Mục Lục
Transistor Avalanche Là Gì?
Transistor Avalanche là một loại mạch hoạt động dựa trên hiện tượng Avalanche Breakdown trong transistor, thường được sử dụng ở các mạch điện áp cao và có khả năng chịu được điện áp lớn trong thời gian ngắn. Hiện tượng Avalanche Breakdown xảy ra khi điện áp ngược giữa Collector và Emitter của transistor (thường là BJT hoặc MOSFET) vượt quá một giá trị giới hạn, tạo ra một dòng điện lớn đột ngột do sự ion hóa mạnh mẽ của các hạt mang điện trong chất bán dẫn.
Hiện Tượng Avalanche Breakdown
- Avalanche Breakdown là hiện tượng vật lý xảy ra trong chất bán dẫn khi điện trường mạnh đủ lớn làm tăng động năng của các electron tự do. Các electron này va chạm với các nguyên tử trong mạng tinh thể, tạo ra nhiều electron và lỗ trống hơn, dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của dòng điện.
- Trong các thiết bị bán dẫn như diode hoặc transistor, hiện tượng này thường xảy ra ở một mức điện áp ngược rất cao (được gọi là Avalanche Voltage). Khi điện áp vượt qua ngưỡng này, dòng điện tăng đột ngột nhưng không gây hỏng transistor nếu được kiểm soát đúng cách.
Ứng Dụng Của Transistor Avalanche
1. Mạch Tạo Xung
- Transistor Avalanche được sử dụng trong các mạch tạo xung điện áp cao hoặc các ứng dụng cần xung có độ dốc lớn (sharp pulse). Khi transistor bước vào chế độ Avalanche Breakdown, dòng điện tăng đột ngột, tạo ra các xung có biên độ lớn trong thời gian ngắn.
- Đây là một phương pháp hiệu quả để tạo ra xung điện áp cao với tốc độ rất nhanh, được sử dụng trong các ứng dụng như radar, cảm biến xung, và các mạch tạo xung cao áp cho các ứng dụng khác.
2. Mạch Cắt Xung (Clipping Circuit)
- Transistor hoạt động ở chế độ avalanche cũng có thể được sử dụng trong các mạch cắt xung, nhằm ngắt bỏ hoặc giới hạn biên độ của các xung vượt quá mức nhất định.
3. Bảo Vệ Quá Áp (Overvoltage Protection)
- Các thiết bị bán dẫn sử dụng hiện tượng avalanche breakdown có thể được sử dụng để bảo vệ mạch trước các sự cố quá áp. Khi xảy ra hiện tượng quá áp, transistor sẽ đi vào trạng thái avalanche breakdown và ngắt bớt dòng điện quá mức, giúp bảo vệ các linh kiện khác.
Ưu Điểm Của Transistor Avalanche
- Tạo xung nhanh: Khả năng tạo ra xung điện áp cao với tốc độ rất nhanh, phù hợp với các ứng dụng cần tốc độ chuyển đổi nhanh và độ chính xác cao.
- Bảo vệ chống quá áp: Hoạt động ở chế độ avalanche có thể giúp bảo vệ mạch điện trước các tình huống điện áp tăng đột ngột, tránh hỏng hóc linh kiện.
Nhược Điểm Của Transistor Avalanche
- Không phù hợp với hoạt động lâu dài: Transistor chỉ có thể hoạt động ở chế độ avalanche trong một khoảng thời gian rất ngắn, vì nếu duy trì hiện tượng này lâu dài, nhiệt độ tăng quá mức có thể gây hỏng thiết bị.
- Dễ gây hỏng hóc: Nếu không kiểm soát tốt điện áp và dòng điện, transistor dễ bị hỏng do sự quá tải điện áp.
Kết Luận
Transistor Avalanche là một công nghệ sử dụng hiện tượng Avalanche Breakdown để tạo ra các xung điện áp cao nhanh chóng hoặc bảo vệ mạch điện khỏi các sự cố quá áp. Tuy có thể chịu được điện áp cao trong thời gian ngắn, nhưng nếu sử dụng sai cách, nó có thể làm hỏng các linh kiện điện tử. Transistor này thường được ứng dụng trong các mạch tạo xung và các hệ thống điện áp cao.
