LUẬN văn sư PHẠM vật lý LINH KIỆN bán dẫn và ỨNG DỤNG

Chất bán dẫn loại N Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho P vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Pho

KHOA SƯ PHẠM -    -

Phần 1: MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Bước vào trào lưu công nghệ, tin học và điện tử là một phần không thể thiếu trong trào lưu hiện đại này Linh kiện điện tử, các thiết bị điện tử là một phần cần thiết trong các thiết bị công nghệ, bên cạnh đó máy tính, tin học lại góp phần giảm bớt chi phí cho các nhà thiết kế điện tử

Trong các thiết bị điện tử, phần lớn đều sử dụng các linh kiện bán dẫn, bản chất và tính năng của các linh kiện bán dẫn này có tính ưu việt và được ứng dụng ra

sao? Đề tài “Linh kiện bán dẫn và ứng dụng” sẽ góp một phần nhỏ trong câu trả lời

Ở đây, tôi chỉ nghiên cứu linh kiện bán dẫn dưới góc độ Vật lý Và những ứng dụng của linh kiện bán dẫn trong cuộc sống hàng ngày, cũng như phục vụ việc dạy học sau này

2 Mục tiêu nghiên cứu

“ Linh kiện bán dẫn và ứng dung”, sẽ giới thiệu sơ về cấu trúc, đặt tính vật lí

của các vật liệu bán dẫn, thông qua đó thiết kế một số mạch điện ứng dụng, trong

cuộc sống Đặc biệt với “Máy phát tín hiệu” sẽ phát ra ba dạng sóng cơ bản “sóng

sin, sóng tam giác và sóng vuông”, phục vụ cho nghiên cứu vật lý và cho việc giảng

dạy sau này “Mạch chọn đội” là một úng dụng các linh kiện bán dẫn, góp phần tạo

điều kiện cho các trường phổ thông tổ chức các buổi ngoại khóa, các cuộc thi thêm phần hấp dẫn

3 Phương pháp nghiên cứu

- Sử dụng các phương pháp: tham khảo, so sánh, tìm hiểu, và các biện pháp thử nghiệm

4 Phương tiên nghiên cứu

- Máy tính cùng các phần mềm mô phỏng như: Crocodile Y3D, Electronics Workbench, …

5 Thời gian, không gian và đối tượng nghiên cứu

- Đề tài được thực hiện trong vòng 15 tuần lể

- Đề tài chủ yếu tác động lên các linh kiện bán dẫn, phần mền mô phỏng

6 Các bước thực hiện đề tài

- Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn

- Nghiên cứu tài liệu liên quan, khai thác tài nguyên trên Internet

- Viết và nộp đề cương sơ bộ

- Tiến hành viết lý thuyết, nộp cho GVHD chỉnh sửa

- Khảo sát Mạch điện trên phần mềm

- Tiến hành gáp mạch thực tế

- Chạy thử nghiệm sản phẩm

- Báo cáo và bảo vệ đề tài

- Chỉnh sửa và hoàn chỉnh đề tài

Phần 2: NỘI DUNG Chương 1:

LINH KIỆN BÁN DẪN

I – VẬT LIỆU BÁN DẪN

1 Chất bán dẫn ((Semiconductor)

Chất bán dẫn (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

trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện,

về phương diện hoá học thì bán dẫn là những

chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên

tử Đó là các chất Germanium (Ge) và Silicium

(Si)

Từ các chất ban đầu (tinh khiết) ta tạo ra

được hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N (Negative) và bán dẫn loại P (Positive), sau

đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor

Si và Ge đều có hoá trị 4, tức

là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể

tinh khiết các nguyên tử Si (Ge)

liên kết với nhau theo liên kết cộng

hoá trị như hình 1.1

Hình 1.1 Chất bán dẫn tinh khiết

Hình 1.2. Chất bán dẫn N

2 Chất bán dẫn loại N

Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn

Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên

tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do, chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N (Negative : âm )

3 Chất bán dẫn loại P

Ngược lại khi ta pha thêm một

lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như

Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì

1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4

nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá

trị và liên kết bị thiếu một điện tử, trở

thành lỗ trống (mang điện dương) và

được gọi là chất bán dẫn P (Positive:

Có nhiều loại diode bán dẫn, như diode chỉnh lưu thông thường, diode Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn

được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N

ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo thành một lớp ion trung hoà về điện, lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn

* Ở hình 2.1 là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

b Hoạt động

Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống)

Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên

tử trung hòa Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó)

Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX) Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối

p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng Điện áp tiếp xúc

ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge

Thế khuếch tán (diffusion potential)

Hình 2.2 Điệp áp ngoài ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hòa Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi

là vùng nghèo Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài Đây là cốt lõi hoạt động của diode

Hình 2.3. Điệp áp ngoài cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện

Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt dẫn điện tự do Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định

c Tính chất

Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang catode Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua diode theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anodemột điện thế cao hơn ở catode Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện

+ _

áp tiếp xúc (UTX) Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện trường do UAK

sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua diode

Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID tức IDIODE) Dòng điện thuận có chiều từ anode sang catode

Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm) Do vậy phần điện

áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với UTX Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với UTX cần khoảng 0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài Ampere Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua diode khoảng 0.6V đến 1.1V Ngưỡng 0.6V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn và khi

UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA

Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược catode sang a-nốt Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp Mọi diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì diode bị đánh thủng, dòng điện qua diode tăng nhanh và đốt cháy diode

Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:

- Dòng điện thuận qua diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định)

- Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp)

- Ví dụ diode 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau:

VBR=1000V, IFMAX = 1A, VFI = 1.1V khi IF = IFMAX Những thông số trên cho biết:

- Dòng điện thuận qua diode không được lớn hơn 1A

- Điện áp ngược cực đại đặt lên diode không được lớn hơn 1000V

- Điện áp thuận (tức UAK)có thể tăng đến 1.1V nếu dòng điện thuận bằng 1A

Cũng cần lưu ý rằng đối với các diode chỉnh lưu nói chung thì khi UAK = 0.6V thì diode đã bắt đầu dẫn điện và khi UAK = 0.7V thì dòng qua diode đã đạt đến vài chục mA

d Đặc tuyến Volt-Ampere

Đặc tuyến Volt-Ampere của một diode bán dẫn lý tưởng

Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ

thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua diode theo

điện áp UAK đặt vào nó Có thể chia đặc tuyến

này thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả

quan hệ dòng áp khi diode phân cực thuận

- Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mô tả

quan hệ dòng áp khi diode phân cực nghịch

(U AK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các

diode Si, với diode Ge thông số này khác)

Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện

thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với diode) Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của diode vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện

e Phân cực cho Diode

* Phân cực thuận:

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào anode (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào catode (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại

Hình 2.4 Sơ đồ khảo sát phân cực thuận Diode

Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện 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 ) Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gìm ở mức 0,6V Đường đặc tính của nó là đồ thị UI với u là trục tung và i là trục hoành Giá trị điện áp đạt đến 0.6V thì bão hòa

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

* Phân cực ngược

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), 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 chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

f Phân loại tụ điện Diode

Tìm hiểu cấu tạo và công dụng của các loại Diode: Diode ổn áp, Diode thu quang, Diode phát quang, Diode biến dung, Diode xung, Diode tách sóng, Diode nắn điện

* Diode Zener:

Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường

nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode

Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược,

khi phân cực thuận Diode zener như diode thường

nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode

Thí nghiệm hoạt động của Zenner

Từ thí nghiệm trên ta nhận thấy VR (điện thế trước Zener) thay đổi nhưng VD(điện thế qua zener) vẫn luôn ổn định

* Diode thu quang

Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P - N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode

Hình 2.5 Thí nghiệm khảo sát đặt tính Zener

* Diode phát quang

Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện, vv

* Diode Varicap ( Diode biến dung )

Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi

ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode

Ứng dụng của Diode biến dung Varicap (VD) trong mạch cộng hưởng

Ở hình trên khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào Diode Varicap thay đổi , điện dung của diode thay đổi => làm thay đổi tần số công hưởng của mạch

Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi màu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp

* Diode xung

Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung, ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu Diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz, diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần.Về đặc điểm, hình dáng thì Diode xung không có gì khác biệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng đánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng

* Diode tách sóng

Là loại Diode nhỏ vỏ bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P - N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu

2 Transistor tiếp xúc

Transistor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận, nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược Về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau Cấu trúc này được gọi

là Bipolar Junction Transistor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm

cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính)

