36 H ệ s ố ổ n đị nh đượ c đị nh ngh ĩ a b ằ ng t ỉ s ố gi ữ a các bi ế n đổ i t ươ ng đố i c ủ a dòng đ i ệ n qua đ iôt và đ i ệ n áp r ơ i trên đ iôt do dòng này gây ra: Z = (dI z / I z ) (dU z / U z ) = R / r dz = R t / r dz (2-34) Hình 2.14:Bù nhiệt dùng hai điôt Hình 2.15: Đặc tuyến bù nhiệt Chúng ta th ấ y h ệ s ố này chính b ằ ng t ỉ s ố gi ữ a đ i ệ n tr ở t ĩ nh và đ i ệ n tr ở độ ng t ạ i đ i ể m công tác c ủ a đ iôt. Để đạ t h ệ s ố ổ n đị nh cao, v ớ i m ộ t s ự bi ế n đố i đ òng đ i ệ n qua đ iôt đ ã cho tr ướ c, đ i ệ n áp r ơ i trên đ iôt (do dòng này gây ra) ph ả i bi ế n đổ i nh ỏ nh ấ t. Các đ iôt ổ n đị nh Si th ườ ng có Z ≥ 100. Tr ở kháng ra c ủ a m ạ ch ổ n đị nh c ũ ng là m ộ t thông s ố ch ủ y ế u đ ánh giá ch ấ t l ượ ng c ủ a m ạ ch: R ra = ∆U ra / ∆I ra Ở đ ây ∆U ra là gia s ố c ủ a đ i ệ n áp ra, gây ra b ở i gia s ố ∆I ra c ủ a dòng t ả i. Rõ ràng t ỉ s ố v ế ph ả i càng nh ỏ thì ch ấ t l ượ ng m ạ ch ổ n đị nh càng cao, vì th ế các m ạ ch ổ n đị nh dùng đ i ố t Zener có đ i ệ n tr ở ra càng nh ỏ càng t ố t. ( Đ i ề u này phù h ợ p v ớ i vai trò m ộ t ngu ồ n đ i ệ n áp lí t ưở ng). - H ệ s ố nhi ệ t độ c ủ a đ i ệ n áp ổ n đị nh θ t , h ệ s ố này cho bi ế t s ự bi ế n đổ i t ươ ng đố i c ủ a đ i ệ n áp ổ n đị nh khi nhi ệ t độ thay đổ i 1 o C : θ t =(1 / U z )(du z / dt) | lz = const (2-35) H ệ s ố này xác đị nh b ở i h ệ s ố nhi ệ t độ c ủ a đ i ệ n áp đ ánh th ủ ng chuy ể n ti ế p p-n. S ự ph ụ thu ộ c c ủ a đ i ệ n áp ổ n đị nh vào nhi ệ t độ có d ạ ng U z = U zo [1 + θ T (T - T o )] (2-36) Trong đ ó: U zo là đ i ệ n áp ổ n đị nh c ủ a đ iôt Zener ở nhi ệ t độ T o H ệ s ố nhi ệ t độ θ t có giá tr ị âm n ế u hi ệ n t ượ ng đ ánh th ủ ng ch ủ y ế u do hi ệ u ứ ng Zener gây ra. Nó có giá tr ị d ươ ng n ế u hi ệ n t ượ ng đ ánh th ủ ng ch ủ y ế u do hi ệ n t ượ ng thái l ũ gây ra. V I 37 H ệ s ố nhi ệ t d ươ ng c ủ a đ lôt Zener có th ể bù tr ừ cho h ệ s ố nhi ệ t độ âm c ủ a đ iôt ch ỉ nh l ư u ở nhi ệ t độ thông th ườ ng và có h ệ s ố nhi ệ t c ủ a c ả t ổ h ợ p có th ể đạ t đế n 0,0005%/ O C. C ầ n chú ý là h ệ s ố nhi ệ t độ c ủ a đ i ệ n áp ổ n đị nh t ạ i m ộ t giá tr ị đ i ệ n áp nào đ ó trong kho ả ng t ừ 5 đế n 7V, b ằ ng 'không. S ở d ĩ nh ư v ậ y là vì trong kho ả ng nhi ệ t độ này t ồ n t ạ i c ả hai hi ệ n t ượ ng đ ánh th ủ ng là Zener và thác l ũ mà h ệ s ố nhi ệ t c ủ a hai hi ệ u ứ ng này l ạ i ng ượ c d ấ u cho nên có ch ỗ chúng tri ệ t tiêu l ẫ n nhau. Đ ây là m ộ t đặ c