Cùng với sự phát triển bùng nổ của các dịch vụ dữ liệu được đại diện bởi IP và sự gia tăng đáng kể về băng thông và khả năng liên lạc, mạng cuối cùng sẽ là Mạng toàn quang (AON). Nền tảng của AON là công tắc All-optical, có thể dùng để bật, tắt và chuyển đổi tín hiệu quang trong mạng.
Các thiết bị chuyển mạch quang hiện đang được sử dụng hoặc nghiên cứu thương mại bao gồm các thiết bị chuyển mạch vi cơ dựa trên công nghệ MEMS và các thiết bị chuyển mạch quang trạng thái rắn. Công tắc quang trạng thái rắn bao gồm công tắc quang âm, công tắc quang nhiệt, công tắc quang từ, công tắc quang-tinh thể lỏng, v.v. Tốc độ chuyển mạch của công tắc quang MEMS thông thường, công tắc quang tinh thể lỏng và công tắc quang nhiệt có độ lớn ms, không thể đáp ứng yêu cầu chuyển mạch quang. Hơn nữa, các công tắc quang thông thường có độ nhạy phân cực cao nhưng cũng không thể đáp ứng yêu cầu của chuyển mạch quang. Công tắc quang từ sử dụng hiệu ứng xoay Faraday, bằng cách thay đổi từ trường ứng dụng để thay đổi mặt phẳng phân cực của ánh sáng phân cực tới, để đạt được mục đích chuyển mạch quang. So với công tắc cơ quang thông thường, công tắc quang từ có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và độ ổn định cao hơn. So với các công tắc trạng thái rắn khác, công tắc quang từ có điện áp truyền động thấp hơn và nhiễu xuyên âm nhỏ hơn. Vì vậy, chúng ta có thể thấy trước rằng switch quang từ sẽ là switch quang có tính cạnh tranh trong tương lai gần.
Đặc điểm của Transistor Avalanche
Phạm vi đầu ra của bóng bán dẫn thường có thể được chia thành bốn vùng: vùng bão hòa, vùng tuyến tính, vùng cắt và vùng tuyết lở. Hình 1 thể hiện biểu đồ đặc tính đầu ra của bóng bán dẫn NPN. Trong hình 1, BVCEO là điện áp đánh thủng đảo ngược giữa cực thu và cực phát khi đế mở; BVCBO là điện áp đánh thủng do tuyết lở giữa bộ thu và đế khi bộ phát mở. Khi dòng phun nền iB < 0 thì cực phát bị đảo ngược, vùng mà dòng iC của cực góp thay đổi mạnh theo sự thay đổi của -iB và điện áp giữa cực thu và cực phát uCE là vùng tuyết lở.
Khi đặt một điện áp cao vào giữa cực thu và cực phát của bóng bán dẫn, điện trường trong vùng không gian tích điện của cực thu sẽ tăng cường và các cặp lỗ electron sẽ hình thành do điện trường mạnh. Electron và lỗ trống mới sẽ chuyển động ngược chiều với electron và lỗ trống ban đầu. Khi đạt đủ công suất, các cặp lỗ trống electron mới sẽ hình thành do va chạm. Electron và lỗ trống mới sẽ được gia tốc bởi điện trường mạnh và lặp lại quá trình trên. Do đó, dòng điện chạy qua bộ thu sẽ tăng mạnh giống như tuyết lở, đây gọi là hiệu ứng nhân tuyết lở. Các bóng bán dẫn có điện áp lở mạnh hơn thường được gọi là bóng bán dẫn tuyết lở.
Khi hiệu ứng tuyết lở xảy ra, mối quan hệ giữa dòng ic cực góp và dòng cực phát tức là như sau:
Trong công thức 1-1, là hệ số khuếch đại dòng điện ở vùng hạ áp; M là hệ số nhân tuyết lở hoặc hệ số Moll, đại diện cho mức độ nhân hiện tại trong khu vực tuyết lở. Ý nghĩa vật lý của tham số M là khi một sóng mang dòng điện đi vào vùng điện tích không gian của bộ thu, các sóng mang M sẽ chảy ra khỏi vùng điện tích không gian. Hệ số nhân tuyết lở M thường có thể được biểu diễn như sau:
Trong công thức 1-2, m là hệ số xay liên quan đến vật liệu bán dẫn và khi vật liệu là silicon thì thông số này thường nằm trong khoảng từ 3 đến 4. BVCBO là điện áp đánh thủng do tuyết lở giữa bộ thu và đế khi bộ phát mở.
