Thiết kế, láp ráp bộ thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại của tranzito lưỡng cực BC, CC, EC

Ngày nay khi nhắc đến các mạch điện tử thì ngoài các tụ điện, cuộn cảm, diode…Người ta không thể bỏ qua một loại linh kiện điện tử rất quan trọng là Tranzito là một linh kiện bán dẫn thư

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ, LẮP RÁP BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BA CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO LƯỠNG CỰC: BC,CC,EC

Thuộc nhóm ngành khoa học: KT1

Sơn La, tháng 5 năm 2015

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY BẮC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ, LẮP RÁP BỘ THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT BA CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI CỦA TRANZITO LƯỠNG CỰC: BC,CC,EC

Thuộc nhóm ngành khoa học: KT1

Sinh viên thực hiện: Điêu Chính Hoà Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Thái Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thoa Nam, Nữ: Nữ Dân tộc: Kinh Sinh viên thực hiện: Căn Nha In Nhạ Khăm Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Phủ Nói Sinh viên thực hiện: Khăm Uộn Chia Lung Sông Nam, Nữ, Nam Dân tộc: Mông Lớp: K53 ĐHSP Vật lý Khoa: Toán – Lý – Tin

Năm thứ: 3/Số năm đào tạo: 4

Ngành học: SP Vật Lí

Sinh viên chịu trách nhiệm chính: Điêu Chính Hòa

Người hướng dẫn: CN Phan Toàn

Sơn La, tháng 5 năm 2015

Đồng thời chúng tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, bạn

bè và các bạn sinh viên lớp K53 ĐHSP Vật Lí đã động viên, đóng góp ý kiến và đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian chúng tôi làm đề tài

Vì khả năng có hạn, đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô giáo và các bạn để đề tài

được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Sơn La, tháng 5 năm 2015

Nhóm thực hiện:

Điêu chính Hòa Nguyễn Thị Thoa Căn Nha In Nhạ Khăm

Khăm Uộn Chia Lung Sông

MỤC LỤC

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 2

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

4 Đối tượng nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 2

5.2 Phương pháp hệ thống hóa lý thuyết 2

5.3 Phương pháp thực nghiệm 2

PHẦN II NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3

1.1 CHẤT BÁN DẪN 3

1.1.1 Thế nào là chất bán dẫn ? 3

1.1.2 Đặc tính của bán dẫn 3

1.1.3 Phân loại chất bán dẫn 3

1.1.4 Lớp chuyển tiếp p-n 7

1.1.4.1 Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n 7

1.1.4.2 Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n 9

1.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 10

1.2.1 Linh kiện tuyến tính ( linh kiện thụ động) 10

1.2.1.1 Điện trở 10

1.2.1.2 Tụ điện 11

1.2.1.3 Cuộn cảm 13

1.2.2 Linh kiện tích cực 13

1.2.2.1 Diode 13

1.2.2.2 Tranzito lưỡng cực (BJT) 14

1.3 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI DÙNG TRANZITO LƯỠNG CỰC 18

1.3.1 Phân cực cho tranzito 18

1.3.1.1 Phân cực kiểu cố định 18

1.3.1.2 Phân cực kiểu phân áp 19

1.3.1.3 Phân cực kiểu phân áp và phản hồi (hồi tiếp âm) 20

1.3.2 Các mạch khuếch đại dùng tranzito lưỡng cực (BJT) 21

1.3.2.1 Các chế độ làm việc cơ bản của một tấng khuếch đại dùng BJT 21

1.3.2.2 Khuếch đại tín hiệu nhỏ dùng tranzito lưỡng cực (BJT) 22

CHƯƠNG 2.NỘI DUNG 30

2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ MẠCH BAZƠ CHUNG (BC) PHỐI HỢP 30

2.2 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI EMITƠ CHUNG (EC), COLECTƠ CHUNG (CC) VÀ BAZƠ CHUNG (BC) 31

2.2.1 Mạch khuếch đại emitơ chung (EC) 31

2.2.2 Mạch khuếch đại colectơ chung (CC) 33

2.2.3 Mạch khuếch đại bazơ chung (BC) 35

2.3 CHUẨN BỊ DỤNG CỤ VÀ VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM 36

2.4 LẮP RÁP VÀ TIẾN HÀNH THÍ NGHIỆM 36

2.5 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ RÚT RA CÁC NHẬN XÉT 37

PHẦN III KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

1

PHẦN I MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các thiết bị điện tử, sự có mặt của các linh kiện đóng vai trò quan trọng

Trong đa số các mạch điện tử các linh kiện điện tử đó quyết định sự hoạt động của toàn bộ mạch Trước kia, các linh kiện tích cực là các loại đèn điện tử Trong một thời gian dài, đèn điện tử là trái tim của các thiết bị điện tử, nhưng chúng có khích thước

lớn và tiêu thụ nhiều năng lượng

Từ những năm 50 của thế kỉ 20, các linh kiện bán dẫn ra đời đã dần thay thế cho các đèn điện tử Linh kiện bán dẫn có nhiều tính chất ưu việt như kích thước nhỏ, tiêu thụ ít năng lượng và hiệu suất cao, dễ tích hợp Việc phát minh ra các linh kiện bán dẫn đã mở ra nhiều chuyên ngành mới như công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, ứng dụng các dụng cụ bán dẫn…Hiển nhiên, điện tử là ngành sử dụng nhiều linh kiện bán dẫn nhiều nhất

