Giao trinh điện tử cơ bản

Khi bị che tối thì điện trở quang có trị số rất lớn, khi được chiếu sáng thì độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng do các cặp điện tử tự do và lỗ trống hìnhthành nhiều tức là điện trở giảm n

MỤC LỤC

Chương 1: LINH KIỆN THỤ ĐỘNG R, L, C 7

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 40

Chương 3: TRANZITOR LƯỠNG CỰC ( BJT) 43 3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của BJT 43

4.2 Tranzitor trường có cực cửa tiếp giáp (JFET) 56

4.3 Tranzitor trường có cực cửa cách ly (MOSFET) 60

Chương 6: CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN KHÁC 68

Chương 1: LINH KIỆN THỤ ĐỘNG R, L, C

1.1 ĐIỆN TRỞ (R)

1.1.1 Khái niệm chung:

Điện trở là một trong những linh kiện điện tử dùng trong các mạch điện

tử để đạt các giá trị dòng điện và điện áp theo yêu cầu của mạch Chúng có tácdụng như nhau trong cả mạch điện một chiều lẫn xoay chiều và chế độ làm việccủa điện trở không bị ảnh hưởng bởi tần số của nguồn xoay chiều

- Công dụng : Điện trở dùng để hạn chế dòng điện hay cản trở dòng điện

- Ký hiệu:

- Hình dạng thực tế:

Hình 1.1: Ký hiệu điện trở

1.1.2 Cấu tạo điện trở:

a) Điện trở than (carbon resistor)

Người ta trộn bột than và bột đất sét theo một tỉ lệ nhất định để cho ranhững trị số khác nhau Sau đó, người ta ép lại và cho vào một ống bằngBakelite Kim loại ép sát ở hai đầu và hai dây ra được hàn vào kim loại, bọckim loại bên ngoài để giữ cấu trúc bên trong, đồng thời chống cọ xát và ẩm.Ngoài cùng người ta sơn các vòng màu để cho biết trị số điện trở Loại điện trởnày dễ chế tạo, độ tin cậy khá tốt nên nó rẻ tiền và rất thông dụng Điện trở than

có trị số từ vài Ω đến vài chục MΩ Công suất danh định từ 0,125 W đến vài W

b) Điện trở màng cacbon:

Điện trở màng cacbon gồm một lớp màng cacbon bao quanh một ống phủgốm mỏng Độ dày của lớp màng bao này tạo nên trị số điện trở, màng càngdày, trị số điện trở càng nhỏ và ngược lại Hai dây dẫn kim loại được kết nối vớinắp ở cả hai đầu điện trở Toàn bộ điện trở được bao bằng một lớp keo êpôxi,hoặc bằng một lớp gốm Các điện trở màng cacbon có độ chính xác cao hơn cácđiện trở hợp chất cacbon, vì lớp màng được láng một lớp cacbon chính xáctrong quá trình sản xuất Loại điện trở này được dùng phổ biến trong các máytăng âm, thu thanh, trị số từ 1Ω tới vài chục mêgôm MΩ, công suất tiêu tán từ1/8 W tới hàng chục W; có tính ổn định cao, tạp âm nhỏ, nhưng có nhược điểm

là dễ vỡ

Hình 1.2: Hình dạng điện trở

Hình 1.3: Mặt cắt của điện trở

c) Điện trở dây quấn:

Loại điện trở dây quấn có ưu điểm là bền, chính xác, chịu nhiệt cao do đó

có công suất tiêu tán lớn và có mức tạp âm nhỏ, nhưng giá thành cao.

Làm bằng hợp kim Ni – Cr quấn trên một lõi cách điện sành, sứ Bên ngoàiđược phủ bởi lớp nhựa cứng và một lớp sơn cách điện Điện trở chính xác dùngdây quấn có trị số từ 0,1 Ω đến 1,2 MΩ, công suất danh định thấp từ 0,125 Wđến 0,75 W , loại điện trở này gọi điện trở công suất

d) Điện trở màng kim loại:

Điện trở màng kim loại được chế tạo theo cách kết lắng màng niken-crômtrên thân gốm chất lượng cao, có xẻ rảnh hình xoắn ốc, hai đầu được lắp dây nối

và thân được phủ một lớp sơn Điện trở màng kim loại ổn định hơn điện trở thannhưng giá thành đắt gấp khoảng 4 lần Công suất danh định khoảng 1/10W trởlên Phần nhiều người ta dùng loại điện trở màng kim loại với công suất danhđịnh 1/2W trở lên, dung sai ±1% và điện áp cực đại 200V

e) Điện trở ôxýt kim loại:

Điện trở ôxýt kim loại được chế tạo bằng cách kết lắng màng ôxýt thiếctrên thanh thuỷ tinh đặc biệt Loại điện trở này có độ ẩm rất cao, không bị hưhỏng do quá nóng và cũng không bị ảnh hưởng do ẩm ướt Công suất danh địnhthường là 1/2W với dung sai ±2%

1.1.3 Đơn vị đo của điện trở:

1.1.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của điện trở:

a Công suất điện trở:

Là tích số giữa dòng điện đi qua điện trở và điện áp đặt lên hai đầu điệntrở Trong thực tế, công suất được qui định bằng kích thước điện trở với cácđiện trở màng dạng tròn, ghi trên thân điện trở với các loại điện trở lớn dùngdây quấn vỏ bằng sứ, tra trong bảng với các loại điện trở hàn bề mặt (SMD)

b Sai số của điện trở:

Là khoảng trị số thay đổi cho phép lớn nhất trên điện trở Sai số nằm trongphạm vi từ 1% đến 20% tuỳ theo nhà sản xuất và được ghi bằng vòng màu, kí tự

c Trị số điện trở:

Là giá trị của điện trở được ghi trên thân bằng cách ghi trực tiếp, ghi bằngvòng màu, bằng kí tự

b Ghi bằng vòng màu:

Là cách đánh vạch màu trên thân điện trở, thường loại này ứng dụng cho

các loại điện trở có công suất nhỏ, thường khoảng ¼ W, thông qua bảng qui ướcvạch màu ta tính được giá trị của điện trở

Điện trở thường được dánh dấu bằng 4,5, 6 vạch màu, với bảng màu quiước như sau:

Bảng 1.1: Bảng qui ước màu linh kiện thụ động

Ví dụ: Đọc điện trở có 4 vòng màu như sau:

- Nâu; đỏ; đen; vàng kim = 1;2; không có số 0, sai số 5% Đọc là:12Ω;5%

- Cam; cam; đỏ; bạch kim = 3; 3; hai số 0; sai số 10% Đọc là:

3300Ω;10%

Chú ý: Với các loại điện trở có 4 vòng màu chỉ có ba loại sai số vàng kim 10%

bạc kim 20% Các điện trở có 5 hoặc 6 vòng màu là loại điện trở chính xác mới

sử dụng loại sai số khác, được sử dụng chủ yếu trong các mạch có độ chính xáccao như thiết bị đo lường

c) Ghi bằng kí tự:

Loại linh kiện được ghi giá trị bằng kí tự thường có kích thước rất nhỏ

được dùng chủ yếu trong công nghệ hàn bề mặt SMD: Surface Mount Device.

Ngoài nhiệm vụ ghi trị số linh kiện đôi khi do nhu cầu kí tự còn có thể dùng đểghi mã số linh kiện do đó muốn tra cứu thông số kĩ thuật của linh kiện người tacần phải tra bảng tuy nhiên việc dùng bảng tra trong thực tế chỉ tiến hành vớicác linh kiện bán dẫn hoặc các linh kiện thụ động ở dạng tích hợp

Ví dụ:

Đọc giá trị điện trở như sau: 12000Ω

Với các điện trở nhỏ hơn 10 người ta thường chèn thêm chữ R:

Hình 1.8: Cách kí hiệu linh kiện giá trị nhỏ hơn 10

b VDR (Voltage Dependent Resistor): là loại điện trở mà trị số của nó phụ

thuộc điện áp đặt vào nó Thường thì VDR có trị số điện trở giảm khi điện áp tăng

c Điện trở quang (photoresistor) là một linh kiện bán dẫn thụ động

không có mối ghép P-N Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là CdS, CdSeCadmium Selenid), hoặc các tinh thể hỗn hợp khác

Điện trở quang còn gọi là điện trở tùy thuộc ánh sáng (LDR ≡Light Dependent Resistor) có trị số điện trở thay đổi tùy thuộc cường độ ánhsáng chiếu vào nó

Khi bị che tối thì điện trở quang có trị số rất lớn, khi được chiếu sáng thì

độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng do các cặp điện tử tự do và lỗ trống hìnhthành nhiều tức là điện trở giảm nhỏ Điện trở quang có trị số điện trở thayđổi không tuyến tính theo độ sáng chiếu vào nó Khi trong bóng tối điện trởquang có trị số khoảng vài megaohm, trị số của điện trở quang trong bóng tốivới nhiều trường hợp ứng dụng cần phải biết Khi được chiếu sáng điện trởquang có trị số rất nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm Ohm

Điện trở quang được ứng dụng làm bộ phận cảm biến quang trong cácmạch tự động điều khiển bởi ánh sáng; mạch đo ánh sáng; mạch chỉnh hội tụcủa một số thiết bị;

e) Một số điện trở khác:

- Điện trở cầu chì

- Điện trở xi – măng

Hình 1.11 Hình dạng và ký hiệu của điện trở quang

Hình 1.10 Cấu tạo điện trở quang

- Điện trở chip.

1.2 BIẾN TRỞ (VR - Variable Resistor)

1.2.1 Khái niệm chung:

Biến trở cũng giống như điện trở, được sử dụng để cản trở dòng điện,nhưng có giá trị thay đổi được nhờ tác động cơ học

- Kí hiệu của biến trở:

1.2.2 Cấu tạo của biến trở:

Hình 1.14: Cấu trúc và hình dạng của biến trở

Mặt biến trở được phủ lớp bột than, con chạy và chân của biến trở là kimloại để dễ hàn Loại biên trở này dùng trong các mạch có công suất nhỏ dòng quabiến trở từ vài mA đến vài chục mA để phân cực cho các mạch điện là chủ yếu

1.3 TỤ ĐIỆN (C)

1.3.1 Khái niệm chung:

Hình 1.13: Ký hiệu của biến trở Hình 1.12: Hình dạng một số điện trở đặc biệt

Tụ điện (capacitor) là linh kiện có tính tích trữ năng lượng điện dưới dạngđiện trường Tụ điện có nhiều loại và nhiều cỡ khác nhau Phạm vi trị số điệndung có từ 1,8pF đến trên 10.000μF.

- Ký hiệu:

a ký hiệu tụ lá – b ký hiệu tụ hóa – c ký hiệu tụ xoay

- Hình dạng tụ điện:

a,c: tụ lá – b tụ xoay – d,e: tụ hóa

- Công dụng: Tụ điện dùng để phóng, nạp điện áp hoặc lọc tín hiệu, tạo tần sốcộng hưởng

1.3.2 Cấu tạo và phân loại tụ điện

a Cấu tạo: Tụ điện được cấu tạo gồm hai bản cực bằng chất dẫn điện (kim

loại) đặt song song gần nhau nhưng cách điện bởi lớp điện môi ở giữa

Hình 1.15: Ký hiệu tụ điện

Hình 1.16: Hình dạng tụ điện

b Phân loại tụ điện

* Dựa theo mục đích sử dụng:

- Tụ cố định: là tụ có trị số điện dung cố định Trị số này được nhà sản xuất ấnđịnh có sai số trong phạm vi cho phép Nó được chia làm hai dạng:

+ Tụ có cực (polar): tụ có phân cực tính dương và âm

+ Tụ không phân cực (nonpolar): tụ có hai cực như nhau

- Tụ biến đổi: là loại tụ có trị số điện dung được điều chỉnh thay đổi theoyêu cầu sử dụng

* Dựa theo chất điện môi:

- Tụ hóa: là loại tụ có phân cực tính Tụ hóa có bản cực là những lá nhôm,

điện môi là lớp oxit nhôm rất mỏng được tạo bằng phương pháp điện phân.Điện dung của tụ hóa khá lớn, tụ dùng một dung dịch hoá học là axit boric làmđiện môi Chất điện môi này được đặt giữa 2 lá bằng nhôm làm hai cực của tụ.Khi có một điện áp một chiều đặt giữa 2 lá thì tạo ra một lớp oxyt nhôm mỏnglàm chất điện môi, thường lớp này rất mỏng, nên điện dung của tụ khá lớn Tụhoá thường có dạng hình ống, vỏ nhôm ngoài là cực âm, lõi giữa là cực dương,giữa 2 cực là dung dịch hoá học Tụ được bọc kín đế tránh cho dung dịch hoáhọc khỏi bị bay hơi nhanh, vì dung dịch bị khô sẽ làm cho trị số của tụ giảm đi

Tụ hoá có ưu điểm là trị số điện dung lớn và có giá thành hạ, nhưng lại cónhược điểm là dễ bị rò điện Khi dùng tụ hoá cần kết nối đúng cực tính của tụvới nguồn cung cấp điện Không dùng được tụ hoá cho mạch chỉ có điện ápxoay chiều tức là có cực tính biến đổi

Khi lắp ráp phải lắp đúng cực tính dương và âm Điện thế làm việcthường nhỏ hơn 500V

Hình 1.17: Cấu tạo tụ điện

- Tụ hóa tantal (Ta): là tụ có phân cực tính, có cấu tạo tương tự tụ hóa Tụ

Tantal có kích thước nhỏ nhưng điện dung lớn Điện thế làm việc chỉ vài chụcvolt

- Tụ giấy: là loại tụ không phân cực tính Tụ giấy có hai bản cực là những

lá nhôm hoặc thiếc, ở giữa có lớp cách điện là giấy tẩm dầu và cuộn lại thànhống

- Tụ màng: là tụ không phân cực tính Tụ màng có chất điện môi là màng

chất dẻo như: polypropylene, polystyrene, polycarbonate, polyethelene Cóhai loại tụ màng chính: loại foil và loại được kim loại hóa

- Tụ gốm (ceramic): là loại tụ không phân cực tính Tụ gốm được chế tạo

gồm chất điện môi là gốm, trên bề mặt nó có lớp bạc để làm bản cực

- Tụ mica: là loại tụ không phân cực tính Tụ mica được chế tạo gồm

nhiều miếng mica mỏng, tráng bạc, đặt chồng lên nhau hoặc miếng mica mỏngđược xếp xen kẽ với các miếng thiếc Các miếng thiếc lẻ nối với nhau tạo thànhmột bản cực, Các miếng thiếc chẵn nối với nhau tạo thành một bản cực Sau đóbao phủ bởi lớp chống ẩm bằng sốp hoặc nhựa cứng Thường tụ mica có dạnghình khối chữ nhật

1.3.3 Đơn vị đo tụ điện

Điện dung (capacitance) là đại lượng để đặc trưng khả năng tích điện của tụ

Tụ điện ký hiệu: C, đơn vị: Farad (F)

Microfarad: 1 µF = 10-6 F

Nanofarad: 1 nF = 10-9 F

Picofarad: 1 pF = 10-12 F

1.3.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của tụ điện

- Độ chính xác: Tuỳ theo cấp chính xác mà trị số tụ điện có cấp sai số.

Bảng 1.2: Các cấp sai số của tụ điện

Cấp sai số Sai số cho phép

- Trị số danh định: của tụ điện tính bằng Fara hoặc các ước số của Fara là 1µF

(10-6 Fara), nF (10-9 Fara) và pF(10-12 Fara) được ghi trên tụ điện bằng mã quy ước

1.3.5 Cách đọc giá trị tụ điện

- Đọc giá trị tụ hóa: bằng cách đọc trực tiếp thông số ghi trên thân tụ điện

- Đọc giá trị tụ lá: thông qua vạch màu hoặc qui đổi Qui ước màu đối với

tụ điện tương tự qui ước màu đối với điện trở

Ctd: Điện dung tương đương của mạch điện

dung tương đương của mạch điện

Giải: Từ công thức tính ta có: Ctd =

2 1

2 1

C C

C C

+

× = 11×+22,,22= 0,6875μF

b Mạch mắc song song:

Hình 1.18 Mạch tụ điện mắc nối tiếp

Hình 1.20 Tụ tantal

Công thức tính: Ctd = C1+ C2 + + Cn

Ctd: Điện dung tương đương của mạch điện.

Ví dụ: Tính điện dung tương đương của hai tụ điện mắc nối tiếp, Với C1=

3,3μF; C2=4,7μF

1.3.7 Các linh kiện khác cùng nhóm:

- Tụ tantal: là loại tụ có phân cực nhưng kích thước nhỏ.

- Tụ xoay: là loại tụ có trị số điện dung được điều chỉnh thay đổi theo yêu cầu

sử dụng

- Tụ tinh chỉnh: Điện dung thay đổi được trong phạm vi nhỏ.

