Đường dây nóng dịch vụ
Nhà báo
Nhà báo
Mọi thứ về bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT)
2024-03-21
2597
Nguồn gốc của Transitor lưỡng cực
Trong các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực hiện đại, silicon đã thay thế germanium làm chất nền và điểm tiếp xúc đã được thay thế bằng hai điểm nối pn ghép liền kề. Cấu trúc có thể có dạng pnp hoặc npn.
Transistor, viết tắt của "điện trở chuyển", là một thiết bị bán dẫn đa điểm nối. Thường được tích hợp với các thành phần mạch khác, bóng bán dẫn được sử dụng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất tín hiệu.
Bóng bán dẫn lưỡng cực, còn được gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT), là một trong những thiết bị bán dẫn quan trọng nhất và có ứng dụng rộng rãi trong các mạch tốc độ cao, mạch analog, khuếch đại công suất, v.v.
Ví dụ, chất bán dẫn loại p giống như một miếng đất sét hình vuông chứa đầy nhiều lỗ (được gọi là lỗ điện tử), tương tự như những cái hang được thấy ở tôm hùm. Chất bán dẫn loại n cũng là một miếng đất sét hình vuông nhưng chứa rất nhiều tôm hùm (electron tự do). Khi chúng ta dán hai mảnh đất sét này lại với nhau, tôm hùm sẽ bò về phía hang.
Vì các hang ở hàng ghế đầu đã gần cạn kiệt nên ngành công nghiệp bán dẫn gọi khu vực này là khu vực cạn kiệt.
Nó giống như một cánh cửa: một người có thể dễ dàng đẩy cửa mở theo một hướng, nhưng thật khó nếu bạn cố gắng đẩy nó theo hướng ngược lại. Tất nhiên, bạn có thể dùng một lực lớn để đẩy mạnh cánh cửa cho đến khi nó gãy, quá trình mà chúng tôi gọi là phá vỡ mối nối.
Nhìn vào đặc tính dòng điện-điện áp của điểm nối PN, đường cong được thể hiện trong sơ đồ bên dưới.
Khi áp dụng độ lệch ngược cho điểm nối PN, nó giống như đưa kính viễn vọng của tôm hùm vào bùn. Tôm hùm có thể nhìn xa hơn và bò hào hứng hơn, dẫn đến có nhiều tôm hùm tìm hang hơn. Do đó, chuyển động tổng thể của tôm hùm tăng lên và chiều rộng của vùng cạn kiệt chất bán dẫn mở rộng.
Sơ đồ dưới đây cho thấy một cái nhìn phối cảnh của một bóng bán dẫn lưỡng cực pnp. Quá trình sản xuất bao gồm việc sử dụng chất bán dẫn loại p làm chất nền, sử dụng nguyên lý khuếch tán nhiệt để tạo ra vùng loại n trên chất nền loại p. Sau đó, vùng loại p+ có nồng độ cao được hình thành trên vùng loại n này thông qua khuếch tán nhiệt. Cuối cùng, kim loại được sử dụng để bao phủ các vùng p+, n và loại p bên dưới để tạo thành các tiếp điểm ohmic.
Vùng loại n hẹp trung gian, có nồng độ tạp chất vừa phải, được gọi là bazơ (ký hiệu là B), và chiều rộng của vùng bazơ cần nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuếch tán của các chất mang thiểu số;
Vùng có nồng độ loại p thấp nhất được gọi là bộ thu (ký hiệu là C). Giả sử sự phân bố nồng độ đồng đều trong từng vùng, khái niệm điểm nối pn có thể được áp dụng trực tiếp cho các điểm nối trong bóng bán dẫn.
Việc thay thế vùng loại p bằng vùng loại n và vùng loại n bằng vùng loại p trong cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực pnp sẽ tạo ra cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực npn. Do đó, hướng phân cực của dòng điện và điện áp cũng bị đảo ngược.
Sơ đồ (a) cho thấy bóng bán dẫn lưỡng cực pnp lý tưởng ở trạng thái cân bằng nhiệt, trong đó ba cực của nó được kết nối với nhau hoặc tất cả đều được nối đất, với các vùng được tô bóng biểu thị các vùng cạn kiệt của hai điểm nối pn.
Sơ đồ (b) minh họa nồng độ tạp chất trong ba vùng pha tạp, trong đó vùng phát có nồng độ pha tạp cao hơn nhiều so với vùng thu và vùng bazơ có nồng độ thấp hơn vùng phát nhưng cao hơn vùng thu.
Sơ đồ (c) mô tả sự phân bố điện trường trong vùng cạn kiệt.
Sơ đồ (d) hiển thị sơ đồ dải năng lượng của bóng bán dẫn, mở rộng trạng thái cân bằng nhiệt của các điểm nối pn và áp dụng cho hai điểm nối p+ - n và điểm nối n - p ghép liền kề.