Ngày nay khi nhắc đến các mạch điện tử thì ngoài các tụ điện, cuộn cảm, diode…Người ta không thể bỏ qua một loại linh kiện điện tử rất quan trọng là Tranzito

là một linh kiện bán dẫn thường được sử dụng như một thiết bị khuếch đại hoặc một khóa điện tử Tranzito 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 Người sáng chế ra Tranzito lại đạt giải thưởng Nobel Các tranzito được sử dụng trong kĩ thuật tương tự và kĩ thuật số, như khuếch đại, đóng cắt, điều chỉnh điện áp, điều khiển tín hiệu, và tạo dao động Tranzito cũng thường được kết hợp thành mạch tích hợp ( IC), có thể tích hợp một tỉ tranzito trên một điện tích nhỏ

Từ nhiều ứng dụng rất quan trọng và phổ biến của linh kiện bán dẫn tranzito trong kĩ thuật sản xuất và trong đời sống Vì thế việc tìm hiểu, nắm vững lý thuyết căn bản về tranzito trong học phần “ điện tử học đại cương” là rất cần thiết và quan trọng đối với sinh viên, đặc biệt là sinh viên SP vật lý Học phải đi đôi với hành để đảm bảo cho việc nắm chắc kiến thức một cách sâu sắc và toàn diện nên việc thực hành kĩ thuật

với tranzito là rất cần thiết Mặt khác trong phòng thí nghiệm của nhà trường có vài

bộ thiết bị thí nghiệm khảo sát khuếch đại của tranzito lưỡng cực, phục vụ cho học phần thực hành điện tử

Với những lý do trên chúng tôi chọn đề tài: “Thiết kế, láp ráp bộ thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại của Tranzito lưỡng cực: BC, CC, EC”

2 Mục đích của đề tài

Áp dụng kiến thức đã được nghiên cứu vào thực tiễn, nâng cao tầm hiểu biết vấn

đề nghiên cứu, hình thành cho mỗi người một số kĩ năng, thao tác kĩ thuật cơ bản và cũng là bước đầu tập dượt nghiên cứu khoa học thông qua việc nghiên cứu cơ sở lý thuyết và lắp ráp bộ thiết bị thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại của tranzito lưỡng cực Góp phần nâng cao chất lượng đào tạo của nhà trường

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về chất bán dẫn và các linh kiện điện tử: điện trở, tụ

điện, cuộn cảm, tranzito lưỡng cực

- Nghiên cứu xây dựng một bản thiết kế sơ đồ nguyên lý, tiến hành lắp ráp và thí nghiệm khảo sát ba chế độ khuếch đại của tranzito lưỡng cực BC, CC, EC

4 Đối tượng nghiên cứu

- Các cơ sở lí thuyết về chất bán dẫn và tranzito lưỡng cực, điện trở, tụ điện, cuộn cảm

- Cơ sở thực nghiệm: Các linh kiện điện tử như: Điện trở, tụ điện, tranzito lưỡng cực, các bộ thí nghiệm về kỹ thuật điện tử, các loại đồng hồ đo điện, dao động kí

5 Phương pháp nghiên cứu

5.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

- Thu thập thông tin tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu hay đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu các tài liệu đã thu thập được

- Đọc các tài liệu có liên quan

- Phân loại, sắp xếp thành hệ thống những thông tin đã nghiên cứu có liên quan đến đề tài

5.2 Phương pháp hệ thống hóa lý thuyết

- Sắp xếp và hệ thống hóa nội dung đã nghiên cứu sau đó tổng hợp lại các vấn đề

đó để hoàn thành nội dung lý thuyết của đề tài

5.3 Phương pháp thực nghiệm

- Tiến hành các phép đo đạc, thu thập số liệu và sử lý kết quả thí nghiệm

1.1.1 Thế nào là chất bán dẫn?

Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn

điện và chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp

và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán

Việt có nghĩa là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở

một điều kiện khác sẽ không dẫn điện

Các chất bán dẫn rất phổ biến trong tự nhiên Trong số các nguyên tố bán dẫn ta

hay gặp Si, Ge, As, Te, Se…Rất nhiều hợp chất có tính bán dẫn: tất cả các Ôxít kim

loại, các seelennua, sunfua và telurua của nhiều kim loại

1.1.2 Đặc tính của bán dẫn

- Bán dẫn có những tính chất điện khác so với kim loại:

+ Giữa kim loại có điện trở suất 10-6 – 10-8 Ωm và điện môi có nhiều vật liệu

thuộc loại bán dẫn, có điện trở suất biến thiên trong một khoảng rộng từ 10-5 – 108 Ωm

Tuy nhiên không có ranh giới rõ rệt giữa ba loại chất này Chẳng hạn, bán dẫn rất

tinh khiết và ở nhiệt độ thấp thì cách điện như điện môi, trái lại, bán dẫn có nhiều tạp

chất và ở nhiệt độ cao thì lại dẫn điện tốt

+ Điện trở suất của bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng trong khi điện trở suất của

kim loại tăng khi nhiệt độ tăng Do đó ở nhiệt độ thấp, bán dẫn dẫn điện rất kém, giống

như điện môi còn ở nhiệt độ cao, bán dẫn dẫn điện rất tốt

+ Tính chất điện của chất bán dẫn phụ thuộc rất nhiều và mạnh vào các tạp chất

có mặt trong tinh thể

1.1.3 Phân loại chất bán dẫn

- Bán dẫn tinh khiết (thuần):

