BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Một nguồn điện tuyến tính bất kỳ đều có thể đợc biểu diễn dới dạng nguồn áp hoặc nguồn dòng có cùng điện trở nguồn Rn và:1.1.3 Khái niệm về Bus điện áp Một mạch điện thờng gồm một hoặc n

Chơng 1: mở đầu

Kỹ thuật điện tử đóng vai trò rất quan trọng trong nhiều ngành công nghệ, là cơ sở cho tất cả phần cứng trong kỹ thuật điện, máy tính và các lĩnh vực điện-điện tử khác cả về kỹ thuật tơng tự và kỹ thuật số Tất cả các lĩnh vực nh: thông tin liên lạc, viễn thông, điều khiển, thiên văn, vũ trụ, quản lý năng lợng, xử lý tín hiệu, khoa học vật liệu, đều cần đến điện tử Trong ngành kỹ thuật cơ khí, điện tử đóng…vai trò chủ chốt trong việc điều khiển các quá trình sản xuất, kiểm tra,

đo lờng, các hệ thống cơ khí thông minh, robot, cơ khí chính xác,… Trong y học, các thiết bị điện tử sử dụng trong chẩn đoán, phẫu thuật, theo dõi, điều trị, tổng hợp DNA, thay thế các bộ phận trong cơ thể,… Công nghệ nano sẽ là kết hợp điện tử với công nghệ phân tử sẽ thâm nhập sâu hơn nữa vào các tế bào nhỏ của các lĩnh vực công nghệ khác Do tầm quan trọng của kỹ thuật điện tử mà nó đã và đang đợc nghiên cứu rộng rãi trong nhiều ngành khoa học khác nhau

Nghiên cứu kỹ thuật điện tử là mở rộng và phát triển lý thuyết mạch tuyến tính và phi tuyến Mạch tuyến tính gồm các phần tử tuyến tính có các tham số không đổi và không sinh ra các tần số mới trong quá trình làm việc Mạch tuyến tính chỉ bao gồm các phần tử nh: điện trở, tụ điện, cuộn dây và các nguồn tuyến tính Mạch phi tuyến gồm cả các phần tử phi tuyến nh: điốt, tranzito, thyristor, Thiết kế và phân tích mạch phi tuyến yêu cầu những công cụ toán và các kiến thức khác so với mạch tuyến tính Mạch điện tử lại thờng bao gồm cả các mạch tuyến tính và phi tuyến, trong nhiều trờng hợp khi phân tích

và thiết kế có thể áp dụng phơng pháp thay thế tơng đơng bằng các sơ đồ tuyến tính đơn giản Một số linh kiện phi tuyến trong vùng làm việc cụ thể lại có thể coi nh phần tử tuyến tính Nh vậy lý thuyết mạch tuyến tính là cơ sở quan trọng không thể thiếu đợc trong kỹ thuật điện

tử Để hiểu thấu đáo môn học này, trớc hết cần phải nắm chắc kiến thức về các phần tử tuyến tính, mạch tuyến tính, các định luật cơ bản

nh các định luật Kirchhoff, các sơ đồ tơng đơng Thévenin và Norton, các bộ phân dòng và phân áp, các mạch RLC, các nguồn áp và nguồn dòng,…

về pha

Trở kháng tổng quát là một số phức:

j

e z jX R

Môđun trở kháng:

2

2 X R Z

biểu hiện góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong mạch

Thành phần thực R là điện trở (Resistance) đặc trng cho sự tiêu hao năng lợng của mạch điện, thành phần ảo X là điện kháng (Reactance) đặc trng cho sự tích luỹ năng lợng của mạch điện

1 Đối với dòng điện một chiều

ở chế độ xác lập, tụ điện coi nh hở mạch có trở kháng vô cùng Cuộn dây điện cảm có điện trở dây dẫn không đáng kể coi nh ngắn mạch, trở kháng bằng không Khái niệm trở kháng chỉ có ý nghĩa trong quá trình quá độ của mạch điện

2 Đối với dòng điện xoay chiều

Điện trở R (Resistor) có trở kháng thực, thuần trở, gọi là điện trở

với UR là điện áp trên điện trở, I là dòng điện chạy qua điện trở Điện

áp trên điện trở cùng pha với dòng điện

Công suất tiêu thụ trên điện trở:

R

U I R I U

R

2 2

I jX C

j

I I Z

Công suất tiêu thụ trên tụ bằng 0 và công suất phản kháng khi

có dòng điện xoay chiều có giá trị hiệu dụng I chạy qua:

2

I X I U

thuần kháng mang tính cảm kháng gọi là thuần cảm

Quan hệ dòng và áp theo định luật Ohm:

I jX I L j I Z

1

I L

L L L

(-ϕ) là ácgumen của dẫn nạp

Thành phần thực G là điện dẫn (Conductance), thành phần ảo B

là điện nạp (Susceptance) Đơn vị dẫn nạp là S (Siemens) hoặc Mho.

Dẫn nạp của điện trở thuần:

Y L

ω ω

1

(1-23)

1.1.2 Khái niệm về nguồn điện

Có nhiều cách ký hiệu cho các nguồn khác nhau Trên hình 1-1 là một cách ký hiệu thông dụng trong các tài liệu cũng nh các phần mềm ứng dụng

Hình 1-1 Ký hiệu nguồn điện

Trờng hợp đã biết quy luật hoặc dạng nguồn, trong ký hiệu nguồn

có thêm các dạng cụ thể của nguồn Hình 1-2 là một số ký hiệu nguồn điện trong Workbech Các hình 1-2a,b là nguồn độc lập và các hình 1-2c,d,e,f là các nguồn phụ thuộc

Hình 1-2 Các ký hiệu cụ thể của nguồn điện

Hình 1-2a là nguồn dòng xoay chiều: ký hiệu 13, trị hiệu dụng 1A, tần số 1kHz, pha ban đầu 00

Hình 1-2b là nguồn áp xoay chiều: ký hiệu V1, trị hiệu dụng 1V, tần số 1kHz, pha ban đầu 00

Hình 1-2c là nguồn dòng điều khiển bằng dòng điện: ký hiệu 11,

hệ số truyền đạt 1A/A

Hình 1-2d là nguồn dòng điều khiển bằng điện áp: ký hiệu 12,

điện dẫn truyền (hỗ dẫn) 1 Mho

Hình 1-2e là nguồn áp điều khiển bằng dòng điện: ký hiệu V2,

Hình 1-3 Nguồn điện thực tế

Điện áp nguồn un trong nguồn áp đợc xác định bằng điện áp đo

đợc giữa hai cực xx khi hở mạch, điện trở nguồn R’ n(trờng hợp tổng quát là trở kháng Z n)là điện trở giữa hai đầu xx khi ngắn mạch u’ n (un= 0)

Dòng điện nguồn in trong nguồn dòng đợc xác định bằng dòng

điện ngắn mạch xx , R’ n là điện trở xx khi hở mạch i’ n (in= 0)

Một nguồn điện tuyến tính bất kỳ đều có thể đợc biểu diễn dới dạng nguồn áp hoặc nguồn dòng có cùng điện trở nguồn Rn và:

1.1.3 Khái niệm về Bus điện áp

Một mạch điện thờng gồm một hoặc nhiều nguồn áp cố định, cung cấp nguồn năng lợng điện cần thiết cho các phần tử mạch làm việc thông qua các bus điện áp nh trên hình 1-4 Các nguồn áp một chiều trong sơ đồ đợc nối giữa các nút cấp nguồn với đất

