84 bg ckdt 2017

Từ những linh kiện điện tử đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây,…các linh kiện không thể thiếu được như điốt, transistor…đến các linh kiện tích hợp IC phức tạp…Chúng được đấu nối với

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 4

1.1 Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử 4

1.1.1 Khái niệm cấu kiện điện tử 4

1.1.2 Mục tiêu môn học 4

1.1.3 Phân loại cấu kiện điện tử 5

1.2 Nguyên lý và cấu trúc nguyên tử hình thành nên vật chất 5

1.2.1 Các loại vật liệu điện tử 5

1.2.2 Dải năng lượng trong vật liệu điện tử 7

1.2.3 So sánh cấu trúc nguyên tử của vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn điện 8

1.3 Dòng điện trong chất bán dẫn 10

1.4 Các loại vật liệu bán dẫn cơ bản 13

1.4.1 Vật liệu bán dẫn loại P 13

1.4.2 Vật liệu bán dẫn loại N 14

1.5 Giới thiệu về chuyển tiếp PN 14

1.5.1 Mô tả sự hình thành của một chuyển tiếp PN 15

1.5.2 Quá trình hình thành vùng nghèo 16

1.5.3 Biểu đồ năng lượng biểu diễn vùng nghèo và chuyển tiếp PN 17

CHƯƠNG 2: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG VÀ DIODE BÁN DẪN 19

2.1 Giới thiệu về cấu kiện điện tử thụ động 19

2.1.1 Định nghĩa cấu kiện điện tử thụ động 19

2.1.2 Điện trở 20

2.1.3 Tụ điện 24

2.1.4 Cuộn cảm và biến áp 30

2.2 Diode bán dẫn 34

2.2.1 Hoạt động của một diode bán dẫn 35

2.2.2 Đường cong đặc trưng điện áp – dòng điện của diode 37

2.2.3 Các cách mắc diode (mô hình diode) 40

2.3 Một số loại diode đặc biệt 42

2.3.1 Diode Zener 42

2.3.2 Diode biến dung 44

2.3.3 Diode phát quang 45

CHƯƠNG 3: TRANSISTOR BÁN DẪN 47

3.1 Cấu trúc transistor lưỡng cực – BJT 47

3.1.1 Transitor bán dẫn loại NPN 47

3.1.2 Transitor bán dẫn loại PNP 48

3.2 Hoạt động của transistor lưỡng cực 49

3.2.1 Phân cực cho transistor lưỡng cực 49

3.2.2 Dòng điện trong transistor lưỡng cực 51

3.3 Các thông số và đặc trưng của BJT 51

3.3.1 Hệ số khuếch đại dòng và hệ số truyền đạt dòng 51

3.3.2 Đường cong đặc trưng collector 54

3.4 Transistor hiệu ứng trường – FET 62

3.4.1 JFET 63

3.4.2 MOSFET 71

3.4.3 IGBT 75

3.5 Bài tập tổng kết 78

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ LINH KIỆN BÁN DẪN NHIỀU LỚP CHUYỂN TIẾP PN VÀ VI MẠCH TÍCH HỢP 79

4.1 Các cấu kiện bốn lớp cơ bản 79

4.1.1 Diode 4 lớp (Shockley Diode) 79

4.1.2 Ứng dụng của diode bốn lớp 82

4.2 Chỉnh lưu có điều khiển Silic (SCR) 82

4.2.1 Mạch SCR tương đương 83

4.2.2 Các đặc trưng của SCR 86

4.2.3 Các ứng dụng dùng SCR 87

4.3 Diac và Triac 88

4.3.1 Diac 88

4.3.2 Triac 89

4.4 Giới thiệu về vi mạch tích hợp và quang điện tử 90

4.4.1 Giới thiệu về vi mạch tích hợp 90

4.4.2 Phân loại vi mạch tích hợp 91

4.4.3 Giới thiệu về linh kiện quang điện tử 92

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

1.1 Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử

1.1.1 Khái niệm cấu kiện điện tử

Cấu kiện điện tử là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC), …có tính năng

thu nhận, lưu trữ, truyền dẫn, hoặc xử lý tín hiệu điện…tạo nên mạch điện tử, các hệ thống điện tử có chức năng kỹ thuật nào đó

Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại, mỗi loại sẽ thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng một vài đến rất nhiều linh kiện điện tử (tùy thuộc vào mạch ứng dụng đơn giản đến phức tạp)

Từ những linh kiện điện tử đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây,…các linh kiện không thể thiếu được như điốt, transistor…đến các linh kiện tích hợp (IC) phức tạp…Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị điện tử, ví dụ như radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế…đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu – phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v…Nói chung cấu kiện điện tử là các loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng

ta phải hiểu biết và nắm chắc nguyên lý hoạt động, đặc điểm, tham số, và ứng dụng của chúng

Trong thực tế cấu kiện điện tử rất đa dạng, có nhiều tham số, đặc tính khác nhau, tuy nhiên khi nghiên cứu về cấu kiện điện tử chúng ta thường sử dụng các mô hình của cấu kiện với những tham số đặc trưng, quan trọng nhất

1.1.2 Mục tiêu môn học

Với tầm quan trọng của việc nghiên cứu và học tập về các linh kiện điện tử cơ bản được đề xuất trong phần giới thiệu ở trên, ta cần nắm rõ về mục tiêu của môn học

chính là nghiên cứu về cấu trúc, hoạt động của các linh kiện điện tử cơ bản để có

thể hiểu và áp dụng được vào thực tiễn trong quá trình học tập và làm việc về sau như phân tích, đánh giá linh kiện, cũng như nghuyên lý hoạt động của linh kiện/khối linh kiện trong một mạch điện tử ứng dụng cụ thể

Sau khi kết thúc môn học này, các bạn sinh viên có thể:

 Biết được cấu trúc, ký hiệu của các linh kiện điện tử cơ bản như các vật liệu điện tử thụ động và các linh kiện điện tử bán dẫn tích cực

 Hiểu cơ bản về nguyên lý làm việc, cách hoạt động của các linh kiện điện tử bán dẫn như diode, transistors…

 Biết cách phân tích hoạt động cơ bản của các mạch điện tử ứng dụng diodes như các các mạch chỉnh lưu, mạch điều chỉnh tín hiệu như ghim mức, dịch mức

và nhân mức điện áp

 Áp dụng kiến thức cơ bản để tiếp cận được với các loại thiết bị/ linh kiện điện

tử cập nhật thông qua cách sử dụng datasheet của thiết bị/linh kiện

1.1.3 Phân loại cấu kiện điện tử

Linh kiện điện tử thụ động là những linh kiện điện tử chỉ có khả năng xử lý và tiêu

thụ năng lượng điện, ví dụ như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, bộ biến áp Chúng hoạt

động không cần nguồn cấp

Linh kiện điện tử tích cực là linh kiện có khả năng biến đổi, hay thậm chí tạo ra tín

hiệu như mong muốn Ví dụ như: transistor, diode hầm, bộ phát tín hiệu đa hài, bóng

bán dẫn Những linh kiện này cần phải có nguồn cấp để có thể hoạt động được

Khi nói đến tuyến tính, ta hiểu nó là sự thay đổi của tín hiệu đầu ra tỉ lệ thuận với sự thay đổi tín hiệu đầu vào Ví dụ như một điện trở có giá trị xác định, dòng điện chạy

qua nó càng lớn thì độ sụt áp (hiệu điện thế hai đầu điện trở) càng lớn

Trong một mạch điện, linh kiện tuyến tính là linh kiện có quan hệ tuyến tính giữa dòng điện và hiệu điện thế, giá trị các thông số của nó là ổn định và không phụ thuộc

vào dòng điện hay hiệu điện thế đặt vào nó Ví dụ như : điện trở (R), tụ điện (C), cuộn cảm (L) hay biến áp…

Ngược lại, các linh kiện phi tuyến là các linh kiện có quan hệ không tuyến tính giữa

tín hiệu đầu vào và đầu ra Ví dụ như đối với một diode, dòng điện là một hàm không

tuyến tính với hiệu điện thế Hầu hết các thiết bị bán dẫn đều có đặc tính phi tuyến

1.2 Nguyên lý và cấu trúc nguyên tử hình thành nên vật chất

1.2.1 Các loại vật liệu điện tử

Dựa trên các thuộc tính điện thì các loại vật liệu điện tử có thể được phân làm ba loại: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn Khi các nguyên tử được kết hợp để hình thành các thể rắn, chúng được phân bố, sắp xếp có trật tự theo các mẫu/mô hình liên kết đối xứng

