Đề cương bài giảng kỹ thuật điện tử

Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, …, Rn mắc nối tiếp nhau thì điện trở tổng cộng Trong sơ đồ, tài liệu, điện trở được kí hiệu theo hai dạng cơ bản sau đây: Điện trở thường chiếp áp

tr-êng §¹i häc s- ph¹m kü thuËt h-ng yªn

PHẦN 1: LINH KIỆN BÁN DẪN Chương I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG

1.1 Điện trở: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm

1.1.1 Cấu tạo

Khái niệm : Điện trở là linh kiện điện tử thụ động dùng để làm vật cản trở dòng điện

Theo mong muốn của người sử dụng, đôi khi người ta dùng điện trở để tạo ra sự phân cấp điện áp ở mỗi vị trí trong mạch điện Đối với điện trở thì nó có khả năng làm việc với cả tín hiệu một chiều (DC) và xoay chiều (AC) và nghĩa là nó không phụ thuộc vào tần số của tín hiệu tác động lên nó

Trường hợp đối với một dây dẫn thì trị số điện trở lớn hay nhỏ sẽ phụ thuộc vào vật liệu làm dây dẫn( điện trở suất) và nó tỷ lệ thuận với chiều dài dây, tỷ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn

Ta có công thức tính:

L: Là chiều dài dây( m)

Trong đó S : Là tiết diện dây (mm2)

I- cường độ dòng điện chạy qua điện trở (A)

Công suất toả nhiệt trên điện trở P là:

2

2U

Khi có hai hay nhiều điện trở R1, R2, …, Rn mắc nối tiếp nhau thì điện trở tổng cộng

Trong sơ đồ, tài liệu, điện trở được kí hiệu theo hai dạng cơ bản sau đây:

Điện trở thường chiếp áp Điện trở chíp

VR

t o

R Chuẩn EU Chuẩn US Biến trở Điện trở nhiệt Quang trở

Hình 1.1 Một số ký hiệu của các loại điện trở

Trong thực tế, điện trở rất phong phú về chủng loại và hình dạng và thường được phân loại như sau:

Phân loại theo cấu tạo, có các loại điện trở:

Điện trở than ép : Có dạng thanh chế tạo từ bột than trộn với chất liên kết được nung nóng để hóa rắn Có trị số từ 10 22M và công suất 1/4 W đến 1 W

Điện trở màng kim loại : Chế tạo theo cách kết lắng màng

Ni – Cr trên thân gốm có sẻ rãnh xoắn và được phủ lớp sơn bảo vệ

Điện trở Ôxit kim loại : Chế tạo theo cách kết lắng màng Ôxit thiếc trên thanh SiO2 có công suất danh định là 1/2 W

Điện trở dây quấn: Loại điện trở này dùng dây điện trở quấn trên thân lớp cách điện thường bằng sứ, có trị số điện trở thấp nhưng công suất làm việc lớn từ 1W25 W

Phân loại theo công dụng ( hay còn gọi là phân loại theo chức năng):

Biến trở (Variable Resistor ): Thường dùng loại bột than có độ kết dính cao hoặc vành dây quấn được bố trí dạng cung tròn 2700 kết hợp với con quay hoặc con chạy

Quang trở (Photo Resistor hay Light Dependent Resistor) Được chế tạo từ chất bán dẫn

có độ nhạy quang lớn nên khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm thay đổi giá trị điện trở, khi cường

độ ánh sáng chiếu vào quang trở càng tăng lên thì giá trị quang trở càng giảm

Nhiệt trở: (Thermistor) Nhiệt trở có hai loại: nhiệt trở có hệ số nhiệt dương ( giá trị nhiệt trở tỷ lệ thuận với nhiệt độ tác động lên nhiệt trở) và nhiệt trở có hệ số nhiệt âm ( giá trị nhiệt trở tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tác động)

Điện trở tùy áp ( Voltage Dependent Resistor) Giá trị của điện trở tùy áp phụ thuộc vào giá trị điện áp đặt lên điện trở

Điện trở cầu chì (Fusistor hay Fuse Resistor ) Điện trở cầu chì có tính chất và tác dụng như một cầu chì, khi dòng điện qua nó vượt quá định mức cho phép thì nó tự đứt để bảo các phần tử khác trong mạch điện tử

Sau đây là hình ảnh minh họa của một số loại điện trở trong thực tế

Điện trở thường

R

Biến trở

VR

các đơn vị dẫn suất như kilôôm (K hoặc K), mêgaôm (M hoặc M), gigaôm (G hoặc G)

Dung sai: là sai số không mong muốn, sai số này phát sinh trong quá trình chế tạo

Dung sai phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Đối với điện trở có cấc cấp dung sai là: B =

0,1%, C = 0,25%, D = 0,5%, F = 1%, G = 2%, I = 5%, K = 10%, M = 20% Cấp

B, C, D thường được dùng trong các thiết bị đo, cấp F, G thường dùng trong các thiết bị quân sự, hàng không, thiết bị chuyên dụng; còn các cấp I, K, M chỉ dùng trong các thiết bị dân dụng, học tập

