Giao trinh cau kien dien tu Phan Thi Nam Mac Van Bien

Nội dung chính của giáo trình gồm 2 phần Phần I: Lý thuyết Chương 1: Linh kiện thụ động Chương 2: Chất bán dẫn và Diode bán dẫn Chương 3: Transistor lưỡng cực BJT Chương 4: Transistor t

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chủ biên: Ths PHAN THỊ NĂM

GIÁO TRÌNH

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

(Lưu hành nội bộ )

BẮC GIANG – 2016

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Chủ biên: Ths PHAN THỊ NĂM Thành viên: Ths MẠC VĂN BIÊN

GIÁO TRÌNH

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

(Lưu hành nội bộ )

BẮC GIANG - 2016

LỜI NÓI ĐẦU

Cấu kiện điện tử là kiến thức bước đầu và căn bản của ngành điện tử, là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC) tạo nên các mạch điện tử, các hệ thống điện tử Vì vậy nắm vững học phần Cấu kiện Điện tử là vấn đề chủ chốt của học sinh, sinh viên ngành kỹ thuật

Giáo trình “ Cấu kiện điện tử” được biên soạn dựa trên cơ sở học phần dùng

cho sinh viên cao đẳng chuyên ngành Điện, Điện tử, Công nghệ thông tin Nó cung cấp cho người học các kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất của môn học

Nội dung chính của giáo trình gồm 2 phần

Phần I: Lý thuyết

Chương 1: Linh kiện thụ động Chương 2: Chất bán dẫn và Diode bán dẫn Chương 3: Transistor lưỡng cực (BJT) Chương 4: Transistor trường (FET) Chương 5: Các linh kiện bán dẫn khác Chương 6: Cấu kiện quang điện tử Chương 7: Vi mạch

Phần II: Thực hành

Bài 1: Khảo sát các linh kiện thụ động Bài 2: Khảo sát các linh kiện tích cực Bài 3: Khảo sát vi mạch

Bài 4: Thực tập hàn nối Mặc dù đã rất cố gắng, chắc chắn giáo trình còn có nhiều thiếu sót, rất mong được sự chỉ dẫn, góp ý kiến của độc giả để cuốn giáo trình được hoàn thiện hơn

Mọi ý kiến xin gửi về: Khoa Điện tử - Tin học, trường Cao đẳng kỹ thuật Công nghiệp,số 202 Trần Nguyên Hãn, TP Bắc Giang, Bắc Giang, điện thoại 0240.3858.611

Giáo trình được Hiệu trưởng phê duyệt làm tài liệu chính thức dùng cho giảng

dạy, học tập học phần Cấu kiện điện tử ở trường Cao đẳng kỹ thuật Công nghiệp

Chúng tôi trân trọng cám ơn!