Hình 1-4 Bus điện áp trong mạch điện

Trong sơ đồ hình 1-4, theo Định luật Kirchhoff về điện áp (mục 1.2.1) ta có thể viết:

UA= u1 + u2 và UA- UB= u3 + u4

Các điện áp UA và UB có thể cùng dấu hoặc trái dấu, trị số bằng hoặc khác nhau Ví dụ trong thực tế, điện áp cấp cho các mạch IC khuếch đại thuật toán thờng là điện áp đối xứng: trái dấu và có trị số bằng nhau ±5v, ±15v, Đất (GND-Ground) đợc quy ớc là điện áp 0v

so với tất cả các điểm trong một mạch điện Một thiết bị điện tử có nhiều khối chức năng có thể có nhiều đất khác nhau, các điểm đất này có thể có điện áp khác nhau so với toàn bộ các điểm mạch của thiết bị

1.1.4 Khái niệm về đặc tính Vôn – Ampe

Đặc tính V-A của một phần tử mạch là quan hệ giữa dòng điện chạy qua phần tử và điện áp đặt vào giữa hai đầu của phần tử đó Đồ thị biểu diễn đặc tính V-A là tập hợp tất cả các điểm làm việc có thể của phần tử Ví dụ một điện trở R có đặc tính V-A theo Định luật Ohm:

i = u/R là một đờng thẳng có độ dốc: (di/dt) = (1/R), đợc biểu diễn trên hình 1-5

Hình 1-5 Đặc tính V-A của điện trở

1.2 Một số định luật và phơng pháp tính toán mạch điện cơ bản

1.2.1 Các Định luật Kirchhoff

Các Định luật Kirchhoff là những nguyên tắc vật lý cơ bản phản

ánh mối quan hệ giữa các điện áp và dòng điện trong mạch điện tuyến tính hoặc phi tuyến bất kỳ

1.Định luật về điện áp: Tổng các điện áp trong một mạch vòng khép kín bằng không

2.Định luật về dòng điện: Tổng các dòng điện chạy qua một nút mạch bất kỳ đều bằng không

Theo Định luật về điện áp, tổng các điện áp trên các nhánh trong một mạch điện có cùng nút đầu và nút cuối là nh nhau Ví dụ trên hình 1-6 ta có:

Hình 1-6 Mạch điện áp dụng các Định luật Kirchhoff

1.2.2 Nguyên lý xếp chồng trong mạch điện tuyến tính

Một phần tử mạch hoặc mạch điện tuyến tính, có đặc tính V-A có thể đợc biểu diễn dới dạng:

di a

Ví dụ tính ux trên sơ đồ hình 1- 7 theo nguyên lý xếp chồng:

ux = u1x+ u2x+ u3x

I.Mạch phân áp

Mạch phân áp đợc sử dụng nhiều trong các mạch điện tử, sử dụng để chia ra một số điện áp có giá trị khác nhau từ một nguồn áp chung

Hình 1-13 Mạch phân áp sử dụng hai điện trở

Mạch đơn giản sử dụng hai điện trở trên hình 1-13 Khi ix = 0, thì:

2 1

0 2

1

R R

u i

1 1

1

R R

R R

i u

2 2

2

R R

R R

i u

+

=

(1-33)

tỷ lệ thuận với giá trị điện trở thành phần

Trờng hợp phân nhiều điện áp bằng cách mắc nối tiếp nhiều

điện trở, các điện áp cũng đợc xác định tơng tự, và giá trị điện áp trên các điện trở cũng tỷ lệ thuận với giá trị điện trở

Các công thức tính toán điện áp thành phần trong mạch phân

áp nh trên chỉ đúng khi ix = 0 và áp dụng cho trờng hợp phân nhiều

điện áp cũng chỉ đúng khi chỉ có một dòng điện duy nhất trên các phần tử điện trở

II.Mạch phân dòng

Đối ngẫu với mạch phân áp là mạch phân dòng, sử dụng để phân ra nhiều dòng điện từ một nguồn dòng điện Mạch đơn giản nhất

là phân hai trên hình 1-14

Hình 1-14 Mạch phân dòng sử dụng hai điện trở

Dòng điện i1 chạy qua nhánh R1, i2 chạy qua nhánh R2

2 i R R

1 i R R

R

(1-35)

tỷ lệ nghịch với giá trị điện trở của nhánh

1.2.4 Các mạch điện tơng đơng Thévenin và Norton

I Mạch điện tơng đơng Thévenin

Một phần mạch điện tuyến tính có hai cực đầu ra bất kỳ chỉ bao

gồm các điện trở và các nguồn tuyến tính gọi là mạch điện trở, có thể

đợc thay thế bằng một nguồn áp Thévenin tơng đơng đơn giản gồm một nguồn áp đơn nối tiếp với một điện trở nh trên hình 1-8

Hình 1- 8 Mạch tơng đơng Thévenin

Điện áp utđ là biểu diễn của tất cả các nguồn cố định trong mạch thực tế, Rtđ là biểu diễn tất cả các điện trở và các hệ số nguồn phụ thuộc trong mạch thực tế Giá trị của utđ bằng điện áp ra giữa hai cực

đầu ra xx khi hở mạch tải, R’ tđ là điện trở tơng đơng giữa hai đầu xx’

khi các nguồn trong mạch điện trở bằng không Trình tự xác định mạch tơng đơng Thévenin nh sau:

1 Cắt tất cả các phần tử mạch không nằm trong mạch điện trở

Hình 1-9 Tính Rtđ bằng nguồn kiểm tra

Ví dụ1: Có thể thay thế các đoạn mạch tuyến tính: mạch điện trở 1

và mạch điện trở 2 trong sơ đồ hình 1-10a bằng các mạch tơng đơng Thévenin để có đợc sơ đồ hình 1-10b

Hình 1-10 ứng dụng mạch tơng đơng Thévenin

Phần mạch điện trở 1 đợc cắt ra khỏi mạch qua mặt cắt aa , t’

-ơng đ-ơng với nguồn Utđ1, Rtđ1 Phần mạch điện trở 2 đợc cắt ra khỏi mạch qua mặt cắt bb , t’ ơng đơng với nguồn Utđ2, Rtđ2

Utđ1là điện áp hở mạch aa bằng điện áp trên điện trở R’ 2:

Utđ1= i1R2= 2

2 1

R R R

2 1

R R

R R

+ Tìm Rtđ1theo 3b bằng cách xác định dòng điện ngắn mạch:

2 1

R R

R R

+Tơng tự với phần mạch điện trở 2:

Utđ2= i2Rt= t

t c

R R

U

+

Rtđ2 =

t c

t c

R R

R R

+

Ví dụ2: Xác định mạch điện tơng đơng Thévenin cho sơ đồ có nguồn phụ thuộc β.i1 hình 1- 11a Tính điện trở tơng đơng bằng phơng pháp mắc thêm nguồn kiểm tra ukt theo sơ đồ hình 1- 11b

Hình 1-11 Mạch điện trở có nguồn phụ thuộc

Điện áp tơng đơng utđ là điện áp hở mạch aa , đ’ ợc tính theo các

Định luật Kirchhoff trên sơ đồ hình 1-11a:

u1= i1R1+ i2R2

i2= i1+βi1

utd = uaa’ = i2R2 =

1 1

2 1

) 1 (

) 1 (

R R

R u

+ +

+ β β

Tại nút A trên sơ đồ hình 1-11b, theo Định luật Kirchhoff về dòng điện:

2 1

' 2 1

(

R

u R

u i i i

1

2 1

u R

kt

kt td

II Mạch điện tơng đơng Norton

Mạch tơng đơng Norton đối ngẫu với Thévenin, mạch gồm nguồn dòng độc lập mắc song song với Rtđ (hình 1-12) Rtd cũng đợc tính nh mạch Thévenin, dòng điện itd là dòng ngắn mạch:

td

hm td

Điện áp hở mạch uhm đợc xác định nh utd trong sơ đồ Thévenin Trong trờng hợp Thévenin và Norton cùng biểu diễn tơng đơng cho một mạch tuyến tính thì uhm= utd và Rtd nh nhau

1.3 Tín hiệu điện

Điện áp hoặc dòng điện trong các mạch điện là các tín hiệu điện, thờng đợc biểu diễn dới dạng hàm toán học hoặc đồ thị theo thời gian Tín hiệu điện đợc phân thành hai dạng cơ bản: tín hiệu tơng tự (analog signal) và tín hiệu xung - số (impulse-digital signal)

1.3.1 Tín hiệu điện tơng tự

Tín hiệu điện tơng tự là tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian Một tín hiệu xác định có thể là dạng tín hiệu có chu kỳ hoặc không có chu kỳ

Tín hiệu có chu kỳ thoả mãn:

s(t) = s(t+T),(1-36)

trong đó giá trị hữu hạn nhỏ nhất của T đợc gọi là chu kỳ lặp lại tín hiệu Nếu tín hiệu không thoả mãn điều kiện này là tín hiệu không chu

kỳ Tín hiệu có chu kỳ cơ bản, đợc sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật

điện - điện tử là tín hiệu hình sin:

s(t) = Sm cos(ωt-α) = S 2.cos(ωt-α)(1-37)

trong đó Sm là giá trị biên độ, S là giá trị hiệu dụng, ω là tần số góc, α

là góc pha ban đầu và s(t) là giá trị tức thời của s(t)

Tín hiệu s(t) đợc biểu diễn dới dạng đồ thị theo thời gian nh trên hình 1-15

Tín hiệu tơng tự bất kỳ có thể đợc phân tích thành các dao động hình sin nên trong thực tế, khi phân tích tín hiệu tơng tự trong mạch

điện thờng sử dụng các tín hiệu hình sin

Mạch điện gia công, xử lý hoặc biến đổi các tín hiệu tơng tự gọi

là mạch điện kỹ thuật tơng tự (Annalog circuits).

Hình 1-15 Tín hiệu hình sin

1.3.2 Tín hiệu xung - số

s(t)

Smα

ω T

ω t

Tín hiệu xung - số là những tín hiệu điện biến đổi rời rạc theo thời gian.

Tín hiệu xung có thời gian tồn tại rất ngắn, tơng đơng với quá trình quá độ của mạch điện mà nó tác động

Xung có nhiều dạng khác nhau: xung tam giác, xung vuông, xung hình thang, xung nhọn,

Tín hiệu xung có thể chỉ gồm một xung gọi là xung đơn hoặc nhiều xung gọi là dãy xung

Dãy xung có thể có chu kỳ hoặc không chu kỳ

Hình 1-16 Xung đơn và dãy xung

Hình 1-16a là dãy xung vuông điện áp có chu kỳ có các tham số cơ bản:

Tx=1/Fx là chu kỳ lặp lại xung, Fx là tần số lặp lại xung

tx là độ rộng xung

Q =Tx/tx là độ rỗng xung, η=1/Q là độ đầy xung

Um là biên độ xung

Hình 1-16b là xung điện áp vuông đơn thực tế có các tham số sau:

Thời gian thiết lập: tst là sờn trớc xung (thời gian xung tăng từ 0,1

đến 0,9 giá trị cực đại),

Thời gian kết thúc xung: tss là sờn sau xung (thời gian xung giảm

từ 0,9 đến 0,1 giá trị cực đại)

ΔU là độ sụt đỉnh xung, Ungc là xung điện áp ngợc

Trong kỹ thuật xung- số, các tham số xung ảnh hởng nhiều đến

độ tin cậy, độ chính xác, tính tác động nhanh (tốc độ) của mạch

Mạch điện gia công, xử lý hoặc biến đổi các tín hiệu xung gọi là mạch điện kỹ thuật xung (Impulse circuits).

Tx

tx

Umu(t)

(b) Xung vuông đơn 0,9Um

0,1Um

Tín hiệu số là tín hiệu xung đợc mã hoá dới dạng số Mạch số thực hiện các phép tính lôgic trong đại số Boole theo hệ đếm cơ số hai còn đợc gọi là mạch lôgic.

Tín hiệu số có thể đợc mã hoá dơng hoặc mã hoá âm:

Mã hoá dơng có mức điện áp cao (H) tơng ứng với số 1, mức

điện áp thấp (L) tơng ứng với số 0 Mã hoá âm thì ngợc lại

Hình 1-17 tín hiệu số

Hình 1-17 là một ví dụ tín hiệu số mã hoá dơng: 10100101

Mạch điện gia công, xử lý các tín hiệu số gọi là mạch điện kỹ thuật số (Digital circuits).

Môn học kỹ thuật điện tử nghiên cứu những kiến thức cơ sở về các dụng cụ điện tử và ứng dụng cơ bản trong các mạch điện tử tơng

tự, xung, số

u(t)

t

1 0 1 0 0 1 0 1

Chơng 2 Điốt bán dẫn

2.1 Sơ lợc về chất bán dẫn

2.1.1 Chất bán dẫn thuần và chất bán dẫn tạp

I Chất bán dẫn thuần (loại I-Intrinsic)

Chất bán dẫn (Semiconductor) là vật liệu tinh thế rắn có điện trở riêng ρ nằm trong khoảng 10-4Ωcm đến 1010Ωcm, nằm giữa các giá trị của chất dẫn điện (Conductor) 10-6Ωcm đến 10-4Ωcm và chất điện môi (Insulator) 1010Ωcm đến 1015Ωcm

Tính chất đặc trng của chất bán dẫn là có ρ phụ thuộc vào điện ờng, bức xạ ánh sáng, nhiệt và cả khi đa tạp chất vào

tr-Vật liệu thông dụng chất bán dẫn thuần là nguyên tố nguyên chất

Giécmani (Ge- Germanium) hoặc Silíc (Si - Silicon) thuộc nhóm IV trong bảng hệ thống tuần hoàn

Vật liệu bán dẫn có cấu trúc mạng tinh thể (hình 2-1a): Các nguyên tử ở các nút mạng có liên kết cộng hoá trị với nhau bằng cách ghép đôi các điện tử hoá trị

