giáo trình linh kiện điện tử

+ Hệ số nhiệt của điện trở TCR: Hệ số nhiệt của điện trở thể hiện sự thay đổi của giá trị điện trở theo nhiệt độ môi trường và được tính bởi công thức sau: Trong đó: R là giá trị điện t

Chương 1 Linh kiện thụ động

Định luật Ohm áp dụng cho điện trở được phát biểu như sau:

Cho dòng điện I chạy qua điện trở R thì trên hai đầu điện trở sẽ tạo ra một hiệu điện thế E được tính bởi biểu thức (1-1)

Hình 1.2 minh họa áp dụng định luật

Ohm cho điện trở

Để đánh giá và lựa chọn điện trở ta

phải dựa vào các tham số của nó Các tham

số đó gồm:

+ Giá trị điện trở:

Giá trị điện trở là tham số cơ bản, và

yêu cầu giá trị của điện trở phải ổn định, ít

thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, … Giá trị của điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, vào

R R

Hình 1.1 Kí hiệu điện trở trên mạch điện

Hình1.2 Định luật ôm áp dụng cho điện trở

kích thước của điện trở và nhiệt độ môi trường Giá trị điện trở đo bằng Ohm và các bội của nó Giá trị của điện trở thường đo ở dòng điện một chiều hoặc tần số thấp Muốn dùng điện trở ở tần số cao phải chọn điện trở có kết cấu, kích thước, vỏ bọc cụ thể

+ Dung sai hay sai số của điện trở: Dung sai biểu thị mức độ chênh lệch của giá

trị thực tế của điện trở so với giá trị danh định và tính theo % Dung sai được tính theo công thức sau:

Trong các mạch điện yêu cầu độ chính xác cao thường dùng điện trở cấp 005 và

01 Còn trong điện tử thông thường người ta dùng các loại điện trở từ cấp I đến cấp III Các điện trở có độ chính xác càng cao càng có giá thành cao

+ Công suất tiêu tán cho phép P max :

Khi có dòng điện chạy qua, điện trở tiêu tán năng lượng điện dưới dạng nhiệt một lượng công suất được tính theo định luật Jun – Lenx là:

(1-2)

Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pmax là công suất lớn nhất mà điện trở có thể chịu đựng được, nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng cháy và không dùng được

(1-3)

Với yêu cầu đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường thì công suất tiêu tán P <

Pmax công suất tiêu tán cực đại Do đó tùy theo điện áp và dòng điện qua điện trở lớn hay nhỏ mà sử dụng điện trở có công suất tiêu tán cho phép lớn hay nhỏ

+ Hệ số nhiệt của điện trở TCR: Hệ số nhiệt của điện trở thể hiện sự thay đổi

của giá trị điện trở theo nhiệt độ môi trường và được tính bởi công thức sau:

Trong đó: R là giá trị điện trở; R là đại lượng thay đổi giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi một lượng là T

TCR là giá trị biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 10C, ta viết tắt là ppm/0

C

1.1.2 Phân loại

a Phân loại theo cấu tạo

- Điện trở thông thường (không dây quấn)

- Điện trở dây quấn làm bằng dây công tan tan (điện trở thấp) hay nicrôm (điện trở cao)

b Phân loại theo cấp sai số

Loại một có sai số cho phép ±5% được dùng ở những mạch cần nâng cao độ chính xác của chế độ công tác

Loại hai có sai số cho phép là ±10%

Loại ba có sai số cho phép là ±20% dùng ở những nơi ít ảnh hưởng đến chế độ công tác như các mạch ghép

Trong thực tế chỉ sản xuất một số loại điện trở nhất định, khi yêu cầu các điện trở khác nhau cần ghép song song hay nối tiếp các điện trở

Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2,… Rn mắc nối tiếp nhau thì điện trở tương đương R bằng tổng các điện trở riêng rẽ

R= R1+R2+…+Rn = RiKhi có hai hay nhiều điện trở mức song song thì điện trở tương đương R của nó được tính bởi:

1.1.3 Cấu tạo của từng loại điện trở

Điện trở thông thường (không dây quấn):

Thường được làm bằng than hay các chất đặc biệt khác dẫn điện Các chất dẫn điện này bao bọc bên ngoài một lớp lõi bằng sứ, hoặc lớp bọc bị xẻ theo rãnh xoắn ốc xung quanh lõi (điện trở mặt), hoặc chúng được ép lại thành điện trở (điện trở khối) Loại điện trở này có kích thước nhỏ, điện cảm và điện dung tạp tán nhỏ, giá thành rẻ nhưng độ ổn định kém và công suất tiêu thụ nhỏ Hình 1.3 minh họa điện trở than

Điện trở dây quấn:

Thường làm bằng dây côngtantan (điện

trở thấp) hay nicrom (điện trở cao) quấn trên

một ống sứ Điện trở được bao bọc bằng một

lớp men màu nâu hay xanh Điện trở dây quấn

có ưu điểm là độ ổn định và độ chính xác cao, mức tạp âm nhỏ, công suất tiêu tán lớn nhưng có nhược điểm là bị giới hạn về tần số do điện cảm và điện dung tạp tán lớn

Biến trở có thể được cấu tạo theo dạng dây quấn hay loại than hỗn hợp

Hình 1.5 cho ta hình ảnh một số

loại chiết áp

Biến trở dây quấn cấu tạo tương

tự như điện trở dây quấn biến đổi Con

chạy bằng kim loại nối với trục trượt

hoặc trục quay và trượt trên các vòng

dây Biến trở dây quấn có giá trị thay

đổi trong khoảng 1-200K, công suất

khoảng từ 3-5W Biến trở dây quấn

thường được dùng trong các mạch

công suất lớn

Biến trở than hỗn hợp có lớp vật liệu hỗn hợp được phủ lên trên tấm đế hình móng ngựa, hai đầu có phủ một lớp bạc nối chân ra Biến trở than hỗn hợp có phạm vi biến đổi giá trị trong khoảng 10-10M, công suất khoảng 0,1 -2 W Biến trở này được dùng trong các mạch công suất nhỏ

số thứ 3 biểu thị số lũy thừa của 10 Đặc biệt chữ số thứ 3 là số 0 thì đó là giá trị thực của điện trở