Đặc tính điện trở – nhiệt độ: Độ biến thiên của điện trở theo nhiệt độ được biểu thị

bằng phần trăm (%); nếu các thay đổi là tuyến tình thì gọi là hệ số nhiệt độ, nếu các thay đổi

là phi tuyến (dạng chủ yếu) thì gọi là đặc tính điện trở – nhiệt độ

Tần số giới hạn và tiếng ồn: Khi làm việc ở tần số cao, ngoài thành phần thuần trở

còn phải tính đến thành phần cảm kháng và dung kháng kí sinh Muốn có tính năng tốt ở tần

số cao thì tỉ số giữa độ dài điện trở và tiết diện điện trở phải cực đại Tiếng ồn phát sinh là do

sự tăng hay giảm điện áp trong thân điện trở Tiếng ồn tổng thể phụ thuộc vào giá trị điện trở, nhiệt độ điện trở, cấu trúc các phần tử bên trong và hình dạng bên ngoài điện trở, dòng điện trong điện trở

Ghi bằng vạch màu: Thông thường giá trị điện trở được ghi bằng 4 (chủ yếu) hoặc 5 vạch màu Các vạch màu có ý nghĩa như sau:

Hay giá trị của điện trở là: R = 10K 500

Một số điện trở có vạch dung sai D trùng với màu thân điện trở (không có màu riêng biệt) thì dung sai đó là M =  20%

Điện trở có bốn vạch màu:

Màu

Tên màu (ký hiệu)

Số thứ 1 Số thứ 2 Hệ số nhân Sai số

% Giá trị của điện trở tính bằng Ôm

Điện trở có năm vạch màu

Màu

Tên màu (ký hiệu)

Đối với điện trở có năm vạch màu và sáu vạch màu cách đọc giá trị điện trở tương

tự như đối với loại bốn vạch màu:

Loại năm vạch màu: vạch thứ 1,2,3: là các chữ số có nghĩa; vạch thứ 4 là bội số và vạch thứ 5 là sai số

Loại sáu vạch màu: vạch thứ 1,2,3,4: là các chữ số có nghĩa; vạch thứ 5 là bội số và vạch thứ 6 là sai số

Cách đọc giá trị điện trở (loại có 5 vạch màu):

R = 271 x 102 Ù ± 0,5%

R= 27100 Ù ± 0,5%

N©u Xanh l¸ Ng©n nhò

R =

Ứng dụng của điện trở

Các điện trở thường được sử dụng để hạn dòng, phân áp trong các mạch điện tử, ngoài

ra điện trở còn được sử dụng kết hợp với các linh kiện khác để tạo mạch lọc

Quang trở, nhiệt trở được sử dụng trong các mạch điều khiển, các mạch tự động, trong các thiết bị điện tử Ví dụ mạch tự động bật đèn đường khi trời tối dùng quang trở, mạch tự động đóng ngắt mạch điện khi nhiệt độ môi trường thay đổi dùng nhiệt trở

Điện trở cầu chì dùng để bảo vệ các linh kiện khác trong thiết bị điện tử

Biến trở được ứng dụng rộng rãi trong thực tế:

Đối với biến trở than, thực tế có 2 loại: A và B

Loại A: Chỉnh thay đổi chậm đều, được sử dụng để thay đổi mức âm lượng lớn nhỏ trong Ampli, Cassette, Radio, TV, hoặc chỉnh độ tương phản (Contrass), chỉnh độ sáng (Brightness) ở TV, Biến trở loại A còn có tên gọi là biến trở tuyến tính

Loại B: Chỉnh thay đổi đột biến nhanh, sử dụng chỉnh âm sắc trầm bổng ở Ampli Biến trở loại B còn có tên gọi là biến trở phi tuyến hay biến trở loga

Ngoài ra, tính chất của điện trở còn được ứng dụng trong các thiết bị điện- điện tử như: dây tóc bóng đèn sợi đốt, bàn là, bếp điện, máy sấy tóc

Trong công nghiệp tính chất điện trở được ứng dụng trong các lò sấy điện

Hư hỏng, kiểm tra, thay thế

Điện trở nói chung thường hỏng do dòng điện đi qua lớn, gây cháy hoặc tăng trị số;

số ít hư hỏng do phóng điện, do tác động cơ học, do môi trường, thời gian

Kiểm tra điện trở bằng ôm kế, máy đo RLC, xác định giá trị điện trở thông qua điện áp

và dòng điện trên điện trở khi nó ở trong mạch điện, …

Khắc phục bằng cách thay đúng chủng loại, trị số điện trở, trị số công suất, …

1.2 Tụ điện: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm

1.2.1 Cấu tạo

Khái niệm

Tụ điện là một loại linh kiện điện tử, gồm hai vật dẫn điện được ngăn cách nhau bởi chất điện môi hoặc chân không, để tích chữ điện tích lớn trong thể tích nhỏ Tụ điện được sử dụng trong dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều có tần số tới 10 GHz Chất điện môi có thể là không khí, giấy tẩm hoá chất, màng hữu cơ, mi ca, thuỷ tinh hoặc gốm Mỗi loại có hằng số điện môi khác nhau, có độ dày khác nhau và ảnh hưởng trực tiếp đền chất lượng và đặc tinh của tụ điện

Tính chất của tụ điện

Điện dung :Là đại lượng nói lên khả năng tích điện trên hai bản cực của tụ điện, điện dung của tụ điện phụ thuộc vào diện tích bản cực, vật liệu làm chất điện môi và khoảng cách giữ hai bản cực theo công thức

d Trong đó C - là điện dung tụ điện , đơn vị là Fara (F)