+ Ta hãy xét trường hợp bán dẫn điển hình là

silic Si là nguyên tố có hóa trị bốn, tức là lớp

electron ngoài cùng của nguyên tử Si có bốn

electron Trong mạng tinh thể bán dẫn tinh khiết, chỉ

có các nguyên tử Si Các nguyên tử này được bố trí

đều đặn, mỗi nguyên tử nằm ở tâm của một hình tứ

diện mà ở các đỉnh có các nguyên tố Si khác Để đơn

Hình 1.2 Sự tạo thành cặp e – lỗ trống

giản người ta thường biểu diễn sự sắp xếp nguyên tử Si trong mặt phẳng như trong hình 1.1 Mỗi nguyên tử Si liên kết với bốn nguyên tử lân cận thông qua các liên kết cộng hóa trị Như vậy xung quanh nguyên tử Si có 8 electron, tạo thành một lớp

electron lấp đầy Do đó liên kết giữa các nguyên tử Si rất bền vững

Ở nhiệt độ thấp, gần 0 K, các electron hóa trị gắn bó chặt chẽ với các nguyên

tử ở nút mạng Do đó, trong tinh thể không có hạt mang điện tự do, và bán dẫn silic không dẫn điện

Ở nhiệt độ T > 0 K, nhờ dao

động nhiệt của các nguyên tử, một

số electron hóa trị thu thêm năng

lượng và được giải phóng khỏi các

liên kết Chúng trở thành các

electron tự do, có thể tham gia vào

sự dẫn điện giống như electron dẫn

điện trong kim loại nên được gọi là

electron dẫn Ngoài ra, khi một

electron bứt ra khỏi liên kết, thì xuất

hiện một liên kết bị trống Người ta

gọi nó là lỗ trống, vì mỗi liên kết trống thiếu một electron, nên lỗ trống mang một điện tích nguyên tố dương Một electron từ một liên kết gần lỗ trống có thể chuyển đến để lấp đầy liên kết bị trống này và như vậy làm xuất hiện một lỗ trống khác trong tinh thể như ở hình 1.2 Điều đó có nghĩa là lỗ trống cũng có thể dịch chuyển trong tinh thể, do

đó nó cũng góp phần tham gia vào sự dẫn điện Như vậy có sự phát sinh đồng thời của một electron dẫn và một lỗ trống như trong hình vẽ

Ta còn cần nói đến quá trình ngược lại, trong đó một electron tự do chiếm một liên kết bị trống và trở lại thành electron liên kết Quá trình làm mất đi đồng thời một electron và một lỗ trống, và được gọi là quá trình tái hợp electron và lỗ trống Ở một nhiệt độ xác định, có sự cân bằng giữa quá trình phát sinh và quá trình tái hợp

Như vậy, trong bán dẫn có hai loại hạt mang điện tự do là electron và lỗ trống

Ở bán dẫn tinh khiết, số electron và lỗ trống bằng nhau Sự dẫn điện trong trường hợp này là sự dẫn điện riêng của bán dẫn Bán dẫn tinh khiết còn được gọi là bán dẫn loại i

5

Hình1.3 sơ đồ dải năng lượng bán dẫn

Nhiệt độ càng cao, thì số electron và lỗ trống càng lớn Do đó, độ dẫn điện của bán dẫn tăng khi nhiệt độ tăng Tính chất này của bán dẫn được ứng dụng để chế tạo ra nhiệt điện trở Ở nhiệt độ phòng bán dẫn tinh khiết dẫn điện kém, vì có rất ít electron

và lỗ trống

Khi không có điện

trường ngoài đặt vào tinh thể

bán dẫn, các electron và lỗ

trống chuyển động nhiệt hỗn

loạn, không ưu tiên theo

chiều nào, do đó không có

+ Theo lý thuyết dải năng lượng của vật rắn, ở nhiệt độ 0 K, các electron hóa trị liên kết với các nguyên tử Si thì chiếm đầy dải năng lượng bị chiếm cao nhất, gọi là dải hóa trị như trong (hình1.3) Do ở dải hóa trị không còn mức năng lượng trống, nên electron liên kết không thể thay đổi được năng lượng bằng cách chuyển sang mức năng lượng khác trong dải đó Điều đó có nghĩa là khi có điện trường đặt vào bán dẫn, thì các electron liên kết không thay đổi được chuyển động của chúng, hay nói cách khác đi, điện trường không gây nên dòng electron trong bán dẫn Trong trường hợp này, bán dẫn không dẫn điện

Bên trên dải hóa trị, các dải năng lượng hoàn toàn trống Dải trống thấp nhất gọi

là dải dẫn Đáy dải dẫn cách đỉnh hóa trị một khoảng có bề rộng Eg gọi là dải cấm Trong bán dẫn Si, Eg = 1.1 eV Khi nhiệt độ cao hơn 0K, một số electron liên kết ở dải hóa trị có thể thu được năng lượng đủ để vượt qua dải cấm và nhảy lên dải dẫn Những electron này chiếm các mức năng lượng ở đáy dải dẫn, bên trên còn rất nhiều mức năng lượng trống nằm rất sát nhau Electron khi thu được năng lượng dù rất nhỏ, đã có thể chuyển lên mức năng lượng cao hơn còn trống, electron cũng có thể chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức trống thấp hơn Như vậy, electron ở dải dẫn có thể

chuyển động tự do trong bán dẫn Ta gọi chúng là các electron dẫn Khi có điện trường ngoài đặt vào, các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường, gây nên dòng điện trong bán dẫn Trong trường hợp này bán dẫn dẫn điện

