Uploaded by Thai Nguyen Viet

TransistorV2

advertisement
Kỹ thuật Điện tử tương tự và số
Nguyễn Thị Thanh Nga
Bộ môn KTMT – Viện CNTT & TT
Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội
1
Thông tin liên hệ
§ Giáo viên: Nguyễn Thị Thanh Nga
§ Bộ môn Kỹ thuật Máy tính,
Viện Công nghệ thông tin và Truyền thông
§ Phòng làm việc: B1 802
§ Mobile: 0904567424
§ Email: [email protected]
2
2
1
Đề cương môn học
§
§
§
§
IT3430
Lý thuyết: 45 tiết
Bài tập: 15 tiết
Tài liệu học tập:
›
›
Bài giảng
Một số tài liệu tham khảo:
§ Introductory Circuit Analysis, 10th edition, Boylestad
§ Electronic Device and Circuit Theory (2013), Robert L.Boylestad, Louis
Nashelsky
§ Microelectronics circuit analysis and design, 4th edition, Donal A.Neamen
§ Digital Electronics: Principles, Devices and Applications (2017), Anil
K.Maini
›
Download tại:
https://bit.ly/2krs8QU
3
3
Nội dung
§ Phần 1
›
›
›
Chương 1: Khái niệm chung về Điện tử cho CNTT
Chương 2: Cấu kiện điện tử
Chương 3: Mạch điện tử cơ bản
§ Phần 2
›
›
›
›
Chương 1: Cơ sở lý thuyết mạch số
Chương 2: Các cổng logic cơ bản
Chương 3: Các mạch tổ hợp
Chương 4: Các mạch dãy
4
4
2
Chương 2: Cấu kiện điện tử
Nội dung
1. Lý thuyết vùng năng lượng trong chất rắn
2. Linh kiện thụ động và ứng dụng
3. Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
5
5
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
1. Vật liệu bán dẫn và đặc tính
2. Điôt và ứng dụng
3. Transitor và ứng dụng
6
6
3
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
§
§
§
§
§
§
Cấu tạo
Phân loại
Chế độ hoạt động của transistor
Phân tích 1 chiều
Phân tích xoay chiều
Ứng dụng transistor
7
7
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor BJT
§ Transistor lưỡng cực BJT (Bipolar junction transistor) là
một loại linh kiện bán dẫn gồm có hai tiếp xúc p-n được
tạo nên bởi 3 miền bán dẫn loại p và n xếp xen kẽ nhau,
có 3 cực:
›
›
›
B (base - cực nền)
C (collector - cực thu)
E (emitter - cực phát)
§ Là một linh kiện vô cùng quan trọng và có nhiều ứng
dụng trong kỹ thuật điện tử.
§ Chia thành 2 loại:
›
›
Transistor pnp
Transistor npn
8
8
4
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor BJT
§ Transistor npn
§ Transistor pnp
9
9
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Cấu trúc transistor BJT
§ Transistor npn
§ Mật độ tạp chất trong 3 vùng khác nhau
10
10
5
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.1 Vật liệu bán dẫn và đặc tính
Lớp tiếp giáp pn phân cực thuận
§ Đặt một điện áp dương VD vào đầu p của lớp tiếp giáp pn
§ Hàng rào điện thế giảm → hạt dẫn đa số tràn qua hàng
rào sang miền đối diện → tình trạng thiếu hạt dẫn trong
vùng nghèo được giảm bớt → bề dày vùng nghèo thu
hẹp → điện trở giảm
§ Dòng điện qua chuyển tiếp pn lớn và tăng nhanh theo
điện áp.
11
11
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Hoạt động của transistor
𝑣"
#
𝑣 "$
§ 4 khả năng kết hợp phân cực → 4 vùng hoạt động
Tích cực
ngược
Khóa
Bão hòa
Tích cực
thuận
12
12
6
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận, B-C phân cực ngược
13
13
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p →
mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p.
§ B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp ≈ 0.
Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét
qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C.
14
14
7
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Dòng transistor
§ Dòng IE
§ Dòng IC
§ Dòng IB
15
15
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p →
mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p.
§ B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp ≈ 0.
Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị quét
qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C.
16
16
8
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Dòng IE
§ Do lớp tiếp giáp B-E phân cực thuận → dòng qua lớp
tiếp giáp B-E tỉ lệ với điện áp phân cực B-E.