ξ - Là hằng số điện môi của lớp cách điện

d - là chiều dày của lớp cách điện

S - là diện tích bản cực của tụ điện Tính chất cơ bản nhất của tụ điện là phóng và nạp điện Đường cong biểu diễn dòng điện, điện áp trên tụ là đường cong lồi khi tụ nạp và là đường cong lõm khi tụ phóng điện Điện dung của tụ điện được kí hiệu là C có đơn vị là Fara (F) Thông thường trong kĩ thuật

sử dụng các đơn vị dẫn suất của nó là micro Fara (F), nano Fara (nF), picô Fara (pF)

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

Dung kháng của tụ điện ở chế độ xoay chiều tính bằng biểu thức:

f - tần số tín hiệu xoay chiều

C – điện dung của tụ điện

Tụ biến dung hay tụ biến đổi

Đối với tụ không phân cực, khi mắc vào mạch điện không cần phải lưu ý đến cực tính nhưng đối với tụ phân cực thì cực dương phải nối vào điểm điện áp cao hơn, cực âm nối với điểm điện áp thấp hơn

Tụ phân cực : Có cấu tạo gồm 2 điện cực cách ly nhau nhờ 1 lớp chất điện phân mỏng làm điện môi Lớp điện môi càng mỏng thì trị số điện dung càng cao Loại tụ này có sự phân cực và ký hiệu các cực được ghi trên thân của tụ, vì thế nếu nối nhầm cực tính thì lớp điện môi sẽ bị phá hủy làm hư hỏng tụ

Trong thực tế chúng ta thường gặp các loại tụ như sau :

- Tụ gốm : Điện môi bằng gốm thường có kích thước nhỏ, dạng ống hoặc dạng đĩa

có tráng KL lên bề mặt, trị số từ 1pF 1F và có điện áp làm việc tương đối cao

- Tụ mi ca : Điện môi làm bằng mica có tráng bạc, trị số từ 2,2pF đến 10nF và thường làm việc ở tần số cao Tụ này có chất lượng cao, sai số nhỏ, đắt tiền

- Tụ Polycacbonat : Có dạng tấm chữ nhật, kích thước nhỏ gọn phù hợp với các Board mạch in ,điện dung lớn (tới 1F)

- Tụ giấy polyste : Chất điện môi làm bằng giấy ép tẩm Polyeste có dạng hình trụ , có trị số từ 1nF 1F

- Tụ hóa (tụ điện phân) : Có cấu tạo là lá nhôm cùng bột dung dịch điện phân cuộn lại đặt trong vỏ nhôm , loại này có điện áp làm việc thấp , kích thước và sai số lớn , trị số điện dung khoảng 0,1 F  4700F

- Tụ tan tang : Loại tụ này được chế tạo ở 2 dạng hình trụ có đầu ra dọc theo trục

và dạng hình viên tan tan Tụ này có kích thước nhỏ nhưng trị số điện dung cũng lớn khoảng 0,1F 100F

- Tụ biến đổi : chính là tụ xoay trong Radio hoặc tụ tinh chỉnh

Dưới đây là một số hỡnh ảnh cỏc loại tụ điện mà ta rất hay gặp trong thực tế:

Không Vài trăm Volt

Tụ màng mỏng

(etallized Film)

Không

Hàng ngàn Volt

Tụ tăng tần

1.2.3 Đặc điểm

Quy tắc xác định giá trị tụ điện

Đối với loại tụ hoá: Giá trị của tụ điện được ghi ngay trên thân của tụ Ta có thể dễ dàng đọc được trị số này

Vì lý do kích thước của tụ nhỏ nên khó ghi con số cụ thể, người ta ghi một mă số trên thân tụ, chỉ gồm 4 con số để chỉ trị số và cả sai số của tụ Cách ghi như sau:

Như vậy, chúng ta lấy hai chữ số có nghĩa làm giá trị tụ, rồi nhân với 10 X , trong đó X

là con số thứ 3 (hay nói cách khác là thêm X con số 0 vào sau hai số có nghĩa) Cuối cùng, tra bảng để biết giá trị sai số của tụ điện

Tóm lại, ta có bảng số nhân và bảng sai số như sau:

Mã màu của tụ điện:

Tụ bị chấp các bản cực: khi đo kiểm tra bẳng ôm kế nếu thấy có điện trở nhỏ (R0)

và khi đổi đầu que đo không có thay đổi nhiều, tụ không phóng nạp thì tụ đã bị chập

Tụ bị thủng lớp điện môi: khi đó điên môi trở lên dẫn điện một phần, nếu kiểm tra bẳng ôm kế thì thấy có điện trở nhỏ, đổi đầu que đo điên trở đó không có sự thay đổi nhiều

Tụ bị thủng vẫn có hiện tượng phóng nạp nhưng rất yếu

Tụ bị đứt: không có hiên tượng phóng nạp, điện trở vô cùng lớn Kiểm tra bằng ôm

kế có đô nhạy cao, nếu kim không nhục nhích thì tụ có thể bị đứt Tụ không còn tác dụng dẫn tín hiệu

Tụ bị rò: Không tích điện được lâu, do có dòng dò giữa hai bản cực Khi dòng dò nhỏ thì rất khó phát hiện Nếu đo bằng ôm kế thì khi đặt que đo vào các bản cực của tụ thì tụ nạp điện nhưng kim ôm kế không trở về được vị trí vô cùng Trong mạch điện, để phát hiện tụ dò thường thông qua việc xác định điện áp bị giảm Có nhiều tụ chỉ rò ở điện áp cao do điện môi bị ion hoá, dùng vôn kế (nguồn Vol thấp) chưa chắc đã phát hiện được Hiện tượng rò gần giống như hiện tượng tụ bị chập