Sơ đồ (a) hiển thị bóng bán dẫn được kết nối dưới dạng bộ khuếch đại cấu hình cơ sở chung, trong đó cơ sở được chia sẻ giữa các mạch đầu vào và đầu ra.
Sơ đồ (b) và (c) minh họa mật độ điện tích và sự phân bố điện trường trong điều kiện sai lệch, so với trạng thái cân bằng nhiệt được mô tả trong sơ đồ trước. Độ rộng của vùng cạn kiệt tại điểm nối cực phát-cơ sở thu hẹp lại, trong khi vùng cạn kiệt tại điểm nối cực thu-cơ sở mở rộng.
Sơ đồ (d) hiển thị sơ đồ dải năng lượng của bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ khuếch đại. Tiếp giáp cực phát-bazơ bị phân cực thuận, làm cho các lỗ trống được đưa từ vùng phát p+ vào vùng bazơ và các electron được bơm từ vùng bazơ vào vùng phát.
Mặt khác, điểm nối cực góp-đế bị phân cực ngược, cho phép dòng điện bão hòa ngược chạy qua. Nếu vùng cơ sở đủ hẹp, các lỗ được bơm từ vùng phát vào vùng cơ sở có thể khuếch tán qua vùng cơ sở và đến rìa của vùng suy giảm cơ sở thu thập, cuối cùng chảy qua vùng thu dưới sự phân cực của thu-bazơ. nút giao cơ sở.
Cơ chế vận chuyển này làm nảy sinh tên gọi "bộ phát" để bơm các hạt mang điện và "bộ thu" để thu các hạt mang điện được đưa vào từ điểm nối liền kề.
Nếu hầu hết các lỗ được bơm vào không kết hợp lại với các electron ở vùng bazơ mà đi tới cực thu thì dòng cực góp do lỗ trống sẽ khớp chặt với dòng điện qua lỗ phát.
Rõ ràng là các lỗ được đưa vào từ điểm nối đế-bộ phát liền kề có thể tạo ra một dòng điện đáng kể trong điểm nối đế-bộ thu phân cực ngược, dẫn đến hiệu ứng khuếch đại của bóng bán dẫn, chỉ xảy ra khi hai điểm nối này đủ gần nhau, do đó được gọi là các mối nối pn tương tác.
Ngược lại, nếu hai điểm nối pn này cách nhau quá xa thì tất cả các lỗ đi vào sẽ kết hợp lại với các electron ở vùng bazơ và không đến được vùng thu, dẫn đến không có hiệu ứng khuếch đại của bóng bán dẫn. Trong trường hợp này, cấu trúc pnp chỉ hoạt động như hai điốt pn được kết nối ngược nhau.
Độ lợi dòng điện: Sơ đồ bên dưới minh họa các thành phần dòng điện khác nhau trong một bóng bán dẫn pnp lý tưởng hoạt động ở chế độ khuếch đại. Giả sử không có dòng tái hợp thế hệ trong vùng cạn kiệt, các lỗ được đưa vào từ vùng bộ phát tạo thành thành phần dòng điện chiếm ưu thế IEp.
Có ba dòng điện ở chân đế: IBB, IEn và ICn.
IBB đại diện cho dòng điện tử do bazơ cung cấp kết hợp lại với các lỗ trống tới (tức là IBB = IEp - ICp); IEn đại diện cho dòng điện tử được bơm từ vùng cơ sở vào vùng bộ phát, đây là thành phần dòng điện không mong muốn có thể được giảm đi bằng cách pha tạp mạnh vào bộ phát hoặc sử dụng các dị thể; ICn đại diện cho dòng điện tử được tạo ra gần điểm nối bộ thu do hiệu ứng nhiệt, chạy từ vùng bộ thu đến vùng bazơ.
Các chế độ hoạt động: Tùy thuộc vào điện áp phân cực trên điểm nối cực phát và điểm nối cực thu, bóng bán dẫn lưỡng cực có bốn chế độ hoạt động.
Sơ đồ dưới đây minh họa bốn chế độ hoạt động của bóng bán dẫn pnp và mối quan hệ của chúng với VEB và VCB. Sự phân bố các sóng mang thiểu số trong từng chế độ hoạt động cũng được thể hiện trên sơ đồ.
Ví dụ, trong chế độ khuếch đại, điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực thuận và điểm nối cực thu-cơ sở được phân cực ngược.
Ở chế độ bão hòa, cả hai điểm nối của bóng bán dẫn đều được phân cực thuận, dẫn đến sự hiện diện của các hạt tải điện thiểu số trong vùng cạn kiệt của cả hai điểm nối.