Mọi vật liệu đều được hình thành từ các nguyên tử Những nguyên tử này tạo nên các thuộc tính của vật liệu bao gồm khả năng dẫn dòng điện tử của vật liệu Với mục đích thảo luận về thuộc tính điện của vật liệu, một nguyên tử có cấu trúc gồm có hạt nhân nguyên tử và các điện tử xung quanh với các quỹ đạo khác nhau và quỹ đạo ngoài

cùng là dải hóa trị Cấu trúc nguyên tử của carbon có thể được minh họa như trong hình dưới đây

Hình 1.1: Cấu trúc nguyên tử Carbon

Carbon được sử dụng trong việc chế tạo một vài loại điện trở Chú ý rằng nguyên tử carbon có bốn điện tử trong dải hóa trị và hai điện tử trong dải quỹ đạo gần hạt nhân (inner shell) Hạt nhân nguyên tử gồm 6 nơ-tron và 6 protons, do vậy +6 nghĩa là điện tích dương của 6 protons

Các vật liệu cách điện (insulators): Một chất cách điện là vật liệu không có khả năng

dẫn điện trong môi trường thông thường Hầu hết các vật liệu cách điện tốt là dạng tạp chất phức hợp hơn là các vật liệu đơn chất và có trở kháng rất lớn Các điện tử hóa trị

có khoảng cách rất gần với các hạt nhân nguyên tử, do đó có rất ít các điện tử tự do trong vật liệu cách điện Một vài loại vật liệu cách điện thông dụng thường gặp là rubber, nhựa, thủy tinh, mica, quartz

Các vật liệu dẫn điện (conductors): Một chất dẫn điện là một vật liệu có khả năng

dẫn dòng điện một cách dễ dàng Hầu hết các kim loại đều là các vật liệu dẫn điện tốt Vật liệu dẫn điện tốt nhất chính là các vật liệu đơn chất (thuần) như đồng (Cu), bạc (Ag), vàng (Au), và nhôm (Al), và có đặc điểm chung là trong cấu trúc nguyên tử chỉ

có duy nhất một điện tử trong dải hóa trị và rất dễ dàng bứt khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử để trở thành điện tử tự do và tham gia thành phần dẫn điện Do vậy, với các vật liệu dẫn điện thì điện tử tự do và điện tử hóa trị là như nhau (không tồn tại dải cấm)

Các vật liệu bán dẫn (Semiconductors): Một chất bán dẫn là một vật liệu mà có khả

năng dẫn dòng điện nằm giữa vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện Một chất bán dẫn thuần (là bán dẫn nguyên chất chưa pha tạp), không phải là chất dẫn điện tốt và cũng không phải là chất cách điện tốt Các vật liệu bán dẫn thuần thường gặp như là Antimony (Sb), Arsenic (As), astatine (At), boron (B), polonium (Po), tellurium (Te), silicon (Si), Germanium (Ge) Các vật liệu bán dẫn pha tạp như là gallium arsenide, indium phosphide, và Silicon Germanium, etc là thường gặp nhất Các vật liệu bán dẫn thuần có đặc điểm chung cơ bản là có 4 điện tử hóa trị trong dải hóa trị, và Silicon

là vật liệu bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất

1.2.2 Dải năng lượng trong vật liệu điện tử

Trong cấu trúc nguyên tử của vật chất, dựa theo năng lượng của các nguyên tử theo các quỹ đạo quay xung quanh hạt nhân nguyên tử ta có thể tạm thời phân thành 3 dải năng lượng như trong hình vẽ dưới đây:

Hình 1.2: Biểu đồ năng lượng của ba loại vật liệu

Dải năng lượng thấp nhất (Valence band) được gọi là dải hóa trị Đây là dải chứa các

điện tử hóa trị trong quỹ đạo ngoài cùng của cấu trúc hạt nhân Khi các điện tử trong dải năng lượng này nhận đủ năng lượng kích thích có thể rời khỏi (bứt khỏi) liên kết

hạt nhân và “nhảy” lên dải dẫn để trở thành các điện tử tự do Do vậy, dải chứa các

điện tử tự do là dải dẫn Khoảng cách giữa đáy dải dẫn và đỉnh dải hóa trị được gọi là

dải cấm Trong hình 1.2 ta có thể thấy các biểu đồ phân mức dải năng lượng trong

từng loại vật liệu; hình 1.2(a) là biểu diễn của vật liệu cách điện, hình 1.2(b) biểu diễn cho vật liệu bán dẫn và hình 1.2(c) biểu diễn cho vật liệu dẫn điện Một đặc điểm dễ dàng nhận ra đó chính là độ rộng dải dẫn của vật liệu cách điện có khoảng cách lớn

nhất trong ba loại, còn đối với vật liệu dẫn điện thì không tồn tại độ rộng dải cấm do

dải hóa trị và dải dẫn chồng lấn lên nhau

1.2.3 So sánh cấu trúc nguyên tử của vật liệu bán dẫn và vật liệu dẫn điện

Mô hình nguyên tử Bohr: Nguyên tử là phần tử nhỏ nhất của một nguyên tố và nó

quyết định đặc trưng của nguyên tố đó

Hình 1.3: Mô hình cấu trúc nguyên tử theo mô hình Bohr 1

Cấu trúc nguyên tử được mô tả trong mô hình nguyên tử Bohr như trên hình 1.3 Trong mô hình nguyên tử của Bohr thì các nguyên tử có cấu trúc như các hành tinh quay xung quanh mặt trời với quỹ đạo là các hình ellipse Hạt nhân nguyên tử gồm có

hai thành phần là hạt mang điện tích dương gọi là proton và các hạt không mang điện gọi là neutron Xung quanh là các electron (điện tử) mang điện dương quay theo các

quỹ đạo khác nhau

Nguyên tử số: Mỗi loại nguyên tử có số lượng electrons và số protons xác định, dựa

theo điểm này ta có thể phân biệt được các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau thì

1962 Ông là nhà vật lý người Đan Mạch và được giải nobel vật lý năm 1922 với đóng góp quan trọng ảnh hưởng đến thuyết vật lý nguyên tử thế kỷ XX

khác nhau Ví dụ như nguyên tử đơn giản nhất là nguyên tử Hydrogen (Hi-đờ-rô, H2) chỉ có một proton và một electron như hình 1.4(a); tuy nhiên trong hình 1.4(b) thì nguyên tử của nguyên tố helium có hai protons và có hai electrons quay xung quanh hạt nhân

Hình 1.4: Cấu trúc nguyên tử của Hydorogen (a) và Helium (b)

Số lượng nguyên tử hay còn gọi với các tên gọi khác như là số hiệu nguyên tử,

nguyên tử số, … được xác định đúng bằng số proton trong hạt nhân của nguyên tử đó

Điện tử và vỏ nguyên tử: Như trong phần trước đã đề cập, cấu trúc nguyên tử gồm có

hạt nhân nguyên tử và các điện tử quay xung quanh theo các quỹ đạo hình ellipse khác

nhau Tùy vào số lượng nguyên tử mà số điện tử là nhiều hay ít, số vỏ nguyên tử

chính là số vòng (quỹ đạo) mà tồn tại các điện tử quay quanh hạt nhân Mức năng lượng của các điện tử ở mỗi lớp vỏ nguyên tử là khác nhau, tỷ lệ thuận với khoảng

cách từ hạt nhân đến mỗi lớp vỏ năng lượng (điện tử ở càng xa hạt nhân thì có mức

năng lượng cao hơn các điện tử ở gần hạt nhân) Điện tử hóa trị là các điện tử nằm ở

lớp vỏ ngoài cùng của cấu trúc nguyên tử, các điện tử hóa trị là có mức năng lượng cao nhất vì nó ở xa hạt nhân nên chịu lực hút ít hơn so với các điện tử ở các lớp bên trong gần với hạt nhân Lớp vỏ ngoài cùng của cấu trúc nguyên tử là lớp hóa trị, hay còn gọi là dải hóa trị và chứa các electron hóa trị (điện tử hóa trị)

Sự ion hóa: Khi một nguyên tử hấp thụ năng lượng từ nguồn ánh sáng hay nguồn

nhiệt độ, năng lượng của các điện tử sẽ tăng Các điện tử hóa trị hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử sẽ có năng lượng lớn hơn so với các điện tử ở các lớp vỏ phía bên

trong gần hạt nhân nguyên tử Do vậy, các điện tử hóa trị dễ dàng “nhảy” sang vùng

năng lượng cao hơn khi nguyên tử hấp thụ năng lượng Các nguyên tử mất đi các

electron thì gọi là các ion dương

Quá trình ngược lại cũng có thể xảy ra khi một điện tử tự do va chạm với một nguyên

tử và các điện tử chịu lực hút của hạt nhân nguyên tử, suy hao năng lượng Các

nguyên tử nhận thêm các điện tử gọi là các ion âm Trong các hợp chất hóa học, các

nguyên tử thường có thể mất đi hay nhận thêm một vài electron nên xuất hiện các ion