Khi một bóng bán dẫn hoạt động ở vùng tuyết lở, đặc tính điện trở âm sẽ xuất hiện giữa bộ thu và bộ phát. Nếu dòng điện tăng liên tục thì sẽ xảy ra đánh thủng thứ hai như hình 2. Đồng thời, vùng phía trên vùng tuyến tính cũng là vùng điện áp đánh thủng thứ hai và đặc tính điện trở âm đáng kể cũng sẽ xuất hiện ở vùng này. Nếu được dẫn động đúng cách, điểm làm việc ‘a’ sẽ đưa điểm làm việc ‘c’ đi qua điểm giao nhau ‘b’ của vùng điện trở âm, đây thực chất là đặc tính trạng thái ổn định kép. Bởi vì công suất truyền động của bóng bán dẫn tuyết lở khá mạnh nên điểm làm việc thường không nằm ở ‘c’ mà sẽ chuyển sang ‘e’ thông qua điểm giao nhau điện trở âm thứ hai ‘d’. Khi điểm làm việc đi từ ‘a’ đến ‘e’, nó cần đi qua hai vùng điện trở âm, nghĩa là điện áp hoặc dòng điện được tăng tốc bởi hai phản hồi dương. Do đó, cường độ điện áp hoặc cường độ dòng điện của tín hiệu thu được là khá cao. Tốc độ của tín hiệu đó cũng khá nhanh. Đó là lý do tại sao bóng bán dẫn tuyết lở có thể được sử dụng làm nguồn xung dòng điện lớn và tốc độ cao.
Thiết kế và phân tích máy tạo xung Nano giây
Mạch tạo xung nano giây dựa trên đặc tính tuyết lở của bóng bán dẫn được thể hiện trong hình 3. Đó là mạch kích hoạt sử dụng hiệu ứng tuyết lở hoạt động tốt nhất thời của bóng bán dẫn tần số cao và công suất thấp thay vì bóng bán dẫn tuyết lở. Cần có một xung TTL hoặc xung dương có thời gian tăng khoảng 10ns để kích hoạt mạch này..
Khi tín hiệu kích hoạt không được đưa vào, bóng bán dẫn Q1 sẽ bị ngắt. Lúc này, bộ thu bóng bán dẫn VCC sạc tụ điện tuyết lở C2 (Khi sạc xong, điện áp của tụ này xấp xỉ bằng Vcc).
Khi một tín hiệu đủ lớn đầu vào từ ‘input’ của cực, đi qua mạch vi sai gồm tụ điện C1 và điện trở R1, một xung tăng đột biến dương sẽ đưa đế của bóng bán dẫn thông qua diode chuyển mạch D1 và kích hoạt bóng bán dẫn. Điểm làm việc của bóng bán dẫn di chuyển đến vùng điện trở âm không ổn định khi tuyết lở, ‘Q1’ là vùng bị đánh thủng do tuyết lở, duy trì ở trạng thái điện trở thấp và sau đó dòng điện tuyết lở tăng mạnh. Do đó, điện tích tích trữ trong tụ C2 phóng điện nhanh qua Transistor Q1 và điện trở tải RL. Tại thời điểm này, dòng điện là RL→C2→Q1→Nối đất, do đó có thể nhận được xung hẹp ở điện trở tải RL (đầu ra ‘output’). Bởi vì dòng điện tuyết lở lớn nên xung hẹp có giá trị cực đại cao. Khi trận tuyết lở kết thúc, bóng bán dẫn Q1 bị cắt và nguồn điện VCC sạc lại tụ điện C2. Thời gian bật của bóng bán dẫn quyết định mức độ phóng điện của tụ C2, độ lớn xung đầu ra là bao nhiêu. Do điện tích tích trữ trong tụ C2 bị giới hạn (thường từ vài pF đến vài trăm pF) nên độ rộng của xung bị giới hạn. Cũng cần lưu ý rằng do ảnh hưởng của thông số phân tán của bóng bán dẫn và mạch điện, dòng điện tuyết lở (cụ thể là dòng phóng điện của tụ C2) chỉ có thể tăng lên. Khi dòng điện tăng đến giá trị cực đại thì dòng phóng điện sẽ giảm do điện tích tích trữ trong tụ C2 giảm. Cái trước tạo thành cạnh đầu của xung và cái sau tạo thành cạnh trễ của xung.