§ → Dòng cực phát IE được tính theo công thức:
§ Do đó:
Tham số điện của lớp tiếp giáp
17
17
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p →
mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p.
§ B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp gần
bằng 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua
B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở
vùng C.
18
18
9
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Dòng IC
§ Số lượng electron tới cực C trong 1 đơn vị thời gian tỉ lệ
với số lượng electron được phóng ra cực B (tỉ lệ với điện
áp phân cực đặt trên B-E)
§ Dòng IC tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E và độc
lập với điện áp phân cực đặt trên B-C như sau:
Dòng ở 1 cực được điều khiển bởi áp đặt trên 2
cực còn lại → Hoạt động chính của transistor
19
19
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận: dòng electron từ n phóng sang p →
mật độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở p.
§ B-C phân cực ngược: mật độ electron vùng tiếp giáp gần
bằng 0. Dòng electron được phóng từ E, khuếch tán qua
B, bị quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở
vùng C.
20
20
10
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn - Dòng IB
§ IB1 : Dòng lỗ trống từ B sang E tỉ lệ với điện áp phân cực
B-E vì p-n phân cực thuận:
§ IB2 : Dòng lỗ trống kết hợp với electron từ cực E phát
sang, tỉ lệ với điện áp phân cực B-E:
§ Dòng IB là tổng của IB1 và IB2 do đó cũng tỉ lệ với điện áp
phân cực B-E:
21
21
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor npn – Mối quan hệ giữa các dòng
§ Coi transistor là 1 nút đơn:
§ Ở chế độ tích cực thuận
§ Từ đó tính được:
§ Hay:
22
22
11
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor BJT
§ Transistor npn
§ Transistor pnp
23
23
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor pnp - Chế độ hoạt động tích cực thuận
§ B-E phân cực thuận: lỗ trống từ p phóng sang n → mật
độ hạt dẫn thiểu số tăng mạnh ở n.
§ B-C phân cực ngược: mật độ lỗ trống vùng tiếp giáp ≈ 0.
Dòng lỗ trống được phóng từ E, khuếch tán qua B, bị
quét qua vùng tiếp giáp B-C, và được thu lại ở vùng C.
24
24
12
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Transistor pnp – Dòng transistor
§ IE tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E
Điện áp đặt trên cực E (+) hơn so với điện áp đặt trên cực B
§ IC tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E, hướng ra ngoài
§ IB cũng tỉ lệ với điện áp phân cực đặt trên B-E
25
25
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ký hiệu và quy ước
§ Transistor npn
26
26
13
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ký hiệu và quy ước
§ Transistor pnp
27
27
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ký hiệu và quy ước
28
28
14
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt - Ampere
§ Cấu hình B chung:
›
›
Cực B nối đất
Nguồn dòng cấp nguồn cho iE
npn
pnp
29
29
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung
Biểu diễn mối quan hệ giữa dòng iC và điện áp VCB ứng với
§cácCấu
chungnhau
giáhình
trị iEBkhác
›
›
›
Lớp tiếp giáp BC phân cực
ngược, IE không đổi
Lớp tiếp giáp BC phân cực
thuận trong khoảng 0.2-0.3V
Điện áp phân cực thuận BC
tiếp tục tăng, mối quan hệ
tuyến tính giữa iC và iE không
còn, dòng iC nhanh chóng sụt
về 0
30
30
15
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung
§ Cấu hình E chung
Mạch pnp
Mạch npn
§ Bao gồm:
›
›
Cực E nối đất
VBB phân cực cho lớp tiếp giáp B-E
31
31
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung
Biểu
diễn
mối
§ Cấu
hình
E quan
chunghệ giữa dòng iC và điện áp VCE ứng với
các giá trị iB khác nhau
§ Với
Transistor ở chế độ tích cực
thuận
§ Với
Transistor không còn ở chế
độ tích cực thuận, dòng iC
nhanh chóng giảm về 0.
32
32
16
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích 1 chiều mạch transistor
§ Phân cực 1 chiều transistor là một phần quan trọng trong
thiết kế các bộ khuếch đại lưỡng cực.
§ Sử dụng mô hình tuyến tính từng đoạn lớp tiếp giáp pn
để phân tích 1 chiều cho các mạch transistor.
§ Transistor trong 1 bộ khuếch đại tuyến tính phải được
phân cực ở chế độ tích cực thuận.