âm và ion dương trong các liên kết hóa học như Cl-; H+; cu2+,…

1.3 Dòng điện trong chất bán dẫn

Cách một vật liệu (tạo ra thiết bị điện tử) dẫn dòng điện thể hiện một cách bản chất và

rõ ràng nhất cách thức một thiết bị điện tử hoạt động như thế nào Chúng ta không thể hiểu được hoạt động của các linh kiện điện tử như diode hay transistor mà không hiểu

về dòng điện trong chất bán dẫn Ở phần này chúng ta cần nắm được dòng diện được sinh ra bên trong chất bán dẫn như thế nào Hiểu về các cặp điện tử - lỗ trống và giải

thích về khái niệm dòng điện tử, dòng lỗ trống

Như đã được đề cập đến trong phần trước, các điện tử của một nguyên tử chỉ có thể tồn tại trong các dải năng lượng Hình 1.5 thể hiện lưu đồ phân mức năng lượng của một cấu trúc nguyên tử tinh thể Silicon thuần chất (không chịu sự tác động của năng lượng và nhiệt độ từ bên ngoài) Điều kiện xảy ra chỉ ở nhiệt độ Kelvin tuyệt đối 00K

Hình 1.5: Lưu đồ giải năng lượng cho tinh thể Silicon thuần

Dòng điện tử và dòng lỗ trống: Một tinh thể Silicon thuần trong điều kiện bình

thường khi chịu sự tác động (chiếu) một nguồn năng lượng là ánh sáng hoặc nhiệt độ vào, khi đó các điện tử trong dải hóa trị có thể đủ năng lượng để nhảy lên dải dẫn để

trở thành các điện tử tự do và có thể tham gia vào thành phần tải điện (dòng điện tử)

Các điện tử tự do này còn gọi là các điện tử dẫn, điều này được minh họa như trong hình 6 dưới đây

Hình 1.6: Sự hình thành cặp điện tử - lỗ trống trong tinh thể Si thuần (fig 1-13)

(Floyd, 2012)

Khi một điện tử nhảy lên dải dẫn, một chỗ trống được hình thành trong dải hóa trị bên

trong tinh thể Chỗ trống này được gọi là lỗ trống (hole) Hiện tượng mà khi một điện

tử trong dải hóa trị nhận đủ năng lượng để bứt khỏi quỹ đạo liên kết với hạt nhân nguyên tử để trở thành điện tử tự do, để lại một lỗ trống như vậy gọi là hiện tượng

phát xạ cặp điện tử - lỗ trống Sự tái hợp xảy ra khi một điện tử trong dải dẫn mất

năng lượng và rơi trở lại tái hợp với lỗ trống trong dải hóa trị

Khi một điện áp được đặt vào một tấm tinh thể bán dẫn thuần (Si) như trong hình 1.7,

do tác động bởi nhiệt sinh ra bởi các điện tử tự do trong dải dẫn, di chuyển từ phía nguồn âm về phía nguồn dương Sự dịch chuyển của các điện tử tự do này tạo thành

dòng điện trong chất bán dẫn, gọi là dòng điện tử

Hình 1.7: Sự dịch chuyển của các điện tử tự do trong vật liệu bán dẫn (Fig 1-15)

Bản chất bên trong vật liệu bán dẫn còn xảy ra một loại dòng dẫn điện khác là trong dải hóa trị Được minh họa rõ ràng như hình 1.8 dưới đây là quá trình các điện tử hóa trị khi bứt khỏi liên kết với hạt nhân nguyên tử để trở thành một điện tử tự do, bên trong dải hóa trị tồn tại một lỗ trống tại nơi điện tử hóa trị rời đi Ngay lập tức, lỗ trống sẽ được lấp đầy bởi một điện tử hóa trị khác, và tạo ra một lỗ trống mới, cứ như vậy sẽ liên tục có hiện tượng lấp đầy lỗ trống cũ vào tạo ra lỗ trống mới trong dải hóa trị Do vậy bên trong dải hóa trị cũng hình thành một sự dịch chuyển dòng điện tử hóa

trị và ở đây được gọi đến với tên dòng lỗ trống để có thể dễ dàng phân biệt với dòng

điện tử trong dải dẫn của chất bán dẫn

Hình 1.8: cơ chế hình thành dòng lỗ trống trong vật liệu bán dẫn (Floyd, 2012)

Như vậy ta có thể thấy rằng, sự dẫn điện bên trong vật liệu bán dẫn gồm có hai thành

phần đó chính là dòng điện tử (là dòng các điện tử tự do trong dải dẫn), và dòng lỗ

trống (là dòng do các điện tử hóa trị sinh ra trong dải hóa trị) Một điều khá thú vị và

đối lập với sự di chuyển của các hạt mang điện trong vật liệu bán dẫn so với sự dịch chuyển của các hạt mang điện trong các vật liệu kim loại; ví dụ như đồng Đồng có cấu trúc tinh thể khác do bởi nó không tồn tại các liên kết đồng hóa trị (cộng hóa trị) giữa các nguyên tử, do vậy dải dẫn và dải hóa trị trồng lấn lên nhau, trong cấu trúc nguyên tử đồng luôn tồn tại các hạt ion dương, do vậy các điện tử hóa trị trong dải hóa trị sẽ bị hút tới các ion dương này, giữ các ion dương này với nhau và hình thành nên liên kết bên trong vật liệu Do vậy, đối với vật liệu kim loại thì dải hóa trị luôn có các điện tử hóa trị di chuyển tự do khi ta đặt một nguồn điện áp vào thì sinh ra dòng điện

Do đó, trong vật liệu kim loại (đồng), chỉ tồn tại một thành phần dòng điện đó chính là

sự dịch chuyển của các điện tử tự do, không tồn tại các “lỗ trống” trong cấu trúc tinh

thể vật liệu là kim loại

1.4 Các loại vật liệu bán dẫn cơ bản

Như đã được xem xét và đề xuất bởi các phần trên, vật liệu bán dẫn được định nghĩa

là vật liệu có khả năng dẫn điện bởi hai thành phần dòng điện (hai loại hạt tải điện)

gồm có các điện tử tự do (trong dải dẫn) và các lỗ trống trong dải hóa trị Trong thực

tế, câu hỏi đặ ra là, vật liệu bán dẫn thuần có độ dẫn điện không tốt, vậy làm sao để có thể làm tăng độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn thuần Câu trả lời là cần pha tạp, nhưng pha tạp cái gì? Pha tạp như thế nào? Có bao nhiêu loại bán dẫn pha tạp? Ta lần lượt trả lời cho các câu hỏi trên qua phần này

Vậy, pha tạp bản chất là để tăng độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn, và Bán dẫn pha tạp (bán dẫn ngoại tính) là bán dẫn mà trong mạng tinh thể ở một số nút mạng được

thay thế bởi nguyên tử của một nguyên tố khác Quá trình thêm tạp chất vào được gọi

là quá trình pha tạp và việc này làm cho tính chất của vật liệu thay đổi rất nhiều tùy vào chất pha tạp và nồng độ của chất đó Mức độ pha tạp được tính bằng đơn vị ppm (parts per million - đơn vị phần triệu); Lúc này nồng độ của điện tử và lỗ trống không còn cân bằng nữa Nếu bán dẫn có hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì người ta gọi đó là bán dẫn loại N và nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thì gọi đó là bán dẫn loại P

1.4.1 Vật liệu bán dẫn loại P

Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hóa trị 3 (III) như Indium (In) vào chất bán dẫn thuần nhóm 4 (IV) Si thì một nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị và liên kết bị thiếu một điện tử → trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P (Positive: dương)

Hình 1.9: Quá trình pha tạp hình thành bán dẫn loại P

Đối với vật liệu bán dẫn loại P, do quá trình pha tạp sinh ra các lỗ trống nên ta nói

rằng, với bán dẫn loại P, thành phần dẫn điện đa số trong vật liệu bán dẫn là lỗ trống,

và các hạt thiểu số là các điện tử

1.4.2 Vật liệu bán dẫn loại N

Khi ta pha tạp một lượng nhỏ chất có hóa trị 5 (V) như phosphor (P) và chất bán dẫn thuần Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị, nguyên tử phosphor chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do → chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative: âm)