Khi một electron từ dải hóa trị thu được đủ năng lượng và chuyển lên dải dẫn, thì nó để lại trong dải hóa trị một trạng thái trống Electron ở trạng thái khác, có năng lượng thấp hơn, chỉ cần thu được năng lượng rất nhỏ là có thể chuyển lên trạng thái này và lại để lại một trạng thái trống ở mức năng lượng của electron lúc đầu Như vậy trạng thái trống có thể thay đổi mức năng lượng của nó, nghĩa là có thể chuyển động tự

do Khi có điện trường đặt vào bán dẫn, trạng thái trống chuyển động thuận chiều điện trường giống như hạt mang điện tích dương Ta gọi chúng là các lỗ trống Từ lý luận trên, ta còn thấy là năng lượng của lỗ trống tăng, thì nó chiếm các năng lượng ở phía dưới trong dải hóa trị Năng lượng lỗ trống là thấp nhất khi nó ở đỉnh dải hóa trị

Hai cách xét trên đây, trong mạng tinh thể và trong sơ đồ dải năng lượng của bán dẫn, đều được sử dụng để giải thích các tính chất điện của bán dẫn Sơ đồ dải năng lượng thuận tiện hơn trong những trường hợp mà người ta chú ý đến giá trị của năng lượng trong các quá trình

+ Theo sơ đồ dải năng lượng, mỗi khi electron liên kết thu được năng lượng đủ

để vượt qua dải cấm, thì một cặp electron và lỗ trống được tạo ra Khi ta chiếu ánh sáng có năng lượng photon ћω ≥ Eg thì những cặp electron - lỗ trống được tạo thêm, làm tăng độ dẫn điện của bán dẫn đó là hiện tượng quang dẫn Nó được ứng dụng trong các quang điện trở, là những linh kiện có điện trở giảm đi khi cường độ ánh sáng chiếu vào nó tăng lên

- Bán dẫn có tạp chất

Nếu Si có pha tạp chất, tức là ngoài có nguyên tử Si, còn các nguyên tử khác, thì tính dẫn điện của bán dẫn thay đổi rất nhiều Chỉ cần một lượng rất nhỏ tạp chất (với tỉ lệ vài phần triệu) Độ dẫn điện của bán dẫn có thể tăng hàng vạn, hàng triệu lần Khi đó, cùng với sự dẫn điện riêng còn có sự dẫn điện do tạp chất

+ Bán dẫn loại n

Giả sử tạp chất là photpho (P) Mỗi nguyên tử P có năm electron ở lớp ngoài Khi

P thay thế cho Si ở một nút mạng tinh thể, nó đóng góp bốn electron để tạo thành liên kết với các nguyên tử Si Electron còn liên kết yếu, ngay cả ở nhiệt độ thấp, nó có thể dễ dàng bứt khỏi nguyên tử P và trở thành electron tự do Nguyên tử P trở thành một ion dương, nằm tại nút mạng Vậy tạp chất P đã tạo nên thêm các electron dẫn, mà không làm tăng thêm số lỗ trống Do đó, bán dẫn Si pha P có electron dẫn nhiều hơn số lỗ trống, ta gọi

Như vậy, bằng cách chọn loại tạp chất và lượng tạp chất pha vào bán dẫn, người

ta có thể tạo ra bán dẫn thuộc loại mong muốn và có tính dẫn điện mong muốn Đây chính là một tính chất rất đặc biệt của bán dẫn, khiến cho nó có rất nhiều ứng dụng + Sơ đồ dải năng lượng của bán dẫn tạp chất

Theo sơ đồ dải năng lượng, trong bán dẫn loại n, tạp chất tạo thành một mức năng lượng tạp chất, gọi là mức đono Mức đono nằm trong dải cấm, phía dưới đáy dải dẫn, cách đáy dải dẫn một khoảng Ed rất nhỏ (cỡ 0,01eV) Do đó chỉ cần thu được năng lượng Ed, là electron của nguyên tử tạp chất đã nhảy lên được dải dẫn trở thành electron dẫn, còn nguyên tử tạp chất trở thành ion dương Ta cũng thấy ngay là sự tạo thành electron dẫn như vậy không làm xuất hiện lỗ trống trong dải hóa trị

Trong bán dẫn loại p, tạp chất tạo thành mức axepto trong dải cấm, nằm phía trên, cách đỉnh dải hóa trị một khoảng cách Ea Electron ở dải hóa trị cần thu năng lượng Ed là có thể nhảy lên mức axepto Kết quả là một lỗ trống được sinh ra trong dải hóa trị không kèm theo sự tạo thành electron trong dải dẫn