Quy ước về sai số khi sử dụng điện trở như sau:

B=0,1%; C=0,25%; D=0,5%; F=1%; G= 2%; H= 2,5%; J=5%; K= 10%; M= 20%

Ví dụ 1:

Hình 1.5 Một số loại chiết áp

1.1.5.2 Biểu thị giá trị điện trở bằng các vạch màu

Người ta thường sử dụng các vòng màu để biểu thị giá trị điện trở và gọi là điện trở Mỹ Thường dùng 3 vòng, 4 vòng hoặc 5 vòng màu để biểu diễn Các quy định màu đối với điện trở vòng màu như sau:

Trường hợp đặc biệt có 3 vòng màu, khi đó sai số của điện trở là 20%:

Vòng 1,2 là các vòng giá trị;

Vòng 3 là vòng biểu thị số lũy thừa của 10

Trường hợp điện trở 4 vòng màu:

- Vòng 1 không bao giờ là Vàng nhũ và Bạc nhũ

1.2 Tụ điện

1.2.1 Cấu tạo

1.2.1.1 Kí hiệu và phân loại

Tụ điện là linh kiện có khả năng tích

điện dưới dạng điện trường Tụ điện là linh

kiện có khả năng phóng, nạp điện

Cấu tạo chung của tụ điện bao gồm hai bản cực làm bằng kim loại đặt song song nhau và được cách điện bởi một lớp điện môi Từ hai bản cực kim loại này nối với hai dây dẫn ra ngoài làm thành 2 chân tụ điện, toàn bộ được đặt trong vỏ bảo vệ Hình 1.6 minh họa cấu tạo của tụ điện

Kí hiệu của tụ điện trên mạch điện như hình 1.7 trình bày

Để đặc trưng cho khả năng phóng nạp điện tích của tụ điện người ta đưa ra khái niệm điện dung Điện dung C của tụ điện được tính bởi biểu thức sau:

(1-4) Trong đó:

C là điện dung của tụ [F]

S là diện tích của bản cực [m2

];

d là khoảng cách giữa hai bản cực [m];

, 0 lần lượt là hằng số điện môi của chất làm điện môi và không khí hay chân không

Bản cực Chân tụ

Đơn vị đo điện dung là Fara kí hiệu là F Thường sử dụng các đơn vị ước số của F

U là điện áp nạp cho tụ điện;

C là điện dung của tụ điện

Như đã biết, khi có dòng điện xoay chiều đi qua tụ điện thì xem tụ điện như tương đương với một điện trở ZC phụ thuộc vào tần số của dòng điện và điện dung của tụ điện Trở kháng đó ta gọi là dung kháng và được tính bởi biểu thức sau đây (ta gọi là định luật Ohm cho tụ điện):

(1-6)

Trong đó:

f là tần số của dòng điện vào [Hz];

C là điện dung của tụ điện [F]

Từ biểu thức trên ta nhận xét rằng tần số của dòng điện càng tăng thì dòng điện qua tụ càng dễ dàng và ngược lại

1.2.1.2 Cấu tạo của từng loại tụ điện

Trước hết ta xét cấu tạo của các loại tụ có giá trị ổn định

a Tụ giấy

10 Hình 1.9 Tụ Mica

Chất cách điện trong tụ giấy làm bằng những loại giấy mỏng cách điện không thấm nước còn đầu ra làm bằng các lá kim loại rất mỏng

Đối với tụ giấy có điện dung

nhỏ hơn 0,1F, điện trở cách điện ít

nhất là 5000M; với tụ giấy có điện

dung lớn hơn 0,1F thì điện trở cách

điện nhỏ hơn Hệ số phẩm chất của tụ

giấy vào khoảng 60-100

Tụ giấy được sử dụng để phân đường, ngăn, nối tầng, lọc trong các mạch điện tử

có tín hiệu tần số thấp

b Tụ mica

Chất cách điện trong tụ mica làm bằng các bản mica có chất lượng cao, các bản cực của tụ điện làm bằng các lá kim loại mỏng hay một lớp bạc mỏng tráng lên một mặt của bản mica Tụ điện mica có các bản cực làm bằng kim loại kém ổn định hơn loại tráng một lớp bạc

Tụ mica có tổn hao rất bé và điện trở cách điện cao khoảng 10000M nên chủ yếu được dùng trong các mạch cao tần, các phần tử cách ly trong các máy radio

Hình 1.8 Tụ giấy

d Tụ hóa

Tụ hóa có giá trị điện dung rất lớn, so với các tụ điện khác thường đạt từ 0,1F đến vài nghìn F (4700F) Chất điện môi dùng trong tụ hóa thường là hợp chất hóa học như Al2O3 hoặc oxit tantan TaO5 Đặc điểm của chất điện môi này có tính chất dẫn điện không đổi nghĩa là khi đặt điện áp một chiều lên tụ thì tụ có một chiều có điện trở rất cao

và một chiều có điện trở rất thấp Do đó phải phân cực + và – cho tụ điện và các cực này được ghi trên thân tụ điện Khi lắp tụ điện cần chú cực tính của tụ

Nếu căn cứ vào vật liệu làm điện cực ta có hai loại tụ hóa:

Điện cực Al

Chất điện môiAl 2 0 3

+ –

Bản cực đã bị ăn mòn Bản cực chưa bị ăn mòn

Hình 1.12 Cấu tạo tụ hoá

Hộp nhựa Trục

Cấu tạo của tụ hóa như sau:

Tụ có giá trị thay đổi

a Tụ biến đổi (tụ xoay)

Tụ xoay là một hệ thống gồm các má động và má tĩnh được đặt xen kẽ với nhau Các má động có thể xoay quanh một trục để thay đổi tiết diện S dẫn đến thay đổi giá trị điện dung C Chất điện môi có thể là chất khí, mica, thạch anh Khi C= Cmax thì hai nhóm

má động và má tĩnh hoàn toàn đối diện với nhau tức là S= Smax Khi C= Cmin thì hai nhóm

má động và má tĩnh hoàn toàn lệch nhau nghĩa là S= Smin

b Tụ tinh chỉnh

Trong thực tế có rất nhiều loại tinh chỉnh

- Tụ tinh chỉnh bằng sứ: có kích thước nhỏ, các chỉ tiêu về điện cao

- Tụ tinh chỉnh có lò xo gồm hia bản cực kim loại, giữa hai bản cực một chất điện môi Một bản cố định, còn một bản có thể đàn hồi được, khi ta vặn đinh

