Báo cáo đồ án ứng dụng công nghệ thông tin cho điện tử viễn thông pps

Hạt nhân bên trongcủa nguyên tử Si mang điện tích +4... Vậy nên sinh ra điện trường trong tại hai bên vùng tiếp giáp.. Trạng thái cân bằng động xảy ra khi điện tích không

Trang 1

Báo cáo đồ án ứng dụng CNTT cho ĐTVT

Đề tài: Mạch chỉnh lưu cầu 4 diode

Sinh viên thực hiện: Trần Hải Xuyến, Nguyễn Trọng Hùng, Nguyễn Thị LanAnh

Email: haixuyen161@gmail.com

Lớp 50K1 – ĐTVT

Giáo viên hướng dẫn: KS Hồ Sỹ Phương

Trang 2

1 Các kiến thức cơ bản về vật liệu bán dẫn.

1.1 Vật liệu dẫn điện, cách điện và bán dẫn

Trong đời sống hằng ngày cũng như trong thực tiễn sản xuất, mọi người đềubiết rằng, bạc, đồng, nhôm, sắt là vật liệu dẫn điện tốt; còn nhựa, sứ, da, thủy tinh là vật liệu cách điện tốt (dù cho có cao áp đặt vào vẫn không có dòng điện chạy quachúng)

Đặc trưng dẫn điện của vật liệu bán dẫn nằm giữa dẫn điện và cách điện

Các vật liệu dẫn điện khác nhau vì nguyên nhân căn bản là ở cách liên kếtgiữa các nguyên tử với nhau kết cấu bản thân nguyên tử trong vật liệu Chúng ta đềubiết rằng, nguyên tử được tạo thành từ hạt nhân mang điện dương và các điện tử âm,các điện tử chia thành nhiều tầng vây quanh hạt nhân và không ngừng chuyển động

Vật liệu bán dẫn: so sánh tương đối với vật dẫn khac, trong kim loại, các điện

tử lớp ngoài của nguyên tử bị hạt nhân hút yếu; có rất nhiều điện tử không bị ràngbuộc với hạt nhân trở thành điện tử tự do Những điện tử tự do này trở thành các hạtdẫn mang điện Dưới tác dụng của điện trường ngoài, chúng di chuyển có hướng vàhình thành dòng điện Do đó kim loại dẫn điện rất tốt

Vật liệu cách điện: Trong vật liệu cách điện, lực ràng buộc với hạt nhân của

các điện tử rất lớn; chúng khó có thể tách khỏi hạt nhân, nên số điện tử tự do cực kìít; do đó tính năng dẫn điện cực kì ít; do đó tính năng dẫn điện rất kém

Vật liệu bán dẫn: Cấu trúc nguyên tử của vật liệu bán dẫn tương đối đặc biệt.

Các điện tử lớp ngoài không dễ dàng tách khỏi liên kết với hạt nhân như vật liệu dẫnđiện, mà cũng không ràng buộc quá chặt với hạt nhân như vật liệu cách điện Do đó,đặc tính dẫn điện của nó nằm giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện

Trang 3

Miền (1) được gọi là miền hóa trị hay còn gọi là miền đầy: là miền bị lấp đầyhoàn toàn bởi các e.

Miền (2) miền dẫn: là miền năng lượng chưa bị các e chiếm hết

Ở giữa là miền cấm: là miền năng lượng không bị các e chiếm giữ

Trang 4

1.2 Hiện tượng dẫn điện trong vật liệu bán dẫn sạch.

Chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ có nguyên tử củamột loại nguyên tố thì chất bán dẫn đó gọi là chất bán dẫn nguyên tính (hay chất bándẫn thuần) và được kí hiệu bằng chỉ số i (Intrinsic)

Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗtrống trong vùng hóa trị

Hạt tải điện trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị

Xét cấu trúc các tinh thể Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình dưới