1.1.4 Lớp chuyển tiếp p-n

1.1.4.1 Sự hình thành lớp chuyển tiếp p-n

- Lớp chuyển tiếp p-n được hình

thành khi ta cho hai mẫu bán dẫn khác loại,

là loại p, và loại n, tiếp xúc với nhau Khi có

sự tiếp xúc, các hạt mang điện tự do gồm lỗ

trống và electron, sẽ khuếch tán từ mẫu p

sang mẫu n và ngược lại Tuy nhiên do hạt

mang điện chủ yếu ở bán dẫn p là lỗ trống

nên dòng khuếch tán từ p sang n chủ yếu là

lỗ trống Lỗ trống từ p sang n tái hợp với Hình1.4 Sự khuếch tán e và lỗ

trống trong bán dẫn

Hình1.5 Mô tả dải năng lượng bị bẻ cong

ở 2 bên lớp chuyển tiếp

electron tự do Do đó, ở hai phía bán dẫn n gần mặt phân cách hai mẫu bán dẫn không còn hạt mang điện tự do nữa Ở đó chỉ có các ion tạp chất mang điện dương Tương tự,

từ phía n sang p, dòng khuếch tán chủ yếu là electron, phía p gần mặt phân cách hai mẫu có các ion tạp chất mang điện âm

Kết quả của sự khuếch tán giữa hai mẫu bán dẫn, bên phía bán dẫn n có một lớp điện tích dương, bên phía bán dẫn p có một lớp điện tích âm Tại đó xuất hiện một điện trường trong hướng từ phía n sang p Điện trường này ngăn cản sự khuếch tán của các hạt mang điện đa số (thúc đẩy sự khuếch tán của các hạt mang điện thiểu số) Cường độ của điện trường tăng dần, làm cho dòng khuếch tán các hạt mang điện đa số giảm dần Sự khuếch tán dừng lại khi cường độ điện trường này ổn định Ta nói rằng ở chỗ tiếp xúc hai loại bán dẫn đã

hình thành lớp chuyển tiếp p-n,

lớp chuyển tiếp có điện trở lớn

Vì ở đó không có hạt mang điện

tự do, chỉ có những điện tích

không gian gây nên bởi những

tạp chất đã bị ion hóa Trong thực

Trên sơ đồ, EF là mức năng lượng fecmi, là năng lượng chung cho hệ gồm hai mẫu bán dẫn Nó xác định sự phân bố của các hạt tải điện theo năng lượng Trong những bán dẫn thông thường, có thể coi gần đúng mức fecmi trùng với các mức tạp chất

9

1.1.4.2 Dòng điện qua lớp chuyển tiếp p-n

- Dòng điện thuận qua lớp chuyển tiếp p-n: Ta mắc hai đầu mẫu bán dẫn vào một nguồn điện có hiệu điện thế V, sao cho cực dương của nguồn nối với bán dẫn p, còn cực âm nối với bán dẫn n Điện trường ngoài

n

E do nguồn điện gây ra tại lớp chuyển tiếp p-n ngược chiều với điện trường trong E của lớp chuyển tiếp, do đó làm yếu điện trường trong Kết quả là dòng chuyển dời của các hạt mang điện đa số được tăng cường Dòng các hạt đa số gây nên dòng điện I có cường độ lớn chạy theo chiều

từ bán dẫn p sang bán dẫn n Đó là dòng điện thuận Dòng điện này do hiệu điện thế thuận của nguồn điện gây nên và tăng nhanh khi hiệu điện thế tăng

- Dòng điện ngược qua lớp chuyển tiếp p-n: Ta đổi cực của nguồn điện mắc vào mẫu bán dẫn, tức là mắc cực dương vào bán dẫn n, cực âm vào bán dẫn p Điện trường ngoài E cùng chiều với điện trường trong E , làm tăng cường điện trường trong, nchuyển dời của các hạt thiểu số được tăng cường, ngược lại, chuyển dời của các hạt đa

số bị ngăn cản Qua lớp chuyển tiếp có dòng các hạt mang điện thiểu số, gây nên dòng điện I chạy từ phía n sang phía p Dòng điện này có cường độ rất nhỏ và hầu như không thay đổi khi ta tăng hiệu điện thế V Đó là dòng ngược do hiệu điện thế nguồn gây nên

 Như vậy: lớp chuyển tiếp p-n dẫn điện tốt theo một chiều, từ p sang n,lớp chuyển tiếp p- n có tính chỉnh lưu

- Theo sơ đồ dải năng lượng, thì khi lớp chuyển tiếp mắc theo chiều thuận Điện trường ngoài làm giảm hiệu điện thế giữa hai bên lớp p-n, do đó làm cho độ chênh năng lượng của cả electron và lỗ trống giữa hai bên lớp chuyển tiếp giảm đi, nếu xét với electron dẫn chẳng hạn, thì khi độ chênh lệch năng lượng giảm đi, electron phía n

dễ dàng vượt qua hàng dào năng lượng để sang phía p hơn, vì hàng dào năng lượng đã thấp đi Mà phía n thì nhiều hạt electron (hạt mang điện đa số), nên dòng điện qua lớp chuyển tiếp có giá trị lớn Với lỗ trống cũng tương tự, khi lớp chuyển tiếp mắc theo chiều ngược, hàng dào năng lượng cao lên, chuyển động của các hạt mang điện đa số

bị cản trở nhiều hơn, còn chuyển động của các hạt mang điện thiểu số lại được tăng cường, nhưng chúng chỉ gây ra dòng điện rất nhỏ

- Đặc trưng vôn-ampe của lớp chuyển tiếp p-n: Sự phụ thuộc của cường độ dòng điện

I qua lớp chuyển tiếp vào hiệu điện thế U đặt vào lớp chuyển tiếp có dạng: I = Io(eeU/KT -1)

Với U,I là các đại lượng đại số: I có dấu dương nếu là dòng điện thuận, U có dấu dương nếu là hiệu điện thế thuận