ốc thì bản đàn hồi sẽ gần hoặc cách xa bản cố định do đó điện dung có thể biến đổi được Loại này không ổn định nhưng đơn giản

- Tụ tinh chỉnh nhỏ có điện môi là không khí có chỉ tiêu chất lượng cao nhưng cấu tạo lại phức tạp Tụ này dùng để điều chỉnh chính xác điện dung , mắc phụ thêm vào các mạch tạo dao động hay các mạch cần điều chỉnh để có một điện dung thật chính xác

+ Ghi bằng các con số không kèm chữ:

- Nếu các con số kèm theo dấu chấm hay phẩy thì đơn vị là F, vị trí dấu phẩy hay dấu chấm thể hiện chữ số thập phân

- Nếu các con số không kèm theo dấu chấm hay phẩy thì đơn vị là pF và con số cuối cùng biểu thị lũy thừa của 10 Đặc biệt số cuối cùng là 0 thì con số đó là giá trị thực của tụ điện

Quy ước về sai số của tụ như sau:

Kí hiệu Sai số Kí hiệu Sai số

1.2.2.2 Ghi bằng quy luật màu

Khi tụ điện được biểu diễn theo các vạch màu thì giá trị các vạch màu cũng giống như điện trở, đơn vị tính của nó là pF

Riêng đối với tụ có phân cực thì cực tính được ghi trên thân tụ

Bảng quy ước mã màu trên tụ điện như sau:

Cuộn cảm

không lõi

Cuộn cảm lõi Ferit

Cuộn cảm lõi sắt

Cuộn cảm một lõi điều chỉnh

Cuộn cảm hai lõi điều chỉnh

Hình 1.15 Kí hiệu cuộn dây

1.3 Cuộn cảm – Cuộn dây

Kí hiệu của cuộn dây như hình 1.15 dưới đây:

Để đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ người ta đưa ra khái niệm điện cảm Đơn vị đo điện cảm là H, mH, H

1H= 103mH= 106H

Hình 1.16 cho ta hình ảnh minh họa của một số cuộn cảm

Tương tự như với tụ điện khi có dòng xoay chiều chạy qua cuộn cảm tương đương như một điện trở có giá trị thay đổi theo tần số vào và được tính bởi biểu thức sau:

Trong đó:

ZL là cảm kháng [];

f là tần số của dòng vào [Hz];

L là điện cảm của cuộn dây [H]

Từ đó ta có định luật Ohm cho cuộn cảm như sau:

Trong đó:

UL là điện áp rơi trên cuộn cảm [V];

i là dòng điện chạy qua cuộn cảm có trở kháng ZL [A]

Điện cảm của cuộn dây phụ thuộc vào vật liệu và số vòng dây quấn Điện cảm được tính bởi:

Hình 1.16 Cuộn dây

L là chiều dài của cuộn dây [m]

Ta thấy độ cảm ứng lớn nhất khi có cuộn dây ngắn với tiết diện lớn và có số vòng dây lớn

Một cuộn cảm thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn thất, đó là công suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây Các tổn thất này được biểu thị bởi một điện trở RSnối tiếp với cảm kháng ZL của cuộn dây Hệ số phẩm chất Q của cuộn dây là tỷ số của cảm kháng ZL trên điện trở RS này Giá trị Q càng cao thì tổn thất càng nhỏ và ngược lại

Hình 1.17 Sơ đồ tương đương cuộn cảm khi xét tới tổn thất

Khi hoạt động ở tần số cao, tần số hoạt động của cuộn cảm bị hạn chế bởi điện dung riêng kí sinh của nó Ở tần số thấp, điện dung này được bỏ qua vì dung kháng của

nó rất lớn Nhưng ở tần số đủ cao thì cuộn dây trở thành một mạch cộng hưởng song song Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song này gọi là tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây f0 Nếu cuộn dây làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng riêng này thì cuộn dây mang dung tính nhiều hơn Do đó tần số làm việc cao nhất của cuộn dây phải thấp hơn tần số cộng hưởng riêng của nó

Cs L

Hình 1.18 Sơ đồ tương đương của cuộn cảm ở tần số cao

Tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây được tính bởi:

Trong đó:

f0 là tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây [Hz];

Cs là điện dung kí sinh của cuộn dây [F]

Khi hoạt động tần số của tín hiệu phải nhỏ hơn tần số f0 này tức là fmax< f0

1.3.2 Phân loại

Dựa theo ứng dụng mà cuộn cảm có một số loại sau:

- Cuộn cộng hưởng là các cuộn dây dùng trong các mạch cộng hưởng LC

- Cuộn lọc là các cuộn dây dùng trong các bộ lọc một chiều

- Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v

Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia các cuộn dây ra một số loại sau Chúng

ta sẽ xem xét cụ thể từng loại một:

a Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi:

Cuộn dây lõi không khí có nhiều ứng dụng, thường gặp nhất là các cuộn cộng hưởng làm việc ở tần số cao và siêu cao

Các yêu cầu chính của cuộn dây không lõi là:

- Điện cảm phải ổn định ở tần số làm việc

- Hệ số phẩm chất cao ở tần số làm việc

- Điện dung riêng nhỏ

- Hệ số nhiệt của điện cảm thấp

- Kích thước và giá thành phải hợp lý

Để có độ ổn định cao, cuộn dây thường được quấn trên một ống cốt bền chắc bằng bìa hoặc sứ Để giảm điện dung riêng có thể chia cuộn dây thành nhiều cuộn nhỏ nối tiếp

