Giáo trình

Kỹ thuật Điện tử

Science and Technology

TRANSISTOR Trường và linh kiện bán dẫn nhiều mắt ghép

Tổng quan

Khác với tranzito lưỡng cực, hoạt động của tranzito trường dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường nghĩa là độ dẫn điện của đơn tinh thể bán dẫn do điện trường bên ngoài điều khiển.

Dòng điện trong tranzito trường do một loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống hoặc điện tử nên nó còn được gọi là cấu kiện đơn cực.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của tranzito trường là dòng điện đi qua một môi trường bán dẫn có tiết diện dẫn điện thay đổi dưới tác dụng của điện trường vuông góc với lớp bán dẫn đó.

Khi thay đổi cường độ điện trường sẽ làm thay đổi điện trở của lớp bán dẫn và do đó làm thay đổi dòng điện đi qua nó. Lớp bán dẫn này được gọi là kênh dẫn điện.

Tranzito trường có hai loại chính là:

- Tranzito trường điều khiển bằng tiếp xúc P-N (hay gọi là tranzito trường mối nối): Junction field- effect transistor - viết tắt là JFET.

- Tranzito có cực cửa cách điện: Insulated- gate field effect transistor - viết tắt là IGFET.

Thông thường lớp cách điện được dùng là lớp oxit nên còn gọi là metal- oxide- semiconductor transistor (viết tắt là MOSFET).

Trong loại tranzito trường có cực cửa cách điện được chia làm 2 loại là MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng.

Mỗi loại FET lại được phân chia thành loại kênh N và loại kênh P.

Tranzito trường có ba chân cực là cực Nguồn ký hiệu là chữ S (source); cực Cửa ký hiệu là chữ G (gate); cực Máng ký hiệu là chữ D (drain).

Cực nguồn (S): cực nguồn mà qua đó các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS.

Cực máng (D): là cực mà ở đó các hạt dẫn đa số rời khỏi kênh.

Cực cửa (G): là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh.

JFET

Cấu tạo của JFET:

Tranzito JFET cấu tạo gồm có một miếng bán dẫn mỏng loại N (gọi là kênh loại N) hoặc loại P (gọi là kênh loại P) ở giữa hai tiếp xúc P-N và được gọi là kênh dẫn điện. Hai đầu của miếng bán dẫn đó được đưa ra hai chân cực gọi là cực máng (ký hiệu là D) và cực nguồn (ký hiệu là S). Hai miếng bán dẫn ở hai bên của kênh được nối với nhau và đưa ra một chân cực gọi là cực cửa (ký hiệu là G). Cho nên, cực cửa được tách khỏi kênh bằng các tiếp xúc P-N.

Các tranzito trường JFET hầu hết đều là loại đối xứng, có nghĩa là khi đấu trong mạch có thể đổi chỗ hai chân cực máng và nguồn cho nhau thì các tính chất và tham số của tranzito không hề thay đổi.

Cấu tạo của tranzito trường loại JFET kênh dẫn loại N

Nguyên lý hoạt động của JFET:

Nguyên lý hoạt động của tranzito trường JFET kênh loại N và kênh loại P giống nhau.

Chúng chỉ khác nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực.

Để cho tranzito trường làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện UGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược. Còn nguồn điện UDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID. Ta có các sơ đồ nguyên lý như hình 5-3.

Trong phần này trình bày về nguyên lý hoạt động của tranzito JFET kênh N.

Sơ đồ nguyên lý của mạch dùng JFe

Xét sơ đồ hình 9.2 a): Để cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G. Để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng, chiều âm vào cực nguồn.

Khi UDS > 0, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn S đến cực máng D. Do vậy, tiếp xúc P-N sẽ bị phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng. Bề dày lớp tiếp xúc tăng dần về phía cực máng và tiết diện của kênh sẽ hẹp dần về phía cực máng.

MOSFET

Cấu tạo:

Tranzito trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET viết tắt là DMOSFET). Ta có mô hình mô phỏng cấu tạo của MOSFET trong hình 9.3. Tranzito trường loại MOS có kênh sẵn là loại tranzito mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P

Nguyên lý hoạt động:

Tranzito loại MOSFET kênh sẵn có hai loại là kênh loại P và kênh loại N. (ví dụ trong hình 9.2 là MOSFET có kênh sẵn loại P).

Khi tranzito làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US = 0.

Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S. Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng. Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.

Nguyên lý làm việc của hai loại tranzito kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau. Sơ đồ nguyên lý đấu nối MOSFET kênh sẵn như trong hình 9.3.

Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại Sơ đồ nguyên lý của MOSFET: a- MOSFET kênh sẵn loại P. b- MOSFET kênh sẵn loại N

Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là đặc tuyến truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS, ta có hàm sau:

ID = f(UGS) khi UDS = const.

Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS = UDS1 <0 và giữ không đổi. Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm. Khi UGS = 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn về cực máng tạo nên dòng điện ID

Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh ID tăng lên. Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn.

Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống, độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống. Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn. Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 9.4a. - Xét họ đặc tuyến ra (hay quan hệ giữa dòng điện ID và điện áp UDS):

ID = f(UDS) khi UGS = const.