Hình 1.10: Quá trình pha tạp hình thành bán dẫn loại N

Đối với vật liệu bán dẫn loại N, do quá trình pha tạp sinh ra các điện tử nên ta nói

rằng, với bán dẫn loại N, thành phần dẫn điện đa số trong vật liệu bán dẫn là điện tử,

và các hạt thiểu số là các lỗ trống

1.5 Giới thiệu về chuyển tiếp PN

Như được đề cập ở phần trên ta đã nắm rõ được quá trình hình thành bán dẫn pha tạp (loại N hay loại P) Câu hỏi đặt ra ở phần này chính là hiện tượng gì xảy ra khi ta cho

tiếp xúc công nghệ2 giữa hai loại bán dẫn pha tạp này với nhau? Việc phân tích chi tiết

và cụ thể sẽ được đề cập đến trong các phần dưới đây

1.5.1 Mô tả sự hình thành của một chuyển tiếp PN

Khi ta sử dụng một khối bán dẫn thuần (Si) và pha tạp thêm nguyên tử nguyên tố nhóm III vào một phần khối bán dẫn, phần còn lại được pha tạp thêm nguyên tử nguyên tố nhóm V Khi đó, phần biên giới hình thành giữa phần bán dẫn loại P và bán

dẫn loại N này được gọi là lớp chuyển tiếp PN Lớp chuyển tiếp PN là cơ sở của các

linh kiện điện tử quan trọng sẽ được học trong các chương sau như diodes, transistors,

và nhiều linh kiện điện tử quan trọng khác

Một vật liệu bán dẫn Silicon loại N gồm các nguyên tử Silicon và các nguyên tử nhóm

V được pha thêm vào ví dụ là antimony Như đã được đề cập, một nguyên tử pha tạp

sẽ giải phóng một điện tử khi nó khi nó liên kết với bốn nguyên tử Silicon

Nếu một phần tấm Silicon thuần được pha tạp thành bán dẫn loại N và phần khác

được pha tạp để tạo thành bán dẫn loại P, một chuyển tiếp PN được hình thành giữa

hai vùng bán dẫn và một diode được tạo ra, như trong hình 1-11(a)

Hình 1.11: Quá trình hình thành chuyển tiếp pn, vùng nghèo và độ rộng vùng

nghèo (ref fig 1-19) (Floyd, 2012)

ta sử dụng công nghệ pha tạp và phun vào một bên là bán dẫn loại N, một bên là bán dẫn loại P và xem xét hiện tượng xảy ra trong vật liệu bán dẫn

Miền bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống (là hạt đa số) được sinh ra từ các nguyên tử thuần và chỉ có một vài các hạt điện tử tự do (các hạt thiểu số) được phát sinh bởi nhiệt Miền n thì có rất nhiều điện tử tự do (là hạt đa số) được sinh ra do các nguyên

tử pha tạp và chỉ có một vài lỗ trống được phát sinh bởi nhiệt (là các hạt thiểu số)

1.5.2 Quá trình hình thành vùng nghèo

Sự hình thành vùng nghèo: Các điện tử tự do trong vùng n được trôi ngẫu nhiên về

mọi hướng Tại gần lớp chuyển tiếp pn, các điện tử tự do gần chuyển tiếp trong vùng bán dẫn loại n bắt đầu khuếch tán qua chuyển tiếp vào vùng bán dẫn loại p và kết hợp với các lỗ trống gần lớp chuyển tiếp như minh họa trong hình 1.11(b)

Cần chú ý rằng trước khi chuyển tiếp pn được hình thành thì số điện tử và số proton trong bán dẫn loại n là bằng nhau và trung hòa về điện, điều tương tự cũng xảy ra đối với bên vật liệu bán dẫn loại p

Khi chuyển tiếp pn được hình thành, miền bán dẫn n mất đi các điện tử tự do chúng khuếch tán qua lớp chuyển tiếp Điều này tạo ra một lớp điện tích dương (sự ion hóa) gần lớp chuyển tiếp Khi các điện tử khuếch tán qua lớp chuyển tiếp, miền bán dẫn p mất đi các lỗ trống do các điện tử từ phía n sang kết hợp Điều này tạo ra một lớp điện

tích âm gần lớp chuyển tiếp Hai lớp điện tích âm và dương này hình thành vùng nghèo, như minh họa trong hình 1.11(b) Cụm từ “nghèo” ám chỉ một thực tế là vùng

sát cạnh lớp chuyển tiếp pn không tồn tại các hạt tải điện (các điện tử và các lỗ trống)

do hiện tượng khuếch tán qua chuyển tiếp Cần chú ý và ghi nhớ là miền nghèo được hình thành rất nhanh và rất mỏng so với độ rộng miền bán dẫn p và n

Sau khi các điện tử tự do tràn qua lớp chuyển tiếp pn, độ rộng vùng nghèo ngày càng

mở rộng tại điểm mà trạng thái cân bằng được thiết lập và khi đó không có sự khuếch tán của các điện tử qua chuyển tiếp Quá trình được xảy ra như sau: Khi các điện tử tiếp tục được khuếch tán qua chuyển tiếp pn, ngày càng nhiều các điện tích điểm dương và âm được tạo ra gần lớp chuyển tiếp khi vùng nghèo được hình thành Tại điểm mà tổng điện tích âm trong vùng nghèo chống lại sự khuếch tán của các điện tử

từ phía bán dẫn n sang bán dẫn p qua lớp chuyển tiếp Khi đó ta nói sự khuếch tán dừng lại Nói cách khác, vùng nghèo hoạt động như một rào cản các điện tử từ miền n khuếch tán sang p

Rào điện thế: Theo định luật Coulomb (Cu-lông), bất kể khi nào có một điện tích

điểm dương đặt cạch một điện tích điểm âm thì sẽ có một lực hút giữa chúng Trong vùng nghèo tồn tại rất nhiều các điện tích điểm dương và âm trên hai phái của lớp chuyển tiếp pn Lực hút giữa các điện tích điểm trái dấu tạo nên một trường điện từ, như minh họa trong hình 1.11(b) bằng các mũi tên màu xanh giữa các điện tích điểm dương và điện tích điểm âm Trường điện từ này là rào cản đối với các điện tử tự do

trong miền bán dẫn n Do đó, một nguồn năng lượng bên ngoài cần cung cấp để các điện tử di chuyển qua rào cản của trường điện từ trong vùng nghèo

Sự chênh lệch điện thế của trường điện từ qua miền nghèo là lượng điện áp yêu cầu để

các điện từ tiếp tục di chuyển qua trường điện Sự chênh lệch điện thế này gọi là rào thế và được tính đơn vị là volts Nói một cách khác, một điện áp cố định đúng bằng

rào điện thế và được phân cực phù hợp cần được đặt vào chuyển tiếp pn để các điện tử tiếp tục được dịch chuyển qua chuyển tiếp pn Chúng ta sẽ thảo luận điều này cụ thể hơn trong chương 2

Rào điện thế của một chuyển tiếp pn còn phụ thuộc vào một vài các nhân tố, bao gồm

có loại vật liệu bán dẫn, lượng chất pha tạp và nhiệt độ Tại nhiệt độ phòng khoảng

250C thì rào điện thế của vật liệu bán dẫn loại Si cỡ 0.7V trong khi của Ge cỡ 0.3V

Và vì Germanium ít được sử dụng nên trong tài liệu này chúng ta sẽ sử dụng vật liệu bán dẫn loại Si để minh họa và giải thích

1.5.3 Biểu đồ năng lượng biểu diễn vùng nghèo và chuyển tiếp PN

Các dải năng lượng dải dẫn và dải hóa trị của vật liệu bán dẫn loại n có mức năng lượng thấp hơn so với dải dẫn và dải hóa trị tương ứng bên bán dẫn loại p Loại p được pha tạp chất nhóm III trong khi loại n được pha tạp chất nhóm V Với nhóm III, lực hút của hạt nhân nguyên tử với các điện tử hóa trị là thấp hơn so với các vật liệu nhóm V, điều đó có nghĩa là các quỹ đạo điện tử thường nằm ở ngoài hơn và do vậy năng lượng lớn hơn so với các điện tử trong vật liệu bán dẫn loại n

Một biểu đồ năng lượng mô tả sự hình thành của chuyển tiếp pn như trong hình 1.12(a) Như ta quan sát được, dải hóa trị và dải dẫn của miền bán dẫn n có mức năng lượng thấp hơn so với bán dẫn loại p, tuy nhiên có một lượng đáng kể là chồng lấn vào nhau