Tụ hoá hay tụ dầu bị khô do hóa chất hay dầu ở trong tụ bị biến tính hay bị ri ra ngoài, bản cực của tụ bị biến tính Khi đó điện dung của tụ bị giảm xuống, không thể sử dụng được, phải nhanh chóng tháo bỏ, tránh làm ảnh hưởng đến các linh kiện xung quanh, nhất là khi tụ hoá bị chảy hoá chất ra ngoài

- Cách khắc phục: Thay thế bằng tụ đúng củng loại, đúng điện dung, điện áp bằng

hoặc cao hơn

1.3 Cuộn dây và bộ biến thế: Cấu tạo, ký hiệu, đặc điểm

1.3.1 Cấu tạo

Cơ sở lý thuyết

Cuộn cảm có tính chất ngăn cản ḍng điện xoay chiều (trong khi đó tụ điện cho phép ḍng điện xoay chiều đi q ua), c̣n đối với ḍng điện một chiều th́ cuộn cảm lúc đó được coi đơn giản như một đoạn dây nối (ngắn mạch ) – c̣n tụ điện th́ lại ngăn không cho ḍng điện một chiều đi qua nó

Tính chất của cuộn cảm

Cuộn cảm hoạt động dựa trên nguyên lư điện từ

Thực tế, trong các đường dây điện thẳng b́nh thường , khi có ḍng điện chạy qua th́ xung quanh đường dây xuất hiện một từ trường, chiều của từ trường này được xác định bằng quy tắc bàn tay trái:

Hình 1.3: Qui tắc bàn tay trái

Để tăng từ trường lên, chúng ta cuộn các đoạn dây thành vòng, nhờ đó mà các từ trường kết hợp lại với nhau tạo nên cuộn cảm có từ trường mạnh hơn rất nhiều

Khi cung cấp cho cuộn cảm một dòng điện chạy qua nó thì trong cuộn cảm xuất hiện một từ trường Hình ảnh minh họa sau sẽ nói lên điều đó:

Hình 1.4: Từ thông trong cuộn dây

Trị số của cuộn cảm phụ thuộc vào ḍng điện, số ṿng dây và cấu tạo của cuộn cảm Một ứng dụng đơn giản và rơ ràng nhất của cuộn cảm chính là rơ-le

Chúng ta có thể thấy rằng, khi có ḍng điện chạy trong mạch th́ lập tức cuộn cảm sẽ sinh

ra một từ trường và hút công tắc đóng lại Điều đó làm ta ứng dụng trong nhiều rơ-le đóng tắt mạch điện công suất lớn bằng các nguồn điện nhỏ và không gây nguy hiểm cho người sử dụng

Đơn vị đo

Trị số cuộn cảm được đo bằng đơn vị Henri, kư hiệu H

Thông thường người ta hay sử dụng các đơn vị nhỏ hơn, bao gồm milihenri (mH), microhenri ( µH)

Quy đổi các đơn vị đó là 1 m H = 10 -3

H

1 µH = 10 -6 H

Ghép nối cuộn cảm trong mạch:

Chúng ta có hai cách ghép nối: ghép song song và ghép nối tiếp

Ghép nối tiếp cuộn cảm:

Khi nối tiếp, công thức tính như sau:

L t = L 1 + L 2 + + L n

Ghép song song cuộn cảm:

Công thức là:

Cuộn cảm là phần tử dùng để tích trữ và biến đổi năng lượng điện thành năng lượng từ trường còn biến áp thì dựa trên cơ sở của cuộn cảm để biến đổi điện áp từ cao xuống thấp hoặc ngược lại Điều lưu ý là cuộn cảm chỉ tác dụng nhiều đối với dòng điện xoay chiều còn với dòng 1 chiều thì cuộn cảm chỉ xem như là một điện trở thuần mà thôi Đối với dòng điện xoay chiều thì tổng trở của cuộn cảm bao gồm điện trở thuần RL và trở kháng XL Ta có :

Cuộn dây có một lõi điều chỉnh được

Cuộn dây có 2 lõi điều chỉnh được

Phân loại và cấu tạo:

Đối với cuộn cảm có hai cách phân loại:

Phân loại theo vật liệu làm lõi, có:

- Cuộn cảm lõi không khí : Được cuốn trên khung giấy hoặc nhựa, bên trong lõi là không khí , nó được làm việc ở nơi có tần số rất cao

- Cuộn cảm lõi Ferit : Cũng được cuốn trên ống cách điện, bên trong lõi là thanh Ferit có thể điều chỉnh được và thường làm việc ở nơi có tần số tương đối cao

- Cuộn cảm lõi sắt từ : Được cuốn trên 1 khung giấy hoặc nhựa, bên trong lõi làm bằng sắt

có độ từ tính cao, nó được làm việc ở nơi có tần số tương đối thấp

Phân loại theo tính chât cuộn cảm, có:

- Cuộn cảm có trị số cố định

- Cuộn cảm có trị số thay đổi

Hình ảnh một số loại cuộn cảm trong thực tế:

- Hệ số phẩm chất Q: Phản ánh chất lượng của cuộn cảm, phụ thuộc cách quấn, kiểu quấn, chất lượng lõi, kích thước cuộn cảm, kiểu ghép

- Điện dung kí sinh: Nếu cuộn cảm có nhiều tầng, nhiều lớp thì điện dung tạp tán lớn, nhất là cuộn cảm hoạt động ở tần số cao Muốn khử điện dung kí sinh phải quấn theo kiểu quấn chỉ hoặc quấn thành nhiều phần tách biệt,…