Dây đồng nói chung được dùng đến tần số khoảng 50 MHz Ở tần số cao hơn, cuộn dây thường được thay bằng ống đồng hoặc dải đồng tự đỡ (thường được mạ bạc để

có điện dẫn xuất bề mặt cao) để tránh tổn thất trong ống quấn

Các cuộn dây thường được tẩm dung dịch paraphin để chống ẩm, tăng độ bền cơ học, nhất là đối với các cuộn dây dùng sợi nhỏ chập lại hoặc cuộn dây quấn theo kiểu "tổ ong" Ở tần số Radio, các cuộn dây thường được bọc kim (đặt trong vỏ nhôm ) để tránh các nhiễu điện từ không mong muốn

Muốn tăng điện cảm của cuộn dây mà không cần tăng số vòng dây, người ta dùng các lõi sắt từ

b Cuộn dây lõi sắt bụi:

Cuộn dây lõi sắt bụi thường được dùng ở

tần số cao và trung tần Cuộn dây lõi sắt bụi có

tổn thất thấp, đặc biệt là tổn thất do dòng điện

xoáy ngược, và độ từ thẩm thấp hơn nhiều

so với loại lõi sắt

c Cuộn dây lõi Ferit:

Cuộn dây lõi Ferit là các cuộn dây

làm việc ở tần số cao và trung tần

Lõi Ferit có nhiều hình dạng khác

nhau như: thanh, ống, hình chữ E, chữ C,

hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v

Trong hình 1.20 mô tả một số loại cuộn dây cao tần và trung tần Lõi trong cuộn dây có thể được chế tạo để điều chỉnh đi vào hoặc đi ra khỏi cuộn dây Như vậy điện cảm của cuộn dây sẽ thay đổi Tuỳ thuộc vào độ dày của sợi dây sử dụng và vào kích thước vật lý của cuộn dây, dòng điện cực đại có thể khoảng từ 50 mA đến 1A

Hình 1.20 Cuộn dây lõi Ferit Hình 1.19 Cuộn cảm lõi sắt bụi

d Cuộn dây lõi sắt từ:

Lõi của cuộn dây thường là sắt - silic và sắt silic hạt định hướng, hoặc sắt- niken tuỳ theo mục đích ứng dụng Đây là các cuộn dây làm việc ở tần số thấp Dây quấn là dây đồng đã được tráng men cách điện, quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lớp và được tẩm chống ẩm sau khi quấn

Các cuộn chặn tần số thấp được dùng chủ yếu để lọc bỏ điện áp gợn cho nguồn cung cấp một chiều qua chỉnh lưu, làm tải anôt trong các tầng khuếch đại dùng đèn điện

tử ghép LC, và trong các ứng dụng một chiều khác

Giá trị cảm ứng của các cuộn dây này nằm trong khoảng từ 50 mH đến 20 H với dòng điện một chiều đến 10 A và điện áp cách điện đến 1000 V

1.3.3 Cách đọc giá trị cuộn cảm

Cách đọc giá trị của cuộn dây tương tự như

đọc tụ điện Đối với các cuộn cảm dùng vạch màu ta

tuân theo quy ước sau:

Qui ước:

- Vòng màu thứ 1: chỉ số có nghĩa thứ nhất hoặc chấm thập phân

- Vòng màu thứ 2: chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân

- Vòng màu thứ 3: chỉ số 0 cần thêm vào

- Vòng màu thứ 4: chỉ dung sai %

Trong trường hợp này, đơn vị đo của điện cảm là μH Thứ tự các vòng màu ngược với điện trở Chú ý là vòng to nhất chính là vòng sai số

Ví dụ 4: Đọc giá trị cuộn cảm sau:

Đỏ Đỏ Bạc nhũ= 0,22H

1.4 Biến áp

Biến áp là thiết bị gồm hai hay nhiều cuộn dây ghép hỗ cảm với nhau để biến đổi điện áp Cuộn dây đấu vào nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, các cuộn dây khác đấu vào tải tiêu thụ năng lượng điện gọi là cuộn thứ cấp

v2 v

1

v3 sai số

Hình 1.21 Quy ước vòng màu

1.4.1 Cấu tạo

Hình 1.22 Cấu tạo cơ bản của biến áp

Biến áp là thiết bị điện từ tính dùng từ trường để biến đổi năng lượng điện của hệ thống dòng điện xoay chiều có điện áp U1 sang hệ thống dòng điện xoay chiều có điện áp

U2 với tần số không đổi Cấu tạo của biến áp cho trên hình 1.22

Máy biến áp cấu tạo gồm ba bộ phận chính: Bộ phận dẫn từ (ở tần số thấp thường

là lõi thép), dây dẫn điện hay dây quấn và vỏ bảo vệ máy hay vỏ máy Ngoài ra biến áp còn có các phần cách điện, đồng hồ đo, bộ phận điều chỉnh, bảo vệ, chuông, đèn báo…v.v

Dưới đây ta xét một số bộ phận chính của biến áp

a Lõi thép

Được cấu tạo bằng thép kỹ thuật, có nhiệm vụ làm mạch dẫn từ, đồng thời nó cũng

là khung dây quấn

Thép kỹ thuật là hợp kim sắt có thành phần Silic, các lá thép dày 0,3; 0,35; 0,5

mm có lớp cách điện Các lá thép này được cán mỏng nhằm mục đích giảm tổn hao năng lượng trong quá trình làm việc Tính chất của thép kỹ thuật cũng thay đổi theo hàm lượng Silic, nếu hàm lượng Silic càng nhiều thì độ tổn hao càng ít tuy nhiên lại dẫn đến khung

bị giòn và khó gia công

Lõi thép thường được chia thành hai loại là kiểu hình trụ và hình xuyến

Cuộn sơ cấp

Từ thông Lõi sắt

Cuộn sơ cấp

b Bộ phận dẫn điện

Bộ phận dẫn điện hay dây quấn thường được làm bằng dây đồng, là loại dây dẫn điện mềm, có độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt Như trên đã nói, máy biến áp gồm hai cuộn dây lồng vào nhau là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Dây được nối với nguồn vào, nhận năng lượng từ nguồn ngoài được gọi là cuộn sơ cấp Dây cuốn nối với phụ tải, cung cấp điện cho phụ tải được gọi là dây cuốn thứ cấp