đ i ể m r ấ t đ áng quý, ch ỉ xu ấ t hi ệ n t ạ i để m công tác c ủ a t ừ ng đ iôt Zener trong kho ả ng t ừ 5 đế n 7V. Trên hình 2.15 trình bày đặ c tuy ế n c ủ a 3 đ iôt đ o ở hai nhi ệ t độ khác nhau. Nh ữ ng vòng tròn đ ánh đấ u đ i ể m công tác c ủ a đ iôt t ạ i đ ó h ệ s ố nhi ệ t b ằ ng không. Thực hiện bài thực tập về “Khảo sát mạch chỉnh lưu” qua mô phỏng 38 2.2. PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N N ế u trên cùng m ộ t đế bán d ẫ n l ầ n l ượ t t ạ o ra hai ti ế p giáp công ngh ệ p-n g ầ n nhau thì ta đượ c m ộ t d ụ ng c ụ bán d ẫ n 3 c ự c g ọ i là tranzito bipolar, có kh ả n ă ng khu ế ch đạ i tín hi ệ u đ i ệ n. Nguyên lí làm vi ệ c c ủ a tranzito d ự a trên đặ c tính đ i ệ n c ủ a t ừ ng ti ế p giáp p-n và tác d ụ ng t ươ ng h ỗ gi ữ a chúng. 2.2.1. Cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc tuyến và tham số của tranzito bipolar a) Cấu tạo: tranzito có c ấ u t ạ o g ồ m các mi ề n bán d ẫ n p và n xen k ẽ nhau, tùy theo trình t ự s ắ p x ế p các mi ề n p và n mà ta có hai lo ạ i c ấ u t ạ o đ i ể n hình là pnp và npn nh ư trên hình 2.16. Để t ạ o ra các c ấ u trúc này ng ườ i ta áp d ụ ng nh ữ ng ph ươ ng pháp công ngh ệ khác nhau nh ư ph ươ ng pháp h ợ p kim, ph ươ ng pháp khu ế ch tán, ph ươ ng pháp epitaxi Hình 2.16 : Mô hình lí tưởng hóa cùng kí hiệu của tranzito pnp (a) và npn (b) Mi ề n bán d ẫ n th ứ nh ấ t c ủ a tranzito là mi ề n emit ơ v ớ i đặ c đ i ể m là có n ồ ng độ t ạ p ch ấ t l ớ n nh ấ t, đ i ệ n c ự c n ố i v ớ i mi ề n này g ọ i là c ự c emit ơ . Mi ề n th ứ hai là mi ề n baz ơ v ớ i n ồ ng độ t ạ p ch ấ t nh ỏ và độ dày c ủ a nó nh ỏ c ỡ µm, đ i ệ n c ự c n ố i v ớ i mi ề n này g ọ i là c ự c baz ơ . Mi ề n còn l ạ i là mi ề n colect ơ v ớ i n ồ ng độ t ạ p ch ấ t trung hình và đ i ệ n c ự c t ươ ng ứ ng là colect ơ . Ti ế p giáp p-n gi ữ a mi ề n emit ơ và baz ơ g ọ i là ti ế p giáp emit ơ (J E ) ti ế p giáp pn gi ữ a mi ề n baz ơ và mi ề n colect ơ là ti ế p giáp colect ơ (J C ) V ề kí hi ệ u tranzito c ầ n chú ý là m ũ i tên đặ t ở gi ữ a c ự c emit ơ và baz ơ có chi ề u t ừ bán d ẫ n p sang bán d ẫ n n. V ề m ặ t c ấ u trúc, có th ể coi tranzito nh ư 2 đ iôt m ắ c đố i nhau nh ư hình 2.17. ( Đ i ề u này hoàn toàn không có ngh ĩ a là c ứ m ắ c 2 đố t nh ư hình 2-17 là có th ể th ự c hi ệ n đượ c ch ứ c n ă ng c ủ a tranzito. B ở i vì khi đ ó không có tác d ụ ng t ươ ng h ỗ l ẫ n nhau c ủ a 2 ti ế p p-n. Hi ệ u ứ ng tranzito ch ỉ x ả y ra khi kho ả