1.2 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

1.2.1 Linh kiện tuyến tính ( linh kiện thụ động)

Linh kiện điện tử thụ động gồm: điện trở, tụ điện, cuộn cảm

1.2.1.1 Điện trở

a Khái niệm, kí hiệu, công dụng và phân loại

- Khái niệm: “Cái” điện trở là một loại linh kiện điện tử, dùng để đưa điện trở

vào mạch điện, nhằm điều chỉnh điện áp, hạn chế dòng điện, điều chỉnh độ khuếch đại, tạo thành mạch hằng số thời gian, chia điện áp, làm phụ tải cho mạch, tạo nhiệt, ổn

định nhiệt,… và nhiều chức năng khác

+ Điện trở là một trong những tính chất cơ bản của vật dẫn, được xác định bởi biểu thức: R = ρl

s

+ Trong mạch điện thuần điện trở, điện trở có quan hệ với hiệu điện thế và dòng điện là: R = U/I

Trong đó: U – Hiệu điện thế giữa hai đầu điện trở (V)

I – Cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A)

+ Công suất tỏa nhiệt trên điện trở là: P U2

R

 = 2

I R; đơn vị là oát ( W)

b Thông số kĩ thuật

- Cách đọc trị số điện trở: Trị số của điện trở hoặc được ghi bằng số Ả Rập

hoặc được ghi bằng vạch màu trên thang điện trở

+ Ghi bằng số Ả Rập Ví dụ trên thân điện trở có ghi: 12K  5%, có nghĩa là giá trị của điện trở đó là 12 kilôôm  60 ôm (đo được bằng đồng hồ vạn năng), dung sai là  5% Ngoài ra có thể ghi theo , K, M, G

+ Ghi bằng vạch màu Thông thường giá trị điện trở được ghi bằng 4 vạch màu

(chủ yếu) hoặc 5 vạch màu Các vạch màu có ý nghĩa như sau:

Tính chất cơ bản của tụ điện là cho dòng điện xoay chiều đi qua và ngăn không cho dòng một chiều đo qua Dòng điện xoay chiều có tần số càng lớn càng dễ “đi qua”

tụ điện

Hoạt động của tụ điện là tích điện và phóng điện

Đơn vị: Điện dung của tụ điện có đơn vị là Fara (F) Thông thường, trong kĩ thuật

sử dụng các đơn vị dẫn xuất của nó là microFara ( F), nanoFara (nF), picoFara (pF)

Dung kháng của tụ điện được tính bằng biểu thức:

Xc = 1

2 f C =

1 C



- kí hiệu: Trong sơ đồ mạch điện, tụ điện được kí hiệu như hình 2.2

- Công dụng: Tụ điện được dùng trong hầu hết các mạch điện tử: dùng để lọc

nguồn (san phẳng dòng điện một chiều), dùng để dẫn tín hiệu, cách li dòng điện một chiều, cùng với R và L tạo thành các mạch lọc tần số, mạch cộng hưởng

- Phân loại: Có nhiều cách phân loại tụ, có thể phân loại thành các loại chính

sau đây: tụ điện cố định – có điện dung không thay đổi, tụ điện biến đổi – có điện dung thay đổi được; tụ điện đặc biệt Trong mỗi loại có thể phân ra như sau:

+ Tụ điện cố định

(1) Tụ điện chính xác, có dung sai nhỏ, tổn hao điện môi thấp, những tụ này

có điện môi là chất Polystiren, mica, gốm, thủy tinh Thường sử dụng trong mạch điện siêu cao tần, mạch điều hưởng, mạch ghép, mạch dao động, mạch bù Tụ này không phân cực

(2) Tụ bán chính xác, có dung sai không lớn, thông thường chất điện môi là giấy, màng chất dẻo Tụ này không phân cực

(3) Tụ hóa dùng một dung dịch hóa học là axít Boric, bản tụ bằng nhôm, khi có điện áp một chiều đặt lên tụ thì giữa hai lá nhôm sinh ra một lớp nhôm oxit Al O2 3

mỏng làm chất điện môi Vì lớp này rất mỏng do đó điện dung của tụ khá lớn Tụ dầu

có điện môi bằng dầu, có trị số điện dung tương đối lớn (thường không vượt quá tụ hóa), chịu được điện áp cao

+ Tụ điện biến đổi: dùng để điều hưởng và tinh chỉnh hoặc điều chỉnh điện dung của mạch tới trị số mong muốn

+

Hình1.6 Kí hiệu một số loại tụ điện

13

(1) Tụ điều hưởng không khí, chân không thường dùng ở máy thu hoặc máy phát, có kết cấu thông thường là dạng xoay, bản cực hình bán nguyệt và biến đổi tuyến tính với tần số Điện dung từ 5pF đến 3000pF

(2) Tụ điện Varicap: Đó là tụ điện được hình thành bằng chính tiếp giáp của diode đặc biệt, điện dung thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngược giữa hai cực của diode

