thơng thường α hoặc αac gần bằng αDC và xấp xĩ bằng đơn vị. * β là độ lợi dịng điện xoay chiều trong cách mắc cực phát chung. ∆i C di C i c β = βac = h fe = = = ∆i B di B i b Thơng thường β hoặc βac gần bằng βDC và cũng thay đổi theo dịng ic. Trị số α, β cũng được nhà sản xuất cung cấp. Như vậy, mơ hình của transistor đối với tín hiệu xoay chiều cĩ thể được mơ tả như sau: α.ie = β.ib ie B’ E C re ib rb r o rb thường cĩ trị số khoảng vài chục BΩ , r0 rấtHình lớn nên32 cĩ thể bỏ qua trong mơ hình của transistor. Trang 81 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2. Điện dẫn truyền (transconductance) Ta thấy rằng, dịng điện cực thu IC thay đổi theo điện thế nền phát VBE. Người ta cĩ thể biểu diễn sự thay đổi này bằng một đặc tuyến truyền (transfer curve) của transistor. Đặc tuyến này giống như đặc tuyến của diode khi phân cực thuận. ID (mA) IC(mA) = IE ID=IO.exp(VD/VT)IC=ICES.exp(VBE/VT) V (volt) V (volt) 0 D 0 BE IC(mA) I =I .exp(V /V ) D O D T C C ≈ gmvbe Tiếp tuyến cĩ độ B B + Q dốc =gm=IC/VT vbe - VBE(mV) 0 E E Hình 33 Người ta định nghĩa điện dẫn truyền của transistor là: ∆i c i c (t) g m = = ∆VBE v be (t) Và đĩ chính là độ dốc của tiếp tuyến với đặc tuyến truyền tại điểm điều hành Q. Tương tự như diode, ta cũng cĩ: VBE VT IC = ICES .e Trong đĩ, IC là dịng điện phân cực cực thu; ICES là dịng điện rĩ cực thu khi VBE = 0V KT V = (T: nhiệt độ Kelvin) T e 0 Ở nhiệt độ bình thường (25 C), VT = 26mV Ta cĩ thể tính gm bằng cách lấy đạo hàm của IC theo VBE. V dI I BE C CES VT g m = = .e dVBE VT Trang 82 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC Và g m = (Ω) VT I Ở nhiệt độ bình thường (250C) ta cĩ: g = C m 26mV 3. Tổng trở vào của transistor: Người ta định nghĩa tổng trở vào của transistor bằng mơ hình sau đây: iin BJT + vin - vin R in = iin Hình 34 Ta cĩ hai loại tổng trở vào: tổng trở vào nhìn từ cực phát E và tổng trở vào nhìn từ cực nền B. Tổng trở vào nhìn từ cực phát E: ie = -iin E C + vbe = -vin - B vin vbe R in = = iin ie Hình 35 Theo mơ hình của transistor đối với tín hiệu xoay chiều, ta cĩ mạch tương đương ở ngõ vào như sau: E B’ E B’ re re - - ie ie rb rb ib i β +1 e + B + B Hình 36 Trang 83 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vì ie=(β+1)ib nên mạch trên cĩ thể vẽ lại như hình phía dưới bằng cách coi như rb dịng ie chạy trong mạch và phải thay rb bằng . β +1 v be rb rb + (β +1)re Vậy: R in = = + re = i e β +1 β +1 Đặt: hie = rb+(β+1).re h Suy ra: R = ie in β +1 rb Do β>>1, rb nhỏ nên << r nên người ta thường coi như: β +1 e rb C R in = re + ≈ re i = i β +1 B b in Tổng trở vào nhìn từ cực nền B: + Xem mơ hình định nghĩa sau (hình 37): vbe = vin - E v be R in = i b Hình 37 Mạch tương đương ngõ vào: B’ B’ B rb B rb + - ib ib re ie (β +1).re ib - E + E Hình 38 Do ie=(β+1)ib nên mạch hình (a) cĩ thể được vẽ lại như mạch hình (b). Trang 84 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử v be Vậy: R in = = rb + (β +1)re = h ie i b Người ta đặt: rπ=(1+β).re≈βre Thơng thường βre>>rb nên: Rin=hie ≈rπ≈βre 26mV 26mV 1 1 β 1 Ngồi ra, re = ≈ = = ; Vậy: rπ = và re = I E IC IC g m g m g m 26mV v be 1 Ta chú ý thêm là: re ≈ = ⇒ g m v be = i e ≈ i c = βi b ; ⇒ g m vbe = βib i e g m 4. Hiệu ứng Early (Early effect) Ta xem lại đặc tuyến ngõ ra của transistor trong cách mắc cực phát chung. Năm 1952. J.Early thuộc phịng thí nghiệm Bell đã nghiên cứu và hiện tượng này được mang tên Ơng. Ơng nhận xét: Ở những giá trị cao của dịng điện cực thu IC, dịng IC tăng nhanh theo VCE (đặc tuyến cĩ dốc đứng). Ở những giá trị thấp của IC, dịng IC tăng khơng đáng kể khi VCE tăng (đặc tuyến gần như nằm ngang). Nếu ta kéo dài đặc tuyến này, ta thấy chúng hội tụ tại một điểm nằm trên trục VCE. Điểm này được gọi là điểm điện thế Early VA. Thơng thường trị số này thay đổi từ 150V đến 250V và người ta thường coi VA = 200V. IC(mA) VCE(volt) Early voltage 0 10 20 30 40 50 VCE = -V A = -200V IC(mA) Q ICQ ∆IC = ICQ VCE(volt) 0 VCEQ ∆VCE = VCE -(-VA) = VCE + VA ≈ VA Hình 39 Trang 85 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Người ta định nghĩa tổng trở ra của transistor: ∆VCE VCE − (−VA ) VCE + VA r0 = = = IC IC − 0 IC VA 200V Thường VA>>VCE nên: r0 = = IC IC 5. Mạch tương đương xoay chiều của BJT: Với tín hiệu cĩ biện độ nhỏ và tần số khơng cao lắm, người ta thường dùng hai kiểu mẫu sau đây: Kiểu hỗn tạp: (hybrid-π) Với mơ hình tương đương của transistor và các tổng trở vào, tổng trở ra, ta cĩ mạch tương đương hỗn tạp như sau: ib ic B C rb rπ gmvbe ro vbe E Hình 40(a) Kiểu mẫu re: (re model) Cũng với mơ hình tương đương xoay chiều của BJT, các tổng trở vào, tổng trở ra, ta cĩ mạch tương đương kiểu re. Trong kiểu tương đương này, người ta thường dùng chung một mạch cho kiểu ráp cực phát chung và cực thu chung và một mạch riêng cho nền chung. - Kiểu cực phát chung và thu chung: Trang 86 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử B ic C (E) ib IE IC IB IB βre βib ro ra vào ra vào vbe Kiểu cực thu chung Kiểu cực phát chung E (C) Hình 40(b) - Kiểu cực nền chung i ic C I I B e E C re αie ro vào ra Kiểu cực nền chung Hình (c) B Thường người ta cĩ thể bỏ ro trong mạch tương đương khi RC quá lớn. Kiểu thơng số h: (h-parameter) Nếu ta coi vbe và ic là một hàm số của iB và vCE, ta cĩ: vBE = f(iB,vCE) và iC = f(iB,vCE) Lấy đạo hàm: δv BE δv BE v be = dv BE = di B + dvCE δi B δvCE δi C δi C i c = di C = di B + dvCE δi B δv CE Trong kiểu mẫu thơng số h, người ta đặt: δv BE δv BE δi C δi C h ie = ; h re = ; h fe = β = ; h oe = δi B δvCE δi B δvCE Vậy, ta cĩ: vbe = hie.ib + hre.vce ic = hfe.ib + hoe.vce Từ hai phương trình này, ta cĩ mạch điện tương đương theo kiểu thơng số h: Trang 87 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ib B C hie + 1 ~ h i hrevce fe b h oe - vbe vce E Hình 41 -4 hre thường rất nhỏ (ở hàng 10 ), vì vậy, trong mạch tương đương người ta thường bỏ hre.vce. So sánh với kiểu hỗn tạp, ta thấy rằng: h ie = rb + (β +1)re = rb + rπ Do rb<<rπ nên hie = rπ Nếu bỏ qua hre, ta thấy: v be v be i b = Vậy: h fei b = h fe . h ie h ie vbe Do đĩ, g mvbe = h feib = h fe ; h fe h fe Hay g m = h ie 1 Ngồi ra, r0 = h oe Các thơng số h do nhà sản xuất cho biết. 1 Trong thực hành, r0 hay mắc song song với tải. Nếu tải khơng lớn lắm (khoảng h oe vài chục KΩ trở lại), trong mạch tương đương, người ta cĩ thể bỏ qua r0 (khoảng vài trăm KΩ). Trang 88 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử i ic C i ic C B b B b 1 rπ gmvbe ro hie hfeib h oe vbe vbe E E Hình 42 1 Mạch tương đương đơn giản: (cĩ thể bỏ r0 hoặc ) h oe Trang 89 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bài tập cuối chương 1. Tính điện thế phân cực VC, VB, VE trong mạch: β=100/Si RE=1K RC=3K V V E C V VEE CC VB 2V 12V 2. Tính IC, VCE trong mạch điện: +6V +6V R RC B IC 430K 2K β=100/Si 1K R E 3. Tính VB, VC, VE trong mạch điện: +12V RC 5K VC VB β=100/Si R B VE 33K 1K RE VBB 2V Trang 90 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG 6 TRANSISTOR TRƯỜNG ỨNG (FIELD EFFECT TRANSISTOR) Chúng ta đã khảo sát qua transistor thường, được gọi là transistor lưỡng cực vì sự dẫn điện của nĩ dựa vào hai loại hạt tải điện: hạt tải điện đa số trong vùng phát và hạt tải điện thiểu số trong vùng nền. Ở transistor NPN, hạt tải điện đa số là điện tử và hạt tải điện thiểu số là lỗ trống trong khi ở transistor PNP, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử. Điện trở ngõ vào của BJT (nhìn từ cực E hoặc cực B) nhỏ, từ vài trăm Ω đến vài KΩ, trong lúc điện trở ngõ vào của đèn chân khơng rất lớn, gần như vơ hạn. Lý do là ở BJT, nối nền phát luơn luơn được phân cực thuận trong lúc ở đèn chân khơng, lưới khiển luơn luơn được phân cực nghịch so với Catod. Do đĩ, ngay từ lúc transistor BJT mới ra đời, người ta đã nghĩ đến việc phát triển một loại transistor mới. Điều này dẫn đến sự ra đời của transistor trường ứng. Ta phân biệt hai loại transistor trường ứng: − Transistor trường ứng loại nối: Junction FET- JFET − Transistor trường ứng loại cĩ cổng cách điện: Isulated gate FET-IGFET hay metal-oxyt semiconductor FET-MOSFET. Ngồi ra, ta cũng khảo sát qua loại VMOS (MOSFET cơng suất-Vertical chanel MOSFET), CMOS và DMOS. I. CẤU TẠO CĂN BẢN CỦA JFET: Mơ hình sau đây mơ tả hai loại JFET: kênh N và kênh P. Trong JFET kênh N gồm cĩ hai vùng n+ là hai vùng nguồn và thốt. Một vùng n- pha ít tạp chất dùng làm thơng lộ (kênh) nối liền vùng nguồn và vùng thốt. Một vùng p- nằm phía dưới thơng lộ là thân và một vùng p nằm phía trên thơng lộ. Hai vùng p và p- nối chung với nhau tạo thành cực cổng của JFET. Trang 91 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Thơng lộ (kênh) N- Vùng Vùng Vùng nguồn cổng thốt P N+ N+ Thân p- (được nối với cổng) Hình 1 JFET Kênh P Ký hiệu n S D D p+ p+ G n- S Kênh p- G Tiếp xúc kim loại JFET Kênh N p S D D n+ n+ G p- S Kênh n- G Tiếp xúc kim loại S (Source): cực nguồn D (Drain): cực thốt Hình 2 G (Gate): cưc cổng Nếu so sánh với BJT, ta thấy: cực thốt D tương đương với cực thu C, cực nguồn S tương đương với cực phát E và cực cổng G tương đương với cực nền B. Trang 92 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử − JFET kênh N tương đương với transistor NPN. − JFET kênh P tương đương với transistor PNP. D Thốt ≈ Thu C G JFET B BJT Kênh N ≈ NPN S Nguồn ≈ Phát E C D B BJT G JFET ≈ PNP Kênh P E S Cổng ≈ Nền Hình 3 Cũng giống như transistor NPN được sử dụng thơng dụng hơn transistor PNP do dùng tốt hơn ở tần số cao. JFET kênh N cũng thơng dụng hơn JFET kênh P với cùng một lý do. Phần sau, ta khảo sát ở JFET kênh N, với JFET kênh P, các tính chất cũng tương tự. II. CƠ CHẾ HOẠT ĐỘNG CỦA JFET: Khi chưa phân cực, do nồng độ chất pha khơng đồng đều trong JFET kênh N nên ta thấy vùng hiếm rộng ở thơng lộ n- và thân p-, vùng hiếm hẹp ở vùng thốt và nguồn n+. Vùng hiếm Gate p n+ n+ S Kênh n- D Thân p- Hình 4 Trang 93 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bây