TM NHÓM TÁC GIẢ Chủ biên

Ths Phan Thị Năm

MỤC LỤC

PHẦN I: LÝ THUYẾT 1

CHƯƠNG 1 LINH KIỆN THỤ ĐỘNG 1

1.1 ĐIỆN TRỞ (Resistor) 1

1.2 BIẾN TRỞ (Variable Resistor: VR) 8

1.3 TỤ ĐIỆN (Capacitors) 9

1.4 CUỘN CẢM (Inductor) 19

1.5 BIẾN ÁP 22

1.6 RƠLE 24

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 26

CHƯƠNG 2 CHẤT BÁN DẪN VÀ DIODE BÁN DẪN 27

2.1 CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤT RẮN TINH THỂ 27

2.2 CHẤT BÁN DẪN THUẦN 28

2.3 CHẤT BÁN DẪN PHA TẠP 30

2.4 MẶT GHÉP P – N VÀ TÍNH CHẤT CHỈNH LƯU 31

2.5 DIODE BÁN DẪN 33

2.6 CÁC DIODE BÁN DẪN THÔNG DỤNG 37

2.7 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA DIODE 40

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 44

CHƯƠNG 3 TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 45

3.1 CẤU TẠO, KÝ HIỆU VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANSISTOR LƯỠNG CỰC 45

3.2 CÁC CÁCH GHÉP CƠ BẢN 47

3.3 CÁC CÁCH PHÂN CỰC CHO TRANSISTOR 51

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 3 57

CHƯƠNG 4 TRANSISTOR TRƯỜNG (FET) 59

4.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ TRANSISTOR TRƯỜNG 59

4.2 JFET 60

4.3 MOSFET 64

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 4 72

CHƯƠNG 5 CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN KHÁC 73

5.1.TRANSISTOR MỘT CHUYỂN TIẾP (UJT) 73

5.2 THYRISTOR (SCR) 77

5.3 TRIAC 82

5.4 DIAC 84

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 5 88

CHƯƠNG 6 CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 89

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 89

6.2 CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔ ĐIỆN QUANG 90

6.3 CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG ĐIỆN 102

6.4 LINH KIỆN TÍCH ĐIỆN KÉP (CCD) 106

6.5 CÁC CÔNG NGHỆ MÀN HÌNH CẢM ỨNG 109

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 6 112

CHƯƠNG 7 VI MẠCH 113

7.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 113

7.2 CÁC LOẠI VI MẠCH LƯỠNG CỰC 114

7.3 CÁC LOẠI VI MẠCH MOS 116

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 7 122

PHẦN II THỰC HÀNH 123

BÀI 1 KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN THỤ ĐỘNG 123

1.1 ĐIỆN TRỞ 123

1.2 TỤ ĐIỆN 123

1.3 CUỘN DÂY 123

1.4 BIẾN ÁP 124

1.5 RƠLE 124

BÀI 2 KHẢO SÁT CÁC LINH KIỆN TÍCH CỰC 125

2.1 KHẢO SÁT DIODE VÀ TRANSISTOR 125

2.2 KHẢO SÁT THYRISTOR, TRIAC, DIAC 126

BÀI 3 KHẢO SÁT VI MẠCH 127

3.1 NHẬN DẠNG VÀ XÁC ĐỊNH CHÂN VI MẠCH 127

3.2 VI MẠCH ỔN ÁP NGUỒN 127

3.3 VI MẠCH KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN SỬ DỤNG LM358 128

BÀI 4 THỰC TẬP HÀN NỐI 129

4.1 HÀN NỐI DÂY 129

4.2 HÀN BO MẠCH 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

1

PHẦN I: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1 LINH KIỆN THỤ ĐỘNG

(Passive Components)

Trạng thái điện của mỗi linh kiện điện tử được đặc trưng bởi 2 thông số: điện áp u

và cường độ dòng điện i Mối quan hệ tương hỗ i=f(u) được biểu diễn bởi đặc tuyến V-A

Người ta có thể phân chia các linh kiện điện tử theo hàm quan hệ trên là tuyến tính hay phi tuyến

Nếu hàm i=f(u) là tuyến tính (hàm đại số bậc nhất hay phương trình vi phân, tích phân tuyến tính), phần tử đó được gọi là phần tử tuyến tính (R, L, C ) Nếu hàm i=f(u) là quan hệ phi tuyến (phương trình đại số bậc cao, phương trình vi phân hay tích phân phi tuyến), phần tử đó được gọi là phần tử phi tuyến (diode, Transistor )

1.1 ĐIỆN TRỞ (Resistor)

Dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện và trong vật dẫn các hạt mang điện đó là các electron tự do Các electron tự do có khả năng dịch chuyển được do tác động của điện áp nguồn và trong quá trình dịch chuyển các electron tự do

va chạm với các nguyên tử nút mạng và các electron khác nên bị mất một phần năng lượng dưới dạng nhiệt Sự va chạm này cản trở sự chuyển động của các electron tự do

và được đặc trưng bởi giá trị điện trở

a Điện trở than ép (Điện trở hợp chất Cacbon): Được chế tạo bằng cách

trộn bột than với vật liệu cản điện, sau đó được nung nóng hóa thể rắn, nén thành dạng hỗn hợp

Hình 1.3 Điện trở than ép

Điện trở than ép có dải giá trị tương đối rộng (từ1Ω đến 100MΩ), công suất danh định (1/8W-2W), nhưng phần lớn có công suất là 1/4W hoặc 1/2W Một ưu điểm nổi bật của điện trở than ép đó chính là có tính thuần trở nên được sử dụng nhiều trong phạm vi tần số thấp (trong các bộ xử lý tín hiệu âm tần)

3

b Điện trở dây quấn: Được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải là

chất dẫn điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ Trở kháng phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn Điện trở dây quấn có giá trị nhỏ, độ chính xác cao và có công suất nhiệt lớn Tuy nhiên nhược điểm của điện trở dây quấn là nó

có tính chất điện cảm nên không được sử dụng trong các mạch cao tần mà được ứng dụng nhiều trong các mạch âm tần

Hình 1.4 Điện trở dây quấn

c Điện trở màng mỏng: Được sản xuất bằng cách lắng đọng Cacbon, kim loại

hoặc oxide kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ Điện trở màng mỏng có giá trị từ thấp đến trung bình, và có thể thấy rõ một ưu điểm nổi bật của điện trở màng mỏng đó là tính chất thuần trở nên được sử dụng trong phạm vi tần số cao, tuy nhiên

có công suất nhiệt thấp và giá thành cao

Hình 1.5 Điện trở màng mỏng

1.1.2.2 Điện trở có giá trị thay đổi

a Điện trở nhiệt: Là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ Có 2

loại nhiệt trở:

Hình 1.6 Ký hiệu của điện trở nhiệt

(1) Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm: Giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (NTC), (2) Nhiệt trở có hệ số nhiệt dương: Giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

Nhiệt trở được sử dụng để điều khiển cường độ dòng điện, đo hoặc điều khiển nhiệt độ: ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại, đặc biệt là tầng khuếch đại công suất hoặc là linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ

b Điện trở quang (Photo Resistor)

4

Hình 1.7 Ký hiệu của điện trở quang

Quang trở là linh kiện nhạy cảm với bức xạ điện từ quanh phổ ánh sáng nhìn thấy Quang trở có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó Cường độ ánh sáng càng mạnh thì giá trị điện trở càng giảm

và ngược lại

Khi bị che tối: R = n.100k   n.M

Khi được chiếu sáng: R = n.100  n.k

Quang trở thường được sử dụng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng như: Phát hiện người vào cửa tự động; Điều chỉnh độ sáng, độ nét ở Camera; Tự động bật đèn khi trời tối; Điều chỉnh độ nét của LCD;…