(3) Tụ tinh chỉnh hay bán tinh chỉnh: có độ thay đổi điện dung trong phạm vi

khá nhỏ

b Thông số kĩ thuật

- Giá trị điện dung danh định, được ghi trên thân tụ bằng số Ả Rập, với đơn vị

là Fara Ví dụ 470 F (micro Fara), 100nF (nano Fara), 6800pF (pico Fara), …Ngoài

ra còn có cách ghi khác như: Trên thân tụ có ghi 104, có nghĩa là giá trị điện dung bằng C 10 x 10 4(pF) = 10 5(pF) = 0,1 F  ; trên thân tụ có ghi 203, có nghĩa là giá trị điện dung C = 20 x 103 (pF) = 20.000 (pF) = 0,02 F Tụ không ghi đơn vị thì ngầm

hiểu đơn vị là pF

- Điện áp danh định là điện áp đặt vào hai cực của tụ lâu dài (trên 10.000 giờ)

mà không bị hỏng Nếu dùng trong điện áp xoay chiều thường không ghi cực tính, nhưng dùng trong điện áp một chiều thì ghi rõ cực tính Điện áp đánh thủng là điện áp giới hạn, khi điện áp đặt vào tụ lớn hơn điện áp giới hạn thì điện môi của tụ bị đánh thủng Thông thường điện áp này bằng từ 1,5 đến 2 lần điện áp danh định

1.2.1.3 Cuộn cảm

Cuộn cảm được cấu tạo bằng dây dẫn điện được quấn thành vòng (có thể là 1 vòng hoặc hàng nghìn vòng), thiết kế riêng cho từng mục đích sử dụng Cuộn cảm được cuốn hình trụ, hình chữ nhật, dạng đĩa với lõi không khí, lõi bằng vật liệu sắt

từ, lõi ferít, vật liệu từ tính Tính chất cơ bản nhất của cuộn cảm là cho dòng điện một chiều đi qua dễ dàng, cản trở dòng điện xoay chiều đi qua, dòng điện có tần số càng cao thì càng khó đi qua cuôn cảm (XL   .L 2 .f.L)

1.2.2 Linh kiện tích cực

1.2.2.1 Diode

a Đặc điểm, công dụng, kí hiệu và phân loại

áp, phát quang, dùng làm tụ điện có điện dung biến đổi…

Hình2.1 Cấu tạo và kí hiệu của 2 loại

+ Trên sơ đồ, hình vẽ, diode tùy từng loại được kí hiệu như sau:

b Thông số kĩ thuật cơ bản

- Dòng thuận cực đại là dòng điện thuận lớn nhất qua diode trong thời gian lâu dài, mà không làm thay đổi các đặc tính của diode Dòng điện ngược In là dòng điện qua diode khi điện áp ngược UKA < UĐT Dòng điện ngược khoảng 10A - 200A đối với diode tiếp điểm và bằng 100A đến 3mA đối với diode tiếp mặt

- Điện áp thuận là mức điện áp sụt áp trên diode khi nó được phân cực thuận và

có dòng điện chạy qua

- Điện áp đánh thủng UĐT là điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode theo chiều ngược (UKA) tới mức có dòng điện lớn chạy qua diode Hiện tượng đó gọi là đánh thủng thác lũ Điện áp ngược cực đại là điện áp ngược UKA lớn nhất đặt lên diode mà không đánh thủng nhiệt lớn tiếp giáp

- Nhiệt độ làm việc là khoảng nhiệt độ mà diode làm việc ổn định, thông thường

từ - 600

C đến 700C đối với Ge và từ - 600C đến 1250C đối với Si

- Điện trở thuận của diode rất nhỏ (khoảng101000), điện trở ngược rất lớn, coi như vô cùng Khi phân cực ngược, điện trở diode rất lớn, cỡ hàng trăm K trở lên

1.2.2.2 Tranzito lưỡng cực (BJT)

a Cấu tạo

Tranzito lưỡng cực (bipolar

transistor) là một linh kiện bán dẫn

có hai lớp chuyển tiếp p-n Tùy theo

trình tự sắp xếp các miền P và n mà

ta có hai loại cấu trúc điển hình là

pnp và npn Để cấu tạo ra các cấu

trúc này người ta áp dụng những

15

như phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi…

Miền bán dẫn thứ nhất của tranzito là miền emitơ với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emitơ hay cực phát (kí hiệu E) Miền thứ hai là miền bazơ với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ dầy của nó nhỏ cỡ µm, điện cực nối với miền này gọi là cực bazơ hay cực gốc (kí hiệu B) Miền còn lại là miền colectơ với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là colectơ hay cực góp (kí hiệu C)

b Hoạt động

- Để tranzito làm việc, người ta phải đưa

điện áp một chiều tới các điện cực của nó, gọi là

phân cực cho tranzito Tùy theo cách phân cực

mà tranzito có thể ở ba chế độ khác nhau

+ Chế độ khuếch đại: Lớp chuyển tiếp

E-B phân cực thuận, dòng Ib nhỏ, lớp chuyển tiếp

B-C phân cực ngược

+ Chế độ bão hòa: Lớp chuyển tiếp E-B

phân cực thuận, dòng Ib lớn, lớp chuyển tiếp B-C phân cực ngược, dòng Ic lớn

+ Chế độ ngắt: Cả hai lớp chuyển tiếp E-B và E-C đều phân cực ngược Tranzito có điện trở rất lớn và chỉ có dòng điện rất nhỏ chạy qua tranzito

Chế độ khuếch đại được dùng phổ biến trong các mạch tương tự, còn chế độ ngắt và bão hào được sử dụng, trong các mạch số, hay còn gọi là các mạch logic

Để phân tích nguyên lí là việc ta lấy tranzito pnp ở chế đọ khuếch đại làm ví dụ Nguồn điện ε1 làm cho lớp chuyển tiếp E-B phân cực thuận Nguồn điện ε2, với ε2 thường lớn hơn ε1 từ 5 đến 10 lần, đặt vào lớp chuyển tiếp B-C một hiệu điện thế ngược