giờ, nếu ta mắc cực nguồn S và cực cổng G xuống mass, nghĩa là điện thế VGS=0V. Điều chỉnh điện thế VDS giữa cực thốt và cực nguồn, chúng ta sẽ khảo sát dịng điện qua JFET khi điện thế VDS thay đổi. Vì vùng thốt n+ nối với cực dương và vùng cổng G nối với cực âm của nguồn điện VDS nên nối PN ở vùng thốt được phân cực nghịch, do đĩ vùng hiếm ở đây rộng ra (xem hình vẽ) VDS Nối P-N ở vùng thốt được phân VGS = 0V S G D cựcnghịch p n+ n- n+ p- Hình 5 Vùng hiếm rộng ID Dịng điện tử rời khỏi thơng lộ và đi ra khỏi vùng thốt IS Dịng điện tử từ P Gate nguồn S đi vào thơng lộ Kênh n- n+ thốt Thân P- (Gate) Hình 6 Khi VDS cịn nhỏ, dịng điện tử từ cực âm của nguồn điện đến vùng nguồn (tạo ra dịng IS), đi qua thơng lộ và trở về cực dương của nguồn điện (tạo ra dịng điện thốt ID). Nếu thơng lộ cĩ chiều dài L, rộng W và dày T thì điện trở của nĩ là: Trang 94 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử L R = ρ. ; Trong đĩ, ρ là điện trở suất của thơng lộ. Điện trở suất là hàm số theo WT nồng độ chất pha. Bề rộng W S G D Thơng lộ cĩ bề dày T Dài L Hình 7 ID (mA) Vùng điện trở động thay đổi khơng tuyến tính VGS = 0V Dịng điện bảo hịa thốt IDSS nguồn Vùng bảo hịa ≈ vùng dịng Vùng tuyến tính điện gần như là hằng số VDS (volt) 0 VP (Pinch-off voltage) Hình 8 Những điện tử cĩ năng lượng cao trong dải dẫn điện xuyên qua vùng hiếm để vào vùng thốt P Gate Kênh n- n+ thốt Drain Những electron bị hút về cực dương của nguồn điện Thân P- (Gate) Trang 95 Biên soạn: Trương Văn Tám Vùng hiếm chạm nhau (thơng lộ bị nghẽn)
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi VDS cịn nhỏ (vài volt), điện trở R của thơng lộ gần như khơng thay đổi nên dịng ID tăng tuyến tính theo VDS. Khi VDS đủ lớn, đặc tuyến khơng cịn tuyến tính nữa do R bắt đầu tăng vì thơng lộ hẹp dần. Nếu ta tiếp tục tăng VDS đến một trị số nào đĩ thì hai vùng hiếm chạm nhau, ta nĩi thơng lộ bị nghẽn (pinched off). Trị số VDS để thơng lộ bắt đầu bị nghẽn được gọi là điện thế nghẽn VP (pinched off voltage). Ở trị số này, chỉ cĩ các điện tử cĩ năng lượng cao trong dải dẫn điện mới cĩ đủ sức xuyên qua vùng hiếm để vào vùng thốt và bị hút về cực dương của nguồn điện VDS tạo ra dịng điện thốt ID. Nếu ta cứ tiếp tục tăng VDS, dịng điện ID gần như khơng thay đổi và được gọi là dịng điện bảo hồ thốt - nguồn IDSS (chú ý: ký hiệu IDSS khi VGS=0V). Bây giờ, nếu ta phân cực cổng-nguồn bằng một nguồn điện thế âm VGS (phân cực nghịch), ta thấy vùng hiếm rộng ra và thơng lộ hẹp hơn trong trường hợp VGS=0V. Do đĩ điện trở của thơng lộ cũng lớn hơn. VDS S G D V GS p n+ n- n+ Nối P-N ở vùng thốt được phân p- cực nghịch Hình 10 Trang 96 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ID Thơng lộ hẹp P Gate hơn nên điện VGS = 0 trở lớn hơn. Cĩ IDSS Kênh n- nghĩa là I và I n+ thốt D S Dịng V < 0 nhỏ hơn ở cùng GS bảo một trị V khi DS hịa I V âm hơn D GS giảm Thân P- (Gate) VP VDS P Gate VDS ứng với trị bảo hịa giảm Thơng lộ n- n+ thốt Thơng lộ nghẽn ở trị VDS thấp hơn khi VGS âm vì thơng lộ hẹp hơn Thân P- (Gate) Hình 11 Khi VDS cịn nhỏ, ID cũng tăng tuyến tính theo VDS, nhưng khi VDS lớn, thơng lộ bị nghẽn nhanh hơn, nghĩa là trị số VDS để thơng lộ nghẽn nhỏ hơn trong trường hợp VGS=0V và do đĩ, dịng điện bảo hồ ID cũng nhỏ hơn IDSS. Chùm đặc tuyến ID=f(VDS) với VGS là thơng số được gọi là đặc tuyến ra của JFET mắc theo kiểu cực nguồn chung. ID(mA) VGS = 0V Đặc tuyến |VDS| = |VP|-|VGS| VGS = -1V Vùng bảo hịa (vùng dịng điện hằng số) VGS = -2V VGS = -3V VGS = -4V VDS (volt) 0 VDS=VP=8V VGS = VGS(off) = -8V Hình 12 Khi VGS càng âm, dịng ID bảo hồ càng nhỏ. Khi VGS âm đến một trị nào đĩ, vùng hiếm chiếm gần như tồn bộ thơng lộ và các điện tử khơng cịn đủ năng lượng để vượt qua được và khi đĩ ID = 0. Trị số của VGS lúc đĩ gọi là VGS(off). Người ta chứng minh được trị số này bằng với điện thế nghẽn. Trang 97 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VGS(off ) = VP Vì Vp chính là hiệu thế phân cực ngược các nối P-N vừa đủ để cho các vùng hiếm chạm nhau. Vì vậy, trong vùng bảo hồ ta cĩ: VDS + VGS = VP Vì nối cổng nguồn được phân cực nghịch, dịng điện IG chính là dịng điện rỉ ngược nên rất nhỏ, do đĩ dịng điện chạy vào cực thốt D được xem như bằng dịng điện ra khỏi cực nguồn S. ID # IS. Khơng cĩ hạt tải điện di chuyển qua thơng lộ (ID = IS = 0) Gate p n+ n+ S Kênh n- D Thân p- Hình 13 So sánh với BJT, ta thấy: IE IC ≈ IE IS ID ≈ IS V V E - CE + C S - DS + D - + + VBE - VCB VGS + - IG (rỉ) ≈ 0 IB nhỏ B G Hình 14 Thí dụ: một JFET kênh N cĩ IDSS=20mA và VGS(off)=-10V. Tính IS khi VGS=0V? Tính VDS bảo hồ khi VGS = -2V. Giải: Khi VGS=0V ⇒ ID=IDSS=20mA và ID=IS=20mA Ta cĩ: VP = VGS(off ) = 10V và VDS = VP − VGS = 10 − 2 = 8V Trang 98 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử III. ĐẶC TUYẾN TRUYỀN CỦA JFET. Cũng giống như BJT, người ta cũng cĩ 3 cách ráp của FET (JFET và MOSFET): mắc kiểu cực cổng chung (common-gate), cực nguồn chung (common-source) và cực thốt chung (common-drain). D S S D G G Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu Tín hiệu vào ra vào ra vào ra G S D Cổng chung Nguồn chung Thốt chung Hình 15 So sánh với BJT NPN, ta thấy cĩ sự tương đương như sau: Các cực Cách mắc FET BJT FET BJT Cực thốt D Cực thu C Cực cổng chung Cực nền chung Cực nguồn S Cực phát E Cực nguồn chung Cực phát chung Cực cổng G Cực nền B Cực thốt chung Cực thu chung Người ta chứng minh được khi VDS cĩ trị số làm nghẽn thơng lộ (JFET hoạt động trong vùng bảo hồ), ID và VGS thoả mãn hệ thức: 2 ⎡ ⎤ 2 VGS ⎡ VGS ⎤ I D = I DSS ⎢1− ⎥ hay I D = I DSS ⎢1+ ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ ⎣ VP ⎦ Phương trình này được gọi là phương trình truyền của JFET. Các thơng số ID và VGS(off) được nhà sản xuất cho biết. Để ý là: VGS và VGS(off) âm trong JFET thơng lộ n và dương trong thơng lộ p. Người ta cũng cĩ thể biểu thị sự thay đổi của dịng điện thốt ID theo điện thế cổng nguồn VGS trong vùng bảo hồ bằng một đặc tuyến gọi là đặc tuyến truyền bằng cách vẽ đường biểu diễn của phương trình truyền ở trên. - I + D G + ID + VDS - VGS S - - + V V + - VGG VDD Hình 16 Trang 99 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Đặc tuyến ngõ ra ID(mA) 12 VGS = 0V 9 VGS = -1V Đặc tuyến truyền 6 VGS = -2V VGS = -3V 3 VGS = -4V VGS = -6V VDS (volt) -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 VP VGS = VGS(off) = -8V VGS(off) Hình 17 IV. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TRÊN JFET. Như ta đã thấy trong JFET, người ta dùng điện trường kết hợp với sự phân cực nghịch của nối P-N để làm thay đổi điện trở (tức độ dẫn điện) của thơng lộ của chất bán dẫn. cũng như BJT, các thơng số của JFET cũng rất nhạy đối với nhiệt độ, ta sẽ khảo sát qua hai tác động chính của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, vùng hiếm giảm, do đĩ độ rộng của thơng lộ tăng lên, do đĩ điện trở của thơng lộ giảm. (ID tăng) Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của các hạt tải điện giảm (ID giảm) Do thơng lộ tăng rộng theo nhiệt độ nên VGS(off) cũng tăng theo nhiệt độ. Thực 0 nghiệm cho thấy VGS(off ) hay VP tăng theo nhiệt độ với hệ số 2,2mV/1 C. 2 ⎡ ⎤ VGS Từ cơng thức: I D = I DSS ⎢1− ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ Cho thấy tác dụng này làm cho dịng điện ID tăng lên. Ngồi ra, do độ linh động của hạt tải điện giảm khi nhiệt độ tăng làm cho điện trở của thơng lộ tăng lên nên dịng điện IDSS giảm khi nhiệt độ tăng, hiệu ứng này làm cho ID giảm khi nhiệt độ tăng. Tổng hợp cả hai hiệu ứng này, người ta thấy nếu chọn trị số VGS thích hợp thì dịng thốt ID khơng đổi khi nhiệt độ thay đổi. Người ta chứng minh được trị số của VGS đĩ là: Trang 100 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VGS = VP − 0,63V với VP là điện thế nghẽn ở nhiệt độ bình thường. Các hình vẽ sau đây mơ tả ảnh hưởng của nhiệt độ trên các đặc tuyến ra, đặc tuyến truyền và đặc tuyến của dịng ID theo nhiệt độ khi VGS làm thơng số. 0 0 25 45 ID VGS = 0 ID giảm VGS = -1V |VGS| = |VP|-0,63V ID tăng VDS 0 Hình 18 ID ID -550C 250C +1500C VGS = -0V IDSS VGS = -1V |VGS| = |VP|-0,63V (VDS cố định) 0 0 VGS(off VGS -100 -50 0 50 100 t C 150 |VGS| = |VP|-0,63V Hình 19 Ngồi ra, một tác dụng thứ ba của nhiệt độ lên JFET là làm phát sinh các hạt tải điện trong vùng hiếm giữa thơng lộ-cổng và tạo ra một dịng điện rỉ cực cổng IGSS (gate leakage current). Dịng IGSS được nhà sản xuất cho biết. dịng rỉ IGSS chính là dịng điện phân cực nghịch nối P-N giữa cực cổng và cực nguồn. Dịng điện này là dịng điện rỉ cổng-nguồn khi nối tắt cực nguồn với cực thốt. Dịng IGSS tăng gấp đơi khi nhiệt độ tăng lên 100C. Trang 101 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử (t−25) 0 0 10 IGSS (t C) = IGSS (25 C)2 D IGSS G VDS = 0V S VGG Hình 20 V. MOSFET LOẠI HIẾM (DEPLETION MOSFET: DE MOSFET) Ta thấy rằng khi áp một điện thế âm vào JFET kênh N thì vùng hiếm rộng ra. Sự gia tăng của vùng hiếm làm cho thơng lộ hẹp lại và điện trở của thơng lộ tăng lên. Kết quả sau cùng là tạo ra dịng điện ID nhỏ hơn IDSS. Bây giờ, nếu ta áp điện thế dương VGS vào JFET kênh N thì vùng hiếm sẽ hẹp lại (do phân cực thuận cổng nguồn), thơng lộ rộng ra và điện trở thơng lộ giảm xuống, kết quả là dịng điện ID sẽ lớn hơn IDSS. Trong các ứng dụng thơng thường, người ta đều phân cực nghịch nối cổng nguồn (VGS âm đối với JFET kênh N và dương đối với JFET kênh P) và được gọi là điều hành theo kiểu hiếm. JFET cũng cĩ thể điều hành theo kiểu tăng (VGS dương đối với JFET kênh N và âm đối với JFET kênh P) nhưng ít khi được ứng dụng, vì mục đích của JFET là tổng trở vào lớn, nghĩa là dịng điện IG ở cực cổng - nguồn trong JFET sẽ làm giảm tổng trở vào, do đĩ thơng thường người ta giới hạn trị số phân cực thuận của nối cổng - nguồn tối đa là 0,2V (trị số danh định là 0,5V). Trang 102 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Phân cực kiểu Phân cực kiểu D tăng hiếm IGSS G + (Tối đa 0,2V) VDS + - VGS S - + - - + VGG VDD JFET kênh N Điều hành ID ID VGS = 0,2V kiểu tăng IDSS VGS = 0V Điều hành V = -1V kiểu hiếm GS VGS = -2V VGS = -3V VGS VDS -4V 0 0,2V 0 Hình 21 ID Phân cực kiểu Phân cực kiểu tăng hiếm D G - (Tối đa 0,2V) VDS + + VGS S - - + + VGG - VGG VDD Hình 22 Tuy JFET cĩ tổng trở vào khá lớn nhưng cũng cịn khá nhỏ so với đèn chân khơng. Để tăng tổng trở vào, người ta đã tạo một loại transistor trường khác sao cho cực cổng cách điện hẳn cực nguồn. Lớp cách điện là Oxyt bán dẫn SiO2 nên transistor được gọi là MOSFET. Ta phân biệt hai loại MOSFET: MOSFET loại hiếm và MOSFET loại tăng. Hình sau đây mơ tả cấu tạo căn bản MOSFET loại hiếm (DE - MOSFET) kênh N và kênh P. Trang 103 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử D Nguồn Cổng Thốt Tiếp xúc S G D kim loại Thân U SiO2 G S Kênh n- Ký hiệu n+ n+ D Thân nối với Thân p- nguồn G DE-MOSFET kênh N S Hình 23 D Nguồn Cổng Thốt Tiếp xúc S G D kim loại Thân U SiO2 G S Kênh p- Ký hiệu p+ p+ D Thân nối với Thân n- nguồn G DE-MOSFET kênh P S Hình 24 Trang 104 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý rằng DE - MOSFET cĩ 4 cực: cực thốt D, cực nguồn S, cực cổng G và thân U (subtrate). Trong các ứng dụng thơng thường, thân U được nối với nguồn S. Để DE-MOSFET hoạt động, người ta áp một nguồn điện VDD vào cực thốt và cực nguồn (cực dương của nguồn điện nối với cực thốt D và cực âm nối với cực nguồn S trong DE-MOSFET kênh N và ngược lại trong DE-MOSFET kênh P). Điện thế VGS giữa cực cổng và cực nguồn cĩ thể âm (DE-MOSFET kênh N điều hành theo kiểu hiếm) hoặc dương (DE-MOSFET kênh N điều hành theo kiểu tăng) - VDD + + VGG - S G D SiO2 Điều Kênh n- hành n+ n+ theo kiểu hiếm Thân p- Tiếp xúc kim Vùng hiếm do cổng âm đẩy các điện tử loại cực cổng và thốt dương hút các điện tử về nĩ Vùng hiếm giữa Kênh n- n+ phân cực nghịch p- thốt và vùng thốt n+ Thân p- Hình 25 Trang 105 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - VDD + - VGG + S G D SiO2 Điều Điện tử tập trung hành n- dưới sức hút nguồn theo n+ n+ dương của cực cổng kiểu làm cho điện trở tăng thơng lộ giảm Thân p- Hình 26 Khi VGS = 0V (cực cổng nối thẳng với cực nguồn), điện tử di chuyển giữa cực âm của nguồn điện VDD qua kênh n- đến vùng thốt (cực dương của nguồn điện VDD) tạo ra dịng điện thốt ID. Khi điện thế VDS càng lớn thì điện tích âm ở cổng G càng nhiều (do cổng G cùng điên thế với nguồn S) càng đẩy các điện tử trong kênh n- ra xa làm cho vùng hiếm rộng thêm. Khi vùng hiếm vừa chắn ngang kênh thì kênh bị nghẽn và dịng điện thốt ID đạt đến trị số bảo hồ IDSS. Khi VGS càng âm, sự nghẽn xảy ra càng sớm và dịng điện bảo hồ ID càng nhỏ. Khi VGS dương (điều hành theo kiểu tăng), điện tích dương của cực cổng hút các điện tử về mặt tiếp xúc càng nhiều, vùng hiếm hẹp lại tức thơng lộ rộng ra, điện trở thơng lộ giảm nhỏ. Điều này làm cho dịng thốt ID lớn hơn trong trường hợp VGS = 0V. Vì cực cổng cách điện hẳn khỏi cực nguồn nên tổng trở vào của DE-MOSFET lớn hơn JFET nhiều. Cũng vì thế, khi điều hành theo kiểu tăng, nguồn VGS cĩ thể lớn hơn 0,2V. Thế nhưng ta phải cĩ giới hạn của dịng ID gọi là IDMAX. Đặc tuyến truyền và đặc tuyến ngõ ra như sau: Trang 106 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử DE-MOSFET kênh N ID (mA) ID (mA) Đặc tuyến Đặc tuyến truyền IDmax ngõ ra VGS = +2V Điều hành VGS = +1V kiểu tăng IDSS VGS = 0V Điều hành V = -1V kiểu hiếm GS VGS = -2V VGS = -3V VGS VDS (volt) 0 2V 0 VGS(off) 0 Hình 28 Như vậy, khi hoạt động, DE-MOSFET giống hệt JFET chỉ cĩ tổng trở vào lớn hơn và dịng rỉ IGSS nhỏ hơn nhiều so với JFET. VI. MOSFET LOẠI TĂNG (ENHANCEMENT MOSFET: E-MOSFET) MOSFET loại tăng cũng cĩ hai loại: E-MOSFET kênh N và E-MOSFET kênh P. Về mặt cấu tạo cũng giống như DE-MOSFET, chỉ khác là bìng thường khơng cĩ thơng lộ nối liền giữa hai vùng thốt D và vùng nguồn S. Mơ hình cấu tạo và ký hiệu được diễn tả bằng hình vẽ sau đây: Trang 107 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử D Nguồn Cổng Thốt Tiếp xúc S G D kim loại Thân U SiO2 G S Ký hiệu n+ n+ D Thân nối với Thân p- nguồn G E-MOSFET kênh N S Thân U Hình 29 D Nguồn Cổng Thốt Tiếp xúc S G D kim loại Thân U SiO2 G S Ký hiệu p+ p+ D Thân nối với Thân n- nguồn G E-MOSFET kênh P S Thân U Hình 30 Trang 108 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi VGS 0, một điện trường được tạo ra ở vùng cổng. Do cổng mang điện tích dương nên hút các điện tử trong nền p- (là hạt tải điện thiểu số) đến tập trung ở mặt đối diện của vùng cổng. Khi VGS đủ lớn, lực hút mạnh, các điện tử đến tập trung nhiều và tạo thành một thơng lộ tạm thời nối liền hai vùng nguồn S và thốt D. Điện thế VGS mà từ đĩ dịng điện thốt ID bắt đầu tăng được gọi là điện thế thềm cổng - nguồn (gate-to-source threshold voltage) VGS(th). Khi VGS tăng lớn hơn VGS(th), dịng điện thốt ID tiếp tục tăng nhanh. Người ta chứng minh được rằng: 2 I D = K[]VGS − VGS(th) Trong đĩ: ID là dịng điện thốt của E-MOSFET A K là hằng số với đơn vị V 2 VGS là điện thế phân cực cổng nguồn. VGS(th) là điện thế thềm cổng nguồn. Hằng số K thường được tìm một cách gián tiếp từ các thơng số do nhà sản xuất cung cấp. Thí dụ: Một E-MOSFET kênh N cĩ VGS(th) =3,8V và dịng điện thốt ID = 10mA khi VGS = 8V. Tìm dịng điện thốt ID khi VGS = 6V. Giải: trước tiên ta tìm hằng số K từ các thơng số: Trang 109 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử −3 I D 10.10 −4 A K = 2 = 2 = 5,67.10 2 []VGS − VGS(th) [8 − 3,8] V Vậy dịng thốt ID và VGS là: 2 −4 2 I D = K[]VGS − VGS(th) = 5,67.10 [6 − 3,8] ⇒ ID = 2,74 mA - VDD + - VGG + S G D VGS ≥ VGS(th) SiO2 Thơng lộ tạm thời n+ n+ Thân p- ID (mA) ID (mA) Đặc tuyến IDmax ngõ ra VGS = 7V Đặc tuyến VGS = 6V truyền VGS = 5V VGS = 4V VGS = 3V VGS = 2V VGS VDS (volt) 0 VGS(th) VGSmax 0 Hình 32 Trang 110 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VII. XÁC ĐỊNH ĐIỂM ĐIỀU HÀNH: Ta xem mơ hình của một mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng JFET kênh N mắc theo kiểu cực nguồn chung +VDD = 20V RD = 820Ω C2 C 1 v0(t) + vGS(t) - ~ RG 100KΩ -VGG = -1V Hình 33 Mạch tương đương một chiều (tức mạch phân cực) như sau: ID RD = 820Ω I GSS + + VDS VGS - - RG 100KΩ VDD = 20V VGG = -1V Hình 34 Cũng giống như transistor thường (BJT), để xác định điểm điều hành Q, người ta dùng 3 bước: Áp dụng định luật Krichoff ở mạch ngõ vào để tìm VGS. Trang 111 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2 ⎡ ⎤ VGS Dùng đặc tuyến truyền hay cơng thức: I D = I DSS ⎢1− ⎥ trong trường hợp DE- ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ 2 MOSFET hoặc cơng thức I D = K[VGS − VGS(th) ] trong trường hợp E-MOSFET để xác định dịng điện thốt ID. Áp dụng định luật Krichoff ở mạch ngõ ra để tìm hiệu điện thế VDS. Bây giờ, ta thử ứng dụng vào mạch điện hình trên: Mạch ngõ vào, ta cĩ: VGG − R G IGSS + VGS = 0 Suy ra, VGS = −VGG + R G IGSS Vì dịng điện IGSS rất nhỏ nên ta cĩ thể bỏ qua. Như vậy, VGS ≈ −VGG Trong trường hợp trên, VGS = -1 Đây là phương trình biểu diễn đường phân cực (bias line) và giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến truyền là điểm điều hành Q. Nhờ đặc tuyến truyền, ta cĩ thể xác định được dịng thốt ID. ID ID VDD ID(sat) = Đường thẳng lấy điện R D IDSS IDSS VGS = 0V Đường phân cực VGS = -VGG = -1V ID Q Q VGS = -1V ID V = -2V GS VGS = -3V VGS = -4V VGS VDS -1 0 0 VDS V =V VGS(off) DS(off) DD Hình 35 - Để xác định điện thế VDS, ta áp dụng định luật Kirchoff cho mạch ngõ ra: VDD = RDID + VDS ⇒ VDS = VDD – RDID Đây là phương trình của đường thẳng lấy điện tĩnh. Giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến ngõ ra với VGS = -VGG = -1V chính là điểm tĩnh điều hành Q. Trang 112 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VIII. FET VỚI TÍN HIỆU XOAY CHIỀU VÀ MẠCH TƯƠNG ĐƯƠNG VỚI TÍN HIỆU NHỎ Giả sử ta áp một tín hiệu xoay chiều hình sin vs(t) cĩ biên độ điện thế đỉnh là 10mV vào ngõ vào của một mạch khuếch đại cực nguồn chung dùng JFET kênh N +V = 20V DD RD = 820Ω C2 vS(t) C1 + v0(t) + vDS(t) +10mV v (t) - S vGS(t) - t ~ R 100KΩ 0 G -10mV -VGG = -1V Hình 36 C1 và C2 là 2 tụ liên lạc, được chọn sao cho cĩ dung kháng rất nhỏ ở tần số của tín hiệu và cĩ thể được xem như nối tắt ở tần số tín hiệu. Nguồn tín hiệu vs(t) sẽ chồng lên điện thế phân cực VGS nên điện thế cổng nguồn vGS(t) ở thời điểm t là: vGS(t) = VGS + Vgs(t) = -1V + 0,01sin ωt (V) 0 t ≈ -0,99V -1V -1,01V vGS(t) Hình 37 Nguồn tín hiệu cĩ điện thế đỉnh nhỏ nên điện thế cổng nguồn vẫn luơn luơn âm. Nhờ đặc tuyến truyền, chúng ta thấy rằng điểm điều hành sẽ di chuyển khi VGS thay đổI Trang 113 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử theo tín hiệu. Ở thời điểm khi VGS ít âm hơn, dịng thốt iD(t) tăng và khi VGS âm nhiều hơn, dịng thốt iD(t) giảm. Vậy dịng điện thốt iD(t) thay đổi cùng chiều với vGS(t) và cĩ trị số quanh dịng phân cực ID tỉnh (được giả sử là 12,25mA). Độ gia tăng của iD(t) và độ giảm của iD(t) bằng nhau với tín hiệu nhỏ (giả sử là 0,035mA). (Xem hình trang sau). Sự thay đổi dịng điện thốt iD(t) sẽ làm thay đổi hiệu số điện thế giữa cực thốt và cực nguồn. Ta cĩ vDS(t) = VDD – iD(t).RD. Khi iD(t) cĩ trị số tối đa, thì vDS(t) cĩ trị số tối thiểu và ngược lại. Điều này cĩ nghĩa là sự thay đổi của vDS(t) ngược chiều với sự thay đổi của dịng iD(t) tức ngược chiều với sự thay đổi của hiệu thế ngõ vào vGS(t), người ta bảo điện thế ngõ ra ngược pha - lệch pha 180o so với điện thế tín hiệu ngõ vào. Người ta định nghĩa độ lợi của mạch khuếch đại là tỉ số đỉnh đối đỉnh của hiệu thế tín hiệu ngõ ra và trị số đỉnh đối đỉnh của hiệu thế tín hiệu ngõ vào: vo (t) AV = vS (t) Trong trường hợp của thí dụ trên: 0,0574V −180o vo (t) P−P A V = = vS (t) 0,02VP−P o AV=2,87 ∠-180 Người ta dùng dấu - để biểu diễn độ lệch pha 180o Trang 114 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ID(mA) vS(t) 0,01V 0 t -0,01V 12,285mA 0 t Q ≈ 12,215mA -0,99V -1 -1,01V -1V VGS 0 VGS(off) vGS(t) iD(t) (mA) 12,285 -1,01V -0.99V 12,250 12,215 VDD = +20V ≈ t 0 RD = 820Ω iD(t) vDS(t) (V) v0(t) = vds(t) vDS(t) C2 9,9837 9,9550 9,9263 ≈ t 0 v0(t) 0,0287V 0 t Hình 38 -0,0287V Trang 115 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử * Mạch tương đương của FET với tín hiệu nhỏ: Người ta cĩ thể coi FET như một tứ cực cĩ dịng điện và điện thế ngõ vào là vgs và ig. Dịng điện và điện thế ngõ ra là vds và id i d ig vds vgs Hình 39 Do dịng ig rất nhỏ nên FET cĩ tổng trở ngõ vào là: vgs rπ = rất lớn i g Dịng thốt id là một hàm số theo vgs và vds. Với tín hiệu nhỏ (dịng điện và điện thế chỉ biến thiên quanh điểm điều hành), ta sẽ cĩ: v v ∂iD gs ∂iD DS iD = + ∂vGS Q ∂vDS Q Người ta đặt: ∂i D 1 ∂i D g m = và = ∂v GS Q ro ∂v DS Q 1 1 Ta cĩ: i d = gm vgs + vds (có thể đặt = g o ) ro ro vgs = rπ.ig Các phương trình này được diễn tả bằng giản đồ sau đây gọi là mạch tương đương i xoay chiều của FET. G d D vgs rπ gmvgs r0 vds S Hình 40 Riêng đối với E-MOSFET, do tổng trở vào rπ rất lớn, nên trong mạch tương đương người ta cĩ thể bỏ rπ Trang 116 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử i G d D vgs gmvgs r0 vds S Hình 41 IX. ĐIỆN DẪN TRUYỀN (TRANSCONDUCTANCE) CỦA JFET VÀ DEMOSFET. Cũng tương tự như ở BJT, một cách tổng quát người ta định nghĩa điện dẫn truyền i d (t) của FET là tỉ số: g m = vgs (t) Điện dẫn truyền cĩ thể được suy ra từ đặc tuyến truyền, đĩ chính là độ dốc của tiếp tuyến với đặc tuyến truyền tại điểm điều hành Q ID(mA) Độ dốc tại điểm ID = IDSS là gmo Độ dốc tại điểm Q là: IDSS dID ∆ID id(t) gm = = = dVGS ∆VGS vgs(t) 2 ⎡ ⎤ VGS ID = IDSS ⎢1− ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ Q ∆ID VGS (volt) VGS(off) ∆VGS Hình 42 Về mặt tốn học, từ phương trình truyền: 2 ⎡ ⎤ VGS I D = I DSS ⎢1− ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ Trang 117 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2 ⎡ ⎤ dI D VGS Ta suy ra: g m = = I DSS ⎢1− ⎥ dVGS ⎢⎣ VGS(off ) ⎥⎦ ⎡ ⎤ 2I DSS VGS gm = − = ⎢1− ⎥ VGS(off ) ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ Trị số của gm khi VGS = 0volt (tức khi ID=IDSS) được gọi là gmo. 2I DSS Vậy: g mo = − VGS(off ) ⎡ ⎤ VGS Từ đĩ ta thấy: gm = g mo ⎢1− ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ Trong đĩ: gm: là điện dẫn truyền của JFET hay DE-MOSFET với tín hiệu nhỏ gmo: là gm khi VGS= 0V VGS: Điện thế phân cực cổng - nguồn VGS(off): Điện thế phân cực cổng - nguồn làm JFET hay DE-MOSFET ngưng. 2 ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ VGS I D VGS Ngồi ra từ cơng thức: I D = I DSS ⎢1− ⎥ Ta suy ra: = ⎢1− ⎥ ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ I DSS ⎣⎢ VGS(off ) ⎦⎥ I D Vậy: g m = g mo I DSS Phương trình trên cho ta thấy sự liên hệ giữa điện dẫn truyền gm với dịng điện thốt ID tại điểm điều hành Q. gmo được xác định từ các thơng số IDSS và VGS(off) do nhà sản xuất cung cấp. X. ĐIỆN DẪN TRUYỀN CỦA E-MOSFET. Do cơng thức tính dịng điện thốt ID theo VGS của E-MOSFET khác với JFET và DE-MOSFET nên điện dẫn truyền của nĩ cũng khác. Từ cơng thức truyền của E-MOSFET 2 I D = K[]VGS − VGS(th) dI D d 2 Ta cĩ: g m = = [K[]VGS − VGS(th) ] dVGS dVGS g m = 2K[VGS − VGS(th) ] I Ngồi ra: V = D + V GS K GS(th) Thay vào trên ta được: g m = 2 KI D Trong đĩ: gm: là điện dẫn truyền của E-MOSFET cho tín hiệu nhỏ K: là hằng số với đơn vị Amp/volt2 ID: Dịng diện phân cực cực thốt D Trang 118 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta thấy gm tùy thuộc vào dịng điện thốt ID, nếu gọi gm1 là điện dẫn truyền của E- MOSFET ứng với dịng thốt ID1 và gm2 là điện dẫn truyền của E-MOSFET ứng với dịng thốt ID2 I Ta cĩ: g = 2 KI và g = 2 KI nên: g = g D2 m1 D1 m2 D2 m2 m1 I I (mA) D1 D IDmax 2 ID = K[VGS − VGS(th) ] Q ID1 Độ dốc tại Q là gm1 0 VGS(th) VGS (volt) Hình 43 XI. TỔNG TRỞ VÀO VÀ TỔNG TRỞ RA CỦA FET. - Giống như ở BJT, người ta cũng dùng hiệu ứng Early để định nghĩa tổng trở ra của FET (ở vùng bảo hịa, khi VDS tăng, dịng điện ID cũng hơi tăng và chùm đặc tuyến ra cũng hội tụ tại một điểm gọi là điện thế Early). Nếu gọi VA là điện thế Early ta cĩ: VA − ro = ro : Tổng trở ra của FET I D − ro như vậy thAy đổi theo dịng thốt ID và cĩ trị số khoảng vài MΩ đến hơn 10MΩ ID(mA) VGS VDS(volt) 0 Early voltage Hình 44 - Do JFET thường được dùng theo kiểu hiếm (phân cực nghịch nối cổng - nguồn) nên tổng trở vào lớn (hàng trăm MΩ). Riêng E-MOSFET và DE-MOSFET do cực cổng cách điện hẳn khỏi cực nguồn nên tổng trở vào rất lớn (hàng trăm MΩ). Kết quả là người ta cĩ thể xem gần đúng tổng trở vào của FET là vơ hạn. Với FET : rπ ≈ ∞ Ω Trang 119 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trong các mạch sử dụng với tín hiệu nhỏ người ta cĩ thể dùng mạch tương đương cho FET như hình (a) hoặc hình (b). Nếu tải khơng lớn lắm, trong mạch tương đương người ta cĩ thể bỏ cả ro i i G d D G d D vgs rπ gmvgs r0 vds vgs gmvgs r0 vds S S Hình 45 (a) Hình 45 (b) i G d D v gmvgs v Hình 45 gs ds S Hình 45 (c) XII. CMOS TUYẾN TÍNH (LINEAR CMOS). Nếu ta cĩ một E-MOSFET kênh P và một E-MOSFET kênh N mắc như hình sau đây ta được một linh kiện tổ hợp và được gọi là CMOS (Complementary MOSFET). Q1 E-MOSFET kênh P Q1 S1 Q2 E-MOSFET kênh N G1 D1 Q2 vi(t) D2 v0(t) G2 S2 Hình 46 Thật ra nĩ được cấu trúc như sau: Trang 120 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử S2 S1 SiO2 G2 D2 D1 G1 n+ n+ p+ p+ p- Thân n- Hình 47 Cấu trúc CMOS được dùng rất nhiều trong IC tuyến tính và IC số + Bây giờ ta xét mạch căn bản như trên, ta thử xem đáp ứng của CMOS khi tín hiệu vào cĩ dạng xung vuơng như hình vẽ. Mạch này được ứng dụng làm cổng đảo và là tẩng cuối của OP-AMP (IC thuật tốn). - Khi vi = 5V (0 ≤ t ≤ t1); E-MOSFET kênh P ngưng vì vGS(t)=0V, trong lúc đĩ E- MOSFET kênh N dẫn mạnh vì vGS(t)=5V nên điện thế ngõ ra vo(t)=0V. - Khi vi(t)=0V (t ≥ t1), E-MOSFET kênh P dẫn điện mạnh (vì vGS(t) = -5V) trong lúc E-MOSFET kênh N khơng dẫn điện (vì vGS(t) = 0V) nên điện thế ngõ ra vo(t)=VDD=5V. VDD = 15V Q1 S1 vi(t) vo(t) G1 5V D1 5V Q2 vi(t) D2 v0(t) G2 0 t1 t 0 t1 t S2 Hình 48 Trang 121 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, tác dụng của CMOS là một mạch đảo (inverter) Ta xem một mạch khuếch đại đơn giản dùng CMOS tuyến tính: V = +15V DD vi(t) Q1 P S1 0 t G1 D1 Q2 N vi(t) D2 v0(t) vo(t) G2 t S2 0 V V = DD = 7,5V GG 2 Hình 49 V V = DD = 7,5V GG 2 - Khi vi(t) dương, E-MOSFET kênh N dẫn điện mạnh hơn và E-MOSFET kênh P bắt đầu dẫn điện yếu hơn. Do đĩ vo(t) giảm. - Khi vi(t) dương, E-MOSFET kênh P dẫn điện mạnh hơn và E-MOSFET kênh N bắt đầu dẫn điện yếu hơn, nên vo(t) tăng. Như vây ta thấy tín hiệu ngõ vào và ngõ ra ngược pha nhau (lệnh pha 180o) XIII. MOSFET CƠNG SUẤT: V-MOS VÀ D-MOS. Các transistor trường ứng (JFET và MOSFET) mà ta đã khảo sát ở trên chỉ thích hợp cho các mạch cĩ biên độ tín hiệu nhỏ như tiền khuếch đại, trộn sĩng, khuếch đại cao tần, trung tần, dao động năm 1976, người ta phát minh ra loại transistor trường cĩ cơng suất vừa, đến lớn với khả năng dịng thốt đến vài chục ampere và cơng suất cĩ thể lên đến vài chục Watt. 1. V-MOS: Thật ra đây là một loại E-MOSFET cải tiến, cũng là khơng cĩ sẵn thơng lộ và điều hành theo kiểu tăng. sự khác nhau về cấu trúc E-MOSFET và V-MOS được trình bày bằng hình vẽ sau: Trang 122 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nguồn Cổng Thốt Nguồn Cổng Nguồn S G D S G S SiO2 SiO2 n+ n+ n+ n+ p p Thơng lộ sẽ n- hình thành p- thân n+ Thốt Thơng lộ sẽ D E-MOSFET kênh N hình thành V-MOS kênh N Hình 50 Khi VGS dương và lớn hơn VGS(th), thơng lộ được hình thành dọc theo rãnh V và dịng electron sẽ chạy thẳng từ hai nguồn S đến cực thốt D. Vì lý do này nên được gọi là V-MOS (Vertical MOSFET). 2. D-MOS: Cũng là một loại E-MOSFET hoạt động theo kiểu tăng, ứng dụng hiện tượng khuếch tán đơi (double-diffused) nên được gọi là D-MOS. Cĩ cấu trúc như sau: Nguồn Cổng Nguồn S G S n+ n+ p+ p+ Thơng n- lộ sẽ Thân n+ hình thành DMOS kênh N Thốt D Hình 51 Các đặc tính hoạt động của V-MOS và D-MOS cũng giống như E-MOSFET. Ngồi ra, các đặc điểm riêng của V-MOS và D-MOS là: Trang 123 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - Điện trở động rds khi hoạt động rất nhỏ (thường nhỏ hơn 1Ω) - Cĩ thể khuếch đại cơng suất ở tần số rất cao - Dải thơng của mạch khuếch đại cơng suất cĩ thể lên đến vài chục MHz - V-MOS và D-MOS cũng cĩ kênh N và kênh P, nhưng kênh N thơng dụng hơn - V-MOS và D-MOS cũng cĩ ký hiệu như E-MOSFET Họ FET cĩ thể tĩm tắt như sau FET JFET MOSFET JFET JFET DE-MOSFET E-MOSFET kênh N Kênh P Kiểu hiếm + tăng Kiểu tăng DE-MOSFET DE-MOSFET E-MOSFET E-MOSFET Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P V-MOS V-MOS Kênh N Kênh P CMOS D-MOS D-MOS Kênh N Kênh P Trang 124 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bài tập cuối chương 1. Tính VD, và điện dẫn truyền gm trong mạch: +12V RD 5K VD IDSS = 4mA VGS(off) = -4V RG 1M 1K RE 2. Trong mạch điện sau, tính điện thế phân cực VD và điện dẫn truyền gm. +12V RD 5K IDSS = 4mA RG VD VGS(off) = -4V 1M 2V 3. Trong mạch điện sau, tính điện thế phân cực VD, VG. Cho biết E-MOSFET cĩ hệ số ⎛ mA ⎞ k =1⎜ ⎟ và VGS(th) = 3V. ⎝ V 2 ⎠ 24V 24V RD 10M 5K VG VD 2M Trang 125 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG VII LINH KIỆN CĨ BỐN LỚP BÁN DẪN PNPN VÀ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC I. SCR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER). 