Ở chế độ bão hòa, điện áp nhỏ có thể tạo ra dòng điện đầu ra lớn, khiến bóng bán dẫn ở trạng thái dẫn điện tương tự như đoản mạch.
Ở chế độ cắt, cả hai điểm nối của bóng bán dẫn đều bị phân cực ngược, dẫn đến điều kiện biên pn(0) = pn(W) = 0. Transistor ở chế độ cắt có thể được xem như một công tắc ở vị trí mở (hoặc tắt) .
Ở chế độ đảo ngược, điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực ngược và điểm nối cực thu-cơ sở được phân cực thuận. Ở chế độ này, điện cực thu đóng vai trò là bộ phát và ngược lại. Tuy nhiên, mức tăng dòng điện ở chế độ đảo ngược thường nhỏ hơn ở chế độ khuếch đại do nồng độ pha tạp trong vùng thu thấp hơn so với vùng cơ sở, dẫn đến “hiệu suất phát xạ” thấp hơn.
Quá trình chuyển mạch quá độ: Trong các mạch kỹ thuật số, bóng bán dẫn chủ yếu đóng vai trò là công tắc. Bằng cách sử dụng dòng điện cơ sở nhỏ, dòng điện thu có thể nhanh chóng thay đổi từ tắt sang bật (và ngược lại) trong thời gian rất ngắn. Ở trạng thái tắt, có điện áp cao và dòng điện thấp, trong khi ở trạng thái bật, có điện áp thấp và dòng điện cao.
Transitor lưỡng cực dị thể (HBT)
Các bóng bán dẫn lưỡng cực dị vòng (HBT) đề cập đến các bóng bán dẫn trong đó một hoặc cả hai điểm nối được làm bằng các vật liệu bán dẫn khác nhau.
Ưu điểm chính của HBT là hiệu suất phát xạ cao và chúng được sử dụng tương tự như bóng bán dẫn lưỡng cực. Tuy nhiên, HBT có tốc độ cao hơn và có thể hoạt động ở tần số cao hơn. Do những đặc điểm này, HBT được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang điện tử, vi sóng và kỹ thuật số. Trong các ứng dụng vi sóng, HBT thường được sử dụng để sản xuất các bộ khuếch đại, bộ tạo dao động và bộ trộn công suất sóng milimet và vi sóng trạng thái rắn.
Cấu trúc HBT cơ bản: Hầu hết các công nghệ HBT đều được phát triển trên hệ thống vật liệu AlxGa1-xAs/GaAs. Cấu trúc npn HBT cơ bản bao gồm lớp AlxGa1-xAs có dải thông rộng trong vùng bộ phát loại n, lớp GaAs có dải thông hẹp hơn trong vùng cơ sở loại p và các vùng bộ thu và bộ thu phụ loại n được pha tạp nhẹ và pha tạp nặng. GaAs tương ứng.
HBT nâng cao: Trong những năm gần đây, các vật liệu từ dòng InP (như InP/InGaAs hoặc AlInAs/InGaAs) đã được nghiên cứu một cách có hệ thống và các cấu trúc dị thể dựa trên InP mang lại nhiều lợi thế. Cấu trúc InP/InGaAs thể hiện sự tái hợp bề mặt cực kỳ thấp và độ linh động điện tử của InGaAs cao hơn nhiều so với GaAs, mang lại hiệu suất tần số cao tuyệt vời.
Biểu đồ bên dưới mô tả đường cong đặc tính của HBT gốc indi photphua điển hình, với tần số ngưỡng đạt tới 254 GHz. Ngoài ra, InP thể hiện tốc độ trôi dạt cao hơn GaAs trong điện trường mạnh và cũng có điện áp đánh thủng cao hơn.
Mật độ thấp của bẫy giao diện silicon giúp giảm dòng tái hợp bề mặt, đảm bảo mức tăng dòng cao ngay cả ở dòng thu thấp. Ngoài ra, khả năng tương thích với công nghệ xử lý silicon tiêu chuẩn là một tính năng rất hấp dẫn khác.
Sơ đồ trong (a) minh họa cấu trúc Si/SiGe HBT điển hình, trong khi (b) so sánh dòng thu của Si/SiGe HBT với cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực đồng tiếp xúc silicon, cho thấy Si/SiGe HBT thể hiện mức tăng dòng cao hơn. So với HBT dựa trên gali arsenide và indium phosphide, Si/SiGe
HBT có tần số cắt thấp hơn do tính linh động mang của silicon thấp hơn.
Đặc điểm cơ bản: Sơ đồ bên dưới minh họa mặt cắt ngang của thiết bị thyristor, bao gồm cấu trúc pnpn bốn lớp được hình thành bởi ba điểm nối pn nối tiếp, cụ thể là J1, J2 và J3. Lớp p ngoài cùng được kết nối với điện cực tiếp xúc được gọi là cực dương, trong khi lớp n của phía bên kia được gọi là cực âm. Cấu trúc này, không có các điện cực bổ sung, đại diện cho một thiết bị hai cực và được gọi là diode pnpn.