1.4 CUỘN CẢM (L)

1.4.1 Khái niệm chung:

Cuộn cảm có tác dụng ngăn cản dòng điện xoay chiều trên mạch điện, đốivới dòng điện một chiều cuộn cảm đóng vai trò như một dây dẫn điện

- Công dụng: Cuộn cảm được ứng dụng làm micro điện động, loa điệnđộng, rơle, biến áp, cuộn dây trong đầu đọc đĩa, Trong mạch điện tử, cuộn cảm

Hình 1.19 Mạch tụ điện mắc song song

số sử dụng mà cuộn cảm gồm nhiều vòng dây hay ít, có lõi hay không có lõi.

Hệ số tự cảm là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ năng lượng từtrường của cuộn cảm

Hình 1.21 Ký hiệu cuộn cảm

Hình 1.22 Hình dạng thực tế cuộn cảm

b Phân loại cuộn cảm:

Có nhiều cách phân loại cuộn cảm:

a) Phân loại theo kết cấu: cuộn cảm 1 lớp, cuộn cảm nhiều lớp, cuộn cảm

có lõi không khí, cuộn cảm có lõi ferit, cuộn cảm có lõi sắt từ…

b) Phân loại theo tần số làm việc: cuộn cảm âm tần, cuộn cảm cao tần

1.4.3 Đơn vị đo của cuộn cảm

Đơn vị đo của cuộn cảm là: Henri (H)

a Biến áp có lõi là không khí – b Biến áp có lõi là ferit

c Biến áp có lõi là sắt từ – d Biến áp tự ngẫu

- Cấu tạo biến áp: Biến áp gồm 2 cuộn dây đồng tráng men cách điện quấntrên một lõi thép từ khép kín, cuộn nhận điện áp vào gọi là cuộn sơ cấp,cuộn cho lấy điện áp ra là cuộn thứ cấp Lõi từ không phải là một khối sắt màgồm nhiều lá sắt mỏng ghép song song cách điện nhau để tránh dòngđiện Foucoult làm nóng biến thế

Ngoài ra, lõi của biến thế cõ thể là sắt bụi hay không khí

Hình 1.24 Ký hiệu biến áp

Hình 1.25 Cấu tạo biến áp

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1

Câu hỏi nhiều lựa chọn: Hãy lựa chọn phương án đúng để trả lời các

câu hỏi dưới đây bằng cách tích dấu X vào ô vuông thích hợp:

c Tăng công suất

a Tăng công suất chịu tải

b Giảm giá trị điện trở trên mạch

c Tăng diện tích toả nhiệt trên mạch

1.8 Biến trở trong mạch điện dùng để làm gì?

a Thay đổi giá trị của điện trở

b Thay đổi điện áp phân cực

c Thay đổi dòng phân cực

b Giảm điện áp cung cấp cho mạch

c Phân cực cho mạch điện

b Giảm điện áp cung cấp cho mạch điện

c Phân cực cho mạch điện

0

Cách ghi trị số linh kiện thụ động dựa vào đâu?

a Giá trị của linh kiện

b Kích thước của linh kiện

c Hình dáng của linh kiện

d Cấu tạo của linh kiện

Đã từ lâu, tuỳ theo tính chất của vật chất, người ta thường chia vật chất làmhai loại là chất dẫn điện và chất cách điện Từ đầu thế kỷ trước người ta đã chú

* Các tính chất của chất bán dẫn:

- Điện trở của chất bán dẫn giảm khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng khi nhiệt

độ giảm Một cách lý tưởng ở không độ tuyệt đối (- 2730C) thì các chất bán dẫnđều trở thành cách điện Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất nhiều theo độtinh khiết Các chất bán dẫn hoàn toàn tinh khiết có thể coi như cách điện khi ởnhiệt độ thấp Nhưng nếu chỉ có một chút tạp chất thì độ dẫn điện tăng lên rấtnhiều, thậm chí có thể dẫn điện tốt như các chất dẫn điện

- Điện trở của chất bán dẫn thay đổi dưới tác dụng của ánh sáng Cường

độ ánh sáng càng lớn thì điện trở của chất bán dẫn thay đổi càng lớn

- Khi cho kim loại tiếp xúc với bán dẫn hay ghép hai loại bán dẫn N và Pvới nhau thì nó chỉ dẫn điện tốt theo một chiều Ngoài ra, các chất bán dẫn cónhiều đặc tính khác nữa

sự di chuyển có hướng của các điện tích âm (điện tử), mà còn là sự di chuyển cóhướng của các điện tích dương (lỗ trống)

Ví dụ: Một nguyên tử gécmani có bốn điện tử ngoài cùng Nó liên kết với

bốn nguyên tử chung quanh Tạo thành 08 điện tử ở lớp ngoài cùng Mối liênkết này khá bền vững Cho nên ở nhiệt độ rất sẽ không có thừa điện tử tự do, do

đó không có khả năng dẫn điện Gọi là trạng thái trung hoà về điện

Hình 2.1 Cấu trúc tinh thể Si

0->

0->

d ß n g l ç t r è n g

0 - - - >

d ß n g ® i Ö n t ö 0-

0-0 - - - >

0-> >

0-0 - - - >

0->

_

0->

thắng được sự ràng buộc của hạt nhân thì rời bỏ nguyên tử của nó, trở thành

điện tử tự do, di chuyển trong mạng tinh thể Chỗ của chúng chiếm trước đây

trở thành lỗ trống và trở thành ion dương Ion dương có nhu cầu lấy một điện tử

bên cạnh để trở về trạng thái trung hoà về điện Người ta coi ion dương đó có

một lỗ trống, khiến cho một điện tử bên cạnh dễ nhảy vào lấp đi Chỗ của điện

tử này lại bỏ trống, nghĩa là lại tạo nên một lỗ trống khác và lại có một điện tử ở

cạnh đó nhảy vào lấp chỗ trống Cứ như vậy, mỗi khi có một điện tử tự do thoát

khỏi ràng buộc với hạt nhân của nó, chạy lung tung trong mạng tinh thể, thì

cũng có một lỗ chạy trong đó Thực chất, sự di chuyển của lỗ trống là do di chuyển

của các điện tử chạy tới lấp lỗ trống

Trong chất bán dẫn tinh khiết bao giờ số điện tử và số lỗ trống di chuyễncũng bằng nhau ở nhiệt độ thấp thì chỉ có ít cặp điện tử lỗ trống di chuyển