1. Cấu tạo và đặc tính: SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (cĩ 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm sốt bởi cổng silicium. Các tíêp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G. Anod Anod A A P P E C N N N B ≈ B G P G P P C Cổng Cổng E (Gate) N (Gate) N K K Catod Catod Cấu tạo Mơ hình tương đương A A T1 IC1 IC2 I G B2 G T2 IG K K Mơ hình tương đương Ký hiệu Hình 1 Trang 126 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dịng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dịng điện anod IA qua SCR lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ khơng cĩ dịng điện qua SCR cho dù cĩ dịng điện kích IG. Như vậy ta cĩ thể hiểu SCR như một diode nhưng cĩ thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải cĩ dịng điện kích IG vào cực cổng. I A A G P Cổng N V IG (Gate) AK P N RG RA K VGG VAA Hình 2 Ta thấy SCR cĩ thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ nền và thu Khi cĩ một dịng điện nhỏ IG kích vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cổng G của SCR. Dịng điện IG sẽ tạo ra dịng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dịng nền IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dịng thu IC2 lại lớn hơn trước Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chĩng trở nên bảo hịa. Dịng bảo hịa qua hai transistor chính là dịng anod của SCR. Dịng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA. Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dịng IG khơng cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta khơng thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor. Người ta chỉ cĩ thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn VAA hoặc giảm VAA sao cho dịng điện qua SCR nhỏ hơn một trị số nào đĩ (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dịng điện duy trì IH (hodding current). Trang 127 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR: Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dịng điện anod IA theo điện thế anod- catod VAK với dịng cổng IG coi như thơng số. - Khi SCR được phân cực nghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ cĩ một dịng điện rỉ rất nhỏ chạy qua SCR. - Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơn điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK cịn nhỏ, chỉ cĩ một dịng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem như SCR khơng dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đền một trị số nào đĩ (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK tự động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dịng điện tương ứng bây giờ chính là dịng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và cĩ đặc tuyến gần giống như diode thường. Nếu ta tăng nguồn VGG để tạo dịng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dịng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO càng nhỏ. IA Diode SCR thường IG2 > IG1 > 0 IH IG = 0 VBR VAK 0 0,7V VBO Hình 3 Trang 128 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 3. Các thơng số của SCR: Sau đây là các thơng số kỹ thuật chính của SCR - Dịng thuận tối đa: Là dịng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR cĩ thể chịu đựng được liên tục. Trong trường hợp dịng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dịng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR, cĩ thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere. - Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown). Đây là trị số VBR ở hình trên. SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt. - Dịng chốt (latching current): Là dịng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dịng chốt thường lớn hơn dịng duy trì chút ít ở SCR cơng suất nhỏ và lớn hơn dịng duy trì khá nhiều ở SCR cĩ cơng suất lớn. - Dịng cổng tối thiểu (Minimun gate current): Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà khơng cần dịng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dịng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy theo mỗi SCR, dịng cổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nĩi chung, SCR cĩ cơng suất càng lớn thì cần dịng kích lớn. Tuy nhiên, nên chú ý là dịng cổng khơng được quá lớn, cĩ thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR. - Thời gian mở (turn – on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu cĩ xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hịa (thường là 0,9 lần dịng định mức). Thởi gian mở khoảng vài µS. Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở. - Thời gian tắt (turn – off time): Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0Volt, tức dịng anod cũng bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù khơng cĩ dịng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR khơng dẫn điện trở lại. Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục µS. Như vậy, SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz. - Tốc độ tăng điện thế dv/dt: Trang 129 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta cĩ thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay về VBO hoặc bằng cách dùng dịng kích cực cổng. Một cách khác là tăng điện thế anod nhanh tức dv/dt lớn mà bản thân điện thế V anod khơng cần lớn. Thơng số dv/dt là tốc độ tăng thế lớn nhất mà SCR chưa dẫn, vượt trên vị trí này SCR sẽ dẫn điện. Lý do là cĩ một điện dung nội Cb giữa hai cực nền của transistor trong mơ hình tương đương của SCR. dV dịng điện qua tụ là: i = C . Dịng điện này chạy vào cực nền của T1. Khi dV/dt đủ cb b dt lớn thì icb lớn đủ sức kích SCR. Người ta thường tránh hiện tượng này bằng cách mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR để chia bớt dịng icb. A C R G K Hình 4 - Tốc độ tăng dịng thuận tối đa di/dt: Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dịng anod. Trên trị số này SCR cĩ thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu thế giữa anod và catod cịn lớn trong lúc dịng điện anod tăng nhanh khiến cơng suất tiêu tán tức thời cĩ thể quá lớn. Khi SCR bắt đầu dẫn, cơng suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. Khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR. 4. SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều Khi SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz hoặc 60Hz) thì vấn đề tắt SCR được giải quyết dễ dàng. Khi khơng cĩ xung kích thì mạng điện xuống gần 0V, SCR sẽ ngưng. Dĩ nhiên ở bán kỳ âm SCR khơng hoạt động mặc dù cĩ xung kích. Trang 130 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử SCR ngưng SCR dẫn V Tải T ả i L V Gĩc dẫn ~ 220V/50Hz IG Hình 5 IG Để tăng cơng suất cho tải, người ta cho SCR hoạt động ở nguồn chỉnh lưu tồn kỳ. V Tải T ả i L Gĩc dẫn 220V/50Hz ~ IG Hình 6 IG Vì điện 50Hz cĩ chu kỳ T=1/50=20nS nên thời gian điện thế xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR. 5. Vài ứng dụng đơn giản: Mạch đèn khẩn cấp khi mất điện: D1 R1 Được chọn tùy theo dịng nạp accu D2 SCR T1 220V/ 6,3V 50Hz D3 100uF 6,3V R3 1K R2 150 + ACCU 6V - DEN Hình 7 Trang 131 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thơng SCR và thắp sáng đèn. Mạch nạp accu tự động (trang sau) SCR2 D1 R1 47Ω 2W R2 47Ω 2W 6,3V ~220V~ 110V SCR1 D3 6,3V RR34 47 Ω1K 2W D2 V = 11V VR Z + 6V 750Ω - 2W 50uF R3 1K ACCU 12V Hình 8 - Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dịng nạp bảo vệ accu. - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dịng nạp) Trang 132 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử II. TRIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH). T2 T2 T2 n n n p p p n n ≈ n + G G p p p n n n G T1 T1 T1 Cổng Đầu Đầu (Gate) Đầu T2 T2 T2 + T2 - ≈ + IG IG G G G - + T1 T1 T1 Hình 9 T1 Thường được coi như một SCR lưỡng hướng vì cĩ thể dẫn điện theo hai chiều. Hình sau đây cho thấy cấu tạo, mơ hình tương đương và cấu tạo của Triac. Trang 133 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, ta thấy Triac như gồm bởi một SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ trên xuống dưới, kích bởi dịng cổng dương và một SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ dưới lên kích bởi dịng cổng âm. Hai cực cịn lại gọi là hai đầu cuối chính (main terminal). - Do đầu T2 dương hơn đầu T1, để Triac dẫn điện ta cĩ thể kích dịng cổng dương và khi đầu T2 âm hơn T1ta cĩ thể kích dịng cổng âm. IA T 2 IH V21 -VBO V21 0 0,7V +VBO G IG T1 Hình 10 - Như vậy đặc tuyến V-I của Triac cĩ dạng sau: - Thật ra, do sự tương tác của vùng bán dẫn, Triac được nảy theo 4 cách khác nhau, được trình bày bằng hình vẽ sau đây: + + - - T2 T2 T2 T2 G G G G T T T T IG > 0 1 IG 0 1 - - + + Cách 1 Cách 2 Cách 3 Cách 4 Hình 11 Trang 134 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Cách (1) và cách (3) nhạy nhất, kế đến là cách (2) và cách (4). Do tính chất dẫn điện cả hai chiều, Triac dùng trong mạng điện xoay chiều thuận lợi hơn SCR. Thí dụ sau đây cho thấy ứng dụng của Triac trong mạng điện xoay chiều. + VL - Triac dẫn Tải VL . + t ~ D1 R VR - . 220V/50Hz D2 Gĩc dẫn Hình 12 III. SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH). SCS cịn được gọi là Tetrode thyristor (thyristor cĩ 4 cực). Về mặt cấu tạo, SCS giống như SCR nhưng cĩ thêm một cổng gọi là cổng anod nên cổng kia (ở SCR) được gọi là cổng catod. Anod A A A A P GA N GA GA GA P Cổng GK Anod N GK GK Cổng G Catod K K K K Catod K Cấu tạo Ký hiệu Mơ hình tương đương Hình 13 Như vậy, khi ta áp một xung dương vào cổng catod thi SCS dẫn điện. Khi SCS đang hoạt động, nếu ta áp một xung dương vào cổng anod thì SCS sẽ ngưng dẫn. Như vậy, đối với SCS, cổng catod dùng để mở SCS, và cổng anod dùng để tắt SCS. Tuy cĩ khả năng như SCR, nhưng thường người ta chỉ chế tạo SCS cơng suất nhỏ (phần lớn dưới vài trăm miniwatt) và do cổng catod rất nhạy (chỉ cần kích cổng catod khoảng vài chục µA) nên SCS được ứng dụng làm một switch điện tử nhạy. Ví dụ sau là một mạch báo động dùng SCS như một cảm biến điện thế: Trang 135 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử +12V Relais đĩng 1K 1K 1K mạch báo Relay động LED LED LED 10K 10K 10K INPUT 1 INPUT 2 INPUT 3 Hình 15 Ở ngõ vào thường người ta mắc một miếng kim loại, khi sờ tay vào, SCS dẫn điện Led tương ứng cháy sáng, Relais hoạt động đĩng mạch báo động hoạt động. IV. DIAC Về cấu tạo, DIAC giống như một SCR khơng cĩ cực cổng hay đúng hơn là một transistor khơng cĩ cực nền. Hình sau đây mơ tả cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương của DIAC. Anod 1 Anod 1 Anod 1 Anod 1 p n n p n Anod 2 Anod 2 Anod 2 Anod 2 Cấu tạo Ký hiệu Tương đương Hình 16 Khi áp một hiệu điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đến điện thế VBO, DIAC dẫn điện và khi áp hiệu thế theo chiều ngược lại thì đến trị số -VBO, DIAC cũng dẫn điện, DIAC thể hiện một điện trở âm (điện thế hai đầu DIAC giảm khi dịng điện qua DIAC tăng). Từ các tính chất trên, DIAC tương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu. Thực tế, khi khơng cĩ DIAC, người ta cĩ thể dùng hai Diode Zener cĩ điện thế Zener thích hợp để thay thế. (Hình 17) Trong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bĩng đèn (Hình 18) Trang 136 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử I Bĩng Đèn VR -VBO 0 V 110V/50Hz220V/50Hz +VBO C Hình 18 Hình 17 Ở bán ký dương thì điện thế tăng, tụ nạp điện cho đến điện thế VBO thì DIAC dẫn, tạo dịng kích cho Triac dẫn điện. Hết bán kỳ dương, Triac tạm ngưng. Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -VBO, DIAC lại dẫn điện kích Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời hằng nạp điện của tụ C, do đĩ thay đổi gĩc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bĩng đèn. V. DIOD SHOCKLEY. Diod shockley gầm cĩ 4 lớp bán dẫn PNPN (diod 4 lớp) nhưng chỉ cĩ hai cực. Cấu tạo cơ bản và ký hiệu cùng với đặc tuyến Volt-Ampere khi phân cực thuận được mơ tả ở hình vẽ sau đây: Anod A + A P IA N + Vf P - I N BO Vf 0 K VBO - K Catod Hình 19 Trang 137 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta thấy đặc tuyến giống như SCR lúc dịng cổng IG=0V, nhưng điện thế quay về VBO của Diod shockley nhỏ hơn nhiều. Khi ta tăng điện thế phân cực thuận, khi điện thế anod-catod tới trị số VBO thì Diod shockley bắt đầu dẫn, điện thế hai đầu giảm nhỏ và sau đĩ hoạt động như Diod bình thường. Áp dụng thơng thường của Diod shockley là dùng để kích SCR. Khi phân cực nghịch, Diod shockley cũng khơng dẫn điện. Tải R 110V/50Hz220V/50Hz C Hình 20 - Bán kỳ dương, tụ C nạp điện đến điện thế VBO thì Diod shockley dẫn điện, kích SCR dẫn. Bán kỳ âm, Diod shockley ngưng, SCR cũng ngưng. VI. GTO (GATE TURN – OFF SWITCH). GTO là một linh kiện cĩ 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR. cấu tạo và ký hiệu được mơ tả như sau: Anod Anod A A P N G Cổng P G Cổng N K K Ký hiệu Catod Catod Hình 21 Trang 138 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Tuy cĩ ký hiệu khác với SCR và SCS nhưng các tính chất thì tương tự. Sự khác biệt cơ bản cũng là sự tiến bộ của GTO so với SCR hoặc SCS là cĩ thể mở hoặc tắt GTO chỉ bằng một cổng (mở GTO bằng cách đưa xung dương vào cực cổng và tắt GTO bằng cách đưa xung âm vào cực cổng). - So với SCR, GTO cần dịng điện kích lớn hơn (thường hàng trăm mA) - Một tính chất quan trọng nữa của GTO là tính chuyển mạch. Thới gian mở của GTO cũng giống như SCR (khoảng 1µs), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngưng dẫn) thì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1µs ở GTO và từ 5µs đến 30µs ở SCR). Do đĩ GTO dùng như một linh kiệncĩ chuyển mạch nhanh. GTO thường được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hồ điện thế mạch sau đây là một ứng dụng của GTO để tạo tín hiệu răng cưa kết hợp với Diod Zener. VAA=+200V A A G R1 VR K +Vo K VR C1 R2 Hình 22 Khi cấp điện, GTO dẫn, anod và catod xem như nối tắt. C1 nạp điện đến điện thế nguồn VAA, lúc đĩ VGK<0 làm GTO ngưng dẫn. Tụ C1 xả điện qua R3=VR+R2. Thời gian xả điện tùy thuộc vào thời hằng τ=R3C1. Khi Vo<VZ, GTO lại dẫn điện và chu kỳ mới lại được lập lại. Vo VAA VZ 0 Hình 23 Trang 139 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VII. UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐỘC NỐI). Transistor thường (BJT) gọi là Transistor lưỡng cực vì cĩ hai nối PN trong lúc UJT chỉ cĩ một độc nhất nối P-N. Tuy khơng thơng dụng như BJT, nhưng UJT cĩ một số đặc tính đặc biệt nên một thời đã giữ vai trị quan trọng trong các mạch tạo dạng sĩng và định giờ. 1. Cấu tạo và đặc tính của UJT: Hình sau đây mơ tả cấu tạo đơn giản hố và ký hiệu của UJT B2 Nền B 1 B2 E E p Phát n- B1 E B2 Nền B 1 Hình 24 Một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại n- với hai lớp tiếp xúc kim loại ở hai đầu tạo thành hai cực nền B1 và B2. Nối PN được hình thành thường là hợp chất của dây nhơm nhỏ đĩng vai trị chất bán dẫn loại P. Vùng P này nằm cách vùng B1 khoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1, B2. Dây nhơm đĩng vai trị cực phát E. Hình sau đây trình bày cách áp dụng điện thế một chiều vào các cực của UJT để khảo sát các đặc tính của nĩ. Mạch tương đương của UJT B2 IE B2 R D1 B2 E E A VBB RE B1 V R E BB R B1 V E EE V EE B1 Hình 25 Trang 140 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - Khi chưa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thỏi bán dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, được ký hiệu RBB và gọi là điện trở liên nền (thường cĩ trị số từ 4 KΩ đến 10 KΩ). Từ mơ hình tương đương ta thấy Diod được dùng để diễn tả nối P-N - - giữa vùng P và vùng n . Điện trở RB1 và RB2 diễn tả điện trở của thỏi bán dẫn n . Như vậy: R BB = R B1 + R B2 IE =0 Vậy điện thế tại điểm A là: R B1 VA = VBB = η.VBB > 0 R B1 + R B2 R R Trong đĩ: η = B1 = B1 được gọi là tỉ số nội tại (intrinsic stand – off) R B1 + R B2 R BB RBB và η được cho bởi nhà sản xuất. - Bây giờ, ta cấp nguồn VEE vào cực phát và nền B1 (cực dương nối về cực phát). Khi VEE=0V (nối cực phát E xuống mass), vì VA cĩ điện thế dương nên Diod được phân cực nghịch và ta chỉ cĩ một dịng điện rỉ nhỏ chạy ra từ cực phát. tăng VEE lớn dần, dịng điện IE bắt đầu tăng theo chiều dương (dịng rỉ ngược IE giảm dần, và triệt tiêu, sau đĩ dương dần). Khi VE cĩ trị số VE=VD+VA VE=0,5V + η VB2B1 (ở đây VB2B1 = VBB) thì Diod phân cực thậun và bắt đầu dẫn điện mạnh. Điện thế VE=0,5V + η VB2B1=VP được gọi là điện thế đỉnh (peak-point voltage) của UJT. VE VE Đỉnh VP VP 0 Thung lũng VV VV IP IV IE IV IE 0 0 Vùng điện trở Hình 26 âm Trang 141 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - Khi VE=VP, nối P-N phân cực thuận, lỗ trống từ vùng phát khuếch tán vào vùng n và di chuyển đến vùng nền B1, lúc đĩ lỗ trống cũng hút các điện tử từ mass lên. Vì độ dẫn điện của chất bán dẫn là một hàm số của mật độ điện tử di động nên điện trở RB1 giảm. Kết quả là lúc đĩ dịng IE tăng và điện thế VE giảm. Ta cĩ một vùng điện trở âm. ∆VE Điện trở động nhìn từ cực phát E trong vùng điện trở âm là: rd = − ∆I E Khi IE tăng, RB1 giảm trong lúc RB2 ít bị ảnh hưởng nên điện trở liên nền RBB giảm. Khi IE đủ lớn, điện trở liên nền RBB chủ yếu là RB2. Kết thúc vùng điện trở âm là vùng thung lũng, lúc đĩ dịng IE đủ lớn và RB1 quá nhỏ khơng giảm nữa (chú ý là dịng ra cực nền B1) gồm cĩ dịng điện liên nền IB cộng với dịng phát IE ) nên VE khơng giảm mà bắt đầu tăng khi IE tăng. Vùng này được gọi là vùng bảo hịa. Như vây ta nhận thấy: - Dịng đỉnh IP là dịng tối thiểu của cực phát E để đặt UJT hoạt động trong vùng điện trở âm. Dịng điện thung lũng IV là dịng điện tối đa của IE trong vùng điện trở âm. - Tương tự, điện thế đỉnh VP là điện thế thung lũng VV là điện thế tối đa và tối thiểu của VEB1 đặt UJT trong vùng điện trở âm. Trong các ứng dụng của UJT, người ta cho UJT hoạt động trong vùng điện trở âm, muốn vậy, ta phải xác định điện trở RE để IP VP VEB1 REmax REmin VP R B2 Q + V EB1 B1 VV - IE IE 0 0 IP IV Hình 27 Trang 142 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ∆V VBB − VP VBB − VP Ta cĩ: R E max = − = − = ∆I 0 − I P I P ∆V VBB − VV VBB − VV Và R E min = − = − = ∆I 0 − IV I V VBB − VV VBB − VP Như vậy: ≤ R E ≤ I V I P 2. Các thơng số kỹ thuật của UJT và vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh: Sau đây là các thơng số của UJT: - Điện trở liên nền RBB: là điện trở giữa hai cực nên khi cực phát để hở. RBB tăng khi nhiệt độ tăng theo hệ số 0,8%/1oC R R - Tỉ số nội tại: η = B1 = B1 Tỉ số này cũng được định nghĩa khi cực phát E R B1 + R B2 R BB để hở. - Điện thế đỉnh VP và dịng điện đỉnh IP. VP giảm khi nhiệt độ tăng vì điện thế ngưỡng của nối PN giảm khi nhiệt độ tăng. Dịng IP giảm khi VBB tăng. - Điện thế thung lũng VV và dịng điện thung lũng IV. Cả VV và IV đều tăng khi VBB tăng. - Điện thế cực phát bảo hịa VEsat: là hiệu điện thế giữa cực phát E và cực nền B1 được đo ở IE=10mA hay hơn và VBB ở 10V. Trị số thơng thường của VEsat là 4 volt (lớn hơn nhiều so với diod thường). Ổn định nhiệt cho đỉnh: Điện thế đỉnh VP là thơng số quan trọng nhất của UJT. Như đã thấy, sự thay đổi của điện thế đỉnh VP chủ yếu là do điện thế ngưỡng của nối PN vì tỉ số η thay đổi khơng đáng kể. Người ta ổn định nhiệt cho VP bằng cách thêm một điện trở nhỏ R2 (thường khoảng vài trăm ohm) giữa nền B2 và nguồn VBB. Ngồi ra người ta cũng mắc một điện trở nhỏ R1 cũng khoảng vài trăm ohm ở cực nền B1 để lấy tín hiệu ra. Trang 143 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử R2 B2 E B1 VBB R1 Hình 28 Khi nhiệt độ tăng, điện trở liên nền RBB tăng nên điện thế liên nền VB2B1 tăng. Chọn R2 sao cho sự tăng của VB2B1 bù trừ sự giảm của điện thế ngưỡng của nối PN. Trị của R2 (0,4 → 0,8)R BB được chọn gần đúng theo cơng thức: R 2 ≈ ηVBB Ngồi ra R2 cịn phụ thuộc vào cấu tạo của UJT. Trị chọn theo thực nghiệm khoảng vài trăm ohm. 3. Ứng dụng đơn giản của UJT: Mạch dao động thư giãn (relaxation oscillator) Người ta thường dùng UJT làm thành một mạch dao động tạo xung. Dạng mạch và trị số các linh kiện điển hình như sau: VB2 VE C nạp C xã (rất nhanh) R2 330 P 1 1 R 10K t E = V V C1 BB +12V V VB1 VB2 E t V B1 VE C1 .1 V t P R1 22 0 V V t Hình 29 Trang 144 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi cấp điện, tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở RE. (Diod phát-nền 1 bị phân cực nghịch, dịng điện phát IE xấp xỉ bằng khơng). Điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi đến điện thế