- Điện trở dây quấn: Cuộn cảm có điện trở dây quấn càng nhỏ càng tốt Nhiều loại cuộn cảm đặc biệt người ta dùng dây bạc hay dây hợp kim có điện trở bằng “không ôm”

- Điện áp danh định: Là điện áp mà khi mắc cuộn cảm vào mạch điện không bị phá huỷ

Hư hỏng, kiểm tra, thay thế

- Cuộn cảm bị chập một số vòng dây, do đó khó có thể kiểm tra bằng ôm kế mà phải dùng thiết bị đo điện cảm chuyên dụng để xác định

- Cuộn cảm bị đứt, có thể kiểm tra bằng ôm kế

- Cuộn cảm bị phóng điện do lớp cách điện hỏng, do điện áp làm việc đột ngột tăng cao Trường hợp này cũng không thể kiểm tra bẳng ôm kế, phải kiểm tra bằng thiết bị đo chuyên dụng

- Cuộn cảm bị sai tần số cộng hưởng do lõi bị điều chỉnh sai, bị vỡ, bị tác động cơ học Việc điều chỉnh lại phải do những người có kinh nghiệm thực hành cao, có máy móc đo chuyên dụng để xác định Tuyệt đối không tuỳ tiện điểu chỉnh lõi của các cuộn cảm có điện cảm điều chỉnh được, việc này do nhà thiết kế đã cân chỉnh sẵn

- Việc khắc phục chủ yếu bằng thay thế đúng trị số, đúng chủng loại

Ứng dụng: Cuộn cảm được dùng làm cuộn chặn cao tần, loa diện động, micrô điện

động

Đối với biến áp ( có 2 loại chính)

- Biến áp tự ngẫu : Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được cuốn trên cùng 1 cuộn dây, lõi bên trong thường làm bằng sắt từ

- Biến áp tự cảm : Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được cuốn trên 2 cuộn dây riêng biệt (đôi khi gọi là biến áp cách ly), lõi bên trong thường làm bằng Ferit hoặc sắt từ

Đối với biến áp : Giả sử gọi U1 , I1 , P1 , N1 lần lượt là điện áp, dòng điện, công suất,

số vòng dây cuốn của cuộn sơ cấp Gọi U2 , I2 , P2 , N2 lần lượt là điện áp , dòng điện , công suất , số vòng dây cuốn của cuộn thứ cấp thì ta có :

CHƯƠNG II: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TÍCH CỰC 2.1 Bán dẫn P, N và mặt ghép P-N

2.1.1 Bán dẫn tinh khiết

a Cấu tạo của nguyên tử – nhận xét

Ta biết rằng vật chất được cấu tạo từ những nguyên tử (đó là thành phần nhỏ nhất của nguyên tố mà còn giữ nguyên tính chất của nguyên tố đó) Theo mô hình của nhà vật lý Anh Rutherford (1871-1937), nguyên tử gồm có một nhân mang điện tích dương (Proton mang điện tích dương và Neutron trung hoà về điện) và một số điện tử (electron) mang điện tích

âm chuyển động chung quanh nhân và chịu tác động bởi lực hút của nhân Nguyên tử luôn luôn trung hòa điện tích, số electron quay chung quanh nhân bằng số proton chứa trong nhân

- điện tích của một proton bằng điện tích một electron nhưng trái dấu) Điện tích của một electron là -1,602.10-19Coulomb, điều này có nghĩa là để có được 1 Coulomb điện tích phải

có 6,242.1018 electron Điện tích của điện tử có thể đo được trực tiếp nhưng khối lượng của điện tử không thể đo trực tiếp được Tuy nhiên, người ta có thể đo được tỉ số giữa điện tích

và khối lượng (e/m), từ đó suy ra được khối lượng của điện tử là:

m

Đó là khối lượng của điện tử khi nó chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng (c=3.108m/s) Khi vận tốc điện tử tăng lên, khối lượng của điện tử được tính theo công thức Lorentz-Einstein:

(2.2)

Mỗi điện tử chuyển động trên một đường tròn và chịu một gia tốc xuyên tâm Theo thuyết điện từ thì khi chuyển động có gia tốc, điện tử phải phát ra năng lượng Sự mất năng lượng này làm cho quỹ đạo của điện tử nhỏ dần và sau một thời gian ngắn, điện tử sẽ rơi vào nhân Nhưng trong thực tế, các hệ thống này là một hệ thống bền theo thời gian Do đó, giả thuyết của Rutherford không đứng vững

Nhà vật lý học Đan Mạch Niels Bohr (1885- 1962) đã bổ túc bằng các giả thuyết sau:

Có những quỹ đạo đặt biệt, trên đó điện tử có thể di chuyển mà không phát ra năng lượng Tương ứng với mỗi quỹ đạo có một mức năng lượng nhất định Ta có một quỹ đạo dừng

Khi điện tử di chuyển từ một quỹ đạo tương ứng với mức năng lượng w

1 sang quỹ đạo khác tương ứng với mức năng lượng w

2 thì sẽ có hiện tượng bức xạ hay hấp thu năng lượng Tần số của bức xạ (hay hấp thu) này là:

2 1

w -wf=

Trong đó, h=6,62.10-34 J.s (hằng số Planck)