Sơ đồ (c) minh họa sơ đồ dải năng lượng của thiết bị thyristor ở trạng thái cân bằng nhiệt. Mỗi điểm nối có một lớp cạn kiệt và điện thế tích hợp được xác định bởi nồng độ pha tạp.
Nếu xung dòng cổng được đưa vào gần điểm bắt đầu của mỗi chu kỳ thì sẽ có nhiều năng lượng được truyền tới tải hơn. Ngược lại, việc trì hoãn xung dòng điện cổng sẽ làm giảm đáng kể công suất cung cấp cho tải khi thiết bị thyristor dẫn điện về cuối chu kỳ.
Transistor tiếp giáp lưỡng cực được một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Bell phát minh vào năm 1947. Transistor đầu tiên bao gồm hai dây kim loại với các đầu nhọn tạo điểm tiếp xúc với chất nền germanium. Mặc dù còn thô sơ theo tiêu chuẩn ngày nay, nhưng bóng bán dẫn đầu tiên này đã thay đổi đáng kể toàn bộ ngành công nghiệp điện tử và lối sống của nhân loại.
Trong các bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực hiện đại, silicon đã thay thế germanium làm chất nền và điểm tiếp xúc đã được thay thế bằng hai điểm nối pn ghép liền kề. Cấu trúc có thể có dạng pnp hoặc npn.
Transistor, viết tắt của "điện trở chuyển", là một thiết bị bán dẫn đa điểm nối. Thường được tích hợp với các thành phần mạch khác, bóng bán dẫn được sử dụng để khuếch đại điện áp, dòng điện hoặc công suất tín hiệu.
Bóng bán dẫn lưỡng cực, còn được gọi là bóng bán dẫn tiếp giáp lưỡng cực (BJT), là một trong những thiết bị bán dẫn quan trọng nhất và có ứng dụng rộng rãi trong các mạch tốc độ cao, mạch analog, khuếch đại công suất, v.v.
Giao lộ PN là gì?
Nó là một điểm nối được hình thành bởi sự tiếp xúc giữa chất bán dẫn loại p và chất bán dẫn loại n.
Ví dụ, chất bán dẫn loại p giống như một miếng đất sét hình vuông chứa đầy nhiều lỗ (được gọi là lỗ điện tử), tương tự như những cái hang được thấy ở tôm hùm. Chất bán dẫn loại n cũng là một miếng đất sét hình vuông nhưng chứa rất nhiều tôm hùm (electron tự do). Khi chúng ta dán hai mảnh đất sét này lại với nhau, tôm hùm sẽ bò về phía hang.
Những con tôm hùm ở phía trước là những con đầu tiên tìm thấy hang ở hàng ghế đầu. Một khi tôm hùm hàng đầu đã bò vào hang, tôm hùm phía sau phải leo xa hơn và gặp khó khăn hơn trong việc tìm hang.
Vì các hang ở hàng ghế đầu đã gần cạn kiệt nên ngành công nghiệp bán dẫn gọi khu vực này là khu vực cạn kiệt.
Điểm nối PN có một đặc tính gọi là chỉnh lưu, cho phép dòng điện chỉ chạy theo một hướng.
Nó giống như một cánh cửa: một người có thể dễ dàng đẩy cửa mở theo một hướng, nhưng thật khó nếu bạn cố gắng đẩy nó theo hướng ngược lại. Tất nhiên, bạn có thể dùng một lực lớn để đẩy mạnh cánh cửa cho đến khi nó gãy, quá trình mà chúng tôi gọi là phá vỡ mối nối.
Nhìn vào đặc tính dòng điện-điện áp của điểm nối PN, đường cong được thể hiện trong sơ đồ bên dưới.
Khi áp dụng độ lệch thuận cho điểm nối PN, nó giống như bịt mắt những con tôm hùm trong bùn. Tôm hùm bị cận thị và chỉ có thể nhìn thấy hang ở hàng ghế đầu. Kết quả là, chuyển động tổng thể của tôm hùm giảm, số lượng tôm hùm bò về hang cũng giảm, làm giảm chiều rộng của vùng cạn kiệt.
Khi áp dụng độ lệch ngược cho điểm nối PN, nó giống như đưa kính viễn vọng của tôm hùm vào bùn. Tôm hùm có thể nhìn xa hơn và bò hào hứng hơn, dẫn đến có nhiều tôm hùm tìm hang hơn. Do đó, chuyển động tổng thể của tôm hùm tăng lên và chiều rộng của vùng cạn kiệt chất bán dẫn mở rộng.
