Kỹ thuật điện tử ( GV Nguyễn Văn Hân ) - Phần 2 pps

Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất Phân biệt độ dẫn điện của các chất bằng phương pháp cổ điển R a.. Chất bán dẫn tạp chất loại n Các điện tử dễ dàng nhận năng lượng kích

2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N2.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất

Phân biệt độ dẫn điện của các chất bằng phương pháp cổ điển

R()

a Cấu trúc vùng năng lượng trong chất rắn tinh thể

Vùng dẫn

Vùng hoá

trịb)

0Eg  2eV

Điện tử

c Chất bán dẫn tạp chất loại n

Các điện tử dễ dàng nhận năng

lượng kích thích bên ngoài để

nhảy lên vùng dẫn và tham gia

vào quá trình dẫn điện.

Mức năng lượng tạp chất loại n nằm ở phía trên vùng cấm gần

đáy vùng dẫn

Hạt dẫn đa số là điện tử Hạt

dẫn thiểu số là lỗ trống:

n n >> p n

d Chất bán dẫn tạp chất loại p

Các điện tử dễ dàng nhận năng

lượng kích thích bên ngoài để nhảy

từ vùng hoá trị lên mức tạp chất

loại p tạo nên điện tích tham gia

vào quá trình dẫn điện

Vùng dẫn

Vùng hoá

trị

Mức tạpchất loại p

Pha tạp chất thuộc nhóm 3 của BTH (Al, B…) vào mạng tinh thể

Ge hay Si với nồng độ khoảng 10 10 đến 10 18 nguyên tử/cm 3 ta có chất bán dẫn loại p

Mức năng lượng tạp chất loại p nằm ở phía dưới vùng cấm gần đỉnh vùng hoá trị

Hạt dẫn đa số là lỗ trống mang đt +

Hạt dẫn thiểu số là điện tử mang đt

-p >> n

e Vài hiện tượng vật lý thường gặp

• Hiện tượng ion hoá nguyên tử

Ở nhiệt độ thường, bán dẫn nguyên chất hay tạp chất đều bị ion hoá và có số hạt dẫn n hay p xác định được dựa vào hàm Fermi -Dirac

ở trạng thái cân bằng thì tích số nồng độ hai loại hạt dẫn luôn là

N

p KT

E E

N p

n p

p n

Bán dẫn n có nn >> ni >> pn Và: nn=N+D.

Bán dẫn p có pp >> pi >> np. Và: np=N-A

nn, pp: Là các hạt dẫn đa số (điện tử ở bd loại n, lỗ trống ở bd loại p)

np, pn: Là các hạt dẫn thiểu số (điện tử ở bd loại p, lỗ trống ở bd loại n)

N+

D, N

-A: Là các ion dương, âm tạp chất

Ec, Ev: Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị

• Chuyển động có gia tốc trôi của các hạt dẫn trong điện trườngKhi có điện trường thì các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng

để tạo nên dòng điện Dòng trôi toàn phần là tổng của 2 dòngtrôi:

 ; Độ linh động của các hạt dẫn tương ứng.

E: Cường độ điện trường

• Hiện tượng tái hợp các hạt dẫn

Tái hợp là quá trình chuyển dời các điện tử từ mức cao xuốngthấp làm mất đi một cặp hạt dẫn Sự tái hợp có liên quan đến thờigian sống của điện tích đã được sinh ra và nó có quan hệ với tần sốtác động nhanh của linh kiện điện tử

dp qD

I

dx

dn qD

dx

dn qD

I

p p

ktp

n n

n p

2

D

n n

2.1.2 Mặt ghép p-n và tính chất chỉnh lưu của Điốt bán dẫn

a Mặt ghép p-n khi chưa có Engoài

• Khi hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc nhau sẽ

xẩy ra hiện tượng khuếch tán vì có chênh lệch

nồng độ hạt dẫn.(PP 1017 ,nP 1010; nn 1015,

pn 1011)