Kết quả thử nghiệm của máy tạo xung Nano giây
Phần mềm mô phỏng Multisim 2001 được sử dụng để mô phỏng mạch điện như hình 3. Transistor 2N5551 là loại ống phẳng silicon tần số cao và công suất thấp do National Semiconductor sản xuất. BVCEO＝160V, BVCBO＝180V. VCC được đặt bằng 165V. Từ kết quả mô phỏng do Multisim2001 cung cấp, biểu đồ cho thấy sự thay đổi cường độ và độ rộng xung khi có sự thay đổi của tụ điện tuyết lở C2 và điện trở tải RL, được thể hiện trên hình 4 và hình 5.
Từ kết quả mô phỏng, có thể thấy rằng khi tụ điện tuyết lở C2 hoặc điện trở tải RL giảm thì cường độ và độ rộng xung đầu ra sẽ giảm. Do đó, kích thước của tụ điện tuyết lở C2 hoặc điện trở tải RL phải được xác định chính xác để có thể tạo ra xung nano giây có cường độ và độ rộng đều đáp ứng yêu cầu. Việc lựa chọn tụ điện chống tuyết lở C2 là rất quan trọng, nếu công suất của C2 quá lớn thì độ rộng xung sẽ rộng hơn và thời gian phục hồi mạch sẽ quá lâu; nếu công suất của C2 quá nhỏ thì độ rộng và cường độ xung đầu ra sẽ quá nhỏ và mạch sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi điện dung phân tán. Công suất của tụ điện chống tuyết lở C2 thường từ vài chục pF đến vài pF. Nên ưu tiên lựa chọn tụ sứ và tụ Mica.
Trong thử nghiệm mạch thực sử dụng hiệu ứng tuyết lở hoạt động tốt nhất thời của bóng bán dẫn tuyết lở, tín hiệu kích thích TTL được thêm vào. Tụ điện cực thu của bóng bán dẫn phóng điện nhanh chóng và tạo ra xung nano giây. Xung này được kiểm tra bằng máy đo dao động băng thông 500 MHz Tektronix TDS3054B. Xung nano giây có cường độ hoặc độ rộng khác nhau có thể thu được bằng cách thay đổi kích thước của tụ điện tuyết lở hoặc điện trở tải, như trong hình 6 và hình 7.
Kết quả thử nghiệm cho thấy bộ tạo xung nano giây dựa trên bóng bán dẫn tuyết lở được thảo luận trong bài báo này có thể tạo ra xung âm có thể điều chỉnh liên tục có thời gian tăng nhỏ hơn 1,9 ~ 3,2ns, cường độ tăng trong khoảng từ 10 đến 100V, thời lượng từ 5 đến 100ns. Xung này có thể đáp ứng yêu cầu về thời gian bật tắt của dòng điện mạch điều khiển phải có cường độ nano giây. Xung này có thể được sử dụng như xung dòng điện nhất thời.
Kết luận
Thiết kế quan trọng của chuyển mạch quang từ là thời gian chuyển mạch đường quang phải có độ lớn nano giây. Do đó, cần có một bộ tạo xung nano giây có cạnh tăng cường độ nano giây, tốc độ lặp lại cao và độ ổn định cao. Trong bộ tạo xung nano giây của công tắc quang từ, các thiết bị xung tốc độ cao được sử dụng để tạo xung nano giây bao gồm ống hiệu ứng trường và bóng bán dẫn tuyết lở. Transitor tuyết lở như ZTX417 là một thiết bị hiệu suất tuyệt vời có thể cung cấp phản ứng nhanh và công suất đỉnh cao đồng thời. Bóng bán dẫn tuyết lở có thể được sử dụng để tạo ra xung công suất cực đại cao với cạnh tăng cường độ nano giây và dưới nano giây một cách dễ dàng. Một số ống tần số cao và công suất thấp thông thường cũng có thể được sử dụng làm ống tuyết lở như 2N5551, 3DB2N, 2N2369A, v.v. Do đó, chúng ta có thể thiết kế một mạch đơn giản, mạch tạo xung nano giây hiệu suất tốt và chi phí thấp bằng cách sử dụng đặc tính tuyết lở của bóng bán dẫn.
Xem thêm kiến thức thú vị khác tại diencobacninh.com
