Điện tử chất bán dẫn pdf

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn + vào Katôt bán dẫn N, nguồn - vào Anôt bán dẫn P, dưới sự tương tác của điện ápngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi

Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa

chất dẫn điện và chất cách điện, về phương diện hoá học thì bán dẫn lànhững chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử đó là các chấtGermanium ( Ge) và Silicium (Si)

Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta phải

tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó

ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor

Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4

điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theoliên kết cộng hoá trị như hình dưới

Chất bán dẫn tinh khiết

1.2 - Chất bán dẫn loại N

* Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chấtbán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liênkết cộng hoá trị, nguyên tử Phospho 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 lúcnày trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative : âm )

hai chất bán dẫn.

Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode

* Ở hình trên là mối tiếp xúc P – N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

2.2 - Phân cực thuận cho Diode

Khi

ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-)

vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện

áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt

0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì diện

tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện Nếu

tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh

lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V )

Diode (Si) phân cực thuận – Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode

* Kết luận : Khi Diode (loại Si)

được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa códòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi quaDiode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ

ở giá trị 0,6V

2.3 – Phân cực ngược cho Diode

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán

dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện ápngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua

mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn

khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

2.4 – Phương pháp đo kiểm tra Diode

Đo kiểm tra Diode

• Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu :

• Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt

• Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập

• Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt

• Ở phép đo trên thì Diode D1 tốt , Diode D2 bị chập và D3 bị đứt

• Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò.2.5 – Ứng dụng của Diode bán dẫn

* Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode

thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một

chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt

động trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu

có dạng

Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điện xoay chiều

Khi đặt giữa A và K một điện áp UAK> 0 thì điốt cho dòng đi qua và gọi là phân cực thuận ngược lại nếu đặt điện áp UAK <0 thì điốt khoá gọi là phân cực ngược dòng ngược luôn nhỏ hơn nhiều so với dòng thuận.

Khi thay đổi điện áp đặt vào điốt thì dòng qua nó cũng thay đổi theo Đường biểu diễn sự phụ thuộc của dòng qua điốt vào điện thế ngoài gọi là đường đặc trưng Von-Ampe của điốt

Cơ chế đánh thủng ở vùng 3:

Khi UAK< 0 và có giá trị đủ lớn, dòng điện ngược tăng lên đột ngột trong khi điện

áp UAK gần như không tăng Khi đó tính chất van của điốt bị phá huỷ và có thể làm hỏng lớp tiếp xúc p-n Có 2 cơ chế đánh thủng là đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện (hiệu ứng Zener và Tunel)

Các loại điode co diode chinh luu,diode phat quang,diode on ap…

Mach chinh luu

Hình 2.3 Đặc trưng Von-Ampe của điốt

2.Mạch chỉnh lưu nửa chu kì

a.Cấu tạo:nguồn xoay chiều, điot, tải

- Vậy qua 2 nửa chu kì dòng điện chay qua tải có một chiều duy nhất là chiều từ A đến B

3 Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kì:

a Mạch chỉnh lưu hai điôt

- Cấu tạo: gồm MBA có dây chung tính lấy ra điểm giữa, 2 điôt, tải tiêu thụ điện 1 chiều RL

b Mach chỉnh lưu cầu ( dùng 4 điôt )

- Cấu tạo: gồm nguồn điện xoay chiều, 4 điôt, tải tiêu thụ điện 1 chiều.

3 – Mạch ổn áp cố định

3.1 – Mạch ổn áp cố định dùng Diode Zener.

Mạch ổn áp tạo áp 33V cố định cung cấp cho mạch dò kênh trong Ti vi mầu

• Từ nguồn 110V không cố định thông qua điện trở hạn dòng R1 và gim trên Dz 33V để lấy ra một điện áp cố định cung cấp cho mạch dò kệnh

• Khi thiết kế một mạch ổn áp như trên ta cần tính toán điện trở hạn dòng sao cho dòng điện ngược cực đại qua Dz phải nhỏ hơn dòng mà Dz chịu được, dòng cực đại qua Dz là khi dòng qua R2 = 0

• Như sơ đồ trên thì dòng cực đại qua Dz bằng sụt áp trên R1 chia cho giá trị R1 , gọi dòng điện này là I1 ta có

Dạng điện áp DC của mạch chỉnh lưu trong hai trường hợp có tụ và không có tụ

• Sơ đồ trên minh hoạ các trường hợp mạch nguồn có tụ lọc và không có tụ lọc.

• Khi công tắc K mở, mạch chỉnh lưu không có tụ lọc tham gia , vì vậy điện áp thu được có dạng nhấp nhô.