Hình 2-1 Cấu trúc và phân bố năng lợng của chất bán dẫn thuần

Trong mối liên kết cộng hoá trị, mỗi điện tử hoá trị có mức năng ợng xác định ở nhiệt độ không tuyệt đối (T= 0K), tập hợp tất cả các

l-mức năng lợng của các điện tử hoá trị lấp đầy vùng hoá trị (valence band) (hình 2-1b), chất bán dẫn cha có khả năng dẫn điện Để điện tử

bứt ra khỏi mối liên kết cộng hoá trị, trở thành điện tử tự do, có thể tham gia vào thành phần dẫn điện thì nó phải đợc cung cấp thêm mức

năng lợng lớn hơn độ rộng vùng cấm (forbidden gap band) Eg, nhảy từ

vùng cấm lên vùng dẫn (conduction band) Với mỗi một chất bán dẫn

trên cơ sở các nguyên tố khác nhau có độ rộng vùng cấm khác nhau, Germanium có độ rộng vùng cấm Eg(Ge) ≈ 0,72 eV, Silicon có độ rộng vùng cấm Eg(Si) ≈ 1,12eV Khi điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, bứt khỏi một liên kết cộng hoá trị, để lại vị trí ban đầu của

nó một mức năng lợng khuyết, các điện tử ở các mối liên kết lân cận

dễ dàng nhảy vào chiếm đóng Quá trình này tơng tự nh mức năng ợng khuyết chạy trong vùng hoá trị, chỗ trống trong mối liên kết chuyển vị trí Nếu chuyển động này đợc điều khiển bằng năng lợng

l-điện trờng thì nó cũng có hớng nh chuyển động của l-điện tử nhng có chiều ngợc với chiều chuyển động của điện tử Chuyển động này đợc

gọi là chuyển động của lỗ trống Lỗ trống và điện tử trong chất bán dẫn đều đợc gọi là các phần tử mang điện Lỗ trống có điện lợng

bằng điện tử, trái dấu với điện tử

Quá trình điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn gọi là tạo cặp

điện tử và lỗ trống Quá trình tạo cặp càng nhiều thì độ dẫn điện của

chất bán dẫn càng cao ở nhiệt độ trong phòng (khoảng 300 K), đã có quá trình tạo cặp điện tử lỗ trống, chất bán dẫn có khả năng dẫn điện Quá trình điện tử nhảy từ vùng dẫn xuống vùng hoá trị, làm mất đi

cặp điện tử và lỗ trống gọi là tái hợp Quá trình tái hợp càng nhiều thì

độ dẫn điện của chất bán dẫn càng giảm

ở một nhiệt độ xác định, quá trình tạo cặp và tái hợp cân bằng nhau, nồng độ các điện tử và lỗ trống thoả mãn điều kiện:

2 0

Kim loại là vật liệu dẫn điện, các phần tử mang điện chỉ gồm các

điện tử mà không có lỗ trống, nồng độ các điện tử là cố định Đối với

chất bán dẫn, các phần tử mang điện gồm cả các điện tử và các lỗ trống, nồng độ của chúng có thể thay đổi nếu ta pha thêm vào các nguyên tố tạp chất.

Chất bán dẫn loại P Pha thêm vào nguyên tố Si (hoặc Ge) một

nguyên tố tạp chất ở nhóm ba trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep, ví dụ Indium (hoặc Boron, Gallium) Các nguyên tử nhóm

ba này sẽ thay thế một số nút mạng trong mạng tinh thể Si Do chỉ có

ba điện tử hoá trị nên có một mối liên kết cộng hoá trị thiếu một điện

tử, các điện tử trong mối liên kết lân cận dễ dàng nhảy vào chỗ liên kết khuyết (hình 2-2a) khi chỉ nhận đợc một năng lợng nhỏ (khoảng 0,05 eV), để lại vị trí cũ lỗ trống Nguyên tử tạp chất In nhận điện tử trở thành ion âm In- gọi là ion Axépto (Acceptor), tạp chất loại này gọi

là tạp chất Axépto Trên biểu đồ năng lợng xuất hiện mức tạp chất Axépto trong vùng cấm, ngay trên đỉnh vùng hoá trị, cách mức đỉnh vùng hoá trị Ev khoảng 0,05 eV (hình 2-2c) Các điện tử trong vùng hoá trị dễ dàng nhảy lên chiếm đóng mức năng lợng này để lại vị trí

cũ các lỗ trống ở nhiệt độ trong phòng, thờng thì toàn bộ các nguyên

tử tạp chất đã bị ion hoá, nồng độ các lỗ trống sẽ cao hơn nồng độ

các điện tử Chất bán dẫn loại này gọi là chất bán dẫn loại P Lỗ

trống trong chất bán dẫn loại P sẽ là đa số (phần tử mang điện cơ bản), điện tử là thiểu số

Chất bán dẫn loại N Pha thêm vào nguyên tố Si (hoặc Ge) một

nguyên tố tạp chất ở nhóm năm trong bảng hệ thống tuần hoàn, ví dụ Arsenic (hoặc Antimony, Phosphorus) Nguyên tử As thừa một điện tử khi liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử Si Điện tử thừa liên kết yếu với hạt nhân As, dễ dàng bứt ra trở thành điện tử tự do (hình 2-2b) khi

đợc cung cấp năng lợng nhỏ ( khoảng 0,05 eV), nguyên tử As cho đi

điện tử trở thành ion dơng As+ gọi là ion Đôno (Donor) Trên biểu đồ năng lợng trong vùng cấm, ngay dới đáy vùng dẫn (cách mức năng l-ợng đáy vùng dẫn Ec khoảng 0,05eV) xuất hiện mức năng lợng tạp chất Donor (hình 2-2d) Các điện tử ở mức tạp này dễ dàng nhảy lên vùng dẫn, tăng thêm các điện tử dẫn cho chất bán dẫn khi chỉ cần cung cấp một năng lợng nhỏ ở nhiệt độ trong phòng, toàn bộ các

nguyên tử tạp chất bị ion hoá Chất bán dẫn này gọi là Chất bán dẫn loại N Trong chất bán dẫn N, điện tử là đa số (phần tử mang điện cơ

bản), lỗ trống là thiểu số

Hình 2-2 Cấu trúc và phân bố năng lợng của chất bán dẫn pha tạp

Độ dẫn điện của chất bán dẫn tạp cao hơn chất bán dẫn thuần tuỳ thuộc vào mức độ pha tạp Nồng độ các phần tử mang điện trong chất bán dẫn luôn thoả mãn điều kiện trung hoà điện tích:

trong đó ND là nồng độ tạp chất Donor, NAlà nồng độ tạp chất Axépto

2.1.2 Dòng điện trong chất bán dẫn

Chất bán dẫn là vật liệu cơ bản tạo nên các linh kiện điện tử nh

điốt, tranzito, IC, Dòng điện chạy qua chất bán dẫn có thể hình thành từ chuyển động trôi, khuếch tán của các phần tử mang điện là

lỗ trống và điện tử

I Mật độ dòng điện trôi

Dòng trôi là quá trình vật lý cơ bản theo Định luật Ohm Khi đặt

điện áp ngoài lên khối bán dẫn, điện trờng sinh ra trong nó có tác dụng tăng tốc cho các điện tử tự do Trong quá trình chuyển động, các điện tử có thể bị va chạm vào các ion cố định tại các nút mạng làm tốc độ của nó giảm đi nên tốc độ trôi của điện tử ngoài phụ thuộc vào điện trờng E nó còn phụ thuộc vào độ linh động của điện tử àe

EA qn A qnv v

dx

Adx qn

i

σ là độ dẫn điện tử của chất bán dẫn

Trong chất bán dẫn, cả điện tử (electron: e) và lỗ trống (hole: h)

đều tham gia dẫn điện nên dòng trôi tổng cộng sẽ là:

E qp E qn j

j

j tr = tr−e+ tr−h = à +e àh (2.8)Dòng điện trôi của điện tử và lỗ trống đều dơng, cùng dấu với điện trờng, tuy nhiên chuyển động của các điện tử ngợc chiều với chiều d-

ơng của dòng điện

II Mật độ dòng điện khuếch tán

Dòng khuếch tán của các phần tử mang điện trong chất bán dẫn xuất hiện khi có chênh lệch về nồng độ, thoả mãn điều kiện trung hoà