Trong hình bên dưới, (a) biểu thị độ rộng bình thường của vùng cạn kiệt trong điểm nối PN, (b) hiển thị chiều rộng sau khi áp dụng độ lệch thuận và (c) hiển thị độ rộng sau khi áp dụng độ lệch ngược.
Cấu trúc của Transistor lưỡng cực:
Sơ đồ dưới đây cho thấy một cái nhìn phối cảnh của một bóng bán dẫn lưỡng cực pnp. Quá trình sản xuất bao gồm việc sử dụng chất bán dẫn loại p làm chất nền, sử dụng nguyên lý khuếch tán nhiệt để tạo ra vùng loại n trên chất nền loại p. Sau đó, vùng loại p+ có nồng độ cao được hình thành trên vùng loại n này thông qua khuếch tán nhiệt. Cuối cùng, kim loại được sử dụng để bao phủ các vùng p+, n và loại p bên dưới để tạo thành các tiếp điểm ohmic.
Transistor lưỡng cực pnp bao gồm ba vùng có nồng độ pha tạp khác nhau, tạo thành hai điểm nối pn. Vùng p+ có nồng độ cao nhất được gọi là vùng phát (ký hiệu là E);
Vùng loại n hẹp trung gian, có nồng độ tạp chất vừa phải, được gọi là bazơ (ký hiệu là B), và chiều rộng của vùng bazơ cần nhỏ hơn nhiều so với chiều dài khuếch tán của các chất mang thiểu số;
Vùng có nồng độ loại p thấp nhất được gọi là bộ thu (ký hiệu là C). Giả sử sự phân bố nồng độ đồng đều trong từng vùng, khái niệm điểm nối pn có thể được áp dụng trực tiếp cho các điểm nối trong bóng bán dẫn.
Sơ đồ dưới đây thể hiện ký hiệu mạch điện của bóng bán dẫn lưỡng cực pnp, biểu thị các thành phần dòng điện và cực điện áp khác nhau. Các mũi tên và ký hiệu "+" và "-" biểu thị hướng của dòng điện và cực của điện áp ở chế độ làm việc chung (tức là chế độ khuếch đại, chế độ hoạt động) của bóng bán dẫn. Trong chế độ này, điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực thuận (VEB > 0), trong khi điểm nối cực thu-cơ sở bị phân cực ngược (VCB < 0). Dựa theo
Định luật mạch điện Kirchhoff, đối với thiết bị ba cực này chỉ có hai dòng điện độc lập; nếu biết hai dòng điện bất kỳ thì có thể xác định được dòng điện đầu cuối thứ ba.
Định luật mạch điện Kirchhoff, đối với thiết bị ba cực này chỉ có hai dòng điện độc lập; nếu biết hai dòng điện bất kỳ thì có thể xác định được dòng điện đầu cuối thứ ba.
Cấu trúc và ký hiệu mạch điện của bóng bán dẫn lưỡng cực npn bổ sung cho cấu trúc và ký hiệu của bóng bán dẫn lưỡng cực pnp. Sơ đồ dưới đây cho thấy cấu trúc lý tưởng và ký hiệu mạch của bóng bán dẫn pnp.
Việc thay thế vùng loại p bằng vùng loại n và vùng loại n bằng vùng loại p trong cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực pnp sẽ tạo ra cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực npn. Do đó, hướng phân cực của dòng điện và điện áp cũng bị đảo ngược.
Hiểu về bóng bán dẫn pnp, người ta có thể mô tả bóng bán dẫn npn bằng cách hoán đổi các loại cực tính và pha tạp.
IV. Chế độ khuếch đại bóng bán dẫn lưỡng cực
Sơ đồ (a) cho thấy bóng bán dẫn lưỡng cực pnp lý tưởng ở trạng thái cân bằng nhiệt, trong đó ba cực của nó được kết nối với nhau hoặc tất cả đều được nối đất, với các vùng được tô bóng biểu thị các vùng cạn kiệt của hai điểm nối pn.
Sơ đồ (b) minh họa nồng độ tạp chất trong ba vùng pha tạp, trong đó vùng phát có nồng độ pha tạp cao hơn nhiều so với vùng thu và vùng bazơ có nồng độ thấp hơn vùng phát nhưng cao hơn vùng thu.
Sơ đồ (c) mô tả sự phân bố điện trường trong vùng cạn kiệt.
Sơ đồ (d) hiển thị sơ đồ dải năng lượng của bóng bán dẫn, mở rộng trạng thái cân bằng nhiệt của các điểm nối pn và áp dụng cho hai điểm nối p+ - n và điểm nối n - p ghép liền kề.
Sơ đồ sau tương ứng với bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ khuếch đại như mô tả trong hình minh họa trước.
Sơ đồ (a) hiển thị bóng bán dẫn được kết nối dưới dạng bộ khuếch đại cấu hình cơ sở chung, trong đó cơ sở được chia sẻ giữa các mạch đầu vào và đầu ra.