Nhưng nhiệt độ càng cao thì càng có nhiều cặp điện tử, lỗ trống di chuyễn Sự

di chuyển này không có chiều nhất định nên không tạo nên dòng điện Nếu bây

giờ đấu thanh bán dẫn với hai cực dương, âm của một pin, thì giữa hai đầu

thanh bán dẫn có một điện trường theo chiều từ A đến B Các điện tử sẽ di

chuyển ngược chiều điện trường, các điện tử tới lấp lỗ trống cũng chạy ngược

chiều điện trường Dòng điện tử và dòng lỗ trống hợp thành dòng điện trong

thanh bán dẫn nhiệt độ càng tăng thì dòng điện càng lớn

Hình 2.2: Chiều chuyển động của các điện tử và lỗ trống

c Sự dẫn điện trong chất bán dẫn tạp:

* Bán dẫn loại N: (Negative)

Bán dẫn loại N còn gọi là bán dẫn điện tử

-24-hay bán dẫn âm Nếu cho một ít tạp chất Asen

(As) vào tinh thể gecmani (Ge) tinh khiết ta thấy

hiện tượng sau: nguyên tử asen có năm điện tử ở

lớp ngoài cùng, nên chỉ có 4 điện tử của asen kết

hợp với bốn điện tử liên kết giữa asen và bốn nguyên tử gecmani, còn điện tửthứ năm thì thừa ra Nó không bị ràng buộc với một nguyên tử gecmani nào,nên trở thành điện tử tự do chạy lung tung trong tinh thể chất bán dẫn Do đó,khả năng dẫn điện của loại bán dẫn này tăng lên rất nhiều so với chất bán dẫnthuần Nồng độ tạp chất Asen càng cao thì số điện tử thừa càng nhiều và chấtbán dẫn càng dẫn điện tốt Hiện tượng dẫn điện như trên gọi là dẫn điện bằngđiện tử Chất bán dẫn đó gọi là chất bán dẫn N,

Nếu cho tạp chất hoá trị 5 như phốt pho (P), Asen (As), antimoan (Sb)vào các chất hoá trị 4 như gecmani (Ge), silic (Si), cacbon (C) ta có bán dẫn N.Trong chất bán dẫn loại N thì các điện tử thừa là các hạt điện tích âm chiếm đa

số Số lượng điện tử thừa phụ thuộc nồng độ tạp chất Còn số các cặp điện tử

-lỗ trống do phá vỡ liên kết tạo thành thì phụ thuộc vào nhiệt độ

Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bán dẫn loại N, thìdưới tác động của điện trường E, các điện tử thừa và các cặp điện tử - lỗ trốngđang di chuyễn lộn xộn sẽ phải di chuyển theo hướng nhất định: điện tử chạyngược chiều điện trường còn các lỗ trống chạy cùng chiều điện trường Nhờ đótrong mạch có dòng điện Dòng điện do các điện tử thừa sinh ra lớn hơn nhiều

so với dòng điện do các cặp điên tử - lỗ trống tạo nên Vì thế các điện tử thừanày gọi là điện tích đa số

* Bán dẫn loại P: (Positive)

Bán dẫn loại P còn gọi là bán dẫn lỗ trống

hay bán dẫn dương Nếu cho một ít nguyên tử In

đi (In) vào trong tinh thể gecmani tinh khiết thì

ta thấy hiện tượng sau: nguyên tử indi có ba điện

tử ở lớp ngoài cùng, nên ba điện tử đó chỉ liên kết

với ba điện tử của ba nguyên tử gecmani chung

quanh Còn liên kết thứ tư của inđi với một nguyên tử gecmani nữa thì lại thiếumất một điện tử, chỗ thiếu đó gọi là lỗ trống, do có lỗ trống đó nên có sự dichuyển điện tử của nguyên tử gécmani bên cạnh tới lấp lỗ trống và lại tạo nênmột lỗ trống khác, khiến cho một điện tử khác lại tới lấp Do đó chất bán dẫn

Hình 2.4 Bán dẫn loại P.

loại P có khả năng dẫn điện Lỗ trống coi như một điện tích dương Nguyên tửinđi trước kia trung tính, nay trở thành ion âm, vì có thêm điện tử.

Hiện tượng dẫn điện như trên gọi là dẫn điện bằng lỗ trống Chất bán dẫn

đó là bán dẫn loại P hay còn gọi là bán dẫn dương

Nếu có tạp chất hoá trị ba như inđi (In), bo (B), gali (Ga) vào các chất bándẫn hoá trị bốn như Ge, Si thì có bán dẫn loại P

Trong chất bán dẫn loại P, lỗ trống là những hạt mang điện tích chiếm đa

số Số lượng lỗ trống phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, còn số các cặp điện tử - lỗtrống do phá vỡ liên kết tạo thành thì phụ thuộc vào nhiệt độ

Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bán dẫn loại P thì dướitác động của điện trường E, các lỗ trống (đa số) và các cặp điện tử - lỗ trốngđang di chuyễn lung tung theo mọi hướng sễ phải di chuyển theo hướng quyđịnh Nhờ đó trong mạch có dòng điện Dòng điện do lỗ trống sinh ra lớn hơnnhiều so với dòng điện do cặp điện tử - lỗ trống Vì thế trong bán dẫn loại P các

- Linh kiện bán dẫn có điện áp ngược nhỏ hơn so với đèn điện tử chân không,

- Linh kiện bán dẫn có dòng điện ngược (Dòng điện rò)

- Linh kiện bán dẫn có điện trở ngược không lớn, lại không đồng đều, cáclinh kiện giống nhau có điện trở sai khác