đỉnh VP, UJT bắt đều dẫn điện. Tụ C1 phĩng nhanh qua UJT và điện trở R1. Điện thế hai đầu tụ (tức VE) giảm nhanh đến điện thế thung lũng VV. Đến đây UJT bắt đầu ngưng và chu kỳ mới lập lại. * Dùng UJT tạo xung kích cho SCR 5,6K Tải 20K 330 F1 B2 + 100K UJT FUSE 470uF V=20V - z E .1 B1 SCR 110V/50Hz220V/50Hz 47 Hình 30 - Bán kỳ dương nếu cĩ xung đưa vào cực cổng thì SCR dẫn điện. Bán kỳ âm SCR ngưng. - Điều chỉnh gĩc dẫn của SCR bằng cách thay đổi tần số dao động của UJT. VIII. PUT (Programmable Unijunction Transistor). Như tên gọi, PUT giống như một UJT cĩ đặc tính thay đổi được. Tuy vậy về cấu tạo, PUT khác hẳn UJT Anod A Anod A P I G A A G R N Cổng B2 Cổng R P VAK N V V K AA GK R Catod K B1 K Catod Cấu tạo Ký hiệu Phân cực Hình 31 Trang 145 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Để ý là cổng G nằm ở vùng N gần anod nên để PUT dẫn điện, ngồi việc điện thế anod lớn hơn điện thế catod, điện thế anod cịn phải lớn hơn điện thế cổng một điện thế ngưỡng của nối PN. R B1 Ta cĩ: VGK = VBB = ηVBB R B1 + R B2 R Trong đĩ: η = B1 như được định nghĩa trong UJT R B1 + R B2 Tuy nhiên, nên nhớ là UJT, RB1và RB2 là điện trở nội của UJT, Trong lúc ở PUT, RB1 và RB2 là các điện trở phân cực bên ngồi. Đặc tuyến của dịng IA theo điện thế cổng VAK cũng giống như ở UJT VAK Điện thế đỉnh VP được tính bởi: VP = VD+ηVBB Vùng điện trở âm VP mà VD = 0,7V (thí dụ Si) VG = ηVBB ⇒ VP = VG + 0,7V 0 IP IV IA Hình 32 Tuy PUT và UJT cĩ đặc tính giống nhau nhưng dịng điện đỉnh và thung lũng của PUT nhỏ hơn UJT + Mạch dao động thư giãn dùng PUT +VBB R A R VA Nạp B2 G Xả VP K R B1 C R K VV t 0 Hình 33 Trang 146 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý trong mạch dùng PUT, ngõ xả của tụ điện là anod. Tín hiệu ra được sử dụng thường lấy ở catod (và cĩ thể dùng kích SCR như ở UJT) VG VK = ηVBB t VK VK = VP-VV t Hình 34 Trang 147 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG VIII LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Trong chương này, chúng ta chỉ đề cập đến một số các linh kiện quang điện tử thơng dụng như quang điện trở, quang diod, quang transistor, led các linh kiện quang điện tử quá đặc biệt khơng được đề cập đến. I. ÁNH SÁNG. Sĩng vơ tuyến trong hệ thống truyền thanh, truyền hình, ánh sánh phát ở đèn tia X trong y khoa Tuy cĩ các cơng dụng khác nhau nhưng lại cĩ chung một bản chất và được gọi là sĩng điện từ hay bức xạ điện từ. Điểm khác nhau cơ bản của sĩng điện từ là c tần số hay bước sĩng. Giữa tần số và bước sĩng liên hệ bằng hệ thức λ = f Trong đĩ c là vận tốc ánh sáng = 3.108m/s f là tần số tính bằng Hz Bước sĩng λ tính bằng m. Ngồi ra người ta thường dùng các ước số: µm = 10-6m ; nm = 10-9m và Amstron = Å = 10‐10m Sự khác biệt về tần số dẫn đến một sự khác biệt quan trọng khác là ta cĩ thể thấy được sĩng điện từ hay khơng. Mắt người chỉ thấy được sĩng điện từ trong một dải tần số rất hẹp gọi là ánh sáng thấy được hay thường gọi tắt là ánh sáng. Về phía tần số thấp hơn gọi là bức xạ hồng ngoại (infrared) và phía tần số cao hơn gọi là bức xạ tử ngoại (ultraviolet). Ta chỉ cĩ thể thấy được bức xạ cĩ tần số khoảng 4.10-14Hz (tức bước sĩng 750nm) đến tần số khoảng 7,8.1014Hz (tức bước sĩng khoảng 380nm) Hồng ngoại Tử ngoại 14 14 (λ=750nm)4.10 Hz (λ=380nm)7,8.10 Hz Trong vùng ánh sáng thấy được, nếu chỉ cĩ một khoảng ngắn của dải tần số nĩi trên thì cảm giác của mắt ghi nhận được 7 màu: Tím Lơ Lam Xanh lá Vàng Cam Đỏ Violet Blue Cyan Green Yellow Orange Red λ 380nm 430 470 500 560 590 650 750nm Trang 148 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý là giới hạn trên chỉ cĩ tính cách tương đối. Sự khác nhau về tần số lại dẫn đến một sự khác biệt quan trọng nữa đĩ là năng lượng bức xạ. Năng lượng bức xạ tỉ lệ với tần số theo cơng thức: E=h.f với h: hằng số planck = 6,624.10-34J.sec Như ta thấy, biên độ trung bình của phổ được gọi là cường độ sáng và được đo bằng đơn vị footcandles. Thí dụ nguồn sáng là một bĩng đèn trịn, thì ở một điểm càng xa nguồn, cường độ sáng càng yếu nhưng số lượng ánh sáng tỏa ra trong một gĩc khối (hình nĩn) là khơng đổi và được gọi là quang thơng. Đơn vị của quang thơng là Lumens (Lm) hay Watt. 1 Lm = 1,496.10-10 watt 2 2 Đơn vị của cường độ ánh sáng là foot-candles (fc), Lm/ft hay W/m . Trong đĩ: 1 Lm/ft2 = 1 fc = 1,609.10-12 W/m2 II. QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE). Là điện trở cĩ trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối (khi khơng được chiếu sáng - ở trong bĩng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ cĩ thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh λ Hình dạng Ký hiệu Hình 1 Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (cĩ thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Điện trở Ω 5 10 10000 1000 0 0,1 10 100 1000 fc Hình 2 Về phương diện năng lượng, ta nĩi ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hĩa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm. Trang 149 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vài ứng dụng của quang điện trở: Quang điện trở được dùng rất phổ biến trong các mạch điều khiển 1. Mạch báo động: B+ Bĩng đèn hoặc chuơng tải R 1 SCR λ Nguồn sáng hồng ngoại Hình 3 Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) cĩ điện trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ khơng đủ dịng kích nên SCR ngưng. Khi nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dịng điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động. Người ta cũng cĩ thể dùng mạch như trên, với tải là một bĩng đèn để cĩ thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc cĩ thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động cĩ cơng suất lớn hơn. 2. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC: Bĩng đèn 15K DIAC A TRIAC 110V/50Hz220V/50Hz 1K .1 λ Hình 4 Trang 150 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A khơng đủ để mở Diac nên Triac khơng hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thơng Diac và kích Triac dẫn điện, bĩng đèn sáng lên. III. QUANG DIOD (PHOTODIODE). Ta biết rằng khi một nối P-N được phân cực thuận thì vùng hiếm hẹp và dịng thuận lớn vì do hạt tải điện đa số (điện tử ở chất bán dẫn loại N và lỗ trống ở chất bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên. Khi phân cực nghịch, vùng hiếm rộng và chỉ cĩ dịng điện rỉ nhỏ (dịng bảo hịa nghịch I0) chạy qua. I R V Ký hiệu Phân cực Hình 5 Bây giờ ta xem một nối P-N được phân cực nghịch. Thí nghiệm cho thấy khi chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod được chế tạo trong suốt), ta thấy dịng điện nghịch tăng lên gần như tỉ lệ với quang thơng trong lúc dịng điện thuận khơng tăng. Hiện tượng này được dùng để chế tạo quang diod. Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N cĩ đủ năng lượng làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống ở sát hai bên mối nối làm mật độ hạt tải điện thiểu số tăng lên. Các hạt tải điện thiểu số này khuếch tán qua mối nối tạo nên dịng điện đáng kể cộng thêm vào dịng điện bảo hịa nghịch I0 tự nhiên của diod, thường là dưới vài trăm nA với quang diod Si và dưới vài chục µA với quang diod Ge. Độ nhạy của quang diod tùy thuộc vào chất bán dẫn là Si, Ge hay Selenium Hình vẽ sau đây cho thấy độ nhạy đĩ theo tần số của ánh sáng chiếu vào các chất bán dẫn này: Trang 151 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Độ nhạy (%) 100 Se Si Ge 75 50 25 o 0 λ(A ) 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Tử ngoại Ánh sáng thấy được Hồng ngoại Dịng điện nghịch mA 0,5 4000fc 0,4 3000fc 0,3 2000fc 0,2 1000fc 0,1 Dịng tối L = 0 0 Điện thế phân cực nghịch Hình 7 Đặc tuyến V-I của quang diod với quang thơng là thơng số cho thấy ở quang thơng nhỏ khi điện thế phân cực nghịch nhỏ, dịng điện tăng theo điện thế phân cực, nhưng khi điện thế phân cực lớn hơn vài volt, dịng điện gần như bảo hịa (khơng đổi khi điện thế phân cực nghịch tăng). khi quang thơng lớn, dịng điện thay đổi theo điện thế phân cực nghịch. Tần số hoạt động của quang diod cĩ thể lên đến hành MHz. Quang diod cũng như quang điện trở thường được dùng trong các mạch điều khiển để đĩng - mở mạch điện (dẫn điện khi cĩ ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối). IV. QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR). Quang transistor là nới rộng đương nhiên của quang diod. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor cĩ một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuậnchút ít do các dịng điện rỉ (điện thế VBE lúc đĩ khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động. Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên cĩ dịng rỉ Ico chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dịng điện cực thu là Ico(1+β). Đây là dịng tối của quang transistor. Trang 152 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử IC (mA) Quang thơng 5 N ∅5 IC R hf 4 ∅4 P 3 B ∅3 VCC 2 N ∅2 1 ∅ 1 volt 0 Ký hiệu Phân cực Đặc tuyến V-I VCE Hình 8 Khi cĩ ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp điện tử và lỗ trống như trong quang diod làm phát sinh một dịng điện Iλ do ánh sáng nên dịng điện thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ) Như vậy, trong quang transistor, cả dịng tối lẫn dịng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình trên trình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thơng là một thơng số. Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. Cĩ nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm loại quang transistor Darlington cĩ độ nhạy rất cao. Ngồi ra người ta cịn chế tạo các quang SCR, quang triac A T2 G K T1 Quang transistor Quang Darlington Quang SCR Quang TRIAC Hình 9 Vài ứng dụng của quang transistor: 1. Quang kế: Đây là mạch đơn giản để đo cường độ ánh sáng, biến trở 5K dùng để chuẩn máy nhờ một quang kế mẩu. Khi ánh sáng chiếu vào càng mạch, quang transistor càng dẫn mạnh, kim điện kế lệch càng nhiều. Dĩ nhiên ở mạch trên ta cũng cĩ thể dùng quang điện trở hay quang diod nhưng kém nhạy hơn. Trang 153 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử K 5KΩ 9V Hình 10 2. Đĩng hay tắt Relais: +12V +12V C C Relay Relay .1 R .1 T2 R T2 T1 T1 Hình 11 Trong mạch đĩng relais, khi quang transistor được chiếu sáng nĩ dẫn điện làm T1 thơng, Relais hoạt động. Ngược lại trong mạch tắt relais, ở trạng thái thường trực quang transistor khơng được chiếu sáng nên quang transistor ngưng và T1 luơn thơng, Relais ở trạng thái đĩng. Khi được chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, Relais khơng hoạt động (ở trạng thái tắt). V. DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE). Ở quang trở, quang diod và quang transistor, năng lượng củaq ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn và cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm. Ngược lại khi một điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hố trị thí sẽ phát ra một năng lượng E=h.f Khi phân cực thuận một nối P-N, điện tử tự do từ vùng N xuyên qua vùng P và tái hợp với lỗ trống (về phương diện năng lượng ta nĩi các điện tử trong dãi dẫn điện – cĩ năng lượng cao – rơi xuống dãi hố trị - cĩ năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng lượng. Trang 154 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dải dẫn điện Dải h f cấm Dải hĩa trị Hình 12 Đối với diod Ge, Si thì năng lượng phát ra dưới dạng nhệit. Nhưng đối với diod cấu tạo bằng GaAs (Gallium Arsenide) năng lượng phát ra là ánh sáng hồng ngoại (khơng thấy được) dùng trong các mạch báo động, điều khiển từ xa ). Với GaAsP (Gallium Arsenide phosphor) năng lượng phát ra là ánh sáng vàng hay đỏ. Với GaP (Gallium phosphor), năng lượng ánh sáng phát ra màu vàng hoặc xanh lá cây. Các Led phát ra ánh sáng thấy được dùng để làm đèn báo, trang trí Phần ngồi của LED cĩ một thấu kính để tập trung ánh sáng phát ra ngồi. ID (mA) GaAsP đỏ GaAsP vàng Si GaAs 10 R GaP lục 8 6 Vcc V 4 LED D I D 2 0 .7 1 1.5 2 3 VD (volt) Ký hiệu Phân cực Đặc tuyến Hình 13 Để cĩ ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED. Tùy theo vật liệu cấu tạo, điện thế thềm của LED thay đổi từ 1 đến 2.5V và dịng điện qua LED tối đa khoảng vài mA. VI. NỐI QUANG. (OPTO COUPLER-PHOTOCOUPLER-OPTOISOLATOR) Một đèn LED và một linh kiện quang điện tử như quang transistor, quang SCR, quang Triac, quang transistor Darlington cĩ thể tạo nên sự truyền tín hiệu mà khơng cần đường mạch chung. Các nối quang thường được chế tạo dưới dạng IC cho phép cách ly phần điện cơng suất mà thường là cao thế khỏi mạch điều khiển tinh vi ở phía LED. Đây là một ưu điểm rất lớn của nối quang. Hình sau đây giới thiệu một số nối quang điển hình: Trang 155 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 1 6 1 6 2 5 2 5 λ λ 3 4 3 4 4N25 (Transistor output) 4N29 (Darlington output) 1 6 1 6 2 5 2 λ 5 λ 3 4 3 4 HC11C2 (SCR output) MOC3021 (Triac output) Hình 14 Hình sau đây giới thiệu một áp dụng của nối quang 270 6 150 1 Tải 2 U1 30V Q1 MOC3021 510 → 4 V 3 51 510 n I 110Vrms220VAC Hình 15 - Q1: Bảo vệ nối quang khi điện thế nguồn lớn (chia bớt dịng điện qua LED). - Khi LED sáng, nối quang hoạt động kích hai SCR hoạt động (mỗi SCR hoạt động ở một bán kỳ khi cĩ xung kích từ nối quang) cấp dịng cho tải. - Khi LED tắt, nối quang ngưng, 2 SCR ngưng, ngắt dịng qua tải. - Mạch này là một ví dụ về mạch SSR (Solid – State – Relay). Trang 156 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG IX SƠ LƯỢC VỀ IC I. KHÁI NIỆM VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ. IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành phần tác động và thụ động đều được chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế (subtrate) hay thân hoặc khơng thể tách rời nhau được. Đế này, cĩ thể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điện. Một IC thường cĩ kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron được đựng trong một vỏ bằng kim lọai hoặc bằng plastic. Những IC như vậy thường là một bộ phận chức năng (function device) tức là một bộ phận cĩ khả năng thể hiện một chức năng điện tử nào đĩ. Sự kết tụ (integration) các thành phần của mạch điện tử cũng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là hướng tìm tịi và theo đuổi từ lâu trong ngành điện tử. Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của các mạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, từ tần số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh). Sự tiến triển này là hậu quả tất yếu của nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức (information) ngày càng nhiều của xã hội phát triển. Những hệ thống điện tử cơng phu và phức tạp gồm rất nhiều thành phần, bộ phận. Do đĩ nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết: 1. Khoảng khơng gian mà số lượng lớn các thành phần chiếm đoạt (thể tích). Một máy tính điện tử cần dùng đến hàng triệu, hàng vài chục triệu bộ phận rời. Nếu khơng thực hiện bằng mạch IC, thì khơng những thể tích của nĩ sẽ lớn một cách bất tiện mà điện năng cung cấp cho nĩ cũng sẽ vơ cùng phức tạp. Mà nếu cĩ thỏa mãn chăng nữa, thì máy cũng khơng thực dụng. 2. Độ khả tín (reliability) của hệ thống điện tử: là độ đáng tin cậy trong hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế. Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nối tiếp giữa chúng. Hệ thống cáng phức tạp, số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng nhiều. Vì vậy, nếu dùng bộ phận rời cho các hệ thống phức tạp, độ khả tín của nĩ sẽ giảm thấp. Một hệ thống như vậy sẽ trục trặc rất nhanh. 3. Tuổi thọ trung bình t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là: 1 1 1 1 = + + + t t 1 t 2 t n t i Nếu t1=t2= =tn thì t = n Trang 157 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vậy nếu một transistor cĩ tuổi thọ là 108h, thì một máy tính gồm 500000 ngàn 108 transistor sẽ chỉ cĩ tuổi thọ = 200 giờ 5.105 Các thành phần trong IC được chế tạo đồng thời và cũng cùng phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ một tuổi thọ một transistor Planar. 4. Một hệ thống (hay một máy) điện tử cĩ cấu tạo như hình vẽ: Bộ phận Mạch điện Bộ phận cấu Hệ thống Vật liệu linh kikiện tử cơ bản thành hệ thống điện tử ố Bộ phận chức năng Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực hiện ở giai đoạn bộ phận chức năng. Song khái niệm kết tụ khơng nhất thiết dừng lại ở giai đoạn này. Người ta vẫn nỗ lực để kết tụ với mật độ cực cao trong IC, nằm hướng tới việc kết tụ tồn thể hệ thống điện tử trên một phiếm (chíp) Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990 Phát Linh Cơng minh kiện SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI nghệ Transi rời -stor Số Transistor trên 1 chip trong 100→ 1000→ 20000 1 1 10 >500000 >1000000 các sản 1000 20000 → phẩm 500000 thương mại Linh Vi xử lý Mạch kiện Vi xử chuyên Các sản đếm, đa Vi xử BJT planar, lý 8 bit, dụng, xử phẩm tiêu hợp, lý 16 và Diode Cổng ROM, lý ảnh, biểu mạch 32 bit logic, RAM thờI gian cộng Flip Flop thực SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mơ nhỏ MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mơ trung bình LSI: Large scale integration: Tích hợp theo qui mơ lớn GSI: Ultra large scale integration: Tích hợp qui mơ khổng lồ Tĩm lại, cơng nhệ IC đưa đến những điểm lợi so với kỹ thuật linh kiện rời như sau: - Giá thành sản phẩm hạ - Kích cỡ nhỏ - Độ khả tín cao (tất cả các thành phần được chế tạo cùng lúc và khơng cĩ những Trang 158 Biên soạn: Trương Văn Tám
Giáo trình Linh Kiện Điện Tử điểm hàn, nối). - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, các mặt phức tạp hơn cĩ thể được chọn để hệ thống đạt đến những tính năng tốt nhất). - Các linh kiện được phối hợp tốt (matched). Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng thời và cùng một qui trình nên các thơng số tương ứng của chúng về cơ bản cĩ cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. - Tuổi thọ cao. II. CÁC LOẠI IC. Dựa trên qui trình sản xuất, cĩ thể chia IC ra làm 3 loại: 1. IC màng (film IC): Trên một đế bằng chất cách điện, dùng các lớp màng tạo nên các thành phần khác. Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện, và cuộn cảm mà thơi. − Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại cĩ điện trở súât nhỏ như Au, Al,Cu − Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim cĩ điện trở suất lớn như Ni-Cr; Ni-Cr-Al; Cr-Si; Cr cĩ thể tạo nên điện trở cĩ trị số rất lớn. − Tụ điện: Dùng màng kim loại để đĩng vai trị bản cực và dùng màng điện mơi SiO; 2 SiO2, Al2O3; Ta2O5. Tuy nhiên khĩ tạo được tụ cĩ điện dung lớn hơn 0,02µF/cm . − Cuộn cảm: dùng một màng kim loại hình xoắn. Tuy nhiên khĩ tạo được cuộn cảm lớn quá 5µH với kích thước hợplý. Trong sơ đồ IC, người ta tránh dùng cuộn cảm để khơng chiếm thể tích. − Cách điện giữa các bộ phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3. Cĩ một thời, Transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng vào IC màng. Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến giai đoận thực dụng, nếu khơng phải là ít cĩ triển vọng thực dụng. 2. IC đơn tính thể (Monolithic IC): Cịn gọi là IC bán dẫn (Semiconductor IC) – là IC dùng một đế (Subtrate) bằng chất bán dẫn (thường là Si). Trên (hay trong) đế đĩ, người ta chế tạo transistor, diode, điện trở, tụ điện. Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho các bộ phận đĩ trên lớp SiO2, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau. − Transistor, diode đều là các bộ phận bán dẫn. − Điện trở: được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn cĩ khuếch tán tạp chất. − Tụ điện: Được chế tạo bằng cách lợi dụng điện dung của vùng hiếm tại một nối P-N bị phân cực nghịch. Đơi khi người ta cĩ thể thêm những thành phần khác hơn của các thành phần kể trên để dùng cho các mục đích đặc thù Trang 159 Biên soạn: Trương Văn Tám