Silic có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử

Si sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của

4 nguyển tử kế cận để sao cho mỗi nguyên tử đều có hóa trị 4 Hạt nhân bên trongcủa nguyên tử Si mang điện tích +4 Như vậy các hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trịsẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trịnhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 0°K, cấu trúc lí tưởng như ởhình trên là gần đúng và tinh thể bán dẫn là một chất cách điện

Trang 5

1.3 Hiện tượng dẫn điện tròng bán dẫn pha tạp.

Ta thêm một ít tạp chất là nguyên tố thộc nhóm V của bảng tuần hoànmendelep ( thí dụ: Sb) vào chất bán dẫn Si nguyên chất Các nguyên tử tạp chất (Sb)sẽ thay thế một số nguyên tử của Si trong mạng tinh thể và nó sẽ đưa 4 điện tử trong

5 điện tử hóa trị của mình tham gia vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si ởbên cạnh; còn điện tử thứ 5 sẽ thừa ra nên liên kết của nó trong mạng tinh thể là rấtyếu Muốn giải phóng điện tử thứ 5 này thành điện tử tự do ta chỉ cần cung cấp 1năng lượng rất nhỏ khoảng 0,01eV cho Si Các tạp chất hóa trị V được gọi là tạpchất cho điện tử hay tạp chất N Mức năng lượng mà điện tử thứ V chiếm đóng làmức năng lượng cho phép được hình thành ở hình chiếu rất nhỏ dưới dải dẫn vàđược gọi là mức cho Và do đó, ở nhiệt độ trong phòng, hầu hết các điện tử thứ 5 củatạp chất sẽ nhảy lên dãy dẫn, nhưng trong dãy hóa trị không xuất hiện thêm lỗ trống.Các nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành các ion dương cố định

Ở chất bán dẫn N: nồng độ hạt dẫn điện tử nn nhiều hơn rất nhiều so với nồngđộ lỗ trống pn và điện tử được gọi là hạt dẫn đa số, lỗ trống được gọi là hạt dẫn thiểusố

n p

Trang 6

Trong đó: nn : là nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn tạp loại N

pn : là nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn tạp loại N

Khi ta đưa một số tạp chất là nuyên tố thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn vàochất bán dẫn nguyên tính Si Nguyên tử tạp chất sẽ đưa 3 điện tử hóa trị của mìnhtạo liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử Si bên cạnh mối liên kết thứ 4 bị bỏtrống.Trạng thái mô tả ở hình trên Điện tử của mối liên kết gần đó có thể nhảy sangđể hoàn chỉnh mối liên kết thứ 4 còn để dở Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điệntử sẽ trở thành ion âm và ngược lại với nguyên tử chất chính vừa có một điện tửchuyển đĩe tạo ra lỗ trống trong dải hóa trị của nó

Các tạp chất có hóa trị III được gọi là tạp chất nhận điện tử hay tạp chất loại P.Mức năng lượng nhận để lỗ trống của tạp chất trong chất bán dẫn chính sẽ tạo

ra một mức năng lượng cho phép riêng nằm ở bên trên dải hóa trị gọi là mức nhận

Nếu tăng nồng độ tạp chất nhận thì nồng độ của lỗ trống tăng lên trong dảihóa trị, nhưng nồng độ điện tử trong dải dẫn không tăng Vậy chất bán dẫn loại này

Trang 7

có lỗ trống là hạt dẫn đa số và điện tử là hạt dẫn thiểu số và nó được gọi là chất bándẫn loại P.