- Các thông số kĩ thuật của linh kiện bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ (nhiệt

độ tăng dòng điện trong chất bán dẫn tăng)

2.1.2 Đi ốt bán dẫn

a Ký hiệu, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

- Ký hiệu:

Hình 2.5 Ký hiệu và hình dạng của đi ốt

- Cấu tạo:

Hình 2.6 Cấu tạo mối nối P - N

Khi ghép hai loại bán dẫn P và N với nhau thì điện tử thừa của N chạysang P và các lỗ trống của bán dẫn P chạy sang N Chúng gặp nhau ở vùng tiếpgiáp, tái hợp với nhau và trở nên trung hoà về điện

Ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên chỉ còn lại nhữngion âm Vì vậy, ở vùng đó có điện tích âm, ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn N,

do mất điện tử thừa, nên chỉ còn lại những ion dương Vì vậy ở vùng đó có điệntích dương, do đó, hình thành điện dung ở mặt tiếp giáp Đến đây, sự khuếch tánqua lại giữa P và N dừng lại Vùng tiếp giáp đã trở thành một bức rào ngănkhông cho lỗ trống từ P chạy qua N và điện tử N chạy qua P Riêng các hạtmang điện tích thiểu số là các điện tử trong bán dẫn P và các lỗ trống trong bándẫn N là có thể vượt qua tiếp giáp, vì chúng không bị ảnh hưởng của bức xạhàng rào ngăn, mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ Trong bán dẫn P, các điện tích đa số

là các lỗ trống, còn trong bán dẫn N là các điện tử thừa

- Nguyên lí hoạt động:

- Đi ốt được phân cực thuận:

Hình 2.7 Phân cực thuận cho mối nối P - N

Do tác dụng của điện trường E, các điện tử thừa trong N chạy ngược chiềuđiện trường vượt qua tiếp giáp sang P, để tái hợp với các lỗ trống trong P chạy

về phía tiếp giáp Điện tử tự do từ âm nguồn sẽ chạy về bán dẫn N để thay thế,tạo nên dòng thuận có chiều ngược lại Dòng thuận tăng theo điện áp phân cực.Ngoài ra, phải kể đến sự tham gia vào dòng thuận của các điện tử trong cặp điện

tử - lỗ trống Khi nhiệt độ tăng lên thì thành phần này tăng, làm cho dòng thuậntăng lên

- Đi ốt được phân cực ngược:

Hình 2.8 Phân cực ngược cho mối nối PN

Do tác động của điện trường E các điện tử thừa trong N và các lỗ trống trong Pđều di chuyển về hai đầu mà không vượt qua được tiếp giáp, nên không tạo nênđược dòng điện Chỉ còn một số điện tích thiểu số là những lỗ trống trong vùngbán dẫn N và các điện tử trong vùng bán dẫn P (của cặp điện tử - lỗ trống) mới

có khả năng vượt qua tiếp giáp Chúng tái hợp với nhau Do đó có một dòngđiện tử rất nhỏ từ cực âm nguồn chạy tới để thay thế các điện tử trong P chạy vềphía N và tạo nên dòng điện ngược rất nhỏ theo chiều ngược lại Gọi là dòngngược vì nó chạy từ bán dẫn âm (N) sang bán dẫn dương (P)

2.2 CÁC LOẠI ĐI ỐT BÁN DẪN THÔNG DỤNG

2.2.1 Đi ốt chỉnh lưu (tiếp xúc mặt):

a Cấu tạo điốt tiếp xúc mặt:

Đi ốt tiếp mặt gồm hai bán dẫn loại P và loại N tiếp giáp nhau Đầu bándẫn P là cực dương, đầu bán dẫn N là cực âm Đi ốt tiếp mặt có nhiều cỡ to nhỏ,hình thức khác nhau Do diện tiếp xúc lớn, nên dòng điện cho phép đi qua cóthể lớn hàng trăm miliampe đến hàng chục ampe, điện áp ngược có thể từ hàngtrăm đến hàng ngàn vôn Nhưng điện dung giữa các cực lớn tới hàng chụcpicôfara trở lên, nên chỉ dùng được ở tần số thấp để nắn điện

b Ký hiệu của đi ốt tiếp mặt :

Hình 2.9 a Cấu tạo, b ký hiệu của đi ốt

A nốt: Cực dương

Ka tốt: Cực âm

c Nguyên lý làm việc của đi ốt tiếp mặt:

Ta có thể cấp điện để đi ốt ở một trong những trạng thái sau:

VA > VK: VAK > 0: đi ốt phân cực thuận

VA = VK: VAK = 0: đi ốt không phân cực

VA < VK: VAK < 0: đi ốt phân cực nghịch

Khi ghép hai loại bán dẫn P và N với nhau thì điện tử thừa của N chạysang P và các lỗ trống của bán dẫn P chạy sang N Chúng gặp nhau ở vùng tiếpgiáp, tái hợp với nhau và trở nên trung hoà về điện

ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn P, do mất lỗ trống nên chỉ còn lại nhữngion âm Vì vậy, ở vùng đó có điện tích âm ở vùng tiếp giáp về phía bán dẫn N,

do mất điện tử thừa, nên chỉ còn lại những ion dương Vì vậỵ ở vùng đó có điệntích dương, do đó, hình thành điện dung ở mặt tiếp giáp Đến đây, sự khuếch tánqua lại giữa P và N dừng lại Vùng tiếp giáp đã trở thành một bức rào ngănkhông cho lỗ trống từ P chạy qua N và điện tử N chạy qua P Riêng các hạtmang điện tích thiểu số là các điện tử trong bán dẫn P và các lỗ trống trong bándẫn N là có thể vượt qua tiếp giáp, vì chúng không bị ảnh hưởng của bức xạhàng rào ngăn, mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ Trong bán dẫn P, các điện tích đa số

là các lỗ trống, còn trong bán dẫn N là các điện tử thừa

Bây giờ ta xét sự vân chuyển động của các phần tử mang điện khi phân cựccho đi ốt