Hình 2.1 chuyển động của điện tử trong quỹ đạo

Với giả thuyết trên, người ta đã dự đoán được các mức năng lượng của nguyên tử hydro và giải thích được quang phổ vạch của Hydro, nhưng không giải thích được đối với những nguyên tử có nhiều điện tử Nhận thấy sự đối tính giữa sóng và hạt, Louis de Broglie (Nhà vật lý học Pháp) cho rằng có thể liên kết mỗi hạt điện khối lượng m, chuyển động với vận tốc v một bước sóng

hλ=

Tổng hợp tất cả giả thuyết trên, khả dĩ có thể giải thích được các hiện tượng quan sát được ở cấp nguyên tử Để tìm năng lượng của những điện tử trong một nguyên tử duy nhất, người ta thầy rằng mỗi trạng thái năng lượng của electron phụ thuộc vào 4 số nguyên gọi là

4 số nguyên lượng:

 Số nguyên lượng xuyên tâm: (Số nguyên lượng chính)

Xác định kích thước của quỹ đạo n=1,2,3,…7

 Số nguyên lượng phương vị: (Số nguyên lượng phụ)

Xác định hình thể quỹ đạo l=1,2,3,…,n-1

 Số nguyên lượng từ:

Xác định phương hướng của quỹ đạ

 Số nguyên lượng Spin:

Xác định chiều quay của electron s

1

m = +

1 - 2

Tất cả các nguyên tử có cùng số nguyên lượng chính (xác định kích thước quỹ đạo) hợp thành một tầng có tên là K,L,M,N,O,P,Q ứng với n=1,2,3,4,5,6,7

Ở mỗi tầng, các điện tử có cùng số nguyên lượng phụ l (xác định hình thể quỹ đạo) tạo thành các phụ tầng có tên s,p,d,f tương ứng với l=0,1,2,3

Tầng K (n=1) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử

Tầng L (n=2) có một phụ tầng s có tối đa 2 điện tử và một phụ tầng p có tối đa 6 điện

tử

Tầng M (n=3) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử) và

một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử)

Tầng N (n=4) có một phụ tầng s (tối đa 2 điện tử), một phụ tầng p (tối đa 6 điện tử),

một phụ tầng d (tối đa 10 điện tử) và một phụ tầng f (tối đa 14 điện tử) Như vậy: Tầng K có tối đa 2 điện tử

Tầng L có tối đa 8 điện tử

Tầng M có tối đa 18 điện tử

Tầng N có tối đa 32 điện tử

Các tầng O,P,Q cũng có 4 phụ tầng và cũng có tối đa 32 điện tử

Ứng với mỗi phụ tầng có một mức năng lượng và các mức năng lượng được xếp theo thứ tự như sau:

Hình 2.2 Mức năng lượng của mỗi phụ tầng

Khi không bị kích thích, các trạng thái năng lượng nhỏ bị điện tử chiếm trước (gần nhân hơn) khi hết chỗ mới sang mức cao hơn (xa nhân hơn) Thí dụ: nguyên tử Na có số điện tử z=11, có các phụ tầng 1s,2s,2p bị các điện tử chiếm hoàn toàn nhưng chỉ có 1 điện tử chiếm phụ tầng 3s

Cách biểu diễn: Theo mẫu của Bohr Theo mức năng lượng

Cách biểu diễn: Theo mẫu Bohr Theo mức năng lượng Hình 2.3 Trạng thái năng lượng Natri, Silicium, Germanium không bị kích thích

Nhận xét: Các nguyên tử đứng cô lập có cấu trúc năng lượng là các mức rời rạc

b Giải thích bằng mức năng lượng E g

Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này suy biến thành các dải gồm nhiều mức khác nhau được gọi là vùng năng lượng Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của một vật rắn tinh thể

Tùy theo tình trạng của mức năng lượng trong vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 vùng năng lượng khác nhau:

 Vùng hóa trị (vùng đầy), trong vùng đó tất cả các mức năng lượng đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do

 Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ

Hình 2.4 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng

Chúng ta đã biết, muốn tạo ra dòng điện thì trong chất rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển động

có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan đến quá trình tạo ra các hạt tự do trong mạng tinh thể

Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium

có cấu trúc vùng năng lượng với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện (hình 2.5)

Khi được một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy ra các hiện tượng ion hóa nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do (hình 2.6a): điện tử bứt khỏi liên kết ghét đôi trở thành hạt tự do và để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống)

có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo lên dòng điện trong chất bán dẫn thuần

Kết luận:

- Muốn tạo hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần cần có năng lượng kích thích đủ lớn Ekt > Eg để electron nhảy mức năng lượng qua vùng cấm từ vùng hóa trị lên vùng

- Dòng điện trong chất bán dẫn thuần gồm hai thành phần tương đương nhau do quá trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra

2.1.2 Bán dẫn tạp loại P, N

Chất bán dẫn loại N

Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độ 1010 đến 1018nguyên tử/cm3 Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một nguồn năng lượng yếu tạo nên một cặp ion dương tạp chất và điện tử tự do Ở điều kiện bình thường (250C) toàn bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa hết Ngoài ra hiện tượng phát sinh hạt giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn

xảy ra với mức độ yếu hơn

Hình 2.7 a) Mô hình cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n

Mô hình cấu trúc mạng tinh thể và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại n cho trên hình 2.7 Ta thấy rõ mức năng lượng của tạp chất loại n nằm trong vùng cấm và sát vùng dẫn Điều này tạo khả năng các nguyên tử tạp chất dễ dàng bị ion hóa giải phóng ra điện tử tự do (nhảy từ mức năng lượng tạp chất lên vùng dẫn) và làm xuất hiện các ion dương tạp chất (là các hạt có khối lượng lớn không di chuyển được và không tham gia vào dòng điện)