Các điện tử tự do trong miền n chiếm phần trên của dải dẫn, điều đó có nghĩa là năng lượng của chúng dễ dàng đủ để khuếch tán qua chuyển tiếp pn (mà chúng không cần phải nhận thêm năng lượng kích thích nào từ bên ngoài cả), và cuối cùng trở thành năng lượng tự do trong vùng năng lượng thấp hơn là dải dẫn của bán dẫn loại p Sau khi qua chuyển tiếp pn, điện tử nhanh chóng mất năng lượng và rơi vào trong vùng hóa trị của bán dẫn p và tái hợp với các lỗ trống, được minh họa như hình 1-12(a) Khi sự khuếch tán tiếp tục diễn ra, sự hình thành vùng nghèo bắt đầu và mức năng lượng của bán dẫn loại n giảm dần Sự suy hao năng lượng của miền dẫn trong bán dẫn loại n dẫn đến sự mất mát các điện tử có mức năng lượng cao hơn do có sự khuếch tán các hạt dẫn đa số qua chuyển tiếp vào miền bán dẫn p Một cách nhanh chóng, không còn các điện tử vào dải dẫn của vùng bán dẫn n mà có đủ năng lượng để

khuếch tán qua chuyển tiếp pn vào vùng dẫn của bán dẫn p như minh họa trong hình 1-12(b) bởi các đường kẻ nối từ đỉnh của vùng dẫn bán dẫn n bằng đáy vùng dẫn trong miền bán dẫn p Tại điểm này, chuyển tiếp pn đạt trạng thái cân bằng; và độ rộng vùng nghèo được hình thành bởi vì sự khuếch tán đã ngưng lại

Hình 1.12: Biểu đồ năng lượng minh họa hình thành chuyển tiếp pn và miền

nghèo (fig 1-20) (Floyd, 2012)

Chú ý rằng mức năng lượng của dải dẫn vùng n bị dịch xuống thì mức năng lượng của dải hóa trị vùng n cũng dịch tịnh tiến xuống bên dưới một khoảng tương ứng Nói cách khác thì độ rộng dải cấm (giữa đáy vùng dẫn và đỉnh vùng hóa trị) là không thay đổi

CHƯƠNG 2: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG VÀ DIODE BÁN DẪN 2.1 Giới thiệu về cấu kiện điện tử thụ động

Các cấu kiện điện tử được phân loại thành thụ động hay tích cực là dựa vào sự ảnh hưởng của các linh kiện điện tử lên tín hiệu trong mạch điện tử Các linh kiện điện tử

có khả năng thay đổi đặc trưng của tín hiệu điện trong mạch điện, khi hoạt động cần

cung cấp một nguồn riêng hay phân áp để hoạt động được gọi là các linh kiện điện tử tích cực (active devices); ví dụ như các linh kiện điện tử bán dẫn như transistor lưỡng

cực, transistor hiệu ứng trường, IC mạch tích hợp… tuy nhiên, một tập hợp các linh kiện điện tử gọi là thụ động cũng có vai trò vô cùng quan trọng trong việc hình thành

và tính toán các tham số trong mạch điện tử Trong phần này ta sẽ đi tìm hiểu về họ

các linh kiện điện tử thụ động

2.1.1 Định nghĩa cấu kiện điện tử thụ động

Như đã đề cập, các linh kiện điện tử thụ động là các linh kiện mà trong mạch điện

chúng hoạt động với các tác động tỷ lệ tuyến tính với các tín hiệu, ngoài ra chúng không cần phải phân cực hay cung cấp một nguồn bên ngoài để có thể kích hoạt nguyên lý hoạt động của chúng Các ví dụ tiêu biểu cho các linh kiện điện tử thụ động chính là điện trở, tụ điện, cuộn dây hay máy biến áp… một số ký hiệu được minh họa như trong hình 2.1

Hình 2.1: Ký hiệu các linh kiện thụ động thường gặp

Sau đây ta sẽ đi về cụ thể từng loại trong số đó để có thể hiểu hơn về cấu trúc, hoạt động, và chức năng của chúng trong các hệ thống mạch điện tử ứng dụng

2.1.2 Điện trở

Điện trở là một linh kiện điện tử thụ động, trong mạch điện tử nó có ký hiệu và cấu trúc như hình 2.2

Hình 2.2: Ký hiệu và cấu trúc của điện trở

Trở kháng hay điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở

dòng điện của vật liệu Theo công thức định luật Ohm, điện trở kháng được định nghĩa

là tỷ số của hiệu điện thế giữa hai đầu tải với cường độ dòng điện qua tải, tải ở đây hiểu là vật liệu điện trở

I

U

RTrong đó:

 R là điện trở của vật liệu dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω)

 U là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng Voltage (V)

 I là cường độ dòng điện qua vật dẫn điện, đo bằng amperes (A)

Ngoài ra còn có công thức tính điện trở của dây dẫn như sau:

S

L

RTrong đó:

 (đọc là rô) là điện trở suất (hay còn gọi là suất điện trở), là thước đo khả

năng kháng lại dòng điện của vật liệu Điện trở xuất của một dây dẫn là điện trở của một dây dẫn dài 1m, có tiết diện 1mm2, nó đặc trưng cho bởi vật liệu

 L là chiều dài của dây dẫn, đo theo mét (m)

 S là tiết diện (diện tích mặt cắt), đo bằng m2

Ngoài ra còn một số khái niệm cơ bản khác liên quan đến điện trở đã được đề cập đến trong các chương trình phổ thông, chúng ta có thể tham khảo theo đường dẫn tham

khảo từ Wikipedia về từ khóa điện trở

Việc tìm giá trị điện trở tương đương của một mạch điện tổ hợp là rất quan trọng, để giúp ta có thể xác định được các đại lượng đặc trưng khác như dòng điện, điện áp tại các điểm, cũng như công suất tiêu thụ của mạch với toàn hệ thống Trong mạch điện

tử, việc áp dụng các định luật Ohm, định luật Kirchhoff cho các vòng kín, nút… sau khi ta vẽ lại mạch tương đương là cần thiết Về cơ bản, cần phân loại và vẽ lại mạch

tương đương thành các đoạn mạch mắc nối tiếp và mắc song song để tiện lợi việc áp

dụng công thức tính giá trị điện trở nối tiếp hay song song cho phù hợp

Mạch mắc nối tiếp

Một mạch mắc nối tiếp được minh họa như hình dưới đây:

Hình 2.3: Mạch nối tiếp các điện trở

Trong sơ đồ nguyên lý 2.3 Mạch gồm 3 phần tử điện trở mắc nối tiếp là R 1 , R 2 và R 3

Trên mỗi phần từ sẽ có một sụt áp tương ứng là V 1 , V 2 , là V 3 Ta có các công thức tính toán cho các đại lượng trong mạch như sau:

Giá trị điện trở tương đương của mạch: R TĐ = R 1 +R 2 +R 3

Giá trị cường độ dòng điện tại mọi điểm trong mạch là như nhau: I = V/R TĐ

Sụt áp tại mỗi phần tử được tính bằng công thức định luật Ohm: V = I.R

Mạch mắc song song

Một mạch mắc song song được minh họa như hình dưới đây:

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý mạch song song n phần tử

Giá trị điện trở tương đương của mạch hình 2.4 được tính bằng công thức sau:

n

n

R R

R R

R R

R R

1

1 1

1

1

1 1 1

2 1

2 1

2 1

R R

R R R



Hình 2.5 là ví dụ một số mạch tổ hợp của các điện trở mắc hỗn hợp

Hình 2.5: mạch ví dụ đề tìm trở tương đương Cách tính giá trị điện trở qua mã màu quy ước:

Một vấn đề cần được thảo luận trong việc nghiên cứu về điện trở đó chính là xác định

giá trị điện trở thông qua mã màu quy ước Với mỗi một điện trở được nhà sản xuất

tạo ra có hình dạng như hình 2.6, trên thân của điện trở không ghi giá trị bằng dạng số,

mà ta cần dựa theo màu của điện trở để biết được giá trị tương ứng

Theo như hình 2.7 Ta có thể phân loại có ba loại vòng màu cơ bản là 4 vòng, 5 vòng

và 6 vòng màu với cách đọc như sau:

Với loại 4 vòng màu: vòng 1 là số thứ nhất, vòng 2 là số thứ 2, vòng 3 là vòng chỉ hệ

số nhân, vòng 4 là vòng chỉ sai số

Với loại 5 vòng màu: vòng 1 là số thứ nhất, vòng 2 là số thứ 2, vòng 3 là số thứ 3,

vòng 4 là vòng chỉ hệ số nhân, vòng 5 là vòng chỉ sai số

Với loại 6 vòng màu: cách xác định giống như loại 5 vòng màu, điểm khác biệt là có

thêm vòng thứ 6 là vòng chỉ hệ số nhiệt Loại 6 vòng màu là loại ít gặp trong thực tế,

nó chỉ được sử dụng trong các mạch điện tử ứng dụng chuyên biệt, cần đến độ chính xác của vật liệu cao và trong các hệ thống ứng dụng đặc biệt