1.1.3 Các thông số của điện trở

1.1.3.1 Giá trị điện trở

Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở Yêu cầu

cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian,…Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω, kΩ, MΩ, hoặc GΩ)

Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, kích thước của điện trở và nhiệt độ của môi trường

l R S



 (1.1) Trong đó: ρ: điện trở suất [Ωm]

l: chiều dài dây dẫn [m]

S: tiết diện dây dẫn [m2]

Trong thực tế điện trở được sản xuất với một số thang giá trị xác định Khi tính toán lý thuyết thiết kế mạch, cần chọn thang điện trở gần nhất với giá trị được tính

1.1.3.2 Sai số

Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị danh định, được tính theo %

dd dd

Rdd: Giá trị danh định của điện trở

Tuỳ theo dung sai phân điện trở 5 cấp chính xác:

Cấp 005: có sai số ± 0,5%

Cấp 01: có sai số ± 1%

Cấp I: có sai số ± 5%

5

Cấp II: có sai số ± 10%

Cấp III: có sai số ± 20%

1.1.3.3 Hệ số nhiệt điện trở (TCR-Temperature Co-efficient of Resistor)

TCR là sự thay đổi tương đối của giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo phần triệu

6

/ 10

R T TCR

R

  

  [ppm/0C] (1.3) Khi nhiệt độ tăng, số lượng các electron bứt ra khỏi quỹ đạo chuyển động tăng và va chạm với các electron tự do làm tăng khả năng cản trở dòng điện của vật dẫn Trong hầu hết các chất dẫn điện khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở tăng, hệ

số  > 0 (PTC: Positive Temperature Coefficient) Đối với các chất bán dẫn, khi nhiệt

độ tăng số lượng electron bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do được gia tăng đột ngột, tuy sự va chạm trong mạng tinh thể cũng tăng nhưng không đáng kể so với sự gia tăng số lượng hạt dẫn, làm cho khả năng dẫn điện của vật liệu tăng, hay giá trị điện trở giảm, do đó có hệ số  < 0 (NTC: Negative Temperature Co-efficient) Hệ

số nhiệt  < 0 càng nhỏ, độ ổn định của giá trị điện trở càng cao

Hình 1.8 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới giá trị điện trở của vật dẫn

Tại một nhiệt độ xác định có hệ số nhiệt  xác định, giả sử tại nhiệt độ T1 điện trở có giá trị là R1 và hệ số nhiệt là 1 , giá trị điện trở tại nhiệt độ T2:

R2 = R1[1+α1(T2 – T1)] (1.4)

1.1.3.4 Công suất tối đa cho phép

Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt

2 2 max max U max

R

  (1.5) Trong các mạch thực tế, tại khối nguồn cấp, cường độ dòng điện mạnh nên các điện trở có kích thước lớn, do đó cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để có thể tản nhiệt Tại khối xử lý tín hiệu, cường độ dòng điện yếu nên các điện trở có kích thước nhỏ do chỉ phải chịu công suất nhiệt thấp

6

1.1.4 Cách ghi và đọc các tham số điện trở

Trong thực tế, người ta chỉ sản xuất các điện trở với các giá trị cơ bản như sau : 1.0 ; 1.1 ; 1.2 ; 1.5 ; 1.8 ; 2.0 ; 2.2 ; 2.4 ; 2.7 ; 3.3 ; 3.6 ; 3.9 ; 4.3 ; 4.7 ; 5.0 ; 5.1 ; 5.6 ; 6.2 ; 6.8 ; 7.5 ; 8.2 và 9.1 với bội số 10 i (i = 1 6)

1.1.4.1 Biểu diễn trực tiếp bằng chữ và số

- Chữ cái đầu tiên và các chữ số biểu diễn giá trị của điện trở: R- Ω; K-KΩ;

M-M Ω;…Vị trí của chữ thể hiện chữ số thập phân, giá trị của số thể hiện giá trị của điện trở Nếu có 3 chữ số thì chữ số thứ 3 biểu thị lũy thừa 10

- Chữ cái thứ hai biểu diễn dung sai:

Ví dụ: 8K2J: R= 8,2KΩ; δ=5%

Ví dụ: 4703G: R=470K Ω; δ=2%

1.1.4.2 Biểu diễn bằng các vòng màu

Đối với các điện trở có kích thước nhỏ không thể ghi trực tiếp các thông số khi

đó người ta thường vẽ các vòng màu lên thân điện trở

Bảng 1 Bảng quy ước mã vòng màu của điện trở

TT Màu sắc Số tương ứng Hệ số nhân Sai số

Vòng 3: biểu thị hệ số nhân với 10i (i = -2, -1, 1, ,6)

- Trường hợp điện trở 4 vòng màu:

Vòng 1: số có nghĩa thứ nhất

Vòng 2: số có nghĩa thứ hai

Vòng 3: biểu thị hệ số nhân với 10i (i = -2, -1, 1, ,6)

Vòng 4: sai số

7

 Trị số = (vòng 1)(vòng 2) x 10 ( mũ vòng 3), sai số vòng 4

Hình 1.9 Điện trơ 4 vòng màu

- Trường hợp điện trở 5 vòng màu: gồm 3 vòng giá trị, vòng 4 biểu thị hệ số nhân với 10i (i = -2, -1, 1, ,6), vòng 5 biểu thị sai số