- Phân cực thuận cho đi ốt :

Hình 2.10 Phân cực thuận cho đi ốt tiếp mặt

Do tác dụng của điện trường E, các điện tử thừa trong N chạy ngược chiềuđiện trường vượt qua tiếp giáp sang P, để tái hợp với các lỗ trống trong P chạy

về phía tiếp giáp Điện tử tự do từ âm nguồn sẽ chạy về bán dẫn N để thay thế,tạo nên dòng thuận có chiều ngược lại Dòng thuận tăng theo điện áp phân cực.Ngoài ra, phải kể đến sự tham gia vào dòng thuận của các điện tử trong cặp điện

tử - lỗ trống Khi nhiệt độ tăng lên thì thành phần này tăng, làm cho dòng thuậntăng lên

- Phân cực ngược cho đi ốt :

Hình 2.11 Phân cực ngược cho điốt tiếp mặt

Do tác động của điện trường E các điện tử thừa trong N và các lỗ trốngtrong P đều di chuyển về hai đầu mà không vượt qua được tiếp giáp, nên khôngtạo nên được dòng điện Chỉ còn một số điện tích thiểu số là những lỗ trốngtrong vùng bán dẫn N và các điện tử trong vùng bán dẫn P (của cặp điện tử - lỗtrống) mới có khả năng vượt qua tiếp giáp Chúng tái hợp với nhau Do đó cómột dòng điện tử rất nhỏ từ cực âm nguồn chạy tới để thay thế các điện tử trong

P chạy về phía N và tạo nên dòng điện ngược rất nhỏ theo chiều ngược lại Gọi

là dòng ngược vì nó chạy từ bán dẫn âm (N) sang bán dẫn dương (P) Dòngngược này phụ thuộc vào nhiệt độ và hầu như không phụ thuộc điện áp phâncực Đến khi điện áp phân cực ngược tăng quá lớn thì tiếp giáp bị đánh thủng vàdòng ngược tăng vọt lên

d Tính chất: Đi ốt tiếp mặt có bề dầy tiếp xúc là một mặt, do đó nó cho dòng

điện lớn đi qua, từ vài trăm mA đến vài A

e Hình dạng thực tế đi ốt tiếp mặt

Hình 2.12 Hình dạng điốt tiếp mặt

f Các mạch điện ứng dụng của điốt tiếp mặt:

- Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ:

Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ

Nhiệm vụ các linh kiện trong mạch như sau:

T: Biến áp dùng để tăng hoặc giảm áp (thông thường là giảm áp) D: Đi ốt nắn điện

C: Tụ lọc xoay chiều

Nguyên lí hoạt động của mạch như sau:

Điện áp xoay chiều ngõ vào Vac in qua biến áp được tăng hoặc giảm áp.Được đưa đến Đi ốt nắn điện Ở bán kì dương đi ốt dẫn điện nạp điện cho tụ C

Ở bán kì âm đi ốt bị phân cực ngựơc nên không dẫn điện, nên ở ngõ ra củamạch nắn Vdc out không có dòng điện một chiều

- Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ:

Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ

Nhiệm vụ các linh kiện như sau:

T: Biến áp dùng để biến đổi điện áp xoay chiều ngõ vào

D1; D2: Nắn dòng điện xoay chiều AC thành dòng một chiều DC

C: Tụ lọc xoay chiều sau nắn

Nguyên lí hoạt động như sau: Điện áp xoay chiều ngõ vào qua biến áp biếnđổi thích ứng với mạch điện

Khi đầu trên của biến áp ở bán kì dương điốt D1 dẫn điện thì ở đầu dướicủa biến áp ở bán kì âm nên điốt D2 không dẫn điện Dòng điện nắn qua D1 nạp

điện cho tụ lọc C Khi đầu trên của biến áp là bán kì âm điốt D1 không dẫn điệnthì đầu dưới của biến áp là bán kì dương nên điôt D2 dẫn điện nạp điện cho tụ C.Như vậy dòng điện ngõ ra có liện tục ở cả hai bán kì của dòng điện xoay chiềunên được gọi là mạch nắn điện hai bán kì Đặc điểm của mạch là phải dùng biến

áp mà cuộn sơ cấp có điểm giữa nên không thuận tiện cho mạch nếu khôngdùng biến áp, hoặc biến áp không có điểm giữa Để khắc phục nhược điểm này,thông thường trong thực tế người ta dùng mạch nắn điện toàn kì dùng sơ đồ cầu

- Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ hình cầu:

Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ hình cầu

Nhiệm vụ các linh kiện trong mạch:

T: Biến áp đổi điện

D1;D2;D3;D4: Điôt nắn điện; C: Tụ lọc xoay chiều sau nắn

Nguyên lí hoạt động như sau:

Dòng xoay chiều ngõ vào qua biến áp T, ngõ ra trên cuộn sơ cấp được đưađến bộ nắn cầu Khi đầu trên của biến áp là bán kì dương thì ở đầu dưới củabiến áp là bán kì âm Lúc này D1; D3 dẫn điện nạp điện cho tụ C Khi đầu trêncủa biến áp là bán kì âm thì đầu dưới của biến áp là bán kì dương Lúc này D2;

D4 dẫn điện dẫn điện nạp cho tụ C cùng chiều nạp ban đầu hình thành điện áp mộtchiều ở ngõ ra

- Mạch nắn điện tăng đôi một bán kì:

K a tè t

A n è t

DIODE

Trong đó nhiệm vụ các linh kiện trong mạch như sau:

D1; D2: Nắn điện bồi áp; C1; C2: Tụ bồi áp

Hoạt động của mạch như sau: ở đầu trên của ngõ vào là bán kì dương điôt

D1 dẫn điện nạp cho tụ C1 về nguồn Khi đầu trên đổi chiều là bán kì âm điốt D2

dẫn điện nạp điện cho tụ C2 về nguồn Do hai tụ C1; C2 mắc nối tiếp nên điện áp

DC ngõ ra là tổng điện áp nạp trên hai tụ C1; C2 nên điện áp được tăng đôi

2.2.2 Đi ốt tách sóng ( tiếp xúc điểm):

a Cấu tạo:

Hình 2.16: Cấu tạo của đi ốt tách sóng

Gồm mũi nhọn kim loại là cực dương P, tì lên mặt một miếng bán dẫn loại

N là cực âm

b Kí hiệu:

Hình 2.17: Ký hiệu của đi ốt tách sóng

c Tính chất: Tương tự như đi ốt tiếp mặt nhưng đi ốt tiếp điểm có thể tích nhỏ,

công suất nhỏ, điện dung giữa hai cực nhỏ, nên dùng ở tần số cao Vùng tiếpxúc của đi ốt tiếp điểm nhỏ, nên dòng điện cho phép qua điôt thương không quá

10 ÷15mA và điện áp ngược không quá vài chục volt

d Ứng dụng: Thường dùng để tách sóng tín hiệu trong các thiết bị thu vô

tuyến, thiết bị có chức năng biến đổi thông tin

2.2.3 Đi ốt zener:

a Cấu tạo: Đi ốt zener có cấu tạo giống như các loại đi ốt khác nhưng các chất

bán dẫn được pha tỉ lệ tạp chất cao hơn để có dòng điện ra lớn Thông thườnghiện nay trong kĩ thuật người ta sản xuất chủ yếu là đi ốt Silic

b Kí hiệu:

Hình 2.18: Ký hiệu của đi ốt zener

d Ứng dụng: Lợi dụng tính chất của Đi ốt zener mà người ta có thể giữ điện áp

tại một điểm nào đó không đổi gọi là ghim áp hoặc ổn áp

V d D R

V o

V i

Hình 2.19: Mạch điện sử dụng đi ốt zener

Trong đó: Vi : là điện áp ngõ vào

vệ chống quá áp ở nguồn đảm bảo an toàn cho mạch điện khi nguồn tăng cao

- Các loại đi ốt zener có mức điện áp thông dụng:

2,4V; 3.3V; 3.6V; 3.9V; 4.7V; 5.1V; 5.6V; 6.2V; 6.8V; 7.5V; 8.2V; 9.1V; 10V;11V; 12V; 13V; 14V,15V; 16V; 18V; 19V; 20V; 22V

2.2.4 Đi ốt biến dung (Varicap):

a Cấu tạo: Đi ốt biến dung là loại điôt có điện dung thay đổi theo điện áp

phân cực Ở trạng thái không dẫn điện, vùng tiếp giáp của đi ốt trở thành điệnmôi cách điện Điện dung Cd của đi ốt phụ thuộc chủ yếu vào hằng số điện môi,diện tích tiếp xúc, chiều dày của điện môi

b Kí hiệu:

Hình 2.20: Ký hiệu của đi ốt biến dung

c Tính chất: Khi được phân cực thuận thì lỗ trống và electron ở hai lớp

bán dẫn bị đẩy lại gần nhau làm thu hẹp bề dày cách điện d nên điện dung Cdtăng lên Khi điốt được phân cực ngược thì lỗ trống và electron bị kéo xa ra làmtăng bề dày cách điện nên điện dung Cd bị giảm xuống

d Ứng dụng: Điôt biến dung được sử dụng như như một tụ điện biến đổi

bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi tần số cộng hưởng của mạchdao động, cộng hưởng nên được dùng trong các mạch dao động, cộng hưởng cótần số biến đổi theo yêu cầu như bộ rà đài trong Radio, máy thu hình, máy liênlạc vô tuyến, điện thoại di động

2.2.5 Đi ốt phát quang: LED (Light Emitting Diode)

a.Cấu tạo:

Lợi dụng tính chất bức xạ quang của một số chất bán dẫn khi có dòngđiện đi qua có màu sắc khác nhau Lợi dụng tính chất này mà người ta chế tạocác Led có màu sắc khác nhau

Đi ốt cảm quang có cấu tạo gần giống như đi ốt tách sóng nhưng vỏ bọc

cách điện thường được làm bằng lớp nhựa hay thuỷ tinh trong suốt để dễ dàngnhận ánh sáng từ bên ngoài chiếu vào mối nối P - N

b Ký hiệu:

Hình 2.22: Ký hiệu của đi ốt cảm quang

c.Tính chất:

Khi bị che tối: điện trở nghịch vô cùng lớn, điện trở thuận lớn Khi bịchiếu sáng: điện trở nghịch giảm thấp khoảng vài chục KΩ, điện trở thuận rấtnhỏ khoảng vài trăm Ohm.

d Ứng dụng:

Đi ốt quang được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điều khiển tự động ởmọi nghành có ứng dụng kĩ thuật điện tử Như máy đếm tiền, máy đếm sảnphẩm, cửa mở tự động, tự động báo cháy

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 Câu hỏi trắc nghiệm khách quan:

Hãy lựa chọn phương án đúng để trả lời các câu hỏi dưới đây bằng cách tích dấu X vào ô vuông thích hợp:

TT Nội dung câu hỏi

2.1 Thế nào là chất bán dẫn?

a Là chất có khả năng dẫn điện

b Là chất có khả năng dẫn điện yếu

c Là chất không có khả năng dẫn điện

a Nhiệt độ môi trường

b Độ tinh khiết của chất bán dẫn

c Các nguồn năng lượng khác

b Giảm công suất tiêu hao

c Giảm nhiễu nguồn

2.7 Đi ốt tiếp mặt có đặc điểm gì?

a Dòng điện chịu tải lớn