Pp >> Np

Trong đó: Pp là: nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn P

Np là: nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn P

Nhận xét : Qua đây ta thấy, sự pha thêm tạp chất vào bán dẫn nguyên tính

không những chỉ tăng độ dẫn điện, mà còn tạo ra một chất dẫn điện có bản chất dẫnđiện khác hẳn nhau, trong bán dẫn tạp loại N điện tử là hạt dẫn điện tử chính, còntrong bán dẫn tạp loại P thì lỗ trống lại là hạt dẫn điện chính

Dòng điện trong chất bán dẫn:

- Dòng điện khuếch đại

Sự tồn tại gradien nồng độ hạt dẫn sẽ dẫn đến hiện tượng khuếch tán các hạtdẫn từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp và tạo ra dòng điện khuếch tántrong chất bán dẫn

- Dòng điện trôi là dòng chuyển động của các hạt dẫn dưới tác dụng của điệntrường

Trang 8

Khi chất bán dẫn P ghép với chất bán dẫn N thành một khối thì tất yếu xảy rasự khuếch tán hạt dẫn do nồng độ không đều của chúng: lỗ trống trong khu vực Pkhuếch tán sang khu vực N, điện tử trong khu vực N khuếch tán sang khu vực P.Xem mô phỏng ở hình sau:

Nhờ quá trình khuếch tán mà lỗ trống khu vực P giảm nhỏ tạo thành vùng ion

âm, còn điện tử khu vực N giảm nhỏ tạo thành khu vùng ion dương

Trang 9

Vậy nên sinh ra điện trường trong tại hai bên vùng tiếp giáp Điện trường nàycó hướng ngược với hướng khuếch tán của dòng điện, mũi tên từ khu vực N sangkhu vực P Điện trường trong cản trở sự khuếch tán lỗ trống sang khu vực N và củađiện tử sang khu vực P Trạng thái cân bằng động xảy ra khi điện tích không gianvùng tiếp giáp không tăng nữa Khi cân bằng động, vùng tiếp giáp hình thành sựthiếu vắng hạt dẫn, vùng đó được gọi là vùng điện tích không gian, hay còn gọi làvùng nghèo kiệt, đó chính là chuyển tiép P-N, độ rộng của nó chừng vài mươi µm,có thể chỉ bao gồm các ion không thể di chuyển được.

Khi cân bằng động, qua chuyển tiếp P-N không chỉ có sự khuếch tán của hạtdẫn đa số (lỗ trống trong khu vực P và điện tử trong khu vực N), mà còn có sự trôidạt của hạt dẫn thiểu số ( điện tử trong khu vực P và lỗ trống trong khu vực N) Sựtrôi dạt là sự di chuyển của hạt dẫn được định hướng của điện trường trong Điệntrường trong chỉ cản trở sự khuếch tán của hạt dẫn đa số, mà lại trợ giúp sự trôi dạtcủa hạt dẫn thiểu số sang phía khu vực đối phương Vậy ở trạng thái cân bằng động,ngoài dòng điện khuếch tán của lỗ trống từ khu vực P sang khu vực N, thì còn có

Trang 10

dòng trôi dạt của lỗ trống theo hướng ngược lại, tất nhiên là bằng nhau về sốtrị.tương tự, dòng điện khuếch tán và dòng điện trôi dạt của điện tử cũng triệt tiêunhau Vậy nên không có dòng điện chạy qua chuyển tiếp P-N trong điều kiện khôngcó tác động của điện trường ngoài hay của các yếu tố kích hoạt khác (chẳng hạn sựkích quang).

Điện trường ngoài hướng thuận đặt vào chuyển tiếp P-N: cực dương củanguồn nói vào P, cực âm của nguồn nối vào N Khi đó điện trường ngoài ngượchướng với điện trường trong, làm suy yếu điện trường trong, nên diện tích khônggian và bề rộng vùng nghèo kiệt đều giảm nhỏ, điện tử trong khu vực N và lỗ trốngtrong khu vực P đều dễ dàng hơn vượt qua chuyển tiếp PN, hình thành dòng điệnkhuếch tán lớn Về dòng điện trôi dạt do số rất ít hạt dẫn thiểu số tạo ra, thì ảnhhưởng của nó của nó đối với dòng điện tổng là không đáng kể Vậy chuyển tiếp P-Ncó điện áp thuận đạt vào biến thành trạng thái dẫn điện, và điện trở của nó khi đó rấtbé