 Trị số = (vòng 1)(vòng 2) (vòng 3) x 10 ( mũ vòng 4), sai số vòng 5

Hình 1.10 Điện trơ 5 vòng màu

Để xác định thứ tự vòng màu căn cứ vào ba đặc điểm sau:

+ Vòng 1 là vòng gần đầu điện trở nhất

+ Vòng cuối cùng là vòng có tiết diện lớn nhất

+ Vòng 1 không bao giờ có vòng nhũ vàng và nhũ bạc

1.1.5 Ứng dụng

- Điện trở được sử dụng trong các mạch phân áp để phân cực cho Transistor đảm bảo cho mạch khuếch đại hoặc dao động hoạt động với hiệu suất cao nhất

- Điện trở đóng vai trò là phần tử hạn dòng tránh cho các linh kiện bị phá hỏng do cường độ dòng quá lớn Ví dụ điển hình là trong mạch khuếch đại, nếu không

có điện trở thì Transistor chịu dòng một chiều có cường độ khá lớn

- Được sử dụng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt (bàn là, bếp điện hay bóng đèn,…) hoặc các thiết bị trong công nghiệp (thiết bị sấy, sưởi,…) do điện trở có đặc điểm tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt

- Xác định hằng số thời gian: Trong một số mạch tạo xung, điện trở được sử dụng để xác định hằng số thời gian

- Phối hợp trở kháng: Để tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất cần thực hiện phối hợp trở kháng giữa nguồn tín hiệu và đầu vào của bộ khuếch đại, giữa đầu ra của

1.2.2 Ký hiệu

Hình 1.11 Ký hiệu và hình dạng thực tế của biến trở

9

1.2.3 Phân loại và công dụng:

- Biến trở đơn, xoay đồng trục: Dùng để thay đổi giá trị điện trở phù hợp với nhu cầu sử dụng Lúc này biến trở có vai trò phân áp, phân dòng cho mạch, ví dụ trong máy tăng âm người ta dùng biến trở thay đổi âm lượng

- Biến trở kép, xoay đồng trục: Đồng thay đổi giá trị điện trở trên cùng một trục sao cho phù hợp với nhu cầu sử dụng

- Biến trở đơn, trượt dài: Thay đổi giá trị điện trở phù hợp với nhu cầu sử dụng

- Biển trở tinh chỉnh: Thay đổi điện trở rất nhỏ phù hợp với nhu cầu người sử dụng Được dùng trong những mạch yêu cầu độ chính xác cao

- Biến trở có công tắc: Biến trở này làm 2 nhiệm vụ, vừa làm công tắc đóng mở nguồn, vùa thay đổi được giá trị Biến trở này được dùng trong các mạch Radio- cassette cầm tay, mạch điều khiển quạt trần, đèn học

1.3 TỤ ĐIỆN (Capacitors)

1.3.1 Cấu tạo

Tụ điện gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song song với nhau, ở giữa là lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica, hay gốm, không khí) Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện (tụ giấy, tụ dầu, tụ gốm hay tụ không khí)

Hình 1.12 Cấu tạo và ký hiệu của tụ điện

10

Hình 1.13 Hình dạng thực tế của tụ điện

11

Tụ điện tích năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường, sau đó năng lượng được giải phóng Điều này được thể hiện ở đặc tính tích (nạp) và phóng (xả) điện của

tụ điện

1.3.2 Các tham số của tụ điện

1.3.2.1 Điện dung của tụ điện

- Giá trị điện dung đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của tụ điện Điện dung có đơn vị là F, tuy nhiên trong thực tế 1F là giá trị rất lớn nên thường sử dụng các đơn vị khác: 1μF=10-6F; 1nF=10-9F; 1pF=10-12F

- Trị số điện dung được tính: 0S

C d



 (1.6) Trong đó: ε: Hệ số điện môi của chất cách điện

εo=8,85.10-12(F/m): Hằng số điện môi của chân không

S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực

d: Khoảng cách giữa 2 bản cực

Hình 1.14 Khoảng cách giữa 2 bản cực tụ điện

Một số hệ số điện môi thông dụng:

Chân không ε = 1 Không khí ε = 1,0006 Polystyrene ε = 2,6

Trong đó: Ctt: Điện dung thực tế

Cdd: Điện dung danh định

Tùy theo yêu cầu của mạch mà dung sai của tụ điện có giá trị lớn hay nhỏ

1.3.2.3 Trở kháng của tụ điện

Trở kháng của tụ điện đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều của

tụ điện

12

1

.2

 dung kháng của tụ điện

f = 0 : Zc = : hở mạch đối với thành phần một chiều

f =  : Zc = 0: ngắn mạch đối với thành phần xoay chiều

1.3.2.4 Hệ số nhiệt của tụ điện (TCC - Temperature Co-efficient of Capacitor)

Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1OC, được tính theo 0/00:

6 0

/ 10 ( / )

áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm mất tính chất cách điện của chất điện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ bị đánh thủng Điện áp cực đại có thể cung cấp cho tụ điện hay còn gọi là "điện áp làm việc một chiều“, nếu quá điện áp này lớp cách điện sẽ

bị đánh thủng và làm hỏng tụ

Khi sử dụng tụ cần chọn tụ có điện áp đánh thủng lớn hơn điện áp đặt vào tụ vài lần Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào tính chất và bề dày của lớp điện môi Các tụ có điện áp đánh thủng lớn thường là các tụ có kích thước lớn và chất điện môi tốt (Mica hoặc Gốm)

1.3.3 Phân loại

1.3.3.1 Tụ có điện dung xác định

Tụ điện được phân chia thành 2 dạng chính: Tụ không phân cực (không có cực tính) và tụ phân cực hoặc cũng có thể phân loại theo chất điện môi

a Tụ giấy (Paper Capacitors)

- Tụ giấy là tụ không phân cực gồm các lá kim loại xen kẽ với các lớp giấy tẩm dầu được cuộn lại theo dạng hình trụ Điện dung C=1nF÷0,1μF, điện áp đánh thủng của tụ giấy cỡ khoảng vài trăm Volt Hoạt động trong dải trung tần

- Ký hiệu:

- Ký hiệu:

Hình 1.16 Ký hiệu và hình dạng của tụ gốm

c Tụ Mica (Mica Capacitors)

- Tụ Mica là tụ không phân cực được chế tạo bằng cách đặt xen kẽ các lá kim loại với các lớp Mica (hoặc cũng có thể lắng đọng màng kim loại lên các lớp Mica để tăng hệ số phẩm chất) Điện dung C = n.pF÷0,1μF, điện áp đánh thủng vài nghìn Volt

Độ ổn định cao, dòng rò thấp, sai số nhỏ, tiêu hao năng lượng không đáng kể, hoạt động trong dải cao tần (được sử dụng trong máy thu phát sóng Radio)

- Ký hiệu:

Hình 1.17 Ký hiệu và cấu tạo của tụ Mica

d Tụ màng mỏng (Plastic - film Capacitors)

- Là tụ không phân cực, được chế tạo theo phương pháp giống tụ giấy, chất điện môi là Polyester, Polyethylene hoặc Polystyrene có tính mềm dẻo Điện dung C=50pF-

e Tụ điện phân (Electrolytic Capacitors)

- Tụ điện phân còn được gọi là tụ oxi hóa (hay tụ hóa), đây là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch điện phân và được cuộn lại thành dạng hình trụ Khi đặt điện áp một chiều lên hai bản cực của tụ điện, xuất hiện màng oxide kim loại cách điện đóng vai trò là lớp điện môi Tụ điện phân có điện dung lớn, màng oxit kim loại càng mỏng thì giá trị điện dung càng lớn (0,1μF -n.1000μF), điện áp đánh thủng thấp (vài trăm Volt), hoạt động trong dải âm tần, dung sai lớn, kích thước tương lớn và giá thành thấp

- Ký hiệu:

Hình 1.19 Hình dạng và ký hiệu của tụ hóa

g Tụ Tantal

- Tụ Tantal cũng là tụ phân cực trong đó Tantal được sử dụng thay cho Nhôm

Tụ Tantal cũng có giá trị điện dung lớn (0,1μF-100μF) nhưng kích thước nhỏ, dung sai nhỏ, độ tin cậy và hiệu suất cao, điện áp đánh thủng vài trăm Volt Thường được sử dụng trong các mục đích quân sự, trong các mạch âm tần và trong các mạch số

- Ký hiệu:

15

1.3.3.2 Tụ xoay (Air-Varialbe Capacitors)

Có thể thay đổi giá trị điện dung của tụ điện bằng cách thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực hoặc thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực

a Tụ xoay

Gồm các lá động và lá tĩnh được đặt xen kẽ với nhau, hình thành nên bản cực động và bản cực tĩnh Khi các lá động xoay làm thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực do đó thay đổi giá trị điện dung của tụ Giá trị điện dung của tụ xoay phụ thuộc vào số lượng các lá kim loại và khoảng không gian giữa các lá kim loại (Giá trị cực đại: 50μF-1000μF và giá trị cực tiểu: n.pF) Điện áp đánh thủng cực đại cỡ vài kV

Tụ xoay là loại tụ không phân cực và thường được sử dụng trong máy thu Radio để chọn tần

Hình 1.17 Cấu tạo và ký hiệu của tụ xoay

b Tụ vi chỉnh (Trimmer)

Khác với tụ xoay là điều chỉnh diện tích hiệu dụng giữa các bản cực, tụ vi chỉnh

có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các bản cực Tụ vi chỉnh gồm các lá kim loại được đặt xen kẽ với nhau, ở giữa là lớp điện môi, khoảng cách giữa các bản cực được thay đổi nhờ ốc vit điều chỉnh

16

Hình 1.18 Cấu tạo của tụ vi chỉnh

Thông thường tụ vi chỉnh được nối song song với tụ xoay để tăng khả năng điều chỉnh Giá trị điện dung C (n.pF-200pF), điện áp đánh thủng trung bình, hiệu suất cao (tổn hao năng lượng thấp) Tụ vi chỉnh cũng là tụ không phân cực

c Tụ đồng trục chỉnh

Tụ đồng trục gồm 2 ống hình trụ kim loại được bọc lớp nhựa lồng vào nhau Lớp nhựa đóng vai trò là lớp điện môi Ống ngoài cố định đóng vai trò là bản cực tĩnh, ống bên trong có thể trượt đóng vai trò là bản cực động, do đó diện tích hiệu dụng giữa