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter viết tắt là E, và cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị cho nhau được

a Nguyên tắc hoạt động của Transistor

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuyếch đại, Transistor là phần

tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic bằng β lần dòng bazo (dòng điều khiển) Trong

đó β là hệ số khuyếch đại dòng điện Ic = βIB

* Xét nguyên lý hoạt động của PNP

Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt

động của transistor NPN

Ta cấp một nguồn một chiều UCE

vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn

vào cực C và (-) nguồn vào cực E Cấp

nguồn một chiều UBE đi qua công tắc

và trở hạn dòng vào hai cực B và E,

trong đó cực (+) vào chân B, cực (-)

vào chân E Khi công tắc mở, ta thấy

rằng, mặc dù hai cực C và E đã được

cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng IC = 0) Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB

Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB

Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức IC = β.IB Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE, IB là dòng chạy qua mối BE β là hệ số khuyếch đại của Transistor

Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE

=> tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor

Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B

* Ký hiệu và hình dáng Transistor

* Đường tải tỉnh và điểm làm việc tỉnh

Khảo sát sự phân cực cho Transistor như sơ đồ sau:

Theo định luật Kirchhoff cho vòng bazor-emitor ta có:

B

BE CC B BE B

B CC

R

U U I VU I R

Khi làm việc chuyển tiếp emito luôn phân cực thuận, cho nên UBE thường rất nhỏ (từ 0.2V đến 0.7V), UCC không đổi, RB không đổi, do đó dòng IB từ nguồn mọt chiều cung cấp cho Transistor sẻ khhong đổi nên người ta gọi là phân cực dòng cố định

Ta có: IC = βIB

Theo định luật Kirchhoff cho vòng collector- emitor ta có:

UCC = ICRC + UCE → UCE = UCC - ICRCBiểu thức trên được gọi là phương trình đường tải tỉnh

b Các thông số kỹ thuật của Transistor

- Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn của transistor, vượt qua dòng giới

hạn này Transistor sẽ bị hỏng

- Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt vào cực CE , vượt qua

điện áp giới hạn này Transistor sẽ bị đánh thủng

- Tấn số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thường, vượt quá

tần số này thì độ khuyếch đại của Transistor bị giảm

- Hệ số khuyếch đại : Là tỷ lệ biến đổi của dòng ICE lớn gấp bao nhiêu lần

dòng IBE

- Công xuất cực đại : Khi hoat động Transistor tiêu tán một công xuất

P = UCE ICE nếu công xuất này vượt quá công xuất cực đại của Transistor thì

Transistor sẽ bị hỏng

c Một số Transistor đặc biệt

Transistor số thường được sử dụng trong các

mạch công tắc, mạch logic, mạch điều khiển , khi

hoạt động người ta có thể đưa trực tiếp áp lệnh 5V

vào chân B để điều khiển đèn ngắt mở

* Ký hiệu : Transistor Digital thường có các

ký hiệu là DTA (đèn thuận), DTC (đèn ngược), KRC (đèn ngược), KRA (đèn

thuận), RN12 (đèn ngược), RN22 (đèn thuận), UN , KSR Thí dụ: DTA132 ,

DTC 124 vv

* Transistor công xuất dòng (công xuất ngang)

Transistor công xuất lớn thường được gọi là sò Sò dòng, Sò

nguồn vv các sò này được thiết kế để điều khiển bộ cao áp

hoặc biến áp nguồn xung hoạt động, Chúng thường có điện

áp hoạt động cao và cho dòng chịu đựng lớn Các sò công

xuất dòng (Ti vi màu) thường có đấu thêm các diode đệm ở

trong song song với cực CE

RC T

F C

C

C

K R

R

C R C

R R

T

T

T

B B

B B

4 1 7

4 150

7 0 7

0

2

1

2 1

2 2 1

1 2

1 1

C B

C B

R R

R R

ββ

+ Kết quả mạch tạo ra sóng vuông liên tục mà không cần xung kích từ ngoài vào

0.987(s)

3 Thyristor (SCR – Silicon controlled Rectifier)

a Cấu tạo và đặc tính

SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối

PN) Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được

kiểm soát bởi cổng silicium Các tíêp xúc kim loại được tạo ra

Khi tăng điện áp anode-catode theo chiều thuận, UAK > 0, đến điện áp ngập

UBO (Break – Over), lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anode-catode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anode-catode đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua Thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới

hạn bởi điện trở tải ở mạch ngoài Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì IH (Holding), thì khi đó Thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt

* Có dòng điện vào cực điều khiển (Ig > 0)

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catode thì quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện

áp thuận đạt giá trị lớn nhất Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn

* Mở Thyristor

Khi được phân cực thuận, UAK>0, Thyristor có thể mở bằng hai cách:

Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-catode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp

thuận lớn nhất, U th,max Điện trở tương đương trong mạch anode-catode sẽ giảm đột ngột và dòng qua Thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không

phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị U th,max Hơn nữa như vậy xảy ra trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện

có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và catode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp anode-catode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode-catode lớn hơn một giá trị nhất định gọi là dòng duy trì (IH) Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều này nghĩa là có thể điều khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện

- Điện thế ngược cực đại:

Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác (breakdown) SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn volt

- Dòng chốt (latching current):

Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở SCR công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có công suất lớn

- Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current):

Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay Tùy theo mỗi SCR, dòng cổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA Nói chung, SCR có công suất càng lớn thì cần dòng kích lớn Tuy nhiên, nên chú ý là dòng cổng không được quá lớn, có thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR

- Thời gian mở (turn – on time):

Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường

là 0,9 lần dòng định mức) Thởi gian mở khoảng vài s Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích phải lâu hơn thời gian mở µ

- Thời gian tắt (turn – off time):

Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0Volt, tức dòng anod cũng bằng 0 Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích Thời

gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế

VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà

SCR không dẫn S Nhưµđiện trở lại Thời

gian này lớn hơn thời gian mở, thường

khoảng vài chục vậy, SCR là linh kiện

chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa

khoảng vài chục KHz

d Ứng dụng

* Mạch điều khiển tốc độ động cơ

Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số bằng cách thay đổi góc kích của dòng IG

Khi SCR chưa dẫn thì chưa có dòng điện qua động cơ, diode D nắn điện bán

kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở RV Điện áp cung cấp cho cực G lấy trên tụ C và qua cầu phân áp R2, R3

Giả sử điện áp đủ kích cho cực G là VG = 1V và dòng kích IGmin = 1mA thì điện áp trên tụ C phỉa khoảng 10V Tụ C nạp điện qua R1 và qua RV với hằng số thời gian là: τ =C(R1+R V)

Khi thay đổi trị số RR sẽ làm thay đổi thời gian nạp tụ tức là thay đổi thời điểm

có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ động

cơ bị thay đổi

Khi nguồn AC có bán kỳ âm thì diode D và SCR điều bị phân cực ngược nên diode D ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạng tháy ngưng

* Mạch nắn điện điều khiển toàn kỳ một pha

Giả sử tại thời điểm (1) tại A có bán kỳ dương và nếu T1 được kích xung dương ở G thì T1 dẫn điện, dòng điện đi từ A qua T1 rồi qua D2 và trở về nguồn (B) Khi đó ở bán kỳ (2) tại A có bán kỳ âm và nếu T2 được kích xung dương ở G thì T2 dẫn điện, dòng điện đi từ B qua T2 qua R rồi qua D1 và về nguồn (A)

Hình 3.1 (a) Sơ đồ nắn điện điều khiển toàn kỳ dùng SCR )b)&(c) điện áp trên tải (VL) so với điện áp xoay chiều ở ngõ vào (u(t)) và điện áp xung kích (VG)

4 Các linh kiện điều khiển khác

a DIAC (Diode AC semiconductor)

* Cấu tạo

Diac có ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp như một transistor

không có cực nền Hai cực T1 và T2 vì tính chất đối xứng nên không cần

* Nguyên lý

Xét mạch thí nghiệm như hình 4.1, biến trở RV

dùng để chỉnh nguồn VCC từ thấp đến cao Khi VCC

có trị số thấp thì dòng điện qua Diac chỉ là dòng điện

rỉ có trị số rất nhỏ Khi tăng điện áp VCC lên một trị

số đủ lớn là VBO thì điện áp trên Diac bị giảm xuóng

và dòng điện tăng lên nhanh Điện áp này gọi là điện

áp ngập (Break – over) và dòng điện qua Diac ở

điểm VBO là dòng điện ngập IBO

Điện áp VBO có trị số trong khoảng từ 20V đến 40V Dòng điện IBo có trị số trong khoảng vài chục µA đến vài trăm µA