• Khi công tắc K đóng, mạch chỉnh lưu có tụ C1 tham gia lọc nguồn , kết quả là điện áp đầu ra được lọc tương đối phẳng, nếu tụ C1 có điện dung càng lớn thì điện áp ở đầu ra càng bằng phẳng, tụ C1 trong các bộ nguồn thường có trị số khoảng vài ngàn µF

Minh hoạ : Điện dụng của tụ lọc càng lớn thì điện áp đầu ra càng bằng phẳng.

• Trong các mạch chỉnh lưu, nếu có tụ lọc mà không có tải hoặc tải tiêu thụ một công xuất không đáng kể so với công xuất của biến áp thì điện áp DC thu được là DC = 1,4.AC

Transistor là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị khuếch đại hoặc một khóa điện tử Tranzitor là khối đơn vị cơ bản xây dựng nên cấu trúc mạch ở máy tính điện tử và tất cả các thiết bị điện tử hiện đại khác Vì đáp ứng nhanh và chính xác nên các

tranzitor được sử dụng trong nhiều ứng dụng tương tự và số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động.Tranzitor cũng thường được kết hợp thành mạch tích hợp (IC),có thể tích hợp tới một tỷ tranzitor trên một diện tích nhỏ.

Một số tranzito

Cũng giống như điốt , tranzito được tạo thành từ hai chất bán dẫn điện Khi ghép một bán dẫn điện âm nằm giữa hai bán dẫn điện dương ta được một PNP tranzito Khi ghép một bán dẫn điện dương nằm giữa hai bán dẫn điện âm ta được một NPN tranzito.

Mỗi tranzito đều có ba cực:

1 Cực gốc (base)

2 Cực góp (collector)

3 Cực phát (emitter)

1 Transistor mắc theo kiểu E chung.

Mạch mắc theo kiểu E chung có cực E đấu trực tiếp xuống mass hoặc đấu qua tụ xuống mass để thoát thành phần xoay chiều, tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực C, mạch có sơ đồ như sau :

Mạch khuyếch đại điện áp mắc kiểu E chung , Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực C

Rg : là điện trở ghánh , Rđt : Là điện trở định thiên, Rpa : Là điện trở phân áp

Đặc điểm của mạch khuyếch đại E chung.

• Mạch khuyếch đại E chung thường được định thiên sao cho điện

áp UCE khoảng 60% ÷ 70 % Vcc

• Biên độ tín hiệu ra thu được lớn hơn biên độ tín hiệu vào nhiều lần, như vậy mạch khuyếch đại về điện áp

• Dòng điện tín hiệu ra lớn hơn dòng tín hiệu vào nhưng không đáng kể

• Tín hiệu đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào : vì khi điện áp tín hiệu vào tăng => dòng IBEtăng => dòng ICE tăng => sụt áp trên Rg tăng => kết quả là điện áp chân C giảm , và ngược lại khi điện áp đầu vào giảm thì điện áp chân C lại tăng =>

vì vậy điện áp đầu ra ngược pha với tín hiệu đầu vào

• Mạch mắc theo kiểu E chung như trên được ứng dụng nhiều nhất trong thiết

bị điện tử

2 Transistor mắc theo kiểu C chung.

Mạch mắc theo kiểu C chung có chân C đấu vào mass hoặc dương nguồn ( Lưu ý :

về phương diện xoay chiều thì dương nguồn tương đương với mass ) , Tín hiệu được đưa vào cực B và lấy ra trên cực E , mạch có sơ đồ như sau :

Mạch mắc kiểu C chung , tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

Đặc điểm của mạch khuyếch đại C chung

• Tín hiệu đưa vào cực B và lấy ra trên cực E

• Biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào : Vì mối BE luôn luôn có giá trị khoảng 0,6V do đó khi điện áp chân B tăng bao nhiêu thì áp chân C cũng tăng bấy nhiêu => vì vậy biên độ tín hiệu ra bằng biên độ tín hiệu vào

• Tín hiệu ra cùng pha với tín hiệu vào : Vì khi điện áp vào tăng => thì điện áp

ra cũng tăng, điện áp vào giảm thì điện áp ra cũng giảm

• Cường độ của tín hiệu ra mạnh hơn cường độ của tín hiệu vào nhiều lần : Vì khi tín hiệu vào có biên độ tăng => dòng IBE sẽ tăng => dòng ICE cũng tăng gấp β lần dòng IBE vì

ICE = β.IBE giả sử Transistor có hệ số khuyếch đại β = 50 lần thì khi dòng IBE tăng 1mA => dòng ICE sẽ tăng 50mA, dòng ICE chính là dòng của tín hiệu đầu ra, như vậy tín hiệu đầu ra có cường độ dòng điện mạnh hơn nhiều lần so với tín hiệu vào

• Mạch trên được ứng dụng nhiều trong các mạch khuyếch đại đêm (Damper), trước khi chia tín hiệu làm nhiều nhánh , người ta thường dùng mạch Damper để khuyếch đại cho tín hiệu khoẻ hơn Ngoài ra mạch còn được ứng dụng rất nhiều trong các mạch ổn áp nguồn ( ta sẽ tìm hiểu trong phần sau )

3 Transistor mắc theo kiểu B chung.

• Mạch mắc theo kiểu B chung có tín hiệu đưa vào chân E và lấy ra trên chân

C , chân B được thoát mass thông qua tụ

• Mach mắc kiểu B chung rất ít khi được sử dụng trong thực tế.