2 bản cực có thể thay đổi làm thay đổi điện dung của tụ Giá trị điện dung 100pF), được ứng dụng trong dải cao tần

(C=n.pF-Hình 1.19 Cấu tạo của tụ đồng trục chỉnh

1.3.4 Cách ghi và đọc giá trị

1.3.4.1 Ghi trực tiếp

Đối với tụ có kích thước lớn (Tụ hóa, tụ Tantal) có thể ghi trực tiếp các thông

số trên thân của tụ

- Giá trị điện dung

- Điện áp đánh thủng

- Nhiệt độ chịu đựng tối đa

Hình 1.20 Hình dạng thực tế của tụ hoá

+ Chữ số thứ 3 biểu diễn bậc của lũy thừa 10

+ Chữ cái biểu diễn sai số

b Ghi bằng quy luật vòng màu

Khi tụ điện được biểu diễn bằng các vạch màu thì giá trị vòng màu giống như điện trở

Nhận xét: Dung kháng của tụ tỷ lệ nghịch với tần số f của dòng điện Tần số

càng cao thì dung kháng của tụ càng nhỏ và ngược lại Vậy có thể nói, tụ có tác dụng chặn thành phần một chiều và dẫn tín hiệu cao tần Dựa vào tính chất đó mà tụ điện được ứng dụng trong các mạch:

- Tụ ghép tầng: Ngăn thành phần một chiều mà chỉ cho thành phần xoay chiều qua, cách ly các tầng về thành phần một chiều, đảm bảo điều kiện hoạt động độc lập của từng tầng trong chế độ một chiều Đối với tín hiệu cao tần có thể sử dụng tụ phân cực hoặc tụ không phân cực, tuy nhiên đối với tín hiệu tần số thấp phải sử dụng tụ phân cực (Tụ hóa, tụ Tantal có điện dung lớn)

- Tụ thoát: Loại bỏ tín hiệu không hữu ích xuống đất (tạp âm)

- Tụ lọc: Được sử dụng trong các mạch lọc (thông cao, thông thấp, thông dải hoặc chặn dải) (Kết hợp với tụ điện hoặc cuộn dây để tạo ra mạch lọc thụ động)

- Tụ cộng hưởng: Dùng trong các mạch cộng hưởng LC để chọn tần

Ngoài ra tụ còn có tính chất tích và phóng điện nên được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu để là phẳng điện áp một chiều

Hình 1.22 Ký hiệu và hình dạng thực tế của các loại cuộn cảm

1.4.2 Đặc tính của cuộn dây

1.4.2.1 Tạo từ trường bằng dòng điện

Khi cho dòng điện một chiều qua cuộn dây, dòng điện sẽ tạo nên từ trường đều trong lõi cuộn dây (được xác định theo quy tắc vặn nút chai)

Hình 1.23 Tạo từ trường bằng dòng điện

1.4.2.2 Tạo dòng điện bằng từ trường

- Hiện tượng cảm ứng điện từ

20

Định luật Faraday: Nếu từ thông qua một cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông

Định luật Lentz: Sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó

Khi có hai cuộn dây được quấn chung trên một lõi hoặc được đặt gần nhau, khi

đó dòng điện biến thiên ở cuộn này sinh điện áp hỗ cảm ở cuộn kia

1.4.3 Các tham số của cuộn cảm

N- là số vòng dây

l- là chiều dài của cuộn dây

µ- độ tử thẩm tuyệt đối của vật liệu lõi(H/m)

Đơn vị đo hệ số tự cảm là Henry (H), mH, H

1H = 103 mH = 106H

Độ từ thẩm tuyệt đối của một số loại vật liệu

Chân không: 4π x 10-7 H/m Ferrite T38 1.26x10-2 H/m

Không khí: 1.257x10-6 H/m Ferrite U M33 9.42x10-4 H/m

Nickel 7.54x10-4 H/m

1.4.3.2 Trở kháng của cuộn dây

Trong thực tế luôn tồn tại điện trở thuần R bên trong cuộn dây:

21

1.4.3.3 Hệ số phẩm chất của cuộn dây

Do có điện trở thuần bên trong cuộn dây nên có sự tổn hao năng lượng dưới dạng nhiệt Q>> =>R <<, tổn hao trên cuộn dây càng nhỏ, dây cuốn là kim loại dẫn điện tốt

1.4.3.4 Tần số làm việc giới hạn của cuộn dây

Do các vòng dây được cách ly với nhau bởi lớp cách điện nên tồn tại tụ điện ký sinh trong cuộn dây, trong miền tần số thấp có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện dung ký sinh nhưng trong miền tần số cao cuộn dây tương đương với một mạch cộng hưởng song song

Nếu f > f0, cuộn dây mang tính dung nhiều hơn tính cảm, nên f0 được gọi là tần

số làm việc giới hạn của cuộn dây

1.4.4 Phân loại và ứng dụng

1.4.4.1 Theo lõi cuộn dây

a Cuộn dây lõi không khí (air-core coils)