Có thể lấy một vài ví dụ minh họa như dưới đây

Ví dụ: Xác định giá trị điện trở tương ứng của các điện trở có màu tương đương như sau:

a) xanh lục (green) – cam (orange) – xanh lam (green) – vàng (gold)

b) Đỏ (red) – đen (black) – đen (black) – tím (violet) – bạc (silver)

c) Xám (gray) – trắng (white) – đen (black) – đen (black) – vàng (gold) – nâu (brown)

Việc xác định đúng giá trị của các điện trở có thể được kiểm định bằng sử dụng thiết

bị đo điện trở như ohm kế hay đồng hồ số đa năng để kiểm tra

Tụ điện có cấu trúc gồm có hai bề mặt dẫn điện đặt song song và được ngăn cách bở mọt lớp điện môi như hình 2.8(b) Khi có sự chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các

bề mặt sẽ xuất hiện các điện tích cùng điện lượng Q nhưng ngược dấu

Sự tích tụ điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích lũy năng lượng điện trường của tụ điện Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích lũy của điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều

Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui, mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau nhưng có chung đặc điểm là cùng lưu trữ năng lượng điện Ắc qui thì có hai cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electrons sang cực còn lại, với tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo electron, nó

chỉ lưu trữ electron Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh, đây cũng chính là ưu

điểm của nó so với ắc qui3

Điện dung của tụ điện

Điện dung là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng tích lũy lượng điện trên tụ Điện

dung của tụ thì phụ thuộc vào diện tích bản tụ, bản chất của vật liệu điện môi, diện tích hai bản tụ và khoảng cách giữa chúng theo công thức dưới đây:

d

S

C r0Trong đó:

 C là điện dung của tụ điện đơn vị là Fara (F)

 rlà hệ số điện thẩm lớp điện môi

 0là hằng số điện môi của chân không, 8,854.10-12F/m

 S là diện tích của bề mặt hai bản tụ, m2

 d là khoảng cách giữa hai bản tụ hay độ dày của lớp điện môi

Ngoài ra còn có công thức tính lượng điện dung của tụ theo sơ đồ sau:

Hình 2.9: Cách nạp cho tụ điện bằng nguồn một chiều

Công thức xác định giá trị điện dung là:

V

Q

CTrong đó:

 C là điện dung của tụ

 Q là lượng điện tích tích trên hai bản tụ

 V là điện áp đặt lên hai đầu bản tụ

 Tụ hóa: 16V, 25V, 35V, 63V, 100V, 150V, 250V, 400V

 Tụ khác: 63V, 250V, 630V, 1KV

 Các tụ điện đặc trủng có mức điện áp cao hơn tùy vào yêu cầu và từng hãng

Phân loại tụ điện

Tụ điện được phân làm nhiều loại và cách phân loại cũng khá đa dạng, về cơ bản ta có một số các loại tụ điện như dưới đây:

 Tụ phân cực: tụ phân cực hay còn gọi là tụ hóa là tụ có các cực xác định

Trong mạch đấu nối cần đấu nối đúng cực âm –dương Thường trên tụ có kích

thước đủ lớn thì cực âm phân biệt bằng dấu “ – ” trên vạch màu sáng dọc theo

thân tụ, khi tụ mới chưa cắt chân thì chân dài hơn sẽ là cực dương Ngoài ra các

tụ nhỏ dành cho hàn dán SMD thì đánh dấu “+” ở cực dương cho rõ ràng Các

tụ phân cực có giá trị khoảng 0.47µF ÷ 4700µF, thường dùng trong các mạch tần số làm việc thấp, chức năng lọc nguồn

 Tụ không phân cực: là các tụ không xác định các cực +/- như là tụ giấy, tụ

gốm, tụ mica… Các tụ có trị số điện dung nhỏ hơn 1µF thường được sử dụng trong các mạch điện tần số cao hoặc mạch lọc nhiễu Các tụ cỡ lớn, từ một vài

µF đến vài fara thì dùng trong điện dân dụng (tụ quạt, motor…) hay dàn tụ bù pha cho lưới điện

 Tụ điện có trị số thay đổi được: hay còn được gọi là tụ xoay, là tụ có thể thay

đổi giá trị điện dung, tụ này thường được sử dụng trong kỹ thuật radio để thay đổi tần số cộng hưởng khi ta dò đài (kênh tần số)

 Siêu tụ điện: là các tụ có mật độ năng lương cực cao như tụ Lion (tụ LIC), là

tụ phân cực và dùng cho tích điện một chiều Chúng có thể trữ năng lượng cho vài tháng, cấp nguồn thay các pin lưu dữ liệu trong các máy tính điện tử Khả năng phóng nạp nhanh và tích chữ nhiều năng lượng hứa hẹn ứng dụng tụ này trong giao thông để khai thác lại năng lượng hãm phanh, cung cấp năng lượng đỉnh đột xuất cho ô tô điện, tàu điện, tàu hỏa nhanh…

Các cách mắc tụ điện trong mạch

Mắc tụ điện nối tiếp

Sơ đồ mắc tụ điện nối tiếp như sau

Hình 2.10: Sơ đồ mắc tụ nối tiếp (p.352 (376of1042))

Hình 2.10 là sơ đồ mắc nối tiếp các tụ điện hình (a) và sơ đồ tương đương là hình 2.10(b) Công thức xác định giá trị điện dung tương đương của mạch mắc nối tiếp n phần tử như sau:

n

C

1

1 1 1

2 1

 V x: là điện áp sụt trên tụ điện x

 C T: là điện dung tương đương toàn mạch

 C x: là điện dung tụ x tương ứng

 V T: điện áp tổng nguồn

Mắc tụ điện song song

Sơ đồ mạch mắc tụ song song như sau:

Hình 2.11: Sơ đồ mắc song song tụ điện

Với mạch điện mắc n tụ song song ta có công thức tính giá trị tổng điện dung trong mạch sẽ xác định là

n

C  1 2  

Như vậy, tổng điện dung của mạch mắc các tụ song song chính bằng tổng điện dung của các tụ điện thành phần

Cách xác định giá trị tụ qua mã

Với tụ điện, có nhiều quy ước mã màu khác nhau và ta có thể gặp một số kiểu như liệt

kê dưới đây và cách xác định giá trị theo quy ước tương ứng

 Quy ước dùng mã: Một số các loại tụ nhỏ có thể dùng các mã số để quy ước

ví dụ như nếu trên thân tụ ghi số 102 nghĩa là 10 và thêm 2 số 0 đằng sau, đơn

vị lấy là pF, như vậy với tụ ghi 102 trên thân, giá trị là 1000pF = 1nF chứ không phải là 102pF; hoặc có thể ghi là 272J thì có nghĩa là 2700pF = 2.7nF và sai số là 5% Chú ý theo quy ước chữ cái quy ước sai số gồm J = ± 5%; K =

±10% và M = ± 20%

 Quy ước bằng mã màu: Nguyên tắc đọc của tụ điện giống như cách đọc mã

màu trên điện trở, tuy nhiên thì có thêm vòng màu để chỉ điện thế làm việc Ví

dụ màu hồng (pink) chỉ điện thế làm việc 25V, màu lục (Green) chỉ điện thế làm việc là 50V Vòng màu thứ 4 chỉ sai số, chỉ có hai loại là màu đen sai số sẽ

là ±20%; màu trắng ±10% Ví dụ nếu màu tụ điện lần lượt là nâu, xám, đỏ, đen, hồng thì giá trị tụ điện là 1800pF±20% làm việc dưới mức điện áp 25V

Để cụ thể hóa cách đọc giá trị màu tụ điện ta tham khảo thêm theo hình 2.12 dưới đây:

Hình 2.12: Một số quy ước giúp đọc giá trị trên thân tụ điện qua mã màu

Một số tụ điện trong thực tế có hình dáng như hình 2.13 dưới đây:

Hình 2.13: Hình ảnh thực tế của tụ điện

2.1.4 Cuộn cảm và biến áp

Cuộn cảm và biến áp cũng là hai loại thiết bị điện tử thụ động được thường xuyên sử dụng trong các hệ thống mạch điện tử ứng dụng Trong phần này ta đi giới thiệu về một số các đặc điểm và ứng dụng của chúng trong thực tế

Cuộn cảm

Cuộn cảm cùng với tụ điện là hai loại linh kiện có khả năng lưu trữ năng lượng điện, tuy nhiên, khác với tụ điện là linh kiện lưu trữ năng lượng dưới dạng điện tích thì cuộn cảm lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường Dòng điện sinh ra trong cuộn dây tạo thành các từ trường quanh cuộn dây Hình ảnh thực tế của một cuộn cảm có thể được minh họa như hình 2.14