ng cách gi ữ a 2 ti ế p giáp nh ỏ h ơ n nhi ề u so v ớ i độ dài khu ế ch tán c ủ a h ạ t d ẫ n). p p n p n n J E J E J C J C C C E E B B b) a) 39 Hình 2.17: Phân tích cấu tạo tranzito thành hai điốt và mạch tương hỗ b) Nguyên lí làm việc: Để tranzito làm vi ệ c, ng ườ i ta ph ả i đư a đ i ệ n áp 1 chi ề u t ớ i các đ i ệ n c ự c c ủ a nó, g ọ i là phân c ự c cho tranzito. Đố i v ớ i ch ế độ khu ế ch đạ i thì J E phân c ự c thu ậ n và J C phân c ự c ng ượ c nh ư hình 2-18. Hình 2.18: Sơ đồ phân cực của tranzito npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại Để phân tích nguyên lí làm vi ệ c ta l ấ y tranzito pnp làm ví d ụ . Do J E phân c ự c thu ậ n các h ạ t đ a s ố (l ỗ tr ố ng) t ừ mi ề n p phun qua J E t ạ o nên dòng emit ơ (I E ). Chúng t ớ i vùng baz ơ tr ở thành h ạ t thi ể u s ố và ti ế p t ụ c khu ế ch tán sâu vào vùng baz ơ h ướ ng t ớ i J C . Trên đườ ng khu ế ch tán m ộ t ph ầ n nh ỏ b ị tái h ợ p v ớ i h ạ t đ a s ố c ủ a baz ơ t ạ o nên dòng đ i ệ n c ự c baz ơ (I B ). Do c ấ u t ạ o mi ề n baz ơ m ỏ ng nên g ầ n nh ư toàn b ộ các h ạ t khu ế ch tán t ớ i đượ c b ờ c ủ a J C và b ị tr ườ ng gia t ố c (do J C phân c ự c ng ượ c) cu ộ n qua t ớ i đượ c mi ề n colect ơ t ạ o nên dòng đ i ệ n colect ơ (I C ) Qua vi ệ c phân tích trên rút ra đượ c h ệ th ứ c c ơ b ả n v ề các dòng đ i ệ n trong tranzito (h ệ th ứ c g ầ n đ úng do b ỏ qua dòng ng ượ c c ủ a J C ) I E = I B + I C (2-37) Để đ ánh giá m ứ c hao h ụ t dòng khu ế ch tán trong vùng baz ơ ng ườ i ta đị nh ngh ĩ a h ệ s ố truy ề n đạ t dòng đ i ệ n α c ủ a tranzito. α = I C / I E (2-38) h ệ s ố α xác đị nh ch ấ t l ượ ng c ủ a tranzito và có giá tr ị càng g ầ n 1 v ớ i các tranzito lo ạ i t ố t. p n n C E B 40 Để đ ánh giá tác d ụ ng đ i ề u khi ể n c ủ a dòng đ i ệ n I B t ớ i dòng colect ơ I C ng ườ i ta đị nh ngh ĩ a h ệ s ố khu ế ch đạ i dòng đ i ệ n β c ủ a tranzito. β = I C / I B (2:39) β th ườ ng có giá tr ị trong kho ả ng vài ch ụ c đế n vài tr ă m. T ừ các bi ể u th ứ c (2-37), (2- 38), (2-39) có th ể suy ra vài h ệ th ứ c hay đượ c s ử d ụ ng đố i v ớ i tranzito: I E = I B (1 + β) (240) α = β / (1+ β) (2-41) c) Cách mắc tranzito và tham số ở chế đố tín hiệu nhỏ Khi s ử d ụ ng, v ề nguyên t ắ c có th ể l ấ y 2 trong s ố 3 c ự c c ủ a tranzito là đầ u vào và c ự c th ứ 3 còn l ạ i cùng v ớ i m ộ t c ự c đầ u vào làm đầ u ra. Nh ư v ậ y có t ấ t c ả 6 cách m ắ c m ạ ch khác nhau. Nh ư ng dù m ắ c th ế nào c ũ ng c ầ n có m ộ t c ự c