Sơ đồ (b) và (c) minh họa mật độ điện tích và sự phân bố điện trường trong điều kiện sai lệch, so với trạng thái cân bằng nhiệt được mô tả trong sơ đồ trước. Độ rộng của vùng cạn kiệt tại điểm nối cực phát-cơ sở thu hẹp lại, trong khi vùng cạn kiệt tại điểm nối cực thu-cơ sở mở rộng.
Sơ đồ (d) hiển thị sơ đồ dải năng lượng của bóng bán dẫn hoạt động ở chế độ khuếch đại. Tiếp giáp cực phát-bazơ bị phân cực thuận, làm cho các lỗ trống được đưa từ vùng phát p+ vào vùng bazơ và các electron được bơm từ vùng bazơ vào vùng phát.
Trong một diode lý tưởng, không có dòng tái hợp thế hệ trong vùng cạn kiệt, do đó các lỗ trống được bơm từ vùng phát sang vùng bazơ và các electron được bơm từ vùng bazơ đến vùng phát tạo thành dòng phát.
Mặt khác, điểm nối cực góp-đế bị phân cực ngược, cho phép dòng điện bão hòa ngược chạy qua. Nếu vùng cơ sở đủ hẹp, các lỗ được bơm từ vùng phát vào vùng cơ sở có thể khuếch tán qua vùng cơ sở và đến rìa của vùng suy giảm cơ sở thu thập, cuối cùng chảy qua vùng thu dưới sự phân cực của thu-bazơ. nút giao cơ sở.
Cơ chế vận chuyển này làm nảy sinh tên gọi "bộ phát" để bơm các hạt mang điện và "bộ thu" để thu các hạt mang điện được đưa vào từ điểm nối liền kề.
Nếu hầu hết các lỗ được bơm vào không kết hợp lại với các electron ở vùng bazơ mà đi tới cực thu thì dòng cực góp do lỗ trống sẽ khớp chặt với dòng điện qua lỗ phát.
Rõ ràng là các lỗ được đưa vào từ điểm nối đế-bộ phát liền kề có thể tạo ra một dòng điện đáng kể trong điểm nối đế-bộ thu phân cực ngược, dẫn đến hiệu ứng khuếch đại của bóng bán dẫn, chỉ xảy ra khi hai điểm nối này đủ gần nhau, do đó được gọi là các mối nối pn tương tác.
Ngược lại, nếu hai điểm nối pn này cách nhau quá xa thì tất cả các lỗ đi vào sẽ kết hợp lại với các electron ở vùng bazơ và không đến được vùng thu, dẫn đến không có hiệu ứng khuếch đại của bóng bán dẫn. Trong trường hợp này, cấu trúc pnp chỉ hoạt động như hai điốt pn được kết nối ngược nhau.
Độ lợi dòng điện: Sơ đồ bên dưới minh họa các thành phần dòng điện khác nhau trong một bóng bán dẫn pnp lý tưởng hoạt động ở chế độ khuếch đại. Giả sử không có dòng tái hợp thế hệ trong vùng cạn kiệt, các lỗ được đưa vào từ vùng bộ phát tạo thành thành phần dòng điện chiếm ưu thế IEp.
Hầu hết các lỗ tới sẽ chạm tới điện cực thu và tạo thành ICp.
Có ba dòng điện ở chân đế: IBB, IEn và ICn.
IBB đại diện cho dòng điện tử do bazơ cung cấp kết hợp lại với các lỗ trống tới (tức là IBB = IEp - ICp); IEn đại diện cho dòng điện tử được bơm từ vùng cơ sở vào vùng bộ phát, đây là thành phần dòng điện không mong muốn có thể được giảm đi bằng cách pha tạp mạnh vào bộ phát hoặc sử dụng các dị thể; ICn đại diện cho dòng điện tử được tạo ra gần điểm nối bộ thu do hiệu ứng nhiệt, chạy từ vùng bộ thu đến vùng bazơ.
Các chế độ hoạt động: Tùy thuộc vào điện áp phân cực trên điểm nối cực phát và điểm nối cực thu, bóng bán dẫn lưỡng cực có bốn chế độ hoạt động.
Sơ đồ dưới đây minh họa bốn chế độ hoạt động của bóng bán dẫn pnp và mối quan hệ của chúng với VEB và VCB. Sự phân bố các sóng mang thiểu số trong từng chế độ hoạt động cũng được thể hiện trên sơ đồ.
Ví dụ, trong chế độ khuếch đại, điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực thuận và điểm nối cực thu-cơ sở được phân cực ngược.
Ở chế độ bão hòa, cả hai điểm nối của bóng bán dẫn đều được phân cực thuận, dẫn đến sự hiện diện của các hạt tải điện thiểu số trong vùng cạn kiệt của cả hai điểm nối.