§ Sử dụng mạch E chung và đường tải cho mạch E chung.
33
33
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích 1 chiều mạch transistor npn E chung
§ Mạch E chung:
›
B-E phân cực thuận →
34
34
17
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích 1 chiều mạch transistor pnp E chung
§ Mạch E chung:
35
35
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích một chiều mạch transistor E chung
Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn
lớp tiếp giáp B-E và đường tải
Transistor npn E chung
§ VBB<VBE(on): B-E phân cực
ngược → IB=0
§ VBB>VBE(on): B-E phân cực
thuận → VBB tăng → IB tăng
36
36
18
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích một chiều mạch transistor E chung
Phương trình đường tải DC
Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn
lớp tiếp giáp B-E và đường tải
Đặc tính Volt-Ampere
mạch E chung
37
37
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích một chiều mạch transistor E chung
𝑽'' tăng → I' tăng → I) tăng
I' tăng → I) không tăng
Trạng thái bão hoà
Điểm làm việc Q
Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn
lớp tiếp giáp B-E và đường tải
Đặc tính transistor C-E và
đường tải C-E
38
38
19
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung
Vùng
bão hoà
𝑽)*(,-.)
𝟎. 𝟏 − 𝟎. 𝟑V
39
39
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung
40
40
20
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phân tích một chiều mạch transistor E chung
𝑽'' < V'* on ; I' = I) = 𝟎
Transistor khoá
I' = I) = I* = 𝟎
𝑽)* = V))
Khoá
Đặc tính V-A tuyến tính từng đoạn
lớp tiếp giáp B-E và đường tải
Đặc tính transistor C-E và
đường tải C-E
41
41
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch E chung
Vùng khoá
42
42
21
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Đặc tính Volt – Ampere mạch B chung
43
43
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Phương pháp phân tích 1 chiều lưỡng cực
§ Phân tích đáp ứng 1 chiều mạch transistor lưỡng cực cần
biết chế độ hoạt động của transistor.
1. Giả thiết transistor ở chế độ tích cực thuận với:
V'* = V'* on , I' > 0, I) = 𝛽I' .
2. Phân tích mạch “tuyến tính” với các giả thiết này.
3. Đánh giá kết quả
• Nếu các giá trị tham số giả định ban đầu đúng và V)* > V)* sat ,
thì giả thiết ban đầu là đúng.
• I' < 0, transistor có thể ở trạng thái khoá
• V)* < 0, transistor có thể ở trạng thái bão hoà.
4. Nếu giả thiết ban đầu không đúng, thực hiện giả thiết mới,
phân tích mạch tuyến tính mới và lặp lại bước 3.
44
44
22
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.3
§ Cho:
›
›
›
VEB (on) = 0.6V
RB = 580kΩ
β = 100
§ Tìm:
›
IB, IC , IE
›
RC sao cho 𝑉$# = F 𝑉 G
E
45
45
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.3
46
46
23
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.4
§ Tính dòng và áp trong mạch khi transistor ở
chế độ bão hoà.
›
›
›
VBE (on) = 0.7V
β = 100
VCE (sat) = 0.2V
47
47
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.4
48
48
24
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.4
§ Nhận xét:
Khi transistor ở trạng thái bão hoà
49
49
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.5
§ Thiết kế mạch B chung như hình vẽ để
›
›
IECQ = 0.5mA
VECQ = 4.0V
§ Giả thiết:
›
›
β= 120
VEB (on) = 0.7V
50
50
25
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.5
§ Áp dung định luật Kirchoff cho vòng B-E (giả thiết ở trạng
thái tích cực thuận):
§ Từ đó:
51
51
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Ví dụ 2.5
§ Tìm được:
§ Áp dung định luật Kirchoff cho vòng C-E:
§ Tính được:
52
52
26
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Bài tập 2.3
§ Cho:
›
›
›
VBE (on) = 0.7V
VCE (sat) = 0.2V
β = 50
§ Với
›
›
VI =0.2V
VI =3.6V
§ Tìm:
›
VO, IB , IC
53
53
Chương 2: Cấu kiện điện tử
2.3 Linh kiện bán dẫn và ứng dụng
2.3.3 Transistor và ứng dụng
Bài tập 2.4
§ Cho mạch như hình vẽ, biết
›
Điện áp phân cực
›
Điện áp đo được tại cực C:
§ Tìm:
54
54
27
Download