Cuộn dây có lõi bằng nhựa, gỗ hay vật liệu không từ tính Cuộn dây lõi không khí có hệ số tự cảm nhỏ (<1mH) và thường được ứng dụng trong miền tần số cao (trong máy thu phát sóng vô tuyến hay trong mạng anten) Do không tiêu hao năng lượng điện dưới dạng nhiệt nên cuộn dây lõi không khí có hiệu suất cao

b Cuộn dây lõi sắt bụi

Có lõi là bột sắt nguyên chất trộn với chất dính không từ tính Cuộn dây lõi sắt bụi có

hệ só tự cảm lớn hơn so với cuộn dây lõi không khí phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn Thường được sử dụng ở khu vực tần số cao và trung tần

c Cuộn dây lõi sắt lá

Độ từ thẩm của lõi sắt từ lớn hơn rất nhiều so với độ từ thẩm của sắt bụi nên cuộn dây lõi sắt từ có hệ số tự cảm lớn, thường được ứng dụng trong miền tần số thấp (âm tần)

1.4.4.2 Theo ứng dụng

Cuộn dây dùng làm cuộn lọc, cuộn cộng hưởng hay cuộn chặn Ngoài ra trong thực tế

cuộn dây còn được ứng dụng trong lĩnh vực truyền vô tuyến, Relay điện từ hoặc máy phát điện,…

1.4.5 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn cảm

1.4.5.1 Ghi trực tiếp

Cách ghi đầy đủ các tham số độ tự cảm L, dung sai, loại lõi cuộn cảm… Cách này chỉ dùng cho các loại cuộn cảm có kích thước lớn

22

1.4.5.2 Cách ghi gián tiếp theo qui ước

Ghi quy ước theo mầu Bảng màu giống điện trở Dùng cho các cuộn cảm nhỏ Vòng màu 1: chỉ số có nghĩa thứ nhất hoặc chấm thập phân

Vòng màu 2: chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân

Vòng màu 3: chỉ số 0 cần thêm vào, đơn vị đo là μH

Vòng màu 4: chỉ dung sai %

Hình 1.24 Cấu tạo máy biến áp

Cuộn dây được nối với nguồn cấp được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây được nối với tải được gọi là cuộn sơ cấp

Ký hiệu:

Lõi sắt lá Lõi sắt bụi Lõi không khí

Hình 1.25 Ký hiệu máy biến áp

Trong thực tế để tiết kiệm người ta có thể chỉ cần sử dụng một cuôn dây được gọi là biến áp tự ngẫu, tuy nhiên giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp không được cách ly về điện

Hình 1.26 Ký hiệu máy biến áp tự ngẫu

Hình 1.27 Hình dạng thực tế biến áp nguồn

1.5.2.2.Biến áp xung

Là biến áp hoạt động ở tần số cao khoảng vài chục KHz như biến áp trong các

bộ nguồn xung , biến áp cao áp, lõi biến áp xung làm bằng ferit , do hoạt động ở tần sốcao nên biến áp xung cho công xuất rất mạnh, so với biến áp nguồn thông thường

có cùng trọng lượng thì biến áp xung có thể cho công xuất mạnh gấp hàng chục lần

Hình 1.28 Hình dạng thực tế biến áp xung

1.5.2.3 Biến áp cao tần

Được sử dụng trong các bộ thu phát sóng Radio, lõi có thể lõi sắt bụi hoặc lõi không khí, tuy nhiên nhược điểm của lõi không khí là phần lớn các đường cảm ứng từ đều đi ra ngoài, điều này ảnh hưởng đến đặc tính của máy biến áp

1.5.2.4 Biến áp âm tần

Sử dụng làm biến áp đảo pha và biến áp ra loa trong các mạch khuyếch đại công xuất âm tần,biến áp cũng sử dụng lá Tônsilic làm lõi từ như biến áp nguồn, nhưng lá tônsilic trong biến áp âm tần mỏng hơn để ránh tổn hao, biến áp âm tần hoạt động ở tần số cao hơn , vì vậy có số vòng vol thấp hơn, khi thiết kế biến áp âm tần người ta thường lấy giá trị tần số trung bình khoảng 1KHz - đến 3KHz Thực hiện phối hợp trở kháng (tối thiểu hóa thành phần điện cảm trong mạch), tuy nhiên kích thước và trọng lượng lớn nên ngày càng ít được sử dụng

- Cuộn hút: Tạo ra năng lượng từ trường để hút tiếp điểm về phía mình

- Cặp tiếp điểm: Khi không có từ trường (cuộn dây không được cấp điện) Tiếp điểm 1 được tiếp xúc với 2 nhờ lực của lò xo Tiếp điểm thường đóng Khi có năng lượng từ trường thì tiếp điểm 1 bị hút chuyển sang 3 Trong Rơle có thể có 1 cặp tiếp điểm hoặc nhiều hơn

Tuỳ theo điện áp làm việc người ta chia Rơle ra DC (5V.12V,24V) hoặc AC (110V, 220V)

1.6.1.3 Phân loại

- Rơle đơn

- Rơle kép tiếp điểm thường mở

- Rơle kép tiếp điểm thường mở - đóng

(c)

25

Các loại Rơle trên dùng để nối liên tầng giữa các mạch điều khiển và tải Giá trị của Rơle thường được ghi trên thân, thông số ghi thường VDC, VAC và dòng điện I của tiếp điểm

26

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1 Câu 1: Điện trở là gì? Hãy cho biết các tham số cơ bản của điện trở?