Hình 2.14: Hình ảnh thực tế các cuộn dây

Ký hiệu của cuộn dây trong các mạch điện tử được mô tả như hình 2.15 dưới đây

Hình 2.15: Ký hiệu của cuộn dây Nguyên lý làm việc

Cuộn dây hay cuộn cảm hay cuộn từ cảm là các tên gọi khác nhau của cuộn dây Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lý là từ trường được sinh ra khi có dòng điện chạy qua cuộn cảm, vì trong bản thân cuộn dây có một hệ số tự cảm (từ dung L) được tính bằng đơn vị Henry (H)

Đối với dòng điện môt chiều (DC), là dòng điện có độ lớn và chiều không thay đổi, tần số làm việc bằng 0, thì cuộn dây làm việc như một điện trở có điện kháng gần bằng 0, hay nói cách khác cuộn dây nối đoản mạch Dòng điện trên cuộn dây sinh ra

từ trường B có cường độ và chiều không đổi

Khi mắc điện xoay chiều với cuộn dây, dòng điện trên cuộn dây sinh ra một từ trường,

B, biến thiên và một điện trường, E, cũng biến thiên nhưng luôn vuông góc với từ trường Độ tự cảm của cuộn từ lệ thuộc vào tần số của dòng xoay chiều

Cuộn cảm L có đặc tính lọc nhiễu tốt cho các mạch nguồn DC có lẫn tạp nhiễu ở các tần số khác nhau tùy vào đặc tính cụ thể của từng cuộn cảm, giúp ổn định dòng, ứng dụng trong các mạch lọc tần số

Nguyên lý làm việc của cuộn dây có thể được mô tả thông qua công thức sau

B.A = I.L Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây, cuộn dây sinh từ trường trở thành nam châm điện Khi không có dòng chạy qua, cuộn dây không có từ, từ trường sản sinh tỷ lệ với dòng điện

Hệ số tỷ lệ L là từ dung hay độ tự cảm, được tính bằng đơn vị Henry (H), là hệ số thể hiện khả năng sản sinh từ của cuộn dây bởi một dòng điện, A là diện tích bề mặt cuộn dây B.A bên vế trái của biểu thức ứng với từ thông Từ dung càng lớn thì từ thông

sinh ra càng lớn (ứng với cùng một dòng điện), và cũng ứng với năng lượng dự trữ từ trường trong cuộn dây càng lớn

Biến áp

Biến áp là linh kiện dùng để ngăn dòng điện một chiều giữa hai cuộn dây và biến đổi

giá trị điện áp (hoặc cường độ) của các dòng xoay chiều từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp mà vẫn giữ nguyên tần số dao động

Một máy biến áp gồm có cuộn dây sơ cấp và một hay nhiều cuộn dây thứ cấp liên kết

qua trường điện từ Khi đưa dòng điện với điện áp xác định vào cuộn sơ cấp, khi đó sẽ

sinh ra trường điện từ Theo định luật cảm ứng Faraday, trường điện từ tạo ra dòng điện cảm ứng ở các cuộn thứ cấp Để đảm bảo sự truyền đưa năng lượng thì bố trí mạch dẫn từ qua lõi cuộn dây, vật liệu dẫn từ phụ thuộc vào tần số làm việc Ví dụ như với các tần số thấp, âm tần thì dùng lá vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cảo như thép silic và mạch từ khép kín như các lõi ghép bằng lá chữ E, chữ U… Tuy nhiên, ở tần số cao như vùng siêu âm và sóng radio thì dùng lõi Ferrit khép kín mạch từ

Hình ảnh thực tế, cấu trúc, ký hiệu của bộ biến áp được minh họa như trong các hình

vẽ dưới đây:

Hình 2.16: Hình minh họa một máy biến áp trong thực tế

Hình 2.17: Cấu trúc cơ bản và ký hiệu máy biến áp Nguyên lý làm việc

Máy biến áp hay máy biến thế hoạt động theo hai hiện tượng vật lý

 Dòng điện chạy trong dây dẫn tạo ra từ trường (cảm ứng từ)

 Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây sinh ra một hiệu điện thế cảm ứng (cảm ứng điện)

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và một

từ trường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp một hiệu điện thế thứ cấp Như vậy, hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứ cấp thông qua từ trường Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh dựa vào

số vòng quấn trên lõi sắt

Theo quy ước ta có N P,U P,I P,P,N S,U S,I S,S lần lượt là số vòng quấn, điện áp, dòng điện, và từ thông trong mạch điện sơ cấp (P = Primary) và thứ cấp (S = secondary) thì theo định luật Faraday ta có các mối quan hệ như sau:

U S S S



Nếu S P thì

S P S

P N

N U

U



Ngoài ra

P S S

P

N

N I

I



Như vậy với máy biến thế lý tưởng ta có biểu thức

P S S P S

P

I

I N

N U

U





Ứng dụng của máy biến áp

Đúng với tên gọi của máy biến áp, nó được sử dụng trong thực tế để làm đổi hiệu điện thế (điện áp) để đầu ra (cuộn dây thứ cấp) có được một điện áp mong muốn, ví dụ chuyển tải điện năng từ đường trung thế 10KV sang mức hạ thế 220V hay 400V dùng trong sinh hoạt điện ở khu vực dân cư Tại các nhà máy phát điện, máy biến áp thường chuyển hiệu điện thế mức trung thế từ máy phát điện (10KV đến 50KV) sang mức cao thế (110KV đến 500KV) thậm chí cao hơn, trước khi truyền tải lên đường dây điện cao thế Trong truyền tải điện năng với khoảng cách xa thì hiệu điện thế càng cao thì suy hao càng ít

Ngoài ra, trong phạm vi nghiên cứu của môn học, các máy biến thế được đưa ra phân tích và tính toán là các loại máy biến thế nhỏ, công suất thấp, máy ổn áp dùng để ổn định điện trong nhà, hay các cục biến thế, cục sạc pin… dùng cho các thiết bị điện gia dụng hiệu điện thế nhỏ (từ 230V sang 24V, 12V, 3V…)

Một trong những ứng dụng mà sử dụng đến máy biến thế được xem xét nhiều nhất trong chương 2 này đó chính là các ứng dụng mạch chỉnh lưu, nơi mà luôn sử dụng máy biến thế như một bộ biến đổi điện áp (hạ áp) để nắn dòng xoay chiều

2.2 Diode bán dẫn

Trong chương 1 ta đã tìm hiểu và nắm được cơ bản về các vật liệu bán dẫn pha tạp loại P, loại N, rồi chuyển tiếp PN là gì? Quá trình hình thành chuyển tiếp PN? Khái niệm cơ bản như vùng nghèo, rào điện thế… Trong chương này, ta tiếp tục đi tìm hiểu

sâu hơn về bản chất của chuyển tiếp PN khi trạng thái cân bằng bị phá vỡ, hay nói

cách khác khái niệm phân cực cho chuyển tiếp PN được xét đến Sau khi kết thúc

phần này, ta có thể nắm được một số ý như sau:

 Cấu trúc, ký hiệu của diode bán dẫn

 Hoạt động của diode bán dẫn

 Đường cong đặc trưng của diode bán dẫn

 Các mô hình và mạch ứng dụng của diode bán dẫn

 Một số loại diode đặc biệt

Vậy diode là gì? Nó được sử dụng ở đâu? Nó hoạt động như thế nào? là những câu hỏi mà ta có thể giải đáp sau khi thảo luận phần này

Cấu trúc và ký hiệu của một diode được minh họa như hình 2.18 dưới đây

Hình 2.18: Cấu trúc và ký hiệu của diode

Theo hình 2.18(a) minh họa, cấu trúc của diode gồm có một chuyển tiếp pn, và hai chân cực Chân cực nối với miền bán dẫn loại p gọi là chân anode, chân cực nối với miền bán dẫn loại n gọi là chân cathode (ca-tốt) Ký hiệu của diode được minh họa như trong hình 2.18(b), Anode (a-nốt) được ký hiệu là A, Cathode (ca-tốt) được ký hiệu là K Chúng ta đi vào phân tích nguyên lý hoạt động của diode

2.2.1 Hoạt động của một diode bán dẫn

Khái niệm phân cực

Như ta đã xét trong phần chuyển tiếp pn trong chương 1, khi chuyển tiếp pn có độ

rộng vùng nghèo không tăng, hay có rào thế ổn định có thể cản không cho hiện tượng khuếch tán của các hạt điện tử (là hạt đa số) trong miền bán dẫn loại n, khuếch tán sang miền bán dẫn loại p qua lớp tiếp giáp pn Khi đó, ta nói rằng tiếp giáp pn đạt

trạng thái cân bằng Vậy phân cực ở đây hiểu là ta đặt một nguồn điện áp môt chiều bên ngoài vào hai đầu chuyển tiếp pn và phá vỡ trạng thái cân bằng của chuyển tiếp

pn Lúc này xuất hiện khái niệm phân cực thuận và phân cực ngược cho lớp chuyển

tiếp pn

Phân cực thuận cho chuyển tiếp pn là miền bán dẫn p (chân anode) của diode được

nối với chân dương của nguồn điện một chiều phân cực, trong khi miền bán dẫn loại n