Vậy ta thu được một chất bán dẫn loại mới có khả năng dẫn điện chủ yếu bằng điện

tử gọi là chất bán dẫn tạp chất loại n Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại n gồm điện

tử (là các hạt đa số) và lỗ trống (là loại hạt thiểu số) tạo nên

Chất bán dẫn loại P

Nếu tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 3 (Al, Ga, In…) bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất sẽ xuất hiện các liên kết đôi bị khuyết (gọi là lỗ trống) có khả năng nhận điện tử Khi kích thích năng lượng, các nguyên tử tạp chất sẽ bị ion hóa sinh ra một cặp: ion âm tạp chất – lỗ trống tự do Mô hình mạng tinh và đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p cho trên hình 2.8

Hình 2.8 a) Cấu trúc mạng tinh thể b) Đồ thị năng lượng của chất bán dẫn tạp chất loại p

Mức năng lượng tạp chất nằm sát đỉnh vùng hóa trị tạo cơ hội nhảy mức ào ạt cho các điện tử hóa trị và hình thành một cặp ion âm tạp chất (không tham gia dòng điện) và lỗ trống (hạt đa số) Dòng điện trong chất bán dẫn tạp chất loại p gồm lỗ trống (là các hạt đa số) và điện tử (là loại hạt thiểu số) tạo nên

2.1.3 Mặt ghép P - N và các đặc tính điện

Chuyển tiếp P - N

Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử và là cấu trúc cơ bản của các loại Diode Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực

Bằng nhưng công nghệ đặc biệt, người ta cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n

và loại p tiếp xúc với nhau Tại nới tiếp xúc sẽ xảy ra các hiện tượng vật lý

a) Mặt ghép p-n khi chưa có điện áp ngoài

Hình 2.9 Tiếp xúc p-n khi chưa có điện áp ngoài

Do sự chênh lệch lớn vì nồng độ giữa hai loại bán dẫn n và p (nn>>np và pp>>pn) tại vùng tiếp giáp có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện một dòng khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận mặt tiếp xúc xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số, do đó đồng thời xuất hiện một điện trường nội hướng từ vùng n (lớp ion dương) sang vùng p (lớp ion âm) gọi là điện trường tiếp xúc Điện trường Etx cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây ra chuyển động trôi của hạt thiểu số qua miềm tiếp xúc, có chiều ngược lại với dòng khuếch tán Quá trình này xảy ra sẽ dẫn tới một trạng thái Ikt = Itr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n

b) Mặt ghét p-n khi có điện trường ngoài

Trạng thái cân bằng động trên bi phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài Có hai trường hợp xảy ra:

Hình 2.10 Tiếp xúc p-n phân cực thuận

- Khi đặt điện trường ngoài (Engoài) ngược chiều với Etx (Eng hướng từ p sang n), trạng thái cân bằng bị phá vỡ, cường độ trường tổng cộng giảm đi, do đó làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n khi nó được mở Dòng điện trôi Itr do Etx gây ra xuồng gần bằng không Trường hợp này ứng với hình 2.10 gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n

Hình 2.11 Tiếp xúc p-n phân cực ngược

- Khi Eng cùng chiều với Etx ứng với hình 2.11, trạng thái cân bằng ban đầu cũng bị phá vỡ, dòng Ikt giảm tới không, dòng gia tốc có tăng lên nhưng không đáng kể vì do hạt dẫn thiểu số đóng góp, nhanh tới một giá trị bão hòa Người ta nói đó là sự phân cực ngược cho tiếp xúc p-n

Kết luận: Tiếp xúc p-n có tính dẫn điện không đối xứng, khi bị khóa dòng qua nó nhỏ trong khi điện áp đặt vào nó (hướng từ n sang p) có giá trị lớn (vài chục vôn) do vậy tiếp xúc

có điện trở tương đối lớn Khi được mở, tiếp xúc p-n dẫn điện tốt, dòng qua nó lớn (hướng

từ p sang n) trong khi điện áp rơi trên nó nhỏ

Hình 2.12 Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn

b) nguyên lý làm việc

Khi phân cực thuận cho diode: ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P )

và điện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) như hình 2.13 Khi điện áp chênh lệch giữ hai cực anốt và katốt đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì diode bắt đầu dẫn điện theo chiều anốt đến katốt Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V )

của điện áp thuận qua diode

Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận <

0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V

Khi phân cực ngược cho diode: Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P) như hình 2.15, dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chịu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Hình 2.15 Diode phân cực ngược

c)Đặc tuyến Vôn_Ampe của diode

Đặc tuyến Vôn-Ampe biểu thị quan hệ đồ thị giữa dòng điện qua diode và điện áp đặt trên A và K của nó (hình 2.16)

Hình 2.16 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode bán dẫn

Ta có một số nhận xét sau đối với đặc tuyến của diode bán dẫn:

- Đặc tuyến là một đường cong phức tạp, chia làm có 3 vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp diode được phân cực thuận với đặc trưng là dòng lớn, áp nhỏ, điện trở nhỏ

- Vùng (2) là diode phân cực ngược (diode khóa) với đặc trưng là dòng nhỏ, có giá trị

Is rất nhỏ gần như không đổi, điện áp lớn từ hàng chục tới hàng trăn vôn, điện trở lớn (hàng chục nghìn ôm)