Trang 11

Điện trường ngoài hướng nghich đặt vào chuyển tiếp P-N: cực dương củanguồn nối vào N, cực âm của nguồn nối vào P Khi đó điện trường ngoài cùnghướng với điện trường trong, làm cho không gian và bề rông vùng nghèo kiệt tănglên, gây khó khăn cho sự khuếch tán, dòng điện khuếch tán giảm nhỏ đi nhiều Dòngđiện trôi dạt căn bản không đổi, là phần chủ yếu của dòng điện tổng đi qua chuyểntiếp P-N Dòng này khi có điện áp nghịch đặt vào gọi là dòng điện nghịch Khi nhiệtđộ không đổi thì nồng độ hạt dẫn thiểu số không đổi, nên dòng điện nghịch khôngphụ thuộc điện áp nghịch đặt vào (trong giới hạn nhất định), vì thế dòng điện nghịchcò được gọi là dòng điện bão hòa nghịch Vì số lượng hạt dẫn thiêu số rất nhỏ, dòngđiện nghịch rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0 Vậy chuyển tiếp P-N có điện áp nghịch đặt vàobiến thành trạng thái ngắt.

Trang 12

*Đặc tuyến Vôn-Ampe của tiếp xúc P-N

Đặc tuyến Vôn-Ampe của tiếp xúc P-N biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điệnchạy qua tiếp xúc và điện áp ngoài đặt lên tiếp xúc:

I = f(Vngoài)

Dòng điện liên quan tới điện áp theo công thức:

- điện thế nhiệt của bán dẫn Ở nhiệt độ phòng :

Dạng đặc tuyến Vôn-Ampe của tiếp xúc P-N mô tả ở hình dưới:

Kết luận: Qua đặc tuyến Vôn-Ampe dòng điện thuận đo bằng mA, còn dòngđiện ngược chỉ đo bằng µA Điều này cho thấy tiếp xúc P-N chỉ dãn điện một chiềukhi tiếp xúc P-N được phân cực thuận :

Và được gọi là hiệu ứng chỉnh lưu

Trang 13

1.4 Một số linh kiện cơ bản.

Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến cho phép dòngđiện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chấtcủa các chất bán dẫn

Khi đã có được 2 chất bán dẫn P và N, nếu ghép 2 chất bán dẫn theo 1 tiếpgiáp P-N ta được 1 diode Tiếp giáp PN có đặc điểm : tại bề mặt tiếp xúc, các điêntử dư thừa trong bán dẫn N khuếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống

=> tạo thành một lớp ion trung hòa về điện => lớp ion này tạo thành miền cách điệngiữa hai chất bán dẫn

Trang 14

Mối tiếp xúc P-N => Cấu tạo diode.

Diode chỉnh lưu sử dụng tính dẫn điện một chiều để chỉnh lưu dòng điện xoaychiều thành một chiều

Đặc tính của diode chỉnh lưu là các đại lượng dòng điện thuận cực đại Imax chophép xác định dòng chỉnh lưu cực đại và điện áp ngược tối đa cho phép Ung Max sẽxác định diện áp chỉnh lưu lớn nhất Thông thường ta chọn trị số điện áp ngược chophép Ung Max =0,8 Uđ.t.