Dây sơ cấp và thứ cấp thường không nối điện với nhau, máy biến áp có hai dây quấn như vậy gọi là máy biến áp cảm ứng Nếu biến áp có hai dây quấn nối điện với nhau

và có một phần chung thì được gọi là máy biến áp tự ngẫu

1.4.2 Nguyên lý hoạt động và các tham số kỹ thuật

Máy biến áp gồm cuộn sơ cấp có N1 vòng dây và cuộn thứ cấp có N2 vòng dây được quấn trên một lõi thép khép kín

Khi nối dây sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều có điện áp U1, dòng điện chạy qua cuộn dây sơ cấp sẽ sinh ra trong lõi thép một từ thông biến đổi Do mạch từ là khép kín nên từ thông này sẽ cảm ứng sang cuộn thứ cấp sinh ra một suất điện động cảm ứng E2 tỷ

lệ với số vòng dây cuốn N2 Đồng thời từ thông biến thiên đó cũng sinh ra trong cuộn sơ cấp một suất điện động tự cảm E1 tỷ lệ với số vòng dây cuốn N1 Nếu ta bỏ qua tổn hao của các cuộn dây (thường rất nhỏ) ta sẽ có:

(1-12)

Trong đó:

U1, U2 lần lượt là điện áp hiệu dụng của cuộn sơ cấp và thứ cấp [V];

N1, N2 lần lượt là số vòng dây của cuốn sơ cấp và thứ cấp;

Nếu máy biến áp có k<1 thì là máy biến áp hạ áp;

Nếu máy biến áp có k>1 thì là máy biến áp tăng áp

Một số tham số chính của máy biến áp là:

L1, L2 lần lượt là giá trị điện cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Khi K = 1 là trường hợp ghép lý tưởng, khi đó toàn bộ số từ thông sinh ra do cuộn

sơ cấp được đi qua cuộn thứ cấp và ngược lại

Trên thực tế sử dụng, khi K ≈ 1 gọi là hai cuộn ghép chặt, khi K<<1 gọi là hai cuộn ghép lỏng

+ Dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp:

Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và thứ cấp theo biểu thức sau:

+ Hiệu suất của biến áp:

Thực tế các biến áp đều có tổn hao, hiệu suất biến áp được định nghĩa là tỷ số giữa công suất ra và công suất vào và thường tính theo %

Trong đó P1 - công suất đưa vào cuộn sơ cấp

P2 - công suất thu được ở cuộn thứ cấp

Muốn giảm tổn hao năng lượng trong trong lõi sắt từ, dây đồng và từ thông rò người ta dùng loại lõi làm từ các lá sắt từ mỏng, có quét sơn cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn và ghép chặt

1.4.3 Kí hiệu của một số loại biến áp

Hình 1.18 đưa ra một số kí hiệu các loại máy biến áp thường gặp

Hình 1.23 Máy biến áp

Hình 1.23 Kí hiệu một số loại biến áp

1.4.4 Một số loại máy biến áp thường gặp

Hình 1.23 minh họa hình ảnh biến áp trong thực tế

a Biến áp âm tần

Biến áp âm tần là biến áp được thiết kế để làm việc ở dải tần số âm thanh khoảng

từ 20 Hz đến 20000 Hz Do đó biến áp này được dùng để biến đổi điện áp mà không được gây méo dạng sóng trong suốt dải tần số âm thanh, dùng để ngăn cách điện một chiều trong mạch này với mạch khác, để biến đổi tổng trở, để đảo pha, v.v

Các yếu tố ảnh hưởng đến biến áp âm tần cần chú ý:

- Đáp ứng tần số:

Ở tần số thấp, công suất ra bị giới hạn chủ yếu bởi điện cảm cuộn sơ cấp

Biến áp nguồn lõi sắt Biến áp lõi Ferit

Biến áp âm tần Biến áp cao tần

Biến áp trung tần Biến áp tự ngẫu

Đáp ứng tần số bằng phẳng ở khoảng tần số từ 100 Hz đến 10 KHz Ở khoảng này,

sự thay đổi tần số không gây ảnh hưởng đến điện áp ra U2

Ở tần số đủ cao, sự mất mát năng lượng do lõi sắt tăng đến mức điện áp ra bị giảm xuống Như vậy ở tần số làm việc cao, ảnh hưởng của điện cảm rò và điện dung phân tán giữa các vòng dây cao hơn

- Khả năng truyền tải công suất:

Để có thể truyền tải công suất cực đại phải chấp nhận một lượng méo dạng sóng nhất định Lượng méo này tuỳ thuộc vào người thiết kế

Biến áp âm tần có thể dùng lõi sắt từ hoặc lõi ferit, và trên biến áp có ghi công suất (tuỳ thuộc vào kích thước ), tổng trở cuộn sơ cấp và tổng trở thứ cấp, loại có điểm giữa Lõi biến áp âm tần cũng thường có khe không khí để chống bão hòa từ do dòng điện một chiều gây ra

b Biến áp cấp điện (biến áp nguồn):

Là biến áp làm việc với tần số 50 Hz, 60 Hz Biến áp nguồn có nhiệm vụ là biến đổi điện áp vào thành điện áp và dòng điện ra theo yêu cầu và ngăn cách thiết bị khỏi khỏi nguồn điện

Các biến áp thường được ghi giới hạn bằng Vôn- Ampe Các yêu cầu thiết kế chính của một biến áp cấp điện tốt là:

- Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dòng điện không tải xuống giá trị nhỏ nhất

- Hệ số ghép K cao để điện áp thứ cấp ít sụt khi có tải

Nếu dùng hai tụ điện mắc ở hai cuộn hai bên thì ta có thể có cộng hưởng kép hoặc cộng hưởng lệch

Để mở rộng dải thông tần, ta dùng một điện trở đệm mắc song song với mạch cộng hưởng Lúc đó thì độ chọn lọc tần số của mạch sẽ kém đi

Thiết kế các biến áp cộng hưởng phải xét đến mạch cụ thể, nhất là đặc tính của các linh kiện tích cực và phải liên hệ đến điện cảm rò và điện dung phân tán của các cuộn dây

d Biến áp xung:

Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu và loại công suất

Biến áp xung có yêu cầu về dải thông tần khắt khe hơn so với biến áp âm tần Để hoạt động tốt ở cả tần số thấp (đỉnh và đáy xung) và ở tần số cao (sườn xung), biến áp xung cần phải có điện cảm sơ cấp lớn, đồng thời điện cảm rò nhỏ và điện dung giữa các cuộn dây nhỏ

Để khắc phục các yêu cầu đối kháng này vật liệu lõi cần có độ từ thẩm cao và kết cấu hình học của cuộn dây thích hợp Vật liệu lõi của biến áp xung được chọn tùy thuộc vào dải tần hoạt động có thể là sắt từ hoặc ferit

e Biến áp nhiều đầu ra:

Biến áp nhiều đầu ra gồm có 1 cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp Điện áp ra ở mỗi cuộn phụ thuộc vào số vòng dây của cuộn đó cũng như phụ thuộc vào điện áp cuộn

sơ cấp và số vòng dây của cuộn sơ cấp

Một điều quan trọng cần chú ý là tổng điện áp ra được tính là tổng của các điện áp thứ cấp nếu các cuộn thứ cấp nối ghép theo kiểu trợ giúp và tất cả các điện áp của các cuộn dây đều cùng pha

Nếu 1 trong các cuộn dây ghép nối theo kiểu ngược lại, sao cho điện áp của nó ngược pha với các điện áp khác thì phải lấy các điện áp khác trừ đi điện áp của nó

1.4.5 Ứng dụng

Trong lĩnh vực điện điện tử, các máy biến áp được sử dụng trong nhiều cách khác nhau Máy biến áp được áp dụng để điều chỉnh điện áp phù hợp cho hoạt động của một mạch điện hay một hệ thống điện Các máy biến áp có thể sử dụng để phối hợp trở kháng giữa một mạch điện và một tải hay giữa hai mạch điện với nhau Các máy biến áp cũng

có thể được sử dụng để khống chế dòng điện một chiều giữa các mạch điện tử trong

trường hợp muốn ngăn cách dòng xoay chiều Một ứng dụng khác nữa là làm tương hợp các mạch cân bằng và không cân bằng, các hệ thống cung cấp điện và các tải

Dưới đây trình bày những nội dung cơ bản về các loại vật liệu này

Bảng 2.1 Phân loại đặc tính dẫn điện của vật liệu chất rắn

Phân loại chất Khoảng giá trị điện trở suất ()

Chất bán dẫn 10-3<  < 105 (.cm)

Chất cách điện  > 105 (.cm)

Sau đây ta xét các tham số chính của chất cách điện

- Hằng số điện môi: Hằng số điện môi ký hiệu là ε, nó biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi và được xác định bằng biểu thức:

Trong đó Cd là điện dung của tụ điện sử dụng chất cách điện Co là điện dung của

tụ điện sử dụng không khí hoặc chân không

- Độ tổn hao điện môi: Độ tổn hao điện môi là công suất điện chi phí để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường và được tính theo công thức tổng quát sau:

(2-2) Trong đó:

Pa là độ tổn hao điện môi đo bằng oát (w)

U là điện áp đặt lên tụ điện đo bằng vôn (V)

C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi đo bằng Farad (F)

ω là tần số góc đo bằng rad/s

tg là góc tổn hao điện môi

- Độ bền về điện của chất điện môi: Nếu ta đặt một chất điện môi vào trong một điện trường mà nó bị mất khả năng cách điện, ta gọi đó là hiện tượng đánh thủng chất điện môi Trị số điện áp khi xẩy ra hiện tượng đánh thủng chất điện môi gọi là điện áp đánh thủng Uđt, thường đo bằng KV, và cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện

Độ bền về điện ký hiệu là Eđt, và được tính theo công thức:

(2-3) Trong đó:

Uđt là điện áp đánh thủng chất điện môi,

d là bề dày chất điện môi bị đánh thủng

- Nhiệt độ chịu đựng của chất điện môi: Đó là nhiệt độ lớn nhất mà ở đó chất điện môi còn giữ được đặc tính hóa lý của nó Quá giá trị đó tính chất hóa lý của nó sẽ bị thay đổi ví dụ như bị nóng chảy

- Dòng điện trong chất điện môi: Bao gồm hai loại là dòng điện dịch và dòng điện dò

 Dòng điện dịch hay còn được gọi là dòng điện phân cực kí hiệu là ICM:

Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi sẽ tạo nên dòng điện phân cực ICM Khi ở điện áp xoay chiều dòng điện chuyển dịch tồn tại

trong suốt thời gian chất điện môi nằm trong điện trường Khi ở điện áp một chiều dòng điện chuyển dịch chỉ tồn tại ở các thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp

 Dòng điện dò: Dòng điện rò là dòng điện được tạo ra do các điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác động của điện trường Kí hiệu là Idò

 Dòng điện trong chất điện môi là tổng của dòng phân cực và dòng dò:

- Chất điện môi thụ động còn gọi là vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện

- Chất điện môi tích cực là các vật liệu có thể điều khiển được như:

+ Về điện trường có gốm, thuỷ tinh,

+ Về cơ học có chất áp điện như thạch anh áp điện

4.103 Tụ cao tần,

tụ tần thấp Nhựa tổng 10 ÷ 40 4 ÷ 4,6 0,05 ÷ 0,12 1,2.103 Cách điện

ẩm Paraphin 20 ÷ 30 2,2 ÷ 2,3 0,0003÷

Ta xét một số tham số của chất dẫn điện:

- Điện trở suất :

(2-5) Trong đó:

 là điện trở suất, có đơn vị là m,

R là điện trở dây dẫn, có đơn vị là ,

S là tiết diện dây dẫn, có đơn vị là m2,

l là chiều dài của dây dẫn, có đơn vị là m

Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm)

- Hệ số nhiệt của điện trở suất: Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự thay

đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10 C Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng lên theo quy luật:

trong đó: ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t (0C)

ρo - điện trở suất ở nhiệt độ 0 0C

α - hệ số nhiệt của điện trở suất [K-1

]

Để cho kim loại nguyên chất thì hệ số nhiệt của chúng hầu như đều bằng nhau và bằng:[1]

α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1

- Nhiệt lượng và hệ số dẫn nhiệt: Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S

trong thời gian t là:

- Công thoát khỏi bề mặt của điện tử trong kim loại: Năng lượng cần thiết

cấp thêm cho điện tử để nó thoát ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là công thoát của kim loại EW

- Điện thế tiếp xúc: Xét hai chất kim loại tiếp xúc nhau tại điểm C như hình 2.1

Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại này được xác định là sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểm A và B và được tính theo công thức:

Tương ứng với thế năng EAB (đo bằng eV) ta có điện thế tiếp xúc (đo bằng Vôn),

ký hiệunlà VAB và có trị số bằng EAB Nếu kim loại 1 và 2 giống nhau, điện thế tiếp xúc giữa chúng bằng 0 Nếu hai kim loại khác nhau thì kim loại nào có công thoát thấp hơn trở thành điện tích dương và kim loại có công thoát cao hơn sẽ trở thành điện tích âm

Chất dẫn điện được chia làm hai loại là chất có điện trở suất thấp và chất có điện trở suất cao

Chất dẫn điện có điện trở suất thấp được dùng làm vật liệu dẫn điện Bảng 2.3 trình bày một số chất dẫn điện có điện trở suất thấp điển hình

Bảng 2.3 Chất dẫn điện điện trở suất thấp và các tính chất

Vật liệu  [m] [K-1

] Tnóng chảy [ 0 C]

Moliden (Mo) 0,057 1500 10.2 Sợi nung, công tắc, điện cực… Niken (Ni) 0,078 1450 8,9 Sợi nung, công tắc, điện cực …

Tỷ trọng

10 3 Kg/m 3

Ứng dụng

Manganhin 0,42 ÷ 0,48 0,00005 1200 8,4 Điện trở mẫu, dụng cụ đo điện

Constantan 0,48 ÷ 0,52 0,00005 1270 8,9 Biến trở, sợi đốt

Nicrôm 1 ÷ 1,2 0,00015 1400 8,2 Sợi nung, mỏ hàn, bếp điện, bàn

Chất bán dẫn là một loại vật liệu có độ dẫn điện ở khoảng giữa của chất dẫn điện

và chất cách điện

Đặc điểm nổi bật của chất bán dẫn là điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng Mỗi loại vật liệu bán dẫn đều có nhiệt độ giới hạn Ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trở suất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các loại sai hỏng của mạng tinh thể bán dẫn Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hoặc là hợp chất của hai hay nhiều nguyên tố

Để có thể hiểu được nguyên lý làm việc cũng như sử dụng linh kiện điện tử bán dẫn chúng ta cần biết các hiệu ứng, hiện tượng vật lý xảy ra trong bán dẫn khi có dòng

điện chạy qua Dưới các điều kiện khác nhau các hiệu ứng, hiện tượng vật lý xảy ra trong bán dẫn rất khác nhau Ứng dụng các hiệu ứng đó người ta đã sản xuất ra nhiều linh kiện điện tử bán dẫn nhằm thực hiện các chức năng ngày càng phức tạp trong kỹ thuật điện tử

2.3.1 Cấu trúc và mô hình vùng năng lượng [2]

Trong vật rắn các nguyên tử có quy luật bố trí khác nhau, có loại không tuân theo một quy luật nào ta gọi là chất rắn không kết tinh ví dụ như thủy tinh, có loại bố trí theo một hoặc một số quy luật nhất định Nếu nguyên tử bố trí theo một quy luật thì ta gọi là chất đơn tinh thể, theo nhiều quy luật thì ta gọi là chất đa tinh thể

Các chất bán dẫn thường là loại chất rắn kết tinh và có cấu trúc đơn tinh thể Bán dẫn đơn chất thường được sử dụng nhất hiện nay là Si và Ge Các nguyên tố này nằm ở nhóm hóa trị IV bảng tuần hoàn Bán dẫn hợp chất thường là những hợp chất của nhóm III và V, các hợp chất của các nguyên tố nhóm II và VI, và một số loại oxyt Bán dẫn hợp chất thường dùng là các loại GaAs; InP…

Hình 2.2 cho ta minh họa về mô hình mạng tinh thể của chất bán dẫn Si Tinh thể bán dẫn bao gồm các nguyên tử sắp xếp theo một quy luật nhất định Lực liên kết tương

hỗ khiến các nguyên tử có những vị trí xác định trong tinh thể Các nguyên tử không thể đứng riêng rẽ, tuy nhiên để tiện phân tích ta xét một nguyên tử đứng độc lập Khi đó mô hình của nguyên tử coi như bao gồm hạt nhân tích điện dương nằm ở giữa, bao quanh là những điện tử Số điện tích dương của nguyên tử như đã biết bằng số điện tử bao quanh hạt nhân Do đó nguyên tử trung hòa về điện Các nguyên tử chiếm những mức năng lượng nhất định Các điện tử ở lớp ngoài cùng ít chịu sự ràng buộc của hạt nhân nhất,

Hình 2.2 Mô hình cấu trúc dạng tinh thể của Si

chính chúng quyết định tính chất hóa học, điện học của nguyên tố đó Chúng ta thường gọi là các điện tử hóa trị Các chất bán dẫn Si và Ge đều có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng Vì chúng ở nhóm IV nên khi thực hiện liên kết cộng hóa trị các nguyên tử sẽ dành 4 điện tử

để góp chung với các nguyên tử bên cạnh tạo thành liên kết đồng hóa trị Hình 2.3 minh họa liên kết này

Trong mạng tinh thể bán dẫn các điện tử lớp ngoài cùng thường phủ lên nhau Do

đó không thể mô tả riêng biệt các mức năng lượng cho từng điện tử như trường hợp nguyên tử cô lập Vì các mức năng lượng phủ lên nhau do đó mức năng lượng của nguyên tử cô lập tản rộng ra

Độ rộng và vị trí của từng vùng năng lượng phụ thuộc vào các loại chất rắn khác nhau Những vùng năng lượng ứng với mức năng lượng gần hạt nhân ảnh hưởng tới nguyên tử bên cạnh ít và do đó độ rã mức năng lượng nhỏ Những điện tử hóa trị của nguyên tử trong mô hình vùng năng lượng vật rắn nằm trong vùng hóa trị Vùng năng lượng cao hơn gọi là vùng dẫn Khoảng cách giữa hai vùng này được gọi là vùng cấm Trong vùng cấm không có mức năng lượng nào dành cho điện tử chiếm chỗ Trong từng