được nối với chân âm của nguồn phân cực; phân cực ngược cho chuyển tiếp pn hay

phân cực ngược cho diode thì được nối theo chiều ngược lại

Hình 2.19: Cách phân cực cho một diode

Để hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của diode đối với từng trường hợp phân cực như hình 2.19 bên trên, ta có thể xét trạng thái hay bản chất bên trong vật liệu bán dẫn với từng trường hợp

Khi diode được phân cực thuận

Khi diode được phân cực thuận, Rào thế sẽ bị đánh bật bởi điện áp nguồn ngoài đặt

vào, do vậy mà hiện tượng các hạt dẫn đa số sẽ tiếp tục được khuếch tán qua lớp chuyển tiếp pn sẽ tiếp tục được xảy ra như hình vẽ minh họa dưới dây

Hình 2.20: Bản chất phân cực thuận diode

Khi diode phân cực thuận thì độ rộng miền nghèo sẽ giảm, có dòng các hạt điện tử đi

từ cực âm nguồn, đến miền n (đẩy các điện tử trong miền n) qua chuyển tiếp pn, sang miền p và bị hút về cực dương của nguồn phân cực Vậy ta nói có dòng điện đi từ cực dương về cực âm nguồn trong trường hợp này

Kết luận khi phân cực thuận diode, có dòng điện chạy từ Anode sang Kathode do bởi quá trình sinh ra và xuất hiện dòng điện tử tự do trong vật liệu bán dẫn

Khi diode được phân cực ngược

Hoàn toàn có thể giải thích tương tự với trường hợp diode được phân cực ngược, ta có bản chất bên trong vật liệu bán dẫn sẽ có mô tả như hình dưới đây

Hình 2.21: Bản chất phân cực ngược diode

Kết luận: Ta nói rằng với trường hợp phân cực ngược của diode thì độ rộng miền nghèo sẽ lớn hơn so với trường hợp không phân cực, và khi đó không có dòng đa số của các hạt tải điện đi qua chuyển tiếp pn

Tuy nhiên, cần chú ý rằng đối với trường hợp phân cực ngược chuyển tiếp pn (hay

phân cực ngược diode), vẫn xuất hiện dòng điện qua chuyển tiếp pn, đó chính là dòng của các hạt dẫn thiểu số trong vật liệu bán dẫn

Thông thường, dòng các hạt thiểu số là rất bé và người ta thường lờ đi và coi như bằng 0 Do vậy, khi diode phân cực ngược ta thường nói rằng không có dòng điện qua diode, lúc này diode coi như một khóa K được mở (hở mạch)

Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp pn

Thông thường, giá trị dòng ngược rất nhỏ và có thể bỏ qua Tuy nhiên, khi mà giá trị

điện áp ngược đặt vào tăng đến một ngưỡng gọi là điện áp đánh thủng, dòng ngược

sẽ tăng rất nhanh chóng

Hiện tượng đánh thủng xảy ra khi mà điện áp ngược lớn, cung cấp đủ năng lượng cho các điện tử tự do (là các hạt dẫn thiểu số bên miền bán dẫn p) di chuyển với tốc độ lớn, va chạm vào các nguyên tử sinh ra năng lượng đủ lớn để giải phóng các điện tử hóa trị bứt ra khỏi liên kết và nhảy vào dải dẫn Rất nhiều điện tử dẫn được hình thành

và quá trình này tiếp tục được lặp đi lặp lại và số lượng các hạt điện tử sinh ra trong dải dẫn tăng theo cấp số nhân, giá trị dòng ngược lúc này tăng nhanh đột ngột, và do

đó có thể làm hỏng lớp tiếp giáp pn của diode Hầu hết các diode được khuyến cáo là không nên hoạt động trong vùng đánh thủng ngược như vậy và một cách để hạn chế

sự tăng quá mức của dòng ngược qua diode thì một điện trở mắc nối tiếp hạn dòng sẽ đảm bảo diode không bị hỏng do hiện tượng trên

2.2.2 Đường cong đặc trưng điện áp – dòng điện của diode

Đường cong đặc trưng của diode phân cực thuận

Khi diode được phân cực thuận, có dòng qua diode, giá trị dòng qua diode khi đó

được gọi là dòng thuận và ký hiệu là I F

Hình 2.22: minh họa mối quan hệ điện áp và dòng điện thuận qua diode

Hình 2.22 minh họa khi điện áp phân cực thuận đặt vào diode được tăng từ 0V Điện trở được sử dụng trong trường hợp này để tránh hiện tượng quá nhiệt gây hư hỏng diode

Với điện áp 0V được đặt vào diode, khi đó không có dòng qua diode, khi tăng dần giá trị của điện áp phân cực thuận, dòng thuận và điện áp qua diode cũng tăng dần như minh họa trong hình 2.22(a) Khi tiếp tục tăng giá trị của điện áp phân cực thuận đạt đến giá trị xấp xỉ 0.7V (giá trị rào thế), giá trị dòng điện bắt đầu tăng nhanh như minh họa trong hình 2.22(b)

Khi tiếp tục tăng điện áp phân cực thuận, dòng tiếp tục tăng rất nhanh, tuy nhiên điện

áp rơi trên diode chỉ xấp xỉ khoảng 0.7V

Để biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên diode khi được phân cực thuận được vẽ ra bằng đồ thị minh họa người ta dùng đồ thị đường cong đặc trưng V-I của diode như hình 2.23 dưới đây

Hình 2.23: Đường cong đặc trưng V-I phân cực thuận

Như ta có thể thấy trong hình 2.23(a), giá trị dòng điện tăng chậm cho đến khi điện áp phân cực thuận cho chuyển tiếp pn đạt đến giá trị xấp xỉ 0.7V tại điểm gấp khúc (knee) trên đường cong Sau điểm này, điện áp phân cực thuận tiếp tục duy trì giữ ở ngưỡng 0.7V, tuy nhiên giá trị dòng thuận tăng nhanh Ba điểm A, B, C như trong hình a minh họa; điểm A tương ứng với với phân cực điện áp 0V, điểm B tương ứng với giá trị phân cực nhỏ hơn 0.7V, điểm C là điểm mà giá trị phân cực đạt xấp xỉ giá trị rào thế là 0.7V Khi điện áp phân cực thuận tiếp tục tăng, giá trị dòng thuận tăng nhanh trong khi điện áp thuận tăng nhẹ quanh giá trị 0.7V Thực tế thì giá trị điện áp thuận có thể tăng đến xấp xỉ 1V tùy thuộc vào giá trị dòng thuận

Đường cong đặc trưng của diode phân cực ngược

Khi đặt một điện áp ngược vào diode, có dòng ngược rất nhỏ (I R) qua chuyển tiếp pn Khi tăng dần giá trị điện áp phân cực ngược, giá trị dòng ngược tăng không đáng kể

và nó tính ở khoảng micro Ampe Khi điện áp ngược đặt vào diode tăng đến giá trị đạt

giá trị điện áp đánh thủng (V BR), giá trị dòng ngược bắt đầu tăng nhanh Khi đạt đến ngưỡng đánh thủng thì giá trị dòng điện tăng rất nhanh trong khi giá trị sụt áp trên

diode lúc này dao động nhỏ quanh giá trị V BR

Hình 2.24 minh họa đồ thị của đường cong đặc trưng V-I khi diode được phân cực ngược, và hình 2.25 minh họa đồ thị đường cong đặc trưng V-I của diode cả khi phân cực thuận và phân cực ngược

Hình 2.24: Đường cong đặc trưng V-I phân cực ngược diode

Hình 2.25: Đường cong đặc trưng V-I của diode

2.2.3 Các cách mắc diode (mô hình diode)

Mô hình mắc diode được đưa ra để có thể áp dụng được với các mạch ứng dụng của diode nhằm tính toán các thông số mạch điện Ở đây, ta đưa ra ba mô hình của diode

có thể xem xét đó là mô hinh lý tưởng, mô hình thực tế và mô hình phức hợp

Mô hình diode lý tưởng

Mô hình diode lý tưởng là mô hình ở đó không xét đến giá trị rào thế của diode, do vậy với trường hợp phân cực thuận thì coi như điện áp trên diode là bằng 0 Giá trị dòng qua diode được xác định bằng dòng qua trở tải

Hình 2.26: Mô hình diode lý tưởng (fig 2-15) (Floyd, 2012)