* Đặc tính vôn-Ampe của diode bán dẫn

Đặc tuyến vôn-Ampe của diode biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện quadiode với điện áp đặt giữa hai chân cực anot và catot (UAK) Đay chính là đặc tuyếnVôn-Ampe của lớp tiép xúc P-N, do vậy dòng điện chạy qua diode được tính theocông thức sau:

Trang 15

- Phần thuận của đặc tuyến (UAK >0)

Khi diode phân cực thuận thì dòng điện thuận tăng rất nhanh Ta phải chú ýđến giá trị dòng điện thuận cực đại Ithuận max, diode không được làm việc với dòngđiện cao hơn trị số này

Khi UAK >0 nhưng trị số nhỏ thì dòng điện thuận quá nhỏ nên diode chưa đượccoi là phân cực thuận Chỉ khi điện áp thuận UAK > UD thì diode mới được tính làphân cực thuận và diode mới dẫn điện Điện áp UD được gọi là điện áp thuận ngưỡngcủa diode Khi UAK = UD thì dòng diện thuận có trị số bằng khoảng 0,1 Ithuận max Vàkhi UAK < UD thì dòng điện thuận tăng nhanh và tăng gần như tuyến tính với điệnáp.UD có giá trị bằng (0,1 - 0,3)V đối với diode gecmani và bằng (0,4 - 0,8)V đối vớidiode Silic

- Phần ngược của đặc tuyến Vôn – Ampe:

Khi |UAK| lớn hơn vài lần VT thì dòng điện ngược có giá trị bằng I 0 và giữnguyên giá trị này Khi UAK <0 thì tăng lên đến trị số Uđ.t thì dòng điện tăng vọt, ta

Trang 16

gọi đây là hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N Hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-Nlàm mất khả năng chỉnh lưu của diode và thông thường nó làm hỏng diode, trừ diodeZener là diode sử dụng hiện tượng đánh thủng để ổn định điện áp Điện áp tại điểmđánh thủng ta gọi là điện áp đánh thủng và ký hiệu là Uđ.t

Có hai hiện tượng đánh thủng:

- Đánh thủng về điện (đường 1)

- Đánh thủng vê nhiệt (đường 2)

+ Đánh thủng về nhiệt xảy ra do tác động nhiệt Hiện tượng đánh thủng vềnhiệt thường xảy ra đối với diode gecmani Lúc này từng đôi lỗ trống và điện tửđược sinh ra do tác dụng của nhiệt năng làm cho dòng điện tăng lên còn sụt áp trêndiode giảm

+ Đánh thủng về điện hay xảy ra đối với diode Silic và nó có ý nghĩa thực tếhơn Hiện tượng đánh thủng về điện thường xảy ra theo 2 cơ chế sau:

- Đánh thủng đường hầm: là sự đánh thủng xảy ra ở một giá trị điện trườngnào đó gọi là giới hạn tới hạn Et.h đặt lên tiếp xúc P-N Điều kiện để xảy ra hiệntượng đánh thủng đường hầm là:

* Sự phụ thuộc của đặc tuyến Vôn – Ampe vào nhiệt độ:

Như công thức tính dòng điện áp qua tiếp xúc P-N:

Trang 17

Ta thấy sự phục thuộc của dòng điện vào nhiệt độ thông qua tham số điện thếnhiệt VT và dòng điện ngược bão hòa I0 Dòng điện ngược bão hòa phụ thuộc vàonhiệt độ theo công thức được viết gần đúng:

Trong đó: K: là một hằng số

VG là năng lượng vùng cấm đo bằngJun

Qua thực nghiệm người ta thấy rằng, đối với cả hai loại diode Ge và Si, dòngđiện ngược bão hòa tăng xấp xỉ gấp 2 lần đối với mỗi sự tăng nhiệt độ lên 10°C

Để cho dòng điện không đổi khi nhiệt độ thay đổi thì điện áp đặt lên diodephải giảm vớt tốc độ là:

Trong điều kiện diode làm việc ở nhiệt độ phòng và điện áp ngưỡng UD=0,2

V cho diode Ge và UD=0,6 V cho diode Silic

Ứng dụng: vì diode có đặc tính chỉ dẫn theo 1 chiều từ anot đến catot khi phancực nên được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

Ngoài ra diode có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt),phân cực nghịch RD (hở mạch), nên diode được dùng làm các công tắc điện tử, đóngngắt bằng điều khiển mức điện áp, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện tử vàđiện tử

