Bài giảng Các thiết bị và mạch điện tử - Chương 3: Linh kiện bán dẫn 2 - Trịnh Lê Huy

Chương 3 CÁC THIẾT BỊ VÀ MẠCH ĐIỆN TỬ Linh kiện bán dẫn 2  Cấu tạo của Transistor  Nguyên lý hoạt động  Đặc tính Transistor  Cách phân cực Transistor  Phân tích tín hiệu lớn và đặc tính dòng áp  Phân tích tín hiệu nhỏ  Bài tập TRỊNH LÊ HUY 1 Nhắc lại chuyển tiếp P-N TRỊNH LÊ HUY ➢Chất bán dẫn loại N (N-type semiconductor) ➢ Là chất có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm V, các nguyên tử này dùng 4 electron tạo liên kết và một electron lớp ngoài liên kết lỏng lẻo với nhân. Vật liệu này dẫn điện chủ yếu bằng các electron. ➢ Vật liệu bán dẫn loại P (P-type semiconductor) ➢ Là chất có tạp chất là các nguyên tố thuộc nhóm III, các nguyên tử này dùng 3 electron tạo liên kết. Liên kết còn lại với nguyên tử Silicon sẽ bị thiếu 1 electron và hình thành 1 lỗ trống. Vật liệu này dẫn điện chủ yếu bằng các lỗ trống. 8 Nhắc lại chuyển tiếp P-N TRỊNH LÊ HUY ➢ Chuyển tiếp P-N ➢ Quá trình hình thành chuyển tiếp P-N 9 Nhắc lại Diode TRỊNH LÊ HUY 9 Quá trình ra đời của Transistor TRỊNH LÊ HUY 5 ➢ Sự thay đổi điện trở của diode ➢ Khi thay đổi hiệu điện thế phân cực cho diode, điện trở của diode sẽ giảm từ  -> 0 Ohm. Vô cùng lớn Vô cùng bé Signal controlled transformative resistor R Control signal Transformative Resistor Vsup Quá trình ra đời của Transistor TRỊNH LÊ HUY 6 Cấu tạo của Transistor BJT TRỊNH LÊ HUY 7 ➢ Transistor BJT (transistor lưỡng cực) có cấu tạo từ các vật liệu bán dẫn được pha tạp loại N và P. Nó có 3 cổng chính: Emitter, Base và Collector. ➢ Có hai loại transitor BJT: NPN và PNP. ➢ Từ “lưỡng cực” trong tên gọi của transistor này xuất phát từ 2 dòng điện xuất hiện khi transistor hoạt đông: dòng electron và dòng lỗ trống (holes). Nguyên lý hoạt động ➢ Transistor hoạt động như một công tắc hoặc như một thiết bị khuếch đại. ➢ Transistor PNP có nguyên tắc hoạt động về cơ bản là giống transistor NPN, tuy nhiên vai trò của electron và lỗ trống, giá trị của hiệu điện thế phân cực, chiều của cường độ dòng điện thì ngược lại. ➢ Cách phân cực Transistor: TRỊNH LÊ HUY 8 Nguyên lý hoạt động TRỊNH LÊ HUY 9 Nguyên lý hoạt động ➢ Quá trình phân cực Transistor: ➢ Giai đoạn 1: ➢Phần Base-Emitter được phân cực thuận, các electron tự do ở Emitter sẽ dịch chuyển sang Base. ➢Bởi vì Base được thiết kế rất mỏng so với Emitter và được pha tạp ít, do đó số lượng lỗ trống trong Base sẽ ít hơn so với số lượng electrons trong Emitter. Một phần nhỏ electron tự do sẽ kết hợp với lỗ trống có số lượng ít này tại Base. ➢Dưới tác động của điện trường giữa 2 đầu Base- Emitter, tại lớp vỏ hóa trị, các electron đã được kết hợp này sẽ nhảy từ lỗ trống này qua lỗ trống khác và dịch chuyển ra ngoài thông qua kết nối kim loại tại Base. Đây chính là dòng điện IB. TRỊNH LÊ HUY 10 Pha tạp N+ Pha tạp P- Nguyên lý hoạt động ➢ Quá trình phân cực Transistor: ➢ Giai đoạn 2: ➢ Phần lớn các electron tự do từ Emitter dịch chuyển vào Base không kết hợp với các lỗ trống tại đây bởi vì vùng này rất mỏng và số lượng lỗ trống rất ít. Do đó các electron tự do này sẽ tiến đến mối nối P-N giữa Base và Collector. Mối nối này hiện đang phân cực nghịch ➢ Tại mối nối P-N Base-Collector, do sức hút của cực dương áp vào phần kim loại ở đầu Collector, các electron tự do sẽ dịch chuyển từ Base vào Collector và thoát ra ngoài đồng thời sinh ra dòng điện IC. TRỊNH LÊ HUY 11 Pha tạp N+ Pha tạp P- Nguyên lý hoạt động ➢ Dòng điện trong Transistor ➢ Dòng điện IC được hình thành nhờ vào dòng dịch chuyển có