Hình 2.3 Liên kết đồng hóa trị trong tinh thể

Si

vùng năng lượng các mức năng lượng có thể được điện tử chiếm đầy hoàn toàn, một phần hoặc bỏ trống hoàn toàn

Một điện tử muốn tham gia vào thành phần dòng điện phải trở thành điện tử tự do, nghĩa là nó phải có đủ năng lượng nhảy từ vùng hóa trị vượt qua vùng cấm lên vùng dẫn

Bởi vậy độ rộng vùng cấm trở thành một tiêu chuẩn để phân biệt chất rắn là chất dẫn

điện, bán dẫn hay cách điện

Để đơn giản ta mô hình hóa vùng năng lượng bằng cách thay đáy vùng dẫn bằng một đường thẳng kí hiệu là Ec từ đó trở lên là vùng dẫn, thay đỉnh vùng hóa trị bằng một đường thẳng kí hiệu là Ev từ đó trở xuống gọi là vùng hóa trị Khoảng giữa vùng dẫn và vùng hóa trị là vùng cấm có độ rộng Eg Mô hình này được minh họa trên hình 2.4

Theo hình 2.4 thấy rằng đối với kim loại không có vùng cấm ngăn giữa vùng dẫn

và vùng hóa trị mà tại đó vùng bị chiếm đầy một phần Chính vì vậy khi dẫn điện toàn bộ điện tử hóa trị có thể tham gia vào thành phần dòng điện Dạng phân bố vùng năng lượng của bán dẫn và điện môi giống nhau, vùng hóa trị bị chiếm đầy hoàn toàn, vùng dẫn bỏ trống hoàn toàn Ở giữa là vùng cấm Sự khác biệt giữa bán dẫn và điện môi là ở độ rộng vùng cấm Độ rộng vùng cấm của bán dẫn nhỏ hơn của điện môi và giá trị thông thường

Vùng hóa trị

Vùng cấm

Hình 2.4 Mô hình giản đồ vùng năng lượng của a) Kim loại; b) Bán dẫn; c) Điện môi

Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình 2.3: Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge (hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên

tử đều có hóa trị 4 Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge hoặc Si mang điện tích +4 Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp

Ở nhiệt độ 0 0

K, cấu trúc lý tưởng như ở hình 2.3 là gần đúng và tinh

thể bán dẫn như là một chất cách

điện

Ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ

tuyệt đối, đối với chất bán dẫn tinh

khiết một số liên kết cộng hóa trị bị

phá vỡ do nhiệt làm cho chất bán

dẫn có thể dẫn điện Hiện tượng này

mô tả trong hình 2.5 Ở đây, một số

điện tử bứt ra khỏi liên kết cộng hóa

trị của mình và trở thành điện tử tự

do Năng lượng Eg cần thiết để phá vỡ liên kết cộng hóa trị khoảng 0,72eV cho Ge và 1,1eV cho Si ở nhiệt độ trong phòng Chỗ thiếu 1 điện tử trong liên kết cộng hóa trị ta gọi một cách hình tượng là lỗ trống Lỗ trống mang điện tích dương và có cùng độ lớn với điện tích của điện tử Điều quan trọng là lỗ trống có thể dẫn điện như điện tử tự do

Trong chất bán dẫn tinh khiết hay bán dẫn thuần, số lượng các lỗ trống đúng bằng

số lượng các điện tử tự do

pi = ni

pi - nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn thuần

ni - nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn thuần

Hình 2.5 Sự tạo cặp điện tử lỗ trống do nhiệt

độ

Tiếp tục tăng nhiệt độ thì từng đôi điện tử - lỗ trống mới sẽ xuất hiện, ngược lại khi có hiện tượng tái hợp sẽ mất đi từng đôi điện tử- lỗ trống

Trong điều kiện thực tế, các mạng tinh thể đều có sai hỏng Có nhiều dạng sai hỏng khác nhau Ở đây chỉ chú đến sai hỏng do các nguyên tử lạ gây ra tức là do pha tạp các tạp chất khác vào bán dẫn Bán dẫn

không có nguyên tử lạ gọi là bán dẫn

thuần hay bán dẫn sạch Bán dẫn đã pha

tạp là những bán dẫn không thuần Ở bán

dẫn pha tạp các nguyên tử lạ thay thế vị trí

của nguyên tử gốc tạo ra sai hỏng mạng

gây nên hiện tượng phát xạ các hạt dẫn

khác với quá trình phát xạ nhiệt cặp điện

tử lỗ trống Chúng ta sẽ lấy Si hoặc Ge để

minh họa cho hiện tượng sai hỏng này

Nếu như tại một vị trí nào đó của nút

mạng tinh thể Si được thay thế bằng

nguyên tử khác thuộc nhóm V ví dụ như P, As, Sb thì khi ấy 4 điện tử hóa trị của nguyên

tử này đã đủ điền vào các mối liên kết của mạng tinh thể Si, điện tử thứ 5 không tham gia vào liên kết cộng hóa trị Nó liên kết yếu với nguyên tử gốc và dễ dàng tách khỏi nguyên

tử gốc để trở thành điện tử tự do Hiện tượng này được minh họa trên hình 2.6 Tạp chất nhóm V pha tạp vào được gọi là tạp chất

cho điện tử donor Khi đó điện tử thứ 5

trở thành điện tử tự do di chuyển dễ

dàng trong mạng tinh thể, tại vị trí thiếu

điện tử tạp chất nhóm V này tích điện

dương trở thành ion dương nằm cố định

trong mạng tinh thể Bán dẫn được pha

tạp tạp chất donor được gọi là bán dẫn loại N Số lượng điện tử tự do trong bán dẫn loại

N nhiều hơn hẳn số lỗ trống tự do Do đó trong trường hợp này ta gọi điện tử là hạt dẫn

Hình 2.6 Bán dẫn pha tạp nhóm V

Hình 2.7 Mức năng lượng donor