Dòng IE chủ yếu là dòng lỗ trống từ E sang B, còn phần do dòng electron từ B sang E là không đáng kể, vì lớp bán dẫn n của cực B co nồng độ hạt mang điện rất thấp Mặt khác, do lớp bán dẫn n của cực p có chiều dày rất nhỏ, nên phần lớn lỗ trống

từ E vượt qua lớp B chạy sang lớp chuyển tiếp B-C, chỉ một phần rất nhỏ chạy ra cực

B gây ra dòng IB Các hạt tải (lỗ trống) đi tới lớp chuyển tiếp B-C và được tăng tốc bởi điện trường ở lớp chuyển tiếp này Ngoài ra còn dòng chuyển dịch của các hạt không

cơ bản ở miền bazơ (trong trường hợp này là electron), tạo nên dòng điện ngược IC (dòng colectơ khi E hở mạch) Dòng này tuy nhỏ nhưng tăng nhanh theo nhiệt độ và là một nguyên nhân gây mất ổn định của tranzito

Hình 2.2 Hoạt động của

tranzito

Như vậy IB<<IE và tỉ số α = nhỏ hơn 1 và gần bằng một, tỉ số β = gọi là hệ

số khuếch đại dòng điện Nó thể hiện tác dụng điều khiển của dòng IB đối với dòng IC Giá trị của β thường là hàng chục đến hàng trăm, ta có:

Nếu hiệu điện thế giữa cực E và cực B biến thiên một lượng ∆UE-B, thì dòng IE

và dòng IB cùng biến thiên, làm dòng IC cũng biến thiên theo Điện trở R mắc trong mạch của cực C có giá trị khá lớn Vì vậy, sự biến thiên của ∆IC gây nên giữa hai đầu của R một biến thiên hiệu điện thế ∆UR = ∆IC.R = β.∆IB.R lớn hơn ∆UE-B nhiều lần Ta nói rằng biến thiên hiệu điện thế UE-B được khuếch đại trong mạch tranzito Do

tranzito có tác dụng khuếch đại, nên người ta xếp nó vào loại linh kiện điện tử tích cực (để phân biệt với các linh kiện thụ động như điện trở tụ điện…)

- Các cách mắc và đặc trưng cơ bản của tranzito

Có ba cách mắc tranzito vào mạch khuếch đại, đó là cách mắc Emitơ chung (EC), Bazơ chung (BC) và Colectơ chung (CC) lần lượt như trong hình từ trái qua phải

Lối vào U1,I1 UTranzito 2,I2 Lối ra

17

Mối quan hệ giữa các giá trị cường độ dòng điện (I1, I2) và các hiệu điện thế (U1, U2) của mạng được thể hiện qua các đặc trưng tĩnh, mô tả sự phụ thuộc lẫn nhau giữa hai đại lượng, khi các đại lượng còn lại có giá trị xác định, coi như các tham số.Trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tính:

Đặc tuyến vào U1 = f (I1) │U2 = const

Đặc tuyến phản hồi U1 = f (U2) │I1 = const

Đặc tuyến truyền đặt I2 = f (I1) │U2 = const

Đặc tuyến ra I2 = f (U2) │ I1 = const

Bằng cách thay đổi các giá trị tham số, ta thu được các họ đặc trưng tĩnh Đồ thị các họ đặc trưng tĩnh gọi là các họ đặc tuyến tĩnh Tùy theo cách mắc tranzito mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể dòng điện và điện áp khác nhau , dưới đây là bảng các

họ đặc trưng tĩnh ứng với các cách mắc BC, EC, CC

U1 = f(I1)│U2 = const UEB = f(IE) │UCB UBE = f(IB)│UCE UBC = f(IB) │ UBC

U1 = f(U2) │I1= const UEB = f(UCB) │IE UBE = f(UCE) │IB UBC = f(UEC)│ IB

I2 = f(I1) │ U2 = const IC = f(IE) │UCB IC = f(IB) │UE IE = f(IB) │UBE

I2 = f(u2) │I1= const IC = f(UCB)│ IE IC = f(UCE) │IB IE = f(UEC) │IB

Khi sử dụng tranzito ngoài khả năng khuếch đại tín hiệu của nó, người ta còn cần chú ý đến đặc tính tần số, tức là sự phụ thuộc của các thông số của tranzito vào tần

số của tín hiệu: khả năng khuếch đại của tranzito giảm khi tần số tăng Mỗi tranzito có một tần số giới hạn fα là tần số mà trên đó hệ số khuếch đại dòng chỉ còn lại 0,7 giá trị của nó ở tần số thấp Muốn tăng tần số giới hạn của tranzito người ta cần giảm điện dung của lớp chuyển tiếp E-B và B-C, giảm chiều dài của lớp bazơ, dùng tranzito n-p-n, trong đó hạt tải cơ bản là electron có độ linh động cao hơn lỗ trống Ngoài ra cách mắc tranzito cũng ảnh hưởng đến tần số giới hạn: cách mắc CB cho tần số giới hạn cao hơn cả

Khi nhiệt độ tăng, hoạt động của tranzito kém đi, chủ yếu do dòng IC0 (dòng ngược qua lớp chuyển tiếp B-C) tăng theo nhiệt độ Để tranzito hoạt động ổn định trong một phạm vi biến thiên thiệt độ, người ta cần có các cách mắc thích hợp để bù trừ tác dụng của nhiệt độ