điện tích Trong kim loại vì chỉ có các điện tử mang điện tích âm nên nếu có chênh lệch nồng độ sẽ xuất hiện điện trờng nội bộ, sinh dòng trôi, san bằng chênh lệch trớc khi xuất hiện dòng khuếch tán

Các phần tử mang điện trong chất bán dẫn sẽ chuyển động theo hớng từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp Giá trị dòng khuếch tán phụ thuộc vào độ chênh lệch nồng độ, theo hớng giảm nồng độ ( < 0 )

dn qD j

j

j kt = kt−e+ kt−h = e − h , (2.9)trong đó D evà D htơng ứng là hệ số khuếch tán của các điện tử và lỗ trống

III Mật độ dòng điện tổng cộng qua chất bán dẫn

Mật độ dòng điện qua chất bán dẫn sẽ là tổng cộng dòng trôi và dòng khuếch tán của điện tử và lỗ trống:

Dòng điện tử:

dx

dn qD E qn

Dòng lỗ trống:

dx

dp qD E qp

Dòng tổng cộng: j bd = j e+ j h

(2.12)

Các hệ số khuếch tán và độ linh động của các phần tử mang điện

có quan hệ với nhau thông qua hệ thức thống kê lợng tử Einstein:

T h

h

q

KT D

à

Trong đó K là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ Kelvin, UT là điện

áp nhiệt ở nhiệt độ trong phòng UT có giá trị khoảng 25mV

2.1.3 Các đặc tính tổng quát của chất bán dẫn

Bảng 1-1 so sánh các đặc tính của kim loại với bán dẫn

Bảng 1-1

Cấu trúc tinh thể

Dẫn điện tốt, độ dẫn điện giảm

khi nhiệt độ tăng do xáo động

Phần tử mang điện lỡng cực (gồm cả điện tử và lỗ trống)

Mật độ các phần tử mang điện vừa phải, thay đổi theo nhiệt độ

và nồng độ pha tạp

Nồng độ điện tử n và lỗ trống p

có thể điều chỉnh đợc bằng tạp chất

Dòng điện gồm cả dòng trôi và khuếch tán

Các tham số cơ bản của chất bán dẫn Sillcon, Germanium và Gallium arsenide ở nhiệt độ 300 K đợc tổng kết trong bảng 1-2

28,092,3281415

2,5x1013

3900190098480,670,7444,42x1022

72,595,323936

9,0x106

8500400212101,431,532,21x1022

144,645,3161238

Hình 2-3 Tiếp giáp PN

Khi P và N tiếp xúc với nhau, do có chênh lệch (gradient) nồng độ các lỗ trống và điện tử giữa hai phía, xuất hiện sự khuếch tán của các phần tử mang điện cơ bản: lỗ trống từ P sang N và điện tử từ N sang

P (hình 2-3a) Tại chỗ tiếp xúc, các phần tử mang điện khuếch tán, để lại các ion âm Axépto bên P và ion dơng Donor bên N, hình thành tr-ờng tĩnh điện: Etxhớng từ N sang P (hình 2-3b) Lớp chỉ gồm toàn các ion không dẫn điện gọi là lớp nghèo Etxngợc chiều với chiều chuyển

động khuếch tán của các phần tử mang điện cơ bản dơng (lỗ trống bên P) nên dòng khuếch tán giảm dần khi Etxtăng Đồng thời Etxlại cùng chiều với chuyển động trôi của các phần tử thiểu số dơng (lỗ trống bên N), có tác dụng tăng tốc cho dòng trôi Dòng trôi theo chiều chuyển động các lỗ trống thiểu số từ N sang P, ngợc chiều với dòng khuếch tán Tiếp giáp PN sẽ trở về trạng thái cân bằng, dòng trôi bằng dòng khuếch tán và dòng qua tiếp giáp bằng không:

Dòng điện tử:

dx

dn qD E qn

Dòng lỗ trống:

dx

dp qD E qp

Dòng tổng cộng: j PN = j e+ j h = 0 (2.16)Trờng tiếp xúc: E tx = KT q 1p dx dp = KT q 1n dx dn (2.17)Hiệu điện thế tiếp xúc theo hệ thức Boltzmann:

po

no no

po

n

n q

KT p

p q

Trong đó ppo là nồng độ lỗ trống bên P tại cân bằng, pno là nồng độ

lỗ trống bên N tại cân bằng, nno là nồng độ điện tử bên N tại cân bằng,

npo là nồng độ điện tử bên P tại cân bằng Hiệu điện thế tiếp xúc phụ thuộc vào điện áp nhiệt, nồng độ pha tạp của các khối và vật liệu bán dẫn

ở nhiệt độ trong phòng, đối với các khối bán dẫn chế tạo từ Ge thế tĩnh điện vào khoảng 0,2 V 0,3 V, với Si vào khoảng 0,5 V 0,8 V.– –

Từ hệ thức Boltzmann, có thể xác định đợc nồng độ các phần tử thiểu số tại cân bằng, ở hai bên lớp nghèo:

2.2.2 Tiếp giáp PN khi phân cực thuận

Đặt vào giữa hai điện cực của tiếp giáp PN một điện áp ngoài uD

có cực dơng bên P và cực âm bên N (hình 2-4a) Điện áp ngoài phân

bố trên tiếp giáp có chiều từ P sang N, ngợc chiều với Ψ0, làm giảm

điện áp tiếp xúc, lớp nghèo thu hẹp, chuyển động khuếch tán của các phần tử mang điện đa số tăng Trạng thái cân bằng bị phá vỡ, các lỗ trống từ P bị cuốn sang N và điện tử từ N cuốn sang P Hiện t“ ” ợng cuốn này còn đ

“ ” ợc gọi là phun các phần tử mang điện Mật độ các phần tử phun tăng theo hệ thức Boltzmann Tại vùng biên lớp nghèo, nồng độ các điện tử và lỗ trống tăng theo hàm mũ:

no U

u U po U

u po

p ( 0 + ) = ( − Ψ0+ / = − Ψ0/ / = / (2.21)

po U u U no U u no

n ( 0 − ) = ( − Ψ 0 + / = − Ψ 0 / / = /

(2.22)

2.2.3 Tiếp giáp PN khi phân cực ngợc

Điện áp ngoài uD đặt vào tiếp giáp PN có cực dơng bên N và cực

âm bên P (hình 2-4b)

Điện áp ngoài phân bố trên tiếp giáp cùng chiều với điện áp tiếp xúc, làm tăng điện áp tiếp xúc trên lớp nghèo, bề rộng lớp nghèo tăng, dòng khuếch tán các phần tử đa số tiếp tục giảm (nhỏ hơn dòng trôi của các phần tử thiểu số), không có hiện tợng cuốn các phần tử“ ”

đa số Nồng độ các phần tử phun giảm theo hàm mũ Dòng qua tiếp giáp chủ yếu là dòng trôi các phần tử thiểu số.