2, Diode phát quang

Diode phát quang là diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áplàm việc của Led khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA => 20mA

Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy, báo trạng thái có điện,vv

Trang 18

Giới thiệu chương trình Proteus

Như chngs ta đã biết quá trình thiết kế mchj điện tử với sự hỗ trợ của các phầnmền chuyên dụng đã và đang thu hút sự quan tâm của nhiều sinh vien, giáo viêncũng như các kĩ sư trong ngành Vậy để trang bị cho mỗi sinh viên điện tử trước khi

ra trường có thể sử dụng thông thạo một phần mền nào đó về thiết kế và mô phỏngmạch điện Nên nhóm chúng tôi chọn phần mền đã và đang được sử dụng rộng rãitrên thị trường nen chúng tôi chọn phần mền Proteus

Proteus là một phần mền khá mạnh trong thiết kế và mô phỏng mach điện, đặcbiệt Proteus ISIS được nhiều người mới học sử dụng để mô phỏng vi điều khiển Nóđược coi là phần mền phổ biến và dễ dungnhaats hiện nay Vì những tính năng môphỏng thư viện linh kiện phong phú và dễ sử dụng

Trang 19

Proteus là phần mền mô phỏng mạch điện tử của hãng Lanceter Electronics,

mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hôc trợ viết chươngtrình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS-51, 8051, PIC, AVR

Phần mền bao gồm 2 chương trình:

- ISIS đã được nghiên cứu và phát triển hơn 20 năm và có hàng nghìn ngườidùng trên kgawps thế giới Sức mạnh của nó là có thể mô phỏng hoạt động của cáchệ vi điều khiển mà không cần thêm phần mền phụ trọe nào Sau đó, phần mền ISIScó thể xuất file sang ARES hoặc các phần mền vẽ mach in khác

- trong lĩnh vực giáo dục, ISIS có ưu điểm là hình ảnh mạch diện đẹp, chophép ta tùy chọn đường nét, màu sắc mạch điện, cũng như thiết kế theo các mạh mẫu(templates)

Những khả năng khác của ISIS là:

Tự động sắp xếp đường mạch và vẽ điểm giao dường mạch

Chọn đối tượng và thiết lập thông số cho đối tượng dễ dàng

Trang 20

Xuất file thống kê linh kiện cho mạch.

Xuất file Netlist tương hích với các chương trình làm mạch in thông dụng

Đối với người thiết kế mạch chuyên nghiệp, ISIS tích hợp nhiềucông cụ cho việc quản lý mạch điện lón, mạch điện có thê lên đến hàng ngàn linh kiện

Thiết kế theo cấu trúc (hierachical design)

Khả năng tự động đánh số linh kiện

- ARES PCB Layout: ARES là phần mền vẽ mạch in PCB Nó vẽ mạch dựa vào file nestlist cùng các công cụ tự động khác

Trang 21

 Làm việc thông dụng qua các menu ngữ cảnh tiện lợi.

 File netlist từ phần mền vẽ mạch nguyên lỹ ISIS

 Tự động cập nhật ngược chỉ số linh kiện, sự đổi chân, đổi cổng ở mạch in sang mạch nguyên lí

 Công cụ kiểm tra lỗi thiết kế

 Thư viện đầy đủ từ lỗ khoan mạch đến linh kiện dán

Trang 22

Phần 1, Hướng dẫn sử dụng phần mền Proteus

1.1 Hướng dẫn cài đặt

Trong thư mục gốc của Proteus, chú ý file setup.exe và patchNoKey.exe.Để cài đặt chương trình, ta hấp đôi file Setep.exe

Trình cài đặt sẽ được kích hoạt:

Trang 23

Chọn Next để tiếp tục sau lời chào mừng của chương trình:

Trang 24

Đọc bản thỏa thuận bản quyền sản phẩm và chọn Yes ở cửa sổ LicenseAgreement

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	4,09 MB