Mạch khuyếch đại kiểu B chung , khuyếch đại về điện áp và không khuyếch đại về dòng điện.

JFET

Cấu tạo của JFET:

Tranzito JFET cấu tạo gồm có một miếng bán dẫn mỏng loại N (gọi là kênh loại N) hoặc loại P (gọi là kênh loại P) ở giữa hai tiếp xúc P-N và được gọi là kênh dẫn điện Hai đầu của miếng bán dẫn đó được đưa ra hai chân cực gọi là cực máng (ký hiệu là D) và cực nguồn (ký hiệu là S) Hai miếng bán dẫn ở hai bên của kênh được nối với nhau và đưa ra một chân cực gọi là cực cửa (ký hiệu là G) Cho nên, cực cửa được tách khỏi kênh bằng các tiếp xúc P-N.

Các tranzito trường JFET hầu hết đều là loại đối xứng, có nghĩa là khi đấu trong mạch có thể đổi chỗ hai chân cực máng và nguồn cho nhau thì các tính chất và tham số của tranzito không hề thay đổi.

Hình 1: Cấu tạo của tranzito trường loại JFET kênh dẫn loại N

Nguyên lý hoạt động của JFET:

Nguyên lý hoạt động của tranzito trường JFET kênh loại N và kênh loại P giống nhau.

Chúng chỉ khác nhau về chiều của nguồn điện cung cấp vào các chân cực.

Để cho tranzito trường làm việc ở chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện UGS có chiều sao cho cả hai tiếp xúc P-N đều được phân cực ngược Còn nguồn điện UDS có chiều sao cho các hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, về cực máng D để tạo nên dòng điện trong mạch cực máng ID

Ta có các sơ đồ nguyên lý như hình 5-3.

Trong phần này trình bày về nguyên lý hoạt động của tranzito JFET kênh N.

Hình 2: Sơ đồ nguyên lý của mạch dùng JFe

Xét sơ đồ hình 9.2 a): Để cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G Để cho các hạt dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn về cực máng thì nguồn điện VD có chiều dương vào cực máng, chiều âm vào cực nguồn Khi UDS > 0, thì điện thế tại mỗi điểm dọc theo kênh sẽ tăng dần từ cực nguồn S đến cực máng D Do vậy, tiếp xúc P-N sẽ bị phân cực ngược mạnh dần về phía cực máng Bề dày lớp tiếp xúc tăng dần về phía cực máng và tiết diện của kênh sẽ hẹp dần về phía cực máng

MOSFET

Cấu tạo:

Tranzito trường MOSFET kênh sẵn còn gọi là MOSFET-chế độ nghèo (Depletion-Mode MOSFET viết tắt là DMOSFET) Ta có mô hình mô phỏng cấu tạo của MOSFET trong hình 9.3 Tranzito trường loại MOS có kênh sẵn là loại tranzito mà khi chế tạo người ta đã chế tạo sẵn kênh dẫn.

Hình 3: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại P

Nguyên lý hoạt động:

Tranzito loại MOSFET kênh sẵn có hai loại là kênh loại P và kênh loại N (ví dụ trong hình 9.2 là MOSFET

có kênh sẵn loại P).

Khi tranzito làm việc, thông thường cực nguồn S được nối với đế và nối đất nên US = 0.

Các điện áp đặt vào các chân cực cửa G và cực máng D là so với chân cực S Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho các chân cực sao cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh về cực máng D để tạo nên dòng điện ID trong mạch cực máng Còn điện áp đặt trên cực cửa có chiều sao cho MOSFET làm việc ở chế độ giàu hạt dẫn hoặc ở chế độ nghèo hạt dẫn.

Nguyên lý làm việc của hai loại tranzito kênh P và kênh N giống nhau chỉ có cực tính của nguồn điện cung cấp cho các chân cực là trái dấu nhau Sơ đồ nguyên lý đấu nối MOSFET kênh sẵn như trong hình 9.3.