Hình 4.2 cho thấy đặt

tính của Diac giống như đặt

tính của hai diode Zener

ghép nối tiếp nhưng ngược

chiều nhau, như hình 4.3

Khi có điện áp đặt vào

hai chân T1 - T2 của hao diode Zener Z1 – Z2 thì sẻ phân cực thuận cho một diode Zener, cho ra điện áp VD ≈ 0.7V và phân cực nghịch Zener tạo ra hiệu ứng Zener cho ra điện áp VZ

Như vậy điện áp , điện áp VBO = VD + VZ

Khi đổi chiều ngược lại thì vẫn có một Zener phân cực nghịch và một Zener phân cực thuận, nên ta cũng có điện áp VBO

b TRIAC (Triode AC AC semiconductor)

* Cấu tạo

Triac gồm các bán dẫn P-N ghép nối tiếp nhau

và được nối ra ba chân hai chân T1 - T2, chân là

chân cực cửa G, cấu tạo của tri Triac được xem như

hai SCR ghép song song và ngược chiều

Hình 4.4 Triac xem như 2 SCR

mắt song song, ngược chiều

- Khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn điện theo chiều từ T2 qua T1 (hình 4.5 a)

- Khi cực T2 có điện áp âm và cực G

được kích âm dương thì Triac dẫn điện

theo chiều từ T1 qua đến T2 (hình 4.5 b)

- Khi Triac được dùng trong mạch

xoay chiều thì nguồn điện có bán kỳ

dương triac được kích xung dương, dòng

kiện có bán kỳ âm Triac cũng được kích xung âm Do đó Triac cho dược dòng điện qua cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp trên hai cực T1 – T2 rất nhỏ nên được coi như công tắt bán dẫn dùng trong mạch xoay chiều (hình 4.6)

c SCS (Silicon Controlled Switch)

* Cấu tạo

Gồm 4 lớp bán dẫn xếp xen kẻ nhau giống như SCR nhưng có them một chân cổng nối với lớp bán dẫn N Để phân biệt người ta gọi chân cổng nối với lớp P là catode, chân cổng nối với N là anode

Do SCS có các lớp bán dẫn xếp xen kẻ giống như SCR nên SCS có mạch tương đương giống như SCR nhưng có them cực GA, tức là cực B của Transistor NPN

* Nguyên lý

Để điều khiển SCS dẫn, ta kích một xung dương vào cực B của Transistor NPN làm cho T1 dẫn kéo theo T2 dẫn và hai Transistor sẽ tiến đến bảo hòa SCS cũng có tính tự duy trì trạng thái dẫn sau khi được kích giống như SCR Lúc đó VAK

≈ 1V

Sau khi SCS dẫn, muốn cho SCS ngưng thì ta kích tiếp một xung dương vào cổng GA Lúc đó, Transistor PNP bị phân cực nghịch T2 ngưng kéo theo T1 ngưng Ngược lại, ta có thể kích SCS dẫn bằng xung âm vào cực cổng GA tức là phân cực thuận cho Transistor PNP tức T2 dẫn, kéo theo T1 dẫn Sau khi dẫn muốn SCS ngưng ta kích một xung âm vào vào cực GA Lúc đó, Transistor T1 bị phân cực ngược nên ngưng dẫn, kéo theo T1 ngưng

Như vậy, nhờ có thêm cực cổng GA mà ta có thể làm SCS ngưng một cách dễ dàng sau khi kích để SCS dẫn và SCS có hai phương thức kích dẫn, kích ngưng bằng xung âm hoặc dương

d GTO (Gate Turn-off Thyristor)

* Cấu tạo

GTO có cấu tạo tương đương như

Thyristor, cũng có 4 lớp bán dẫn P-N xếp xen

kẽ và nối ra ba chân là anode, catode và gate,

nhưng giữa GTO khác SCR là được chế từ

Transistor có độ khuếch đại β rất nhỏ

cổng và catode để kéo dòng IC2 để làm ngưng T1 kéo theo T2 ngưng

Đối với GTO để thực hiện được nguyên lý kích ngưng như trên, người ta chỉ chế tạo các loại GTO có công suất trung bình để có dòng IA và IA nhỏ Do đó β nhỏ nên dòng kích IG của GTO lớn hơn nhiều lần so với SCR cùng công suất GTO có một thong số quang trọng là tỉ số giữa dòng IA và dòng kích ngưng ở cực cổng IG-OFF gọi là độ lớn dòng tắt, thường khoảng 10 lần