Hình 2-4 Phân cực cho tiếp giáp PN

2.2.4 Đặc tính V-A của điốt bán dẫn

Điốt bán dẫn là dụng cụ bán dẫn có hai điện cực: Anốt bên P, Katốt bên N, đợc cấu tạo trên cơ sở một tiếp giáp PN Kí hiệu điốt trong mạch điện nh trên hình 2-5a

I Các thành phần dòng điện chạy qua điốt

Khi phân điốt cực thuận, các điện tử và lỗ trống đợc phun qua lớp nghèo nhờ điện áp ngoài đặt vào, nồng độ tăng theo hàm mũ Nồng

độ lỗ trống tổng cộng pn bên N bao gồm các phần tử thiểu số có sẵn

pno và các phần tử phun nên lợng gia tăng nồng độ các lỗ trống ở vùng biên lớp nghèo bên N sẽ là:

) 1 (

) 0 ( )

0

no no n

lợng gia tăng nồng độ các điện tử ở vùng biên lớp nghèo bên P sẽ là:

) 1 (

) 0 ( )

0

' − = − − = u D U T −

po po p

p' ( ) = ' ( 0+) − / ,L h = D hτh , (2.25)

e

L x p

n' ( ) = ' ( 0−) / ,L e = D eτe (2.26)Trong đó: τh và τe là các hằng số thời gian tái hợp của các lỗ trống

và điện tử tơng ứng trong quá trình khuếch tán

Mật độ dòng điện khuếch tán của các phần tử mang điện đa số sẽ là:

Lỗ trống:

h T

u no h

h n

h

n h h

L

qD dx

x dp qD dx

x dp qD

j − = − ( ) = − ' ( ) = ( / − 1 ) − / (2.27)

Điện tử:

e T

D U x L u

po e

e p

e

p e e

L

qD dx

x dn qD dx

x dn qD

Mật độ dòng điện khuếch tán tổng cộng của các phần tử mang

điện đa số qua lớp nghèo (x = 0) khi bỏ qua dòng tái hợp sẽ là:

h po e

e

L

qD n

e

L

D n L

D qA

Trong khối bán dẫn N, nồng độ lỗ trống và điện tử thoả mãn điều kiện cân bằng tái hợp và tạo cặp nên:

D i no i

Tơng tự trong khối P:

A i po i

h e A

e i s

L N

D L N

D qAn

Dòng điện qua điốt phân cực thuận khi tính đến cả quá trình tái hợp trong lớp nghèo:

), 1

II Đặc tính V-A của điốt bán dẫn

Khi điện áp ngoài đặt vào điốt, nồng độ các phần tử mang điện ở hai bên lớp nghèo thay đổi theo hàm mũ với điện áp, tạo ra dòng điện theo công thức (2.35), Is gọi là dòng điện bão hoà, phụ thuộc vào nồng độ tạp chất Donor và Axépto và nhiệt độ Giá trị của Is trongcác

điốt rời rạc Si thờng nằm trong khoảng 10-8A đến 10-14A, trong các điốt trong IC khoảng 10-16A Hệ số phát xạ η tính đến bất kỳ sự tái hợp của

lỗ trống và điện tử khi khuếch tán quá tiếp giáp phân cực thuận Giá trị η phụ thuộc vào kích thớc điốt, vào chất bán dẫn,vào biên độ dòng

điện thuận và vào giá trịo Is Đối với các diốt rời rạc Si làm việc ở dòng

điện khoảng 10 mA hoặc nhỏ hơn, η ≈2, Với các điốt trong IC hoặc làm việc ở các dòng điện lớn hơn thì η ≈1

Đặc tính V-A trên hình 2-5b Đặc tính gồm các vùng:

- Vùng phân cực thuận (uD và iD đều dơng), dòng điện phụ thuộc vào

điện áp theo hàm mũ (2.35) Dòng bão hoà rất nhỏ nên có thể bỏ qua:

T

D U u s

Hình 2-5 Kí hiệu và đặc tính V-A của điốt bán dẫn

- Vùng phân cực ngợc (uD âm) Thành phần hàm mũ trong (2.35) giảm rất nhanh, dòng điện:

Điện áp ngợc lớn vợt quá giá trị cho phép U0 sẽ xảy ra hiện tợng

đánh thủng và dẫn đến phá hủy điốt do dòng điện tăng đột ngột (hiện tợng đánh thủng sẽ đợc giải thích trong phần điốt zener) U0 là một tham số tới hạn cần thiết cho một điốt bất kỳ

Do dòng điện qua điốt rất lớn khi phân cực thuận và rất nhỏ khi phân cực ngợc nên nó có tính chất dẫn điện một chiều vì vậy mà nó còn đợc gọi là van điện “ ”

2.2.5 Mạch điện sử dụng điốt

Mạch điện nối với các cực điốt có thể đợc tối giản bằng sơ đồ tơng

đơng Thévenin nh trên hình 2-6

Hình 2-6 Mạch điện sử dụng điốt

- Trờng hợp phân cực thuận (hình 2-6a)

Dòng điện và điện áp trên điốt luôn thoả mãn đặc tính V-A phân cực thuận (2.35), đồng thời trong mạch điện hình 2-6a điốt là tải của mạch Thévenin:

td D td

Chế độ làm việc của điốt đợc xác định bằng điểm làm việc là giao

điểm của đặc tính V-A của điốt và đờng tải Tọa độ điểm làm việc có hoành độ là Uf và tung độ là dòng điện xác định từ phơng trình đờng tải ứng với điện áp Uf

- Trờng hợp phân cực ngợc (hình 2-6b)

Dòng điện và điện áp trên điốt luôn thoả mãn đặc tính V-A phân cực ngợc (2.37) Trong mạch điện hình 2-6b điốt là tải của mạch Thévenin, dòng và áp theo quy luật đờng tải:

td D td

Hình 2-7 Đặc tính tải của điốt bán dẫn

Điểm làm việc của điốt có tung độ là dòng điện ngợc bão hoà (-Is)

và hoành độ gần bằng điện áp nguồn (- Utd)

2.2.6 Một số loại điốt đặc biệt

I.Điốt zener

1 Đặc tính V-A của điốt zener

Điốt zener đợc chế tạo từ một tiếp giáp PN trên cơ sở các chất bán dẫn có nồng độ pha tạp cao Kí hiệu và đặc tính V-A của điốt zener trên hình 2-8 Điốt zener có một số đặc tính tơng tự nh điốt tiếp giáp

PN thông thờng

- Phân cực thuận, điện áp thuận Uf có giá trị nhỏ, dòng điện tăng theo hàm mũ đối với điện áp ngoài:

0 );

Hình 2-8 Kí hiệu và đặc tính V-A của điốt zener

- Phân cực ngợc, khi uz còn nhỏ, dòng qua zener là dòng điện

ng-ợc bão hoà rất nhỏ: -Is Điện áp ngợc tăng đến giá trị Uzk xảy ra hiện

t-ợng đánh thủng, dòng điện ngợc tăng đột ngột, trạng thái tắt bị phá“ ”

vỡ, zener chuyển sang trạng thái ổn áp : dòng điện tăng nhanh mà“ ”

điện áp giữa hai cực hầu nh không đổi (hình 2-8b)

Quá trình đánh thủng xảy ra do hai hiệu ứng cơ bản sau:

- Hiệu ứng thác lũ: Các điện tử tự do đợc trờng phân cực ngợc tăng

tốc lớn va chạm vào các nguyên tử trung hoà tạo ra cặp các điện tử

và lỗ trống mới, tăng thêm các phần tử mang điện, quá trình dồn dập

nh thác lũ (avalanche)

- Hiệu ứng zener: Do nồng độ các phần tử mang điện pha tạp cao,

độ rộng lớp nghèo thu hẹp lại, điện áp phân cực ngợc đạt đến giá trị

có thể xảy ra hiện tợng xuyên hầm (tunnel) lợng tử, các điện tử bên P nhảy trực tiếp từ vùng hoá trị chất bán dẫn P sang vùng dẫn bên N (hình 2-9) làm cho dòng các điện tử trôi tăng lên nhanh