Hình 9.4b thể hiện họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh sẵn loại P. Đây là các đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS ứng với từng giá trị của điện áp UGS khác nhau.

Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P: a. Họ đặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) khi UDS không đổi, b. Họ đặc tuyến ra ID = f(UDS) khi UGS không đổi

Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0V thì dòng điện qua kênh ID = 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ. Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số còn nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính theo định luật Ôm. Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến.

Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hòa (UDSb.h.) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới một trị số gọi là dòng điện bão hòa IDb.h.. Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm "thắt" tại cực máng, nên UDSbh còn được gọi là điện áp “thắt”.

Nếu cho |UDS|>|UDSb.h.| thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa IDb.h.. Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị "thắt" tăng lên. Độ chênh lệch của điện áp ΔUDS = ⎪UDS⎪-⎪UDSbh⎪ được đặt lên đoạn kênh bị "thắt" và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị "thắt" không thay đổi, do vậy dòng IDbh giữ không đổi. Ta có vùng dòng điện ID bão hòa.

Trường hợp, nếu đặt UDS quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N ở phía cực máng, dòng điện ID tăng vọt. Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh thủng.

Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả 2 chế độ nghèo và giàu hạt dẫn. MOSFET kênh sẵn có mức ồn nhỏ nên nó thường được dùng trong các tầng khuếch đại đầu tiên của thiết bị cao tần. Độ hỗ dẫn gm của nó phụ thuộc vào điện áp UGS nên hệ số khuếch đại điện áp thường được tự động điều khiển.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Thyristor.

Cấu tạo:

Chỉnh lưu silic có điều khiển, gọi tắt là SCR, gồm có 4 lớp bán dẫn P và N sắp xếp theo kiểu P-N-P-N. Ba chân cực được ký hiệu bằng các chữ A - anốt, K - catôt, và G - cực điều khiển. Cực anốt nối với phần bán dẫn P1 trước, còn catốt nối với phần bán dẫn N2 sau; cực điều khiển G thường được nối với phần bán dẫn P2.

Đèn chỉnh lưu silic có điều khiển chỉ dẫn điện một chiều.

Mô hình cấu tạo và ký hiệu của SCR trong sơ đồ mạch mô tả trong hình 6- 1a,b,c.

Có hai loại SCR là:

+ SCR điều khiển theo catốt hay còn gọi là SCR theo qui ước (đơn giản gọi là SCR). Loại này cực điều khiển G được nối với phần bán dẫn P2 sau.

+ SCR điều khiển theo anốt hay còn gọi là SCR kiểu bù. Loại này cực điều khiển G được nối với phần bán dẫn N1 trước.

Thông thường người ta sử dụng loại SCR qui ước. Các SCR kiểu bù công suất thấp ít được dùng vì công suất tiêu thụ của nó cao hơn loại SCR qui ước. Sau đây, chúng ta nghiên cứu về nguyên lý làm việc của SCR qui ước, gọi tắt là SCR.

Ký hiệu và cấu tạo của SCR

Nguyên lý làm việc:

Sơ đồ mạch tương đương của SCR:

Mạch ứng dụng

Theo cấu tạo, SCR có 3 tiếp xúc P- N được ký hiệu T1, T2, và T3

Khi cực điều khiển G để hở (IG = 0):

Đặt điện áp nguồn cung cấp UAK vào giữa anốt và catốt để phân cực cho SCR và lúc này nó được coi như 1 điốt:

+ Khi phân cực ngược (UAK < 0) thì tiếp xúc T1 và T3 phân cực ngược, T2 phân cực thuận nên qua SCR chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ. Nếu tăng ⎪UAK⎪ lên cao đến điện áp đánh thủng tiếp xúc T1 và T3 thì đây là hiện tượng đánh thủng kiểu thác lũ hay đánh thủng zener với điện áp đánh thủng Uđ.t. = Uđ.t.T1 + UĐ.t.T3. Nếu xảy ra hiện tượng này thì coi như SCR hỏng.

+ Khi phân cực thuận (UAK > 0) thì các tiếp xúc T1 và T3 phân cực thuận, tiếp xúc T2 phân cực ngược và qua SCR cũng chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ (hay SCR ở chế độ trở kháng cao).

Nếu tăng dần điện áp phân cực thuận UAK > 0 lên đến điện áp đánh thủng tiếp xúc T2 thì dòng điện qua SCR tăng vọt. Lúc này cả 3 tiếp xúc P-N đều coi như được phân cực thuận, điện trở của chúng rất nhỏ làm cho sụt áp trên SCR giảm hẳn xuống còn khoảng từ 1 ÷ 2 V. Trị số điện áp mà tại đó xảy ra đánh thủng tiếp xúc T2 được gọi là điện áp đỉnh khuỷu UBO. Trị số UBO này thường vào khoảng từ 200 ÷ 400V. Vùng điện áp này ta gọi là vùng chặn thuận.

Như vậy, khi SCR đã dẫn điện thì dòng điện qua nó không thể khống chế được trong SCR mà nó được hạn chế nhờ điện trở mắc ở mạch ngoài.