hướng của rất nhiều electron tự do, so với dòng dịch chuyển có hướng của các electron và lỗ trống tại lớp vỏ hóa trị tạo ra dòng điện IB, số lượng này lớn hơn rất nhiều. Do đó IC>>IB và IE=IB+IC (IE  IC) TRỊNH LÊ HUY 12 Đặc tính của Transistor DC Beta (DC) và DC Alpha (DC) ➢ DC là thông số thường được nhắc đến nhất của transistor. Nó biểu diễn cho hệ số khuếch đại dòng điện khi transistor hoạt động. Thông thường, DC có giá trị dao động từ 20 đến 200. ➢ DC là tỉ lệ giữa cường độ dòng điện IC chia cho cường độ dòng điện IE Thông thường, DC có giá trị dao động từ 0.95 đến 0.99. TRỊNH LÊ HUY 13 Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 14 Phân tích mạch BJT IB: Cđdđ tại cực Base IE: Cđdđ tại cực Emitter IC: Cđdđ tại cực Collector VBE: Hiệu điện thế giữa cực Base và Emitter VCB: Hiệu điện thế giữa cực Collector và Base VCE: Hiệu điện thế giữa cực Collector và Emitter VBB: Hiệu điện thế phân cực thuân cho mối nối Base-Emitter VCC: Hiệu điện thế phân cực nghịch cho mối nối Base-Collector Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 15 Ví dụ: Tính giá trị của IB, IC, IE, VCE, VCB. Biết VBE=0.7 V và DC=90. 66 V 9 V 22 k 220  ĐS: 0.24 mA, 21.6mA, 21.84mA, 4.25V, 3.55V Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 16 ➢ Đặc tính dòng IC : ➢ Thể hiện sự biến thiên của dòng điện IC khi ta thay đổi giá trị của VCE và IB ➢ Bước 1: Để thay đổi giá trị cđdđ IB, ta thay đổi hđt nguồn VBB ➢ Bước 2: Chọn 1 giá trị nào đó của IB, ta tiến hành thay đổi giá trị của VCE. Để thay đổi hđt VCE, ta thay đổi hđt nguồn VCC ➢ Bước 3: Khảo sát sự biến thiên của IC khi VCE thay đổi. ➢ Bước 4: Chọn 1 giá trị khác của IB Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 17 Ví dụ: Tính giá trị của IB, IC, IE, VCE, VCB. Biết VBE=0.7 V và DC=90. 69 V 9 V 22 k 220  ĐS: 0.38 mA, 34mA, 34.37mA, 1.53V, 0.83V Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 18 Ví dụ: Tính giá trị của IB, IC, IE, VCE, VCB. Biết VBE=0.7 V và DC=90. 610.7 V 9 V 22 k 220  ĐS: 0.45 mA, 40.9mA, 41.35mA, 0V, -0.7V Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 19 Dòng điện IC biến thiên khi IB thay đổi? BJT 2N2219A Cut off Linear Saturation IC (mA) IB (A) Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 20 Dòng điên IC biến thiên khi VCE thay đổi: Saturation Linear IB=const Đặc tính của Transistor TRỊNH LÊ HUY 21 Dòng điên IC biến thiên khi VCE thay đổi: IB thay đổi IC thay đổi theo Cut-off Linear Cách phân cực Transistor TRỊNH LÊ HUY 22 ➢ Tóm lại : ➢ Khi VBE < 0.7 V: Transistor không hoạt động IB = IC = IE = 0 (A) ➢ Khi VBE > 0.7 V và VCE > VCESat: Transistor hoạt động trong vùng Linear Mối nối Base-Emitter phân cực thuận Mối nối Base-Collector phân cực nghịch IC = DC.IB và IE = IB+IC ➢ Khi VBE > 0.7 V và VCE < VCESat: Transistor hoạt động trong vùng Saturation Mối nối Base-Emitter phân cực thuận Mối nối Base-Collector phân cực thuận IC không phụ thuộc vào IB Phân tích tín hiệu TRỊNH LÊ HUY 23 ➢ Thông thường, khi phân tích sự hoạt động một transistor, người ta quan tâm đến hai loại tín hiệu: tín hiệu lớn và tín hiệu nhỏ Phân tích tín hiệu lớn TRỊNH LÊ HUY 24 ➢ Phân tích tín hiệu một chiều (DC Analysis), qua đó tính toán và tìm ra điểm Q (điểm hoạt động của một transistor trong mạch khuếch đại). ➢ Transistor mang tính chất phi tuyến tính (cut-off, linear, saturation) ➢ Thông thường hiệu điện thế sử dụng khi phân tích tín hiệu lớn thường dao động từ vài V đến vài chục V. Phân tích tín hiệu nhỏ TRỊNH LÊ HUY 25 ➢ Phân tích tín hiệu xoay chiều (AC Analysis), qua đó tính toán hệ số khuếch đại dòng, trở kháng đầu vào, trở kháng đầu ra ➢ Tín hiệu xoay chiều này được “mix” với tín hiệu một chiều phân cực cho transistor. Giá trị xoay chiều này thường rất nhỏ so với hiệu điện thế một chiều. ➢ Người ta chỉ chọn 1 vùng hoạt động nhỏ của transistor để phân tích. Do đó tại vùng phân tích này, transistor mang tính tuyến tính. Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 26 ➢ Tín hiệu cần khuếch đại AC và tín hiệu phân cực cho transistor DC. ➢Mạch khuếch đại hoạt động tốt khi transistor đang phân cực trong vùng linear. ➢ Phân cực cho transistor tại điểm hoạt động DC (điểm Q) sẽ giúp cho mạch khuếch đại hoạt động chính xác hơn (không xuất hiện hiện tượng tín hiệu đầu ra bị saturation hoặc cut-off). 0V 0V Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 27 ➢ Ví dụ: Xác định đường đặc tuyến tĩnh (DC load line) Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 28 ➢ Ví dụ: Xác định đường đặc tuyến tĩnh (DC load line) Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 29 ➢ Ví dụ: Xác định đường đặc tuyến tĩnh (DC load line) khi RC thay đổi 330  Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 30 ➢ Ví dụ: Xác định đường đặc tuyến tĩnh (DC load line) khi VCC thay đổi 8 V Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 31 ➢ Xác định điểm hoạt động Q IB t IB tại Q IB tại A IB tại B A B Phân tích tín hiệu lớn Điểm hoạt động DC - Điểm Q TRỊNH LÊ HUY 32 ➢ Xác định điểm hoạt động Q Khuếch đại tuyến tính Phân tích tín hiệu lớn Vấn đề gặp phải TRỊNH LÊ HUY 33 ➢Khi Q gần điểm Saturation Phân tích tín hiệu lớn Vấn đề gặp phải TRỊNH LÊ HUY 34 ➢Khi Q gần điểm Cut-off Phân tích tín hiệu lớn Vấn đề gặp phải TRỊNH LÊ HUY 35 ➢Khi biên độ của tín hiệu AC chưa được lựa chọn đúng Phân tích tín hiệu lớn Vấn đề gặp phải TRỊNH LÊ HUY 36 ➢ Tóm lại, để mạch khuếch đại hoạt động một cách tuyến tính, ta phải: 1. Lựa chọn hiệu điện thế DC hợp lý 2. Lựa chọn biên độ của tín hiệu AC hợp lý IB t IB tại Q IB tại A IB tại B Một số phương pháp phân cực Transistor TRỊNH LÊ HUY 37 ➢ Phân cực bằng cầu phân áp (Voltage Divider Bias) ➢ Phân cực tại Emitter (Emitter Bias) ➢ Phân cực tại Base (Base Bias) ➢ Phân cực hồi tiếp tại Emitter (Emitter-Feedback Bias) ➢ Phân cực hồi tiếp tại Collector (Collector-Feedback Bias) Phân cực bằng cầu phân áp TRỊNH LÊ HUY 38 ➢ Chỉ sử dụng duy nhất một nguồn để phân cực cho transistor hoạt động tuyến tính. Đây là phương pháp thường gặp và được sử dụng nhiều nhất trong thực tế. ➢ Hiệu điện thế phân cực tại cực nguồn của transistor được sinh ra nhờ vào việc sử dụng cầu chia áp gồm 2 điện trở R1, R2 nối với nguồn VCC. ➢ Tại điểm A sẽ có 2 dòng điện, dòng điện IB chạy vào cực Base và dòng điện I2 đi qua R2. ➢ Để mạch hoạt động ổn định, dòng điện IB sẽ có giá trị bé hơn rất nhiều so với I2, khi đó mạch cầu phân áp cứng. VA = Phân cực bằng cầu phân áp TRỊNH LÊ HUY 39 C E B ĐS: 5.16 mA, 1.95 V ➢Ví dụ: Trong trường hợp lý tưởng, xem như IB vô cùng bé so với dòng điện đi qua R2. Tính giá trị của IC và VCE. DC = 100 Phân cực bằng cầu phân áp TRỊNH LÊ HUY 40 C E B ĐS: 3.59 V, 3.59 Ohm, 4.85 mA, 2.43 V ➢Ví dụ: Trong thực tế, giá trị của IB có ảnh hưởng đến mạch. Sử dụng định lý Thevenin để tính Uhm và Ztd tại điểm B. Từ đó tính IC, VCE. DC = 100 Phân cực bằng cầu phân áp TRỊNH LÊ HUY 41 C E B ➢ Các công thức cần chú ý: DC = 100 𝑽𝐂𝐄 = 𝑽𝐂𝐂 − 𝑰𝐄(𝑹𝐂 + 𝑹𝐄) Phân tích tín hiệu nhỏ TRỊNH LÊ HUY 42 ➢ Khi phân tích tín hiệu nhỏ (AC anlysis), Transistor được biến đổi thành mô hình sau: Thank you! TRỊNH LÊ HUY 43