chung cho c ả đầ u vào và đầ u ra. Trong s ố 6 cách m ắ c ấ y ch ỉ có 3 cách là tranzito có th ể khu ế ch đạ i công su ấ t đ ó là cách m ắ c chung emit ơ (E C ), chung baz ơ (B C ), chung colect ơ (C C ) nh ư hình 2.19. Ba cách m ắ c còn l ạ i không có ứ ng d ụ ng trong th ự c t ế . Hình 2.19: Phương pháp mắc tranzito trong thực tế Từ trái sang phải : Chung emitơ, chung bazơ, chung colectơ T ừ cách m ắ c đượ c dùng trong th ự c t ế c ủ a tranzito v ề m ặ t s ơ đồ có th ể coi tranzito là m ộ t ph ầ n t ử 4 c ự c g ầ n tuy ế n tính có 2 đầ u vào và 2 đầ u ra (h.2.20). Hình 2.20: Tranzito như mạng bốn cực Có th ể vi ế t ra 6 c ặ p ph ươ ng trình mô t ả quan h ệ gi ữ a đầ u vào và đầ u ra c ủ a m ạ ng 4 c ự c trong đ ó dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp là nh ữ ng bi ế n s ố độ c l ậ p. Nh ư ng trong th ự c t ế tính toán th ườ ng dùng nh ấ t là 3 c ặ p ph ươ ng trình tuy ế n tính sau: C ặ p ph ươ ng trình tr ở kháng có đượ c khi coi các đ i ệ n áp là hàm, các dòng đ i ệ n là bi ế n có d ạ ng sau: U 1 = f(I 1 , I 2 ) = r 11 I 1 + r 12 I 2 U 2 = f(I 1 , I 2 ) = r 21 I 1 + r 22 I 2 Echung U 1 (vao) U 2 (ra) Bchung U 1 (vao) U 2 (ra) Cchung U 1 (vao) U 2 (ra) T U 2 (ra) U 1 (vao) 41 C ặ p ph ươ ng trình d ẫ n n ạ p có đượ c khi coi các dòng đ i ệ n là hàm c ủ a các bi ế n đ i ệ n áp I 1 = f(U 1 , U 2 ) = g 11 . U 1 + g 12 . U 2 I 2 = f(U 1 , U 2 ) = g 21 . U 1 + g 22 . U 2 C ặ p ph ươ ng trình h ỗ n h ợ p U 1 = f(I 1 , U 2 ) h 11 h 12 I 1 U 2 = f(I 1 , U 2 ) h 21 h 22 U 2 trong đ ó r ij , g ij , và h ij t ươ ng ứ ng là các tham s ố tr ở kháng d ẫ n n ạ p và h ỗ n h ợ p c ủ a tranzito. B ằ ng cách l ấ y vi phân toàn ph ầ n các h ệ ph ươ ng trình trên, ta s ẽ xác đị nh đượ c các tham s ố vi phân t ươ ng ứ ng c ủ a tranzito. Ví d ụ : 22 const= I 2 2 22 h 1 = I ∂ U ∂ =r 1 g ọ i là đ i ệ n tr ở ra vi phân (2-42) S= r 1 ==g 12 const = 2 U 2 2 22 ∂U ∂I đượ c g ọ i là h ỗ d ẫ n truy ề n đạ t (2-43) 11 const= I 1 1 11 h= I U =r 2 ∂ ∂ là đ i ệ n tr ở vào vi phân (2-44) β= I =h const= U 2 2 21 2 ∂ ∂I là h ệ s ố khu ế ch đạ i dòng đ i ệ n vi phân (2-45) Khi xác đị nh đặ c tuy ế n t ĩ nh (ch ế độ ch ư a có tín hi ệ u đư a t ớ i) c ủ a tranzito, dùng h ệ ph ươ ng trình h ỗ n h ợ p là thu ậ n ti ệ n vì khi đ ó d ễ dàng xác đị nh các tham s ố c ủ a h ệ ph ươ ng trình này. d) Đặ c tuy ế n t ĩ nh d ự a vào các h ệ ph ươ ng trình nêu trên có th ể đư a ra các h ọ đặ c tuy ế n t ĩ nh c ủ a tranzito khi coi m ộ t đạ i l ượ ng là