Hình 4: Cấu tạo của MOSFET kênh sẵn loại Sơ đồ nguyên lý của MOSFET: a- MOSFET kênh

sẵn loại P b- MOSFET kênh sẵn loại N

Khả năng điều khiển dòng điện ID của điện áp trên cực cửa UGS chính là đặc tuyến truyền đạt của MOSFET, nói cách khác, đó là mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UGS, ta có hàm sau:

ID = f(UGS) khi UDS = const.

Để các hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S về cực máng D, ta đặt một điện áp trên cực máng UDS = UDS1 <0 và giữ không đổi Sau đó thay đổi điện áp trên cực cửa UGS theo chiều dương hoặc theo chiều âm Khi UGS = 0 thì dưới tác dụng của điện áp UDS các lỗ trống chuyển động từ cực nguồn

về cực máng tạo nên dòng điện ID

Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống được hút về kênh làm nồng độ hạt dẫn trong kênh tăng lên, độ dẫn điện của kênh tăng và dòng điện chạy trong kênh ID tăng lên Chế độ làm việc này gọi là chế độ giàu hạt dẫn Nếu UGS > 0, các lỗ trống bị đẩy ra xa kênh làm mật độ hạt dẫn trong kênh giảm xuống, độ dẫn điện của kênh giảm và dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống Chế độ làm việc này gọi là chế độ nghèo hạt dẫn Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 9.4a - Xét họ đặc tuyến ra (hay quan hệ giữa dòng điện

ID và điện áp UDS):

ID = f(UDS) khi UGS = const.

Hình 9.4b thể hiện họ đặc tuyến ra của MOSFET kênh sẵn loại P Đây là các đường biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện ID với điện áp UDS ứng với từng giá trị của điện áp UGS khác nhau.

Hình 5: Các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn loại P: a Họ đặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) khi

UDS không đổi, b Họ đặc tuyến ra ID = f(UDS) khi UGS không đổi

Trên họ đặc tuyến ra, khi điện áp UDS = 0V thì dòng điện qua kênh ID = 0, do đó đặc tuyến xuất phát từ gốc tọa độ Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số còn nhỏ thì dòng điện ID tăng tuyến tính với sự tăng trị số của điện áp UDS và mối quan hệ này được tính theo định luật Ôm Ta có vùng thuần trở của đặc tuyến.

Khi điện áp U DS đạt tới trị số bão hòa (U DSb.h ) thì dòng điện cực máng cũng đạt tới một trị số gọi là dòng điện bão hòa IDb.h Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy của lớp oxit và kênh có điểm

"thắt" tại cực máng, nên UDSbh còn được gọi là điện áp “thắt”.

Nếu cho |U DS |>| UDSb.h | thì dòng điện không thay đổi và giữ nguyên trị số bão hòa IDb.h Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược càng mạnh về phía cực máng, làm cho chiều dài của phần kênh bị "thắt" tăng lên Độ chênh lệch của điện áp ΔUDS = ⎪UDS⎪-⎪UDSbh⎪ được đặt lên đoạn kênh bị "thắt" và làm cho cường độ điện trường ở đây tăng, giúp cho số các lỗ trống vượt qua đoạn kênh bị "thắt" không thay đổi,

do vậy dòng IDbh giữ không đổi Ta có vùng dòng điện ID bão hòa.

Trường hợp, nếu đặt UDS quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N ở phía cực máng, dòng điện ID tăng vọt Lúc này tranzito chuyển sang vùng đánh thủng.

Qua các họ đặc tuyến của MOSFET kênh sẵn ta thấy nó làm việc ở cả 2 chế độ nghèo và giàu hạt dẫn MOSFET kênh sẵn có mức ồn nhỏ nên nó thường được dùng trong các tầng khuếch đại đầu tiên của thiết

bị cao tần Độ hỗ dẫn gm của nó phụ thuộc vào điện áp UGS nên hệ số khuếch đại điện áp thường được

Đèn chỉnh lưu silic có điều khiển chỉ dẫn điện một chiều.

Mô hình cấu tạo và ký hiệu của SCR trong sơ đồ mạch mô tả trong hình 6- 1a,b,c.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Triac.

Là một cấu kiện thuộc họ Thyristo Triac có 3 chân cực và có khả năng dẫn điện hai chiều khi có tín hiệu kích khởi động (dương hoặc âm).

Cấu tạo của triac:

Do tính dẫn điện hai chiều nên hai đầu ra chính của triac dùng để nối với nguồn điện được gọi là đầu ra MT1 và MT2 Giữa hai đầu ra MT1 và MT2 có năm lớp bán dẫn bố trí theo thứ tự P-N-P-N như SCR theo

cả 2 chiều Đầu ra thứ ba gọi là cực điều khiển G Như vậy triac được coi như hai SCR đấu song song ngược chiều với nhau, xem hình 6-4.