• Hiện tượng khuếch tán sinh ra dòng điện

khuếch tán Ikt có chiều từ bd p sang bd n

• Các ion tạp chất tạo ra điện trường tiếp xúc

sinh ra dòng trôi Itr ngược chiều Ikt Khi cân

p tx

n

n q

KT p

p q

KT

UtxSi=0,6V

b Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài

• Khi điện trường ngoài và

điện trường tiếp xúc ngược

nhau chúng có xu hướng triệt

tiêu nhau làm vùng chuyển

tiếp (vùng nghèo điện tích)

hẹp lại, hàng rào thế giảm

nên sự khuếch tán xẩy ra

mạnh hơn > có dòng điện

chạy qua lớp tiếp giáp -> ta

nói đi ốt phân cực thuận

sự khuếch tán xẩy rất yếu -> không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp -> ta nói đi ốt phân cực ngược.

c Đặc tuyến Von-Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán dẫn

• Đặc tuyến của điốt là một

đường cong phức tạp

• Mỗi đường chia làm 3 vùng

• Vùng  và  điốt phân cực ngược Dòng điện ngược của điốt Gelớn hơn

• Vùng  điốt phân cực thuận

Đặc tuyến của Ge gần trục I hơn

Cùng một giá trị I ?

Cùng giá trị U ?

• Đường Ge cắt trục hoành 0,2V

• Đường Si cắt trục hoành 0,4 V

mU

U t

p n S

L

p D L

n

D s q

I .

Dòng điện ngược bão hòa, không phụthuộc vào UAK mà phụ thuộc vào bản chấtchất bán dẫn, và nhiệt độ

U

const I

-Vùng phân cực ngược: Dòng bão hòa ngược Is phụ thuộc mạnh

vào nhiệt độ với mức 10%/K

Điốt là linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ  Phải có biện pháp ổnđịnh nhiệt

Hiện tượng đánh thủng?

Các tham số của điốt

• Tham số giới hạn chủ yếu

(quá giới hạn này điốt sẽ bị

hỏng)

- Điện áp ngược cực đại

U ngcmax (thường chọn 80%

của Uđt)

- Dòng thuận cực đại I Acf

- Công suất tiêu hao cực đại

cho phép để điốt chưa bị

đánh thủng vì nhiệt P Acf

- Tần số giới hạn của điện áp

hay dòng điện trong mạch

f max

• Tham số định mức chủ yếu (để đánh giá chất lượng và phạm vi ứng dụng của điốt)

- Điện trở một chiều Rđ=UAK/IA

- Điện trở vi phân (xoay chiều)

rđ = UAK / IA = UT / (IA+ Is )Trên nhánh thuận rđth nhỏ Trênnhánh ngược rđngc lớn Sự chênhlệch càng lớn tính chất chỉnh lưucàng tốt

- Điện dung tiếp giáp p-n ở tần sốcao dung kháng càng giảm và tínhiệu sẽ truyền qua điốt làm mấtt/c chỉnh lưu

Phân loại đi ốt bán dẫn

• Dựa vào đặc điểm cấu tạo: Điốt tiếp điểm, tiếp mặt

• Dựa vào chất bán dẫn: Ge hay Si

• Dựa vào tần số giới hạn fmax: Điốt cao tần, điốt âm tần

• Dựa vào công suất cực đại cho phép: Điốt công

suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ.

• Dựa vào nguyên lý làm việc hay phạm vi ứng dụng:

Điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (điốt zener), điốt biến

dung (Varicap), điốt Gunn.

•

• Loại đi ốt cầu có bốn cực

điện được đánh dấu + ,

-và ghi chữ AC hay ~

NHỮNG DẠNG ĐI ỐT KHÁC

• Đi ốt phát quang (LED) với nhiều hình dạng và màu sắc khác nhau

2.1.3 Vài ứng dụng điển hình của đi ốt bán dẫn

• Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng hai đi ốt Biến áp có thứcấp ba đầu ra tạo nên U2.1 = U2.2 nhưng ngược pha nhau (điểmgiữa nối chung).Hoạt động

• Giá trị trung bình điện áp trên tải: U 0 =0,9U 2

• Giá trị trung bình của dòng điện trên tải: It=U 0/Rt Dòng qua mỗi đi ốt Ia1=Ia2=It/2

• U nm là biên độ sóng có tần số n m là số pha chỉnh lưu Lấy n=1 và m=2 ta có:

67 ,

0 1

m

2 U

U

0

m 1

• ­u điểm: Sơ đồ đơn giản

• Khuyết điểm: Chất lượng điện áp một chiều thấp, hiệu

suất năng lượng thấp, biến áp có hai phần thứ cấp đối

xứng, điện áp ngược trên mỗi đi ốt cao.