−OFF G

A OFF I

I

e PUT (Programmable Unijunction Transistor)

G DD

R R

R V

+

=

2 1

.Khi VA <VG thì PUT không dẫn, vì lúc đó Transistor T2 loại PNP bị phân cực ngượckéo theo T1 ngưng dẫn

Điều chỉnh biến trớ sao cho VA > VG và đạt trị số đỉnh là: VP = VG + VD, lúc

đó, Transistor T2 dẫn sẽ kéo theo T1 dẫn và cả hai sẻ tiến đến bảo hòa

áp duy trì VH (Holding) và sau đó dòng điện IA tăng lên theo điện tính của diode Đoạn đặt tính từ điện ap Vs đến VH gọi là vùng điện trở âm vì đoạn này có dòng IAtăng nhưng VAK lại giảm

Điện áp chuyển mạch VS có chỉ số danh định là 8V Khi Shockley được phân cực ngược sẽ không dẫn điện, nếu tăng điện áp ngược lên đủ lớn đến một giá trị giới hạn gọi là VBR thì Shockley bị đánh thủng

g SUS (Silicon Unilateral Swicth)

SUS được chế tạo theo kiểu tích hợi nhiều linh kiên khác như điện trở, Zener, Transistor

Khi điện áp VAK tăng đến mức VS ≈ 8V thì sẻ có dòng điện qua Zener 6.8V và

T2 dẫn dòng điện IC2 tạo điện áp phân cực B của T1 là T1 dẫn lúc đó, dòng IB2 sẻ qua T1 chứ không qua Zener 6.8V nữa và hai Transistor sẽ chạy ở tạng thái bảo hòa làm cho VAK giảmnhanh đột ngột xuống mức VH

Hình 4.13 Phân cực diode Shockley

h SBS (Silicon Bilateral)

SBS có cấu tạo giống như hai SUS ghép song

song và ngược chiều

i Diode hầm (Tunnel Diode)

* Cấu tạo

Diode hầm còn được gọi là Diode Esaki có cấu tạo đặt biệt so

với các loại diode thường

Diode hầm có cấu tạo bán dẫn giống như diode thường, nhưng tỉ lệ pha tạp chất rất cao

* Đặc tính

Khi phân cực thuận trong khoảng VAK có trị số thấp thì dòng điện tăng nhanh theo điện áp, khi dòng điện tăng

đén trị số đỉnh IPứng với điện áp

đỉnh VP thì dòng điện lại giảm

trong khi điện áp tăng Khi dòng

dòng điện giảm đến mức thấp

nhất thì gọi là dòng điện thung

lũng IV ứng với điện áp thung

lũng VV và sau đó lại tăng lên như

điện áp thong thường

Đoạn đặc tính Diode hầm trong khoảng dòng điện giảm, điện áp tăng cũng gọi

2 Hình thức:

Sau khi khởi động giao diện của Crocodile Technology 607 như sau:

Trong đó lớp Contents là cách mạch điện được thiết kế sẳn, New model lớp

thư viện dành cho ta thiết kế Ở đây ta làm việc trực tiếp trên lớp này

4 Thao tác làm việc

Để thao tác trên phần miềm chúng ta chỉ cần Right_click mouse từ từ linh kiện sang không gian mô phỏng Để thao tác trên phần mềm ta thực hiện các bước sau:

Bước 1: Click muose vào lớp thư viện Parts Library Chọn mục Elictronic

Bước 2: Click Rectangula PCB space hoặc Circular PCB space drag ngoài

không gian mô phỏng Ta được:

Trong đó:

(1): Menu điều khiển, Gồm: thu lớn nhỏ; quay trong không gian ba chiều; di chuyển tới lui; xem ở các góc độ khác nhau trong không gian 3D

(2): Nơi bố trí các linh kiện (Booa mạch) dưới dạng hình ảnh thực tế của các linh kiện

(3): Nơi dùng để thiết kế sơ đồ nguyên lý

Bước 3: Click chọn linh kiện cần thiết ra vùng làm việc, trên booa mach hoặc nơi viết sơ đồ nguyên lý, sau đó tiến hành gáp trên sơ đồ nguyên lý, khi đó các linh kiện trên booa mach tự động được gáp lại