Ở chế độ bão hòa, điện áp nhỏ có thể tạo ra dòng điện đầu ra lớn, khiến bóng bán dẫn ở trạng thái dẫn điện tương tự như đoản mạch.
Ở chế độ cắt, cả hai điểm nối của bóng bán dẫn đều bị phân cực ngược, dẫn đến điều kiện biên pn(0) = pn(W) = 0. Transistor ở chế độ cắt có thể được xem như một công tắc ở vị trí mở (hoặc tắt) .
Ở chế độ đảo ngược, điểm nối cực phát-cơ sở được phân cực ngược và điểm nối cực thu-cơ sở được phân cực thuận. Ở chế độ này, điện cực thu đóng vai trò là bộ phát và ngược lại. Tuy nhiên, mức tăng dòng điện ở chế độ đảo ngược thường nhỏ hơn ở chế độ khuếch đại do nồng độ pha tạp trong vùng thu thấp hơn so với vùng cơ sở, dẫn đến “hiệu suất phát xạ” thấp hơn.
Quá trình chuyển mạch quá độ: Trong các mạch kỹ thuật số, bóng bán dẫn chủ yếu đóng vai trò là công tắc. Bằng cách sử dụng dòng điện cơ sở nhỏ, dòng điện thu có thể nhanh chóng thay đổi từ tắt sang bật (và ngược lại) trong thời gian rất ngắn. Ở trạng thái tắt, có điện áp cao và dòng điện thấp, trong khi ở trạng thái bật, có điện áp thấp và dòng điện cao.
Transitor lưỡng cực dị thể (HBT)
Các bóng bán dẫn lưỡng cực dị vòng (HBT) đề cập đến các bóng bán dẫn trong đó một hoặc cả hai điểm nối được làm bằng các vật liệu bán dẫn khác nhau.
Ưu điểm chính của HBT là hiệu suất phát xạ cao và chúng được sử dụng tương tự như bóng bán dẫn lưỡng cực. Tuy nhiên, HBT có tốc độ cao hơn và có thể hoạt động ở tần số cao hơn. Do những đặc điểm này, HBT được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng quang điện tử, vi sóng và kỹ thuật số. Trong các ứng dụng vi sóng, HBT thường được sử dụng để sản xuất các bộ khuếch đại, bộ tạo dao động và bộ trộn công suất sóng milimet và vi sóng trạng thái rắn.
Cấu trúc HBT cơ bản: Hầu hết các công nghệ HBT đều được phát triển trên hệ thống vật liệu AlxGa1-xAs/GaAs. Cấu trúc npn HBT cơ bản bao gồm lớp AlxGa1-xAs có dải thông rộng trong vùng bộ phát loại n, lớp GaAs có dải thông hẹp hơn trong vùng cơ sở loại p và các vùng bộ thu và bộ thu phụ loại n được pha tạp nhẹ và pha tạp nặng. GaAs tương ứng.
Để tạo thành một tiếp điểm ohmic, một lớp gallium arsenide loại n pha tạp cao được thêm vào giữa tiếp điểm bộ phát và lớp nhôm gallium arsenide. Do sự khác biệt đáng kể về độ rộng dải tần giữa vùng phát và vùng cơ sở, mức tăng dòng điện của bộ phát chung có thể tăng lên đáng kể. Ngược lại, các bóng bán dẫn lưỡng cực đồng nhất không có sự chênh lệch độ rộng vùng cấm như vậy và do đó, tỷ lệ nồng độ pha tạp giữa vùng phát và vùng cơ sở phải được tăng lên đáng kể. Sự khác biệt cơ bản này tạo nên sự khác biệt giữa tiếp xúc đồng thể với các bóng bán dẫn lưỡng cực dị thể.
HBT nâng cao: Trong những năm gần đây, các vật liệu từ dòng InP (như InP/InGaAs hoặc AlInAs/InGaAs) đã được nghiên cứu một cách có hệ thống và các cấu trúc dị thể dựa trên InP mang lại nhiều lợi thế. Cấu trúc InP/InGaAs thể hiện sự tái hợp bề mặt cực kỳ thấp và độ linh động điện tử của InGaAs cao hơn nhiều so với GaAs, mang lại hiệu suất tần số cao tuyệt vời.
Biểu đồ bên dưới mô tả đường cong đặc tính của HBT gốc indi photphua điển hình, với tần số ngưỡng đạt tới 254 GHz. Ngoài ra, InP thể hiện tốc độ trôi dạt cao hơn GaAs trong điện trường mạnh và cũng có điện áp đánh thủng cao hơn.