hàm 1 bi ế n còn đạ i l ượ ng th ứ 3 coi nh ư m ộ t tham s ố . Trong tr ườ ng h ợ p t ổ ng quát có 4 h ọ đặ c tuy ế n t ĩ nh: Đặ c tuy ế n vào U 1 = f(I 1 ) |U 2 =const Đặ c tuy ế n ph ả n h ồ i U 1 = f(U 2 ) |I 1 =const (2-46) Đặ c tuy ế n truy ề n đạ t I 2 2 = f(I 1 ) │ U 2 =const Đặ c tuy ế n ra I 2 = f(U 2 ) │ I 1 =const Tùy theo cách m ắ c tranzito mà các quan h ệ này có tên g ọ i c ụ th ể dòng đ i ệ n và đ i ệ n áp khác nhau, ví d ụ v ớ i ki ể u m ắ c E C : đặ c tuy ế n vào là quan h ệ I B = f(U BE ) │ U CE = const hay đặ c tuy ế n ra là quan h ệ I C = f(U CE ) │ I B = const … B ả ng (2.1) d ướ i đ ây cho các ph ươ ng trình c ủ a h ọ đặ c tuy ế n t ươ ng ứ ng suy ra t ừ h ệ ph ươ ng trình h ỗ n h ợ p trong các tr ườ ng h ợ p m ắ c m ạ ch BC, EC và CC. 42 Bảng 2.1. Quan hệ hàm xác định họ đặc tuyến tĩnh của tranzito T ổ ng quát BC EC CC U 1 = f(I 1 ) │ U 2 =const U 1 = f(U 2 ) │ I 1 =const I 2 = f(I 1 ) │ U 2 =const I 2 = f(U 2 ) │ I 1 =const U EB = f(I E ) │ U CB U EB = f(U CB ) │ I E I C = f(I E ) │ U CB I C = f(U CB ) │ I B U BE = f(I B ) │ U CE U BE = f(U CE ) │ I B I C = f(I B ) │ U CE I C = f(U CE ) │ I B U BC = f(I B ) │ U EC U BC = f(U EC ) │ I B I E = f(I B ) │ U EC I E = f(U EC ) │ I B Có th ể xây d ự ng s ơ đồ t ươ ng đươ ng xoay chi ề u tín hi ệ u nh ỏ c ủ a tranzito theo h ệ ph ươ ng trình tham s ố h ỗ n h ợ p ∆ U 1 = h 11 ∆ I 1 + h 22 ∆ U 2 (2-47) ∆ I 2 = h 2 ∆ I 1 + h 22 ∆ U 2 D ạ ng nh ư trên hình 2.21. Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạng 4 cực theo tham số h Chú ý: đố i v ớ i các s ơ đồ EC, BC, CC các đạ i l ượ ng ∆ I 1 , ∆ U 1 , ∆ I 2 , ∆ U 2 t ươ ng đươ ng v ớ i các dòng vào (ra), đ i ệ n áp vào (ra) c ủ a t ừ ng cách m ắ c. Ngoài ra còn có th ể bi ể u th ị s ơ đồ t ươ ng đươ ng c ủ a tranzito theo các tham s ố v ậ t lý. Ví d ụ v ớ i các ki ể u m ắ c BC có s ơ đồ 2.22 Hình 2.22: Sơ đồ tương đương mạch BC . T ừ các bi ể u th ứ c ( 2-3 7), ( 2- 38), ( 2-3 9) có th ể suy ra vài h ệ th ứ c hay đượ c s ử d ụ ng đố i v ớ i tranzito: I E = I B (1 + β) (240) α = β / (1+ β) ( 2-4 1) c) Cách mắc tranzito. thu ộ c c ủ a đ i ệ n áp ổ n đị nh vào nhi ệ t độ có d ạ ng U z = U zo [1 + θ T (T - T o )] ( 2-3 6) Trong đ ó: U zo là đ i ệ n áp ổ n đị nh c ủ a đ iôt Zener ở nhi ệ t độ T o . ra vi phân ( 2-4 2) S= r 1 ==g 12 const = 2 U 2 2 22 ∂U ∂I đượ c g ọ i là h ỗ d ẫ n truy ề n đạ t ( 2-4 3) 11 const= I 1 1 11 h= I U =r 2 ∂ ∂ là đ i ệ n tr ở vào vi phân ( 2-4 4) β= I =h const= U 2 2 21 2 ∂ ∂I