• Khắc phục: Chỉnh lưu cầu.

Điện áp ngược cực đại trên mỗi đi ốt bằng tổng điện áp cực đại trên hai cuộn thứ cấp biến áp.

SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI LÝ THUYẾT

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN DAO ĐỘNG KÝ

MẠCH CHỈNH LƯU CẦU

• Sơ đồ mạch điện Nguyên tắc hoạt động.

• Khảo sát mạch qua Work Bench và rút ra nhận xét:

MẠCH CHỈNH LƯU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

• Cực K và A của các đi ốt ?

• Lối vào xoay chiều?

• Nếu sai điểm đấu lối vào?

• Nếu sai giá trị điện áp lối vào?

• Lối ra một chiều?

• Có gì chú ý đối với tụ điện?

• Nếu mắc sai tụ điện?

Đi ốt 

Đi ốt 

Tụ điện

MẠCH CHỈNH LƯU VÀ ỔN ÁP

(THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ)

• Những linh kiện nào

æn áp dùng điốt zener

Dz I Rt

KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH

SO SÁNH SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA U vào và U Dz

Uvào=15V UDz=12,24V I=?

Uvào=17V

UDz=12,35V

I=?

Ba lớp bán dẫn xếp xen kẽ nhau pnp hay npn

Diện tích tiếp xúc BC (tiếp giáp J C ) lớn hơn EB (tiếp giáp J E )

Miền emitơ ( E ) có nồng độ tạp chất cao hơn.

Miền bazơ ( B ) xen giữa mỏng vài m, nồng độ tạp chất nhỏ Miền colectơ ( C ) có nồng độ tạp chất thấp trung bình.

MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ

• Ký hiệu trên linh

kiện theo quy

Đóng vỏ nhựa chịu nhiệt Phần kim

loại nối với cực C

Cách xác định các cực của Transistor

Transistor công suất lớn

Transistor công suất nhỏ

Sử dụng đồng hồ vạn năng???

MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ

Tran zito siêu cao tần

2.2.1b Nguyên lý làm việc của tranzito bipola (tranzito lưỡng cực)

• Để tranzito làm việc được ở chế độ khuếch đại cần đưa điện

áp một chiều vào các cực (gọi là phân cực) theo nguyên tắc:

J E phân cực thuận , J C phân cực ngược.

2.2.1c Cách mắc tranzito và các tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ

• Mỗi tranzito có 3 điện cực mà một mạch điện xử lý tín

hiệu có 4 điện cực nên phải có một cực được nối chung

2.2.1d Phương trình các họ đường đặc tuyến của tranzito

• Đặc tuyến vào giống

miền thuận của điốt

2.2.2b Họ đặc tuyến của cách mắc mạch BC dùng tranzito

• Ivào = IE ; I ra = Ic Đặc tuyến

vào giống miền thuận của điốt

• Khi IE cố định thì IC  IE Tăng UCB thì IC tăng không đáng kể IC luôn luôn nhỏ hơn IE Khi UCB = 0 thì IC  0 vì điệp áp tiếp xúctrong JC đã cuốn điện tích vượt qua miền bazơ rất mỏng

• Đặc tuyến truyền đạt có thể suy từ đặc tuyến ra Vì dòng IB rất nhỏnên đồ thị gần như đường thẳng

2.2.2c Họ đặc tuyến của cách mắc mạch CC dùng tranzito

• Ivào = IB ; I ra = IE Đặc tuyến vào có dạng

khác hẳn vì UCB phụ thuộc nhiều vào UCE

Nếu UCB tăng thì UBE giảm nên IB giảm

• Trong thực tế IC  IE nên đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của

mạch EC và mạch CC là gần tương tự như nhau.