Một loại tiếp xúc dị thể khác là hệ thống vật liệu Si/SiGe, hệ thống này cung cấp một số tính năng hấp dẫn cho các ứng dụng HBT. Tương tự như AlGaAs/GaAs HBT, Si/SiGe HBT cũng được hưởng lợi từ khả năng pha tạp mạnh do chênh lệch độ rộng vùng cấm, dẫn đến hiệu suất tốc độ cao.
Mật độ thấp của bẫy giao diện silicon giúp giảm dòng tái hợp bề mặt, đảm bảo mức tăng dòng cao ngay cả ở dòng thu thấp. Ngoài ra, khả năng tương thích với công nghệ xử lý silicon tiêu chuẩn là một tính năng rất hấp dẫn khác.
Sơ đồ trong (a) minh họa cấu trúc Si/SiGe HBT điển hình, trong khi (b) so sánh dòng thu của Si/SiGe HBT với cấu trúc của bóng bán dẫn lưỡng cực đồng tiếp xúc silicon, cho thấy Si/SiGe HBT thể hiện mức tăng dòng cao hơn. So với HBT dựa trên gali arsenide và indium phosphide, Si/SiGe
HBT có tần số cắt thấp hơn do tính linh động mang của silicon thấp hơn.
Phần VI: Thiết bị Thyristor và các thiết bị điện liên quan
Thiết bị thyristor là thành phần năng lượng quan trọng có khả năng điều khiển điện áp cao và dòng điện cao, giúp thiết bị chuyển từ trạng thái đóng hoặc bị chặn sang trạng thái mở hoặc dẫn điện và ngược lại. Hoạt động của chúng liên quan chặt chẽ đến các bóng bán dẫn lưỡng cực, liên quan đến sự dẫn điện của cả electron và lỗ trống.
Tuy nhiên, cơ chế và cấu trúc chuyển mạch của chúng khác với các bóng bán dẫn lưỡng cực, mang lại nhiều khả năng điều khiển dòng điện và điện áp. Dòng điện định mức có thể dao động từ vài miliampe đến hơn 5000A, với điện áp định mức vượt quá 10,000V.
Tuy nhiên, cơ chế và cấu trúc chuyển mạch của chúng khác với các bóng bán dẫn lưỡng cực, mang lại nhiều khả năng điều khiển dòng điện và điện áp. Dòng điện định mức có thể dao động từ vài miliampe đến hơn 5000A, với điện áp định mức vượt quá 10,000V.
Đặc điểm cơ bản: Sơ đồ bên dưới minh họa mặt cắt ngang của thiết bị thyristor, bao gồm cấu trúc pnpn bốn lớp được hình thành bởi ba điểm nối pn nối tiếp, cụ thể là J1, J2 và J3. Lớp p ngoài cùng được kết nối với điện cực tiếp xúc được gọi là cực dương, trong khi lớp n của phía bên kia được gọi là cực âm. Cấu trúc này, không có các điện cực bổ sung, đại diện cho một thiết bị hai cực và được gọi là diode pnpn.
Nếu một điện cực khác, được gọi là cổng, được kết nối với lớp p2 bên trong, thì thiết bị ba cực thu được được gọi là bộ chỉnh lưu điều khiển bán dẫn (SCR) hoặc thyristor.
Sơ đồ ở (b) thể hiện đặc tính pha tạp điển hình của thiết bị thyristor. Nó bắt đầu với một tấm wafer silicon loại n có điện trở suất cao làm vật liệu ban đầu (lớp n), sau đó là bước khuếch tán để tạo thành đồng thời các lớp p1 và p2. Cuối cùng, hợp kim hóa hoặc khuếch tán được sử dụng để tạo ra lớp n2 trên một mặt của tấm wafer silicon.
Sơ đồ (c) minh họa sơ đồ dải năng lượng của thiết bị thyristor ở trạng thái cân bằng nhiệt. Mỗi điểm nối có một lớp cạn kiệt và điện thế tích hợp được xác định bởi nồng độ pha tạp.
Sơ đồ minh họa một ứng dụng đơn giản của thiết bị thyristor, có thể điều chỉnh công suất được cung cấp từ đường dây điện đến tải. Ví dụ, tải RL có thể là một bóng đèn hoặc một lò sưởi. Công suất cung cấp cho tải trong mỗi chu kỳ được điều khiển bởi xung dòng cổng của thiết bị thyristor.
Nếu xung dòng cổng được đưa vào gần điểm bắt đầu của mỗi chu kỳ thì sẽ có nhiều năng lượng được truyền tới tải hơn. Ngược lại, việc trì hoãn xung dòng điện cổng sẽ làm giảm đáng kể công suất cung cấp cho tải khi thiết bị thyristor dẫn điện về cuối chu kỳ.
Đây là tất cả các thông tin liên quan đến bóng bán dẫn lưỡng cực.
Khuyến nghị liên quan
粤公网安备44030002007346号