- Vùng (3) dòng điện ngược tăng cực mạnh, điện trở nhỏ (), điện áp gần như không đổi, được gọi là vùng bị đánh thủng Tồn tại hai dạng đánh thủng:

+ Đánh thủng vì nhiệt: do tiếp xúc p-n bị nung nóng cục bộ, vì va chạm của hạt thiểu

số được gia tốc trong trường mạnh, điều này dẫn tới quá trình sinh hạt ồ ạt làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tăng mạnh làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tăng mạnh… dòng điện ngược tăng đột biến

và mặt ghép p-n bị phá hỏng

+ Đánh thủng vì điện do ion hóa vì va chạm của hạt dẫn thiểu số với nguyên tử của chất bán dẫn thuần thường xảy ra ở mặt ghét p-n rộng (hiệu ứng zennner) và hiệu ứng xuyên

tượng nhảy mức trực tiếp của điện tử hóa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiêp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n

Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng:

2.2.2 Các loại Diode đặc biệt

Có nhiều loại diode, người ta có thể phân thành các loại như sau:

Diode tín hiệu nhỏ: Thường ở dạng linh kiện rời, được dùng trong tách sóng, điều biên, chuyển mạch, chỉnh lưu, bộ hạn chế, làm tụ điện và điện trở phi tuyến để áp dụng vao những mục đích khác nhau Những thông số quan trọng nhất của diode tín hiệu nhỏ là điện

áp thuận, điện áp ngược, dòng rò ngược, điện dụng chuyển tiếp và thời gian phục hồi

Diode chỉnh lưu Silic: đó là linh kiện cho khả năng cho dòng tải lớn đến hàng trăn ampe Bộ chỉnh lưu lý tưởng có điện trở ngược rất lớn, điện áp đánh thủng rất cao, điện trở thuận bằng không, vấn đề tản nhiệt rất quan trọng cho diode chỉnh lưu, nếu nhiệt độ tăng quá cao có thể phá hỏng tiếp giáp p-n

Hình 2.17 Đặc tuyến Vôn-Ampe của diode zener

Diode Zener: Giống như các loại diode khác, nó có thể để nắn dòng điện xoay chiều Công dụng chủ yếu là chuẩn điện áp hoặc phần tử điều chỉnh Khả năng duy trì điện áp mong muốn phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ và trở kháng của diode Tính năng chuẩn điện áp dựa trên hiệu ứng thác lũ của chuyển tiếp p-n khi có phân cực ngược tới hạn Khi đó điện trở ngược của diode giảm nhanh, do vậy cần hạn chế bằng điện trở ngoài Zener làm việc không mang tính phá hủy khi công suất tiêu tán danh định trên tiếp giáp của diode không vượt quá danh định

Thí dụ: Mạch tạo điện áp chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749 như sau: Khi chưa mắc tải vào, thí dụ dùng nguồn 15V, thì dòng qua zener là:

Hình 2.18 Mmạch tạo điện áp chuẩn 4,3V dùng diode zener 1N749

Diode Varactor/variable capacitance diode, varicap/diode biến dung: đó là diode mà lớp chuyển tiếp p-n có giá trị điện dung biến thiên theo điện áp phi tuyến Điện dung chuyển tiếp tỉ lệ nghịch với độ rộng vùng hiếm, tức là tỉ lệ nghịch với điện thế phân cực

Hình 2.19 Đặc tính của điện dung theo điện thế

Varactor được dùng nhiều trong các bộ thu, phát, dao động sóng cao tần, siêu cao tần Hiệu ứng điện dung phụ thuộc vào điện áp đặt vào khiến cho nó được sử dụng như tụ điều

hưởng điều khiển bằng điện áp trong các máy thu phát như radio, tivi, để thay cho các tụ điện dung biến đổi theo cơ học thông thường

Thí dụ muốn thay đổi tần số cộng hưởng của mạch, người ta thay đổi điện thế nghịch đặt trên diode biến dung như hình 2.20

Hình 2.20a Mạch cộng hưởng dùng diode biến dung

Diode Tunnel/Esaki diode/diode đường hầm Đó là loại diode được pha rất nhiều tạp chất, với điện áp rất nhỏ cũng làm cho diode dẫn, mà công dụng chủ yếu xuất phát từ đặc tính dẫn điện âm của nó Lớp chuyển tiếp p-n có thể thu được hiệu ứng chui hầm khi lớp nghèo được làm cực kỳ mỏng Từ đỉnh A đến B điện áp tăng mà dòng điện giảm gọi là vùng

có điện trở âm Các áp dụng điển hình của Diode Tunnel trong các bộ khuếch đại bộ dao động, bộ biến đổi và bộ tách sóng

Hình 2.20b: Đặc tuyến Von-Ampe của diode tunel

Diode Schottky, đó là diode rào bề mặt, diode kim loại-bán dẫn diode hạt tải nóng Diode loại này được hình thành bởi việc cho tiếp xúc giữa một lớp bán dẫn và một kim loại (có thể có kết tủa vàng, platin, bạc) phủ lên nó bằng cách cho bay hơi hoặc cấy ion ion qua

bề mặt Đặc tuyến quan trọng nhất của diode này có khả năng chuyển sang trạng thái nghỉ OFF trong khoảng thời gian rất ngắn, cớ pico Diode loại này dùng phổ biến trong mạch tách sóng, vì nó có tiếng ồn thấp, độ nhạy cao, hiệu suất biến đổi tốt