Hình 2-9 Điện tử xuyên hầm

Hiệu ứng zener xảy ra khi điện áp ngợc thấp hơn thác lũ

Vùng đánh thủng của zener luôn có điện áp uz = Uzk, và dòng điện thoả mãn điều kiện tới hạn:I zmin <i z <I zmax

Trong đó các giá trị Uzk, Izmin và Izmax là các tham số của zener

Khi iz < Izmin, zener rơi vào vùng phân cực ngợc thông thờng iz= -Is

Khi iz > Izmax, zener bị phá hủy

2 Mạch điện sử dụng điốt zener

Trong các mạch điện, zener thờng đợc sử dụng để ổn định điện áp một chiều Khi ổn áp, điểm làm việc của zener đợc chọn trong vùng

đánh thủng của đặc tuyến V-A

Ví dụ: Mạch điện sử dụng zener có Uzk=3 V hình 2-10a tạo ra điện

áp ra ổn định ux= - uz = 3 V

Hình 2-10 Mạch điện sử dụng zener

Để xác định điểm làm việc của zener, thay thế phần mạch điện trở bên phải XX bằng sơ đồ t’ ơng đơng Thévenin (hình 2-10b) có các tham số:

V V k k

k U

R R

R

1 1

1

0 2 1

Ω + Ω

Ω

= +

= Ω + Ω

Ω Ω + Ω

= + +

k k

k k R

R

R R R

1 1

1 1 500

2 1

2 1

V V R

U U I

td

Pz td

ng tốc độ chuyển trạng thái phân cực thuận-ngợc nhanh hơn, tạp âm

và điện áp thăng giáng nhỏ hơn Điốt Schottky thờng đợc sử dụng trong IC, trong các mạch yêu cầu tốc độ nhanh

III Điốt varactor

Lớp nghèo trong tiếp giáp PN gồm hai lớp ion trái dấu tơng đơng một tụ điện Khi phân cực ngợc, lớp nghèo mở rộng, điện dung tiếp giáp trở nên có giá trị đáng kể Khi điện áp ngợc thay đổi, lớp nghèo thay đổi, điện dung tiếp giáp cũng thay đổi theo Điốt đợc chế tạo dựa trên nguyên tắc thay đổi đợc điện dung theo điện áp ngợc đặt vào gọi

là điốt varactor hoặc varicap (hình 2-13).

Hình 2-13 Kí hiệu điốt varactor

Điện dung của varactor phụ thuộc vào điện áp ngoài theo quy luật:

n D

u C

Varactor đợc sử dụng nhiều trong các mạch cao tần, trong các mạch điều chế, dao động, Giá trị thờng nằm trong khoảng 2 đến 100 pF

IV.Điốt đờng hầm tunnel

Kí hiệu điốt đờng hầm trên hình 2-14a

Điốt đờng hầm có bề rộng lớp nghèo rất hẹp có thể xảy ra hiện ợng xuyên hầm qua lớp nghèo của các phần tử mang điện khi phân cực thuận sinh ra đoạn điện trở âm trên đặc tuyến V-A giai đoạn điện

Đoạn PV trên đặc tuyến V-A hình 2-14b là đoạn đặc tuyến điện trở

âm, dòng điện giảm khi điện áp tăng

Điốt đờng hầm đợc sử dụng ở vùng tần số cao, để tạo ra dao động

có dải tần số rất hẹp Làm việc ở mức điện áp thấp nên điốt đờng hầm ở trong các thiết bị công suất nhỏ, tiêu thụ năng lợng nhỏ

V Varistor

Varistor có ký hiệu và đặc tuyến V-A trên hình 2-15, đợc cấu tạo trên cơ sở tiếp giáp kim loại-ôxít (MOV), làm việc ở cả hai vùng phân cực thuận ngợc Thời gian làm việc của varistor yêu cầu ngắn nên th-ờng đợc sử dụng để bảo vệ quá áp trong các mạch nguồn, công suất,

điều khiển động cơ

Varistor có thể làm việc ở điện áp thấp khoảng chục vôn hoặc điện

áp cao hàng nghìn vôn

Hình 2-15 Kí hiệu và đặc tính V-A của varactor

VI Điốt phát quang LED (light emitting diode)

Hình 2-16 Ký hiệu điốt quang

Điốt phát quang (hình 2-16a) gồm một tiếp giáp PN Đặc tuyến V-A giống điốt chỉnh lu nhng có điện áp ngỡng mở khi phân cực thuận lớn (khoảng 1,6V- 3V) và điện áp đánh thủng khi phân cực ngợc nhỏ (khoảng 3V-5V)

Quá trình tái hợp các điện tử và lỗ trống phun khi phân cực thuận phát sinh các photon.

Bớc sóng ánh sáng tuỳ thuộc vào vật liệu chế tạo, phụ thuộc vào độ rộng vùng cấm:

E

c h.

VII Điốt cảm quang (photosensitive diode)

Điốt cảm quang (hình 2-16b) trên cơ sở tiếp giáp bán dẫn gồm hai loại cơ bản PIN và điốt thác lũ APD (Avalanche Photo Diode) Điốt

cảm quang luôn làm việc ỏ chế độ phân cực ngợc.

Nguyên tắc hoạt động: khi có năng lợng ánh sáng hν chiếu vào, các điện tử thiểu số nhảy mức năng lợng trong vùng dẫn, các lỗ trống thiểu số nhảy mức năng lợng trong vùng hoá trị và đợc tăng tốc bằng trờng phân cực ngợc bên ngoài, tạo thành dòng điện Năng lợng ánh sáng càng tăng thì dòng điện ngợc càng lớn (hình 2-17 )

Hình 2-17 đặc tính V-A của điốt cảm quang

Để tăng hiệu suất làm việc của điốt cảm quang ngời ta đa thêm vào giữa tiếp giáp PN một lớp bán dẫn thuần hiếm các phần tử mang

điện để mở rộng lớp nghèo, điốt này gọi là PIN Điốt PIN có hiệu suất cao nhng tác động chậm Để tăng độ nhạy và tốc độ đáp ứng, điốt APD đợc tạo ra từ tiếp giáp P+N+ pha tạp mạnh, đa thêm vào lớp bán dẫn pha tạp yếu P- thay cho lớp I trong PIN để tập trung trờng phân cực ngợc phía tiếp giáp PN+, tăng tốc các điện tử thiểu số, tạo thành vùng thác lũ tăng dòng điện ngợc

Trong trờng hợp không có phân cực ngoài, khi chiếu ánh sáng vào tiếp giáp PN, các điện tử nhận năng lợng, bứt ra khỏi liên kết hạt nhân trong nguyên tử trung hoà, trở thành tự do, tăng thêm dòng trôi,

PN phát sinh dòng điện và trở thành tế bào quang điện hoặc pin mặt trời

2.2.7 Sơ đồ tơng đơng tuyến tính của điốt trong mạch điện

Các phơng pháp tính trực tiếp hoặc phơng pháp đồ thị là rất thuận lợi và dễ dàng khi tính toán các mạch điện điện trở sử dụng điốt Các phơng pháp này không thật sự phù hợp khi phân tích các mạch sử dụng nhiều phần tử phi tuyến Một trong các phơng pháp hữu hiệu để

h ν tăng

iD

uD

tính toán các loại mạch này là phơng pháp tuyến tính hoá từng đoạn,

có thể coi đặc tuyến V-A của phần tử phi tuyến nh nối tiếp các đoạn tuyến tính khác nhau, xấp xỉ đặc tính thực Mỗi đoạn tuyến tính của