Theo sơ đồ mạch tương đương ở hình 6- 2 của SCR ta thấy, khi SCR dẫn điện thì qua nó có dòng điện I chạy từ A đến K và giữa các tiếp xúc P-N của 2 tranzito Q1 và Q2 có các dòng điện vào và ra là:

IC1 = IB2 và IC2 = IB1

Trong đó:

IC1 = α1I + ICBo1

IC2 = α2I + ICBo2

Và α1, α2 là hệ số khuếch đại thác lũ alpha (hay số nhân thác lũ).

Dòng điện tổng qua SCR là:

I = IC1 + IC2 = I(α1 + α2) + ICBo1 + ICBo2

Thay:

ICBo1 + ICBo2 = ICBo

ICBo là dòng điện ngược bão hòa của tiếp xúc P-N.

Vậy ta có:

I = ICBo/(1 – (α1 + α2)

Như vậy, khi (α1 + α2) = 1 thì dòng điện tăng vọt và không giới hạn được, nó tương ứng với tiếp xúc T2 được phân cực thuận. Lúc này, SCR dẫn điện và có nghĩa là cả hai tranzito Q1 và Q2 đều dẫn bão hòa. Lúc này, SCR ở chế độ "ON": đóng mạch, hệ số khuếch đại α của hai tranzito hở nên nhỏ và đạt được điều kiện (α1 + α2) = 1.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Triac.

Là một cấu kiện thuộc họ Thyristo. Triac có 3 chân cực và có khả năng dẫn điện hai chiều khi có tín hiệu kích khởi động (dương hoặc âm).

Cấu tạo của triac:

Do tính dẫn điện hai chiều nên hai đầu ra chính của triac dùng để nối với nguồn điện được gọi là đầu ra MT1 và MT2 . Giữa hai đầu ra MT1 và MT2 có năm lớp bán dẫn bố trí theo thứ tự P-N-P-N như SCR theo cả 2 chiều. Đầu ra thứ ba gọi là cực điều khiển G. Như vậy triac được coi như hai SCR đấu song song ngược chiều với nhau, xem hình 6-4.

Cấu tạo triac

Nguyên lý làm việc:

Theo quy ước, tất cả các điện áp và dòng điện đều quy ước theo đầu ra chính MT1. Như vậy, điện áp nguồn cung cấp cho MT2 phải dương (hoặc âm) hơn so với MT1. Còn tín hiệu điều khiển được đưa vào giữa hai chân cực G và chân cực MT1. Ký hiệu và sơ đồ nguyên lý đấu triac trong mạch mô tả trong hình 6-5a,b.

Đặc tuyến Vôn-Ampe của triac được biểu diễn trong hình 6- 6. Đặc tuyến thể hiện khả năng dẫn điện hai chiều của triac.

Phương pháp kích cổng của triac cũng giống như SCR chỉ khác là có thể dùng cả dòng dương hay dòng âm cho cả phần tư thứ I và phần tư thứ III của đặc tuyến Vôn- Ampe của triac.

Có hai phương pháp kích khởi động cho triac hoạt động nhạy nhất là:

­ Cực cổng G dương và cực MT2 dương so với MT1

­ Cực cổng G âm và cực MT2 âm so với MT1

Trong mạch điện, một triac cho qua 2 nửa chu kỳ của một điện áp xoay chiều và điều khiển bằng một cực điều khiển G.

Khác với SCR, triac tắt trong một khoảng thời gian rất ngắn lúc dòng điện tải đi qua điểm O. Nếu mạch điều khiển của triac có gánh là điện trở thuần thì việc ngắt mạch không có gì khó khăn. Nhưng nếu tải là một cuộn cảm thì vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn vì dòng lệch pha trễ. Thông thường để tắt Thyristo người ta sử dụng cái ngắt điện hoặc mạch đảo lưu dòng điện trong mạch.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Diac.

Cấu tạo và ký hiệu của diac

Diac là cấu kiện 4 lớp bán dẫn có 2 chân cực A1 và A2. Cấu trúc của diac giống như triac nhưng không có cực điều khiển G nên diac cũng dẫn điện hai chiều.. Hình 6-7 giới thiệu ký hiệu của diac trong các sơ đồ mạch.

Nguyên lý hoạt động của diac

Do không có cực điều khiển nên việc kích mở cho diac thực hiện bằng cách nâng cao điện áp đặt vào hai cực. Khi điện áp nguồn đạt đến giá trị UB0 thì diac dẫn điện và điện áp trên nó sụt xuống chỉ còn 1 đến 2 vôn (UV).

Trong ứng dụng, diac thường dùng làm phần tử mở cho triac dẫn. Khi diac dẫn điện, độ sụt áp trên nó là: ∆U = UB0 – UV

được đưa vào cực điều khiển của triac như là xung kích để làm cho triac dẫn điện. Thông thường, trên thực tế ứng dụng, diac và triac được tổ hợp thành một linh kiện duy nhất.Các phương pháp điều khiển và bảo vệ cơ bản.