đặc tuyến V-A sẽ đợc đặc trng bằng độ dốc của đặc tuyến, bằng tang của góc tạo bởi tiếp tuyến của đặc tuyến với trục hoành

Đặc tuyến V-A phi tuyến của điốt tiếp giáp PN hình 2-18a đợc thay thế bằng đặc tính tuyến tính hoá hình 2-18b Đoạn phân cực thuận đ-

ợc thay thế bằng đờng thẳng:

D

D D f D

di

du i U

s D

D

i e

U

I du

di r

T D

D

T D

Hình 2-18 Đặc tính V-A và tơng đơng tuyến tính của điốt

Đặc tuyến V-A của điốt zener có các vùng phân cực thuận và phân cực ngợc giống điốt tiếp giáp PN thông thờng Đoạn đánh thủng của

đặc tuyến có độ dốc cao hơn vùng phân cực thuận nên có điện trở

với zener trong vùng này gồm điện trở động rz nối tiếp với điện áp

ng-ợc một chiều Uzk(hình 2-19)

Hình 1-19 Đặc tính tơng đơng tuyến tính của zener

Sử dụng phơng pháp tuyến tính hoá tăng độ chính xác khi tính toán các mạch điện sử dụng các phần tử phi tuyến Ví dụ mạch điện 2-6a,

sử dụng sơ đồ tơng đơng tuyến tính của điốt khi phân cực thuận sẽ có sơ đồ tơng đơng hình 2-20

Hình 2-20 Sơ đồ tơng đơng mạch điện hình 2-6aDòng điện qua điốt:

D td

f td D

r R

U U i

r R

r U

+ +

r R

r U

+ +

r

, giá trị đỉnh điện áp vào là 5 V thì giá trị đỉnh điện áp ra sẽ là: Urp= 0.7 V+ 0,01(5V- 0,7V) = 0,74 V

Hình 2-23 Đặc tuyến truyền dẫn và điện áp ra mạch điện hình 2-18

Trong trờng hợp bỏ qua rD khi rD<< R thì độ dốc các vùng 1 và 3 bằng không và điện áp ra vùng 1 luôn xấp xỉ bằng 0,7V và vùng 3 xấp xỉ bằng 0,7 V Điện áp ra sẽ không v– ợt quá mức ± 0,7V Bằng cách thay đổi mức ngỡng mở của các điốt trong sơ đồ bằng điện áp chuẩn một chiều có thể thay đổi đợc mức điện áp hạn chế

Hình 2-24 Mạch hạn chế có mức theo điện áp chuẩnHình 2-24a là mạch có điện áp hạn chế dơng: U+= Uf + Un và điện

áp hạn chế âm: U- = Uf Hình 2-24b là mạch có điện áp hạn chế

d-ơng: U+= Uf và điện áp hạn chế âm: U- = - (Uf + Un)

Hình 2-25 Đặc tuyến truyền dẫn và điện áp ra mạch điện hình 2-24a

Hình 2-25a là đặc tuyến truyền dẫn của mạch hạn chế hình 2-24a (rD<<R) và hình 2-25b là ví dụ dạng điện áp ra của mạch này khi điện

áp vào là dãy xung tam giác có đỉnh ± 5 V, mức ngỡng: 0,7V< (Un+ 0,7V) < 5V

Với các mạch hạn chế hai phía trên đây, chỉ cần bỏ đi một nhánh song song là có đợc mạch hạn chế một phía Ví dụ có thể bỏ nhánh

D1 trong sơ đồ mạch hình 2-21 sẽ đợc mạch hạn chế phía điện áp

d-ơng: điện áp dơng ra luôn nhỏ hơn +Uf; khi điện áp vào âm và dơng nhỏ hơn +Uf thì điện áp ra luôn lặp lại điện áp vào

Hình 2- 26 Mạch cắt điện áp dới mức hai phía và điện áp ra

Có thể thực hiện mạch hạn chế hoặc mạch cắt điện áp bằng cách mắc nối tiếp các điốt với tải Ví dụ mạch cắt dới mức hai phía hình 2- 26a và dạng điện áp ra khi điện áp vào là dãy xung tam giác có đỉnh

± 5V trên hình 2-26b Các điốt trong sơ đồ chỉ mở khi điện áp vào

d-ơng hơn Uf hoặc âm hơn Uf (trong các khoảng thời gian: t1 đến t2 và t4

đến t5) và khi ấy điện áp ra lặp lại điện áp vào Các điốt tắt khi điện áp vào dơng hoặc âm nhỏ hơn Uf (trong các khoảng thời gian: 0 đến t1, t2

đến t4 và t5 đến t6) và đầu ra cách ly với đầu vào, điện áp ra bằng không

Trờng hợp bỏ đi một trong hai điốt trong sơ đồ mạch hình 2-26a,

điện áp ra sẽ bị cắt một phía Ví dụ bỏ D2 thì điện áp ra chỉ tồn tại khi

điện áp vào dơng hơn 0,7 V (khoảng thời gian t1 đến t2) Mạch này ứng dụng nhiều trong các mạch điều khiển xung - số, trong trờng hợp cần cắt xung âm hoặc xung dơng

2.3.2 Mạch hạn chế sử dụng zener

Đặc tuyến V-A của điốt zener có đoạn phân cực thuận nh các điốt

PN thông thờng, đoạn này có thể sử dụng để hạn chế điện áp một phía (âm hoặc dơng), phía còn lại sử dụng đoạn đánh thủng

Mạch hạn chế sử dụng zener hình 2- 27a và đặc tuyến truyền dẫn của mạch trên hình 2-27b Khi điện áp vào âm hơn - Uf, zener phân cực thuận, điện áp ra xấp xỉ bằng điện áp - Uf Khi điện áp vào dơng hơn Uzk, điểm làm việc của zener rơi vào vùng đánh thủng, điện áp ra xấp xỉ bằng Uzk

Hình 2-27 Mạch hạn chế zener và đặc tuyến truyền dẫn

Với giả thiết rz, rD << R, mạch sẽ có điện áp ra luôn có điện áp

d-ơng không vợt quá ngỡng dd-ơng Uzk và điện áp âm không vợt quá ỡng âm Uf Đảo chiều zener các giá trị ngỡng sẽ đổi dấu

ng-Zener có thể thay thế điện áp chuẩn trong sơ đồ mạch hạn chế có mức hạn chế thay đổi đợc

Ví dụ hình 2-28a sử dụng hai zener giống nhau có (rD+rz) << R:Khi uv âm hơn (U– f+Uzk), điện áp ra luôn bằng (U– f+Uzk)

Khi (U– f+Uzk) < uv< +(Uf+Uzk), điện áp ra bằng điện áp vào

Khi uv dơng hơn +(Uf+Uzk), điện áp ra luôn bằng +(Uf+Uzk)

Hình 2-28b là đặc tuyến truyền dẫn của mạch

Có thể thay đổi mức điện áp ngỡng bằng cách thay đổi các zener

có điện áp đánh thủng khác nhau Do đoạn đặc tính V-A phân cực thuận của zener giống điốt PN thông thờng nên có thể giản ớc sơ đồ hình 2-28a bằng cách bỏ đi một nhánh và thay điốt PN thờng bằng zener trong nhánh còn lại, mạch vẫn có đặc tuyến truyền dẫn nh hình 2-28b