Câu 2: Trình bày về các cách phân loại điện trở và nêu ứng dụng của chúng?

Câu 3: Cho biết các tham số cơ bản của tụ điện?

Câu 4: Nêu các cách phân loại tụ điện, cho một vài ví dụ?

Câu 5: Hãy định nghĩa về cuộn cảm và nêu các tham số chính của nó?

Câu 6: Trình bày các đặc điểm của cuộn cảm lõi fe-rit và ứng dụng của chúng?

Câu 7: Hãy cho biết các đặc tính của cuộn cảm lõi sắt từ và ứng dụng?

Câu 8: Trình bày phân loại và ứng dụng của máy biến áp dùng trong điện tử?

Câu 9: Trình bày cấu tạo và phân loại Rơle?

Câu 10: Cấu trúc của biến trở khác với điện trở cố định chủ yếu là do …

a vỏ bọc và lõi b vật liệu cản điện

c số chân của cấu kiện d có thêm con chạy để điều chỉnh trị số điện trở

Câu 11: Tìm giá trị của điện trở có ba vòng màu: nâu - đen – nhũ vàng, vàng - tím -

nhũ bạc, xanh dương - xanh lá - nhũ vàng, nâu- đỏ - nhũ bạc, cam - cam - nhũ bạc

Câu 12: Vẽ bốn vòng màu của điện trở: 6K8 5%, 68K  10%, 680K  10%, 270K

5%, 22K 2%, 1K2 1%, 1M2 5%, 4K72%, 330K  10%, 3K95%, 220 2%, 2 5%, 47 10%, 2M2 5%, 5K6 2%, 0.12 2%, 0.56  5%, 6M8 10%, 27K 2%

27

Chương 2 CHẤT BÁN DẪN VÀ DIODE BÁN DẪN 2.1 CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤT RẮN TINH THỂ

- Các phân tử hay nguyên tử nằm sát nhau

- Chúng có vị trí trung bình tương đối cố định trong không gian so với nhau, tạo nên tính chất giữ nguyên hình dáng của vật rắn

Nếu có lực đủ lớn tác dụng các tính chất trên có thể bị phá hủy và vật rắn biến dạng Các phân tử hay nguyên tử của vật rắn có dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng Khi nhiệt độ tăng cao, dao động mạnh có thể phá hủy tính chất trên và chất rắn có thể chuyển pha sang trạng thái lỏng

Trong mạng tinh thể của chất rắn, tùy theo các mức năng lượng mà các điện tử có thể chiếm chỗ hay không chiếm chỗ, người ta phân biệt ba vùng năng lượng khác nhau:

- Vùng hóa trị (vùng đầy): Tất cả các mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ, không có mức năng lượng tự do

- Vùng dẫn (vùng trống): Các mức năng lượng đều còn trống hoặc có thể bị chiếm chỗ một phần

- Vùng cấm: Trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0

Nguyên tử là đơn vị cơ bản của vật chất và xác định cấu trúc của các nguyên tố Nguyên tử được cấu tạo từ ba loại hạt: proton, notron, và electron.Tức làgồm một hạt nhân ở giữa và bao xung quanh là các hạt điện tử (electron) chuyển động theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân gồm các điện tích dương gọi là proton và các hạt không tích điện gọi là các notron Điện tử (electron) là các hạt mang điện tích âm Số proton và điện tử của mỗi nguyên tử luôn bằng nhau phụ thuộc vào từng nguyên tố

Ví dụ, nguyên tử đơn giản nhất là hydro, hạt nhân chỉ có một proton và một điện tử Helium có hai proton và hai notron trong hạt nhân và hai điện tử quay xung quanh Nguyên tử khác là có bốn proton và bốn notron trong hạt nhân và bốn điện tử quay xung quanh

Trong đó: Ec: Năng lượng đáy vùng dẫn

Ev: Năng lượng đỉnh vùng hóa trị

Eg = 2Ev: Chất cách điện 0<Eg ≤ 2Ev: Chất bán dẫn Eg ≤ 0: Chất dẫn điện

Hình 2.2 Phân loại chất rắn theo cấu trúc vùng năng lượng

Chất cách điện là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao

Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó nhỏ hơn

so với các loại vật liệu khác (10 ÷10 Ω.m).-8 -4

Để tạo dòng điện trong chất rắn cần phải thực hiện 2 quá trình: Quá trình tạo hạt dẫn tự do nhờ năng lượng kích thích và quá trình chuyển động có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường

2.2 CHẤT BÁN DẪN THUẦN

Chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ

có nguyên tử của một loại nguyên tố Hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần là các điện

tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si có năng lượng vùng cấm:

Eg(Ge)=0.72Ev và Eg(Si)=1.12Ev, thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn

VD: Tinh thể Si, Eg= 1,12Ev (tại nhiệt độ 3000K)

29

Hình 2.3 Cấu trúc mạng tinh thể Si nguyên chất

Trong mạng tinh thể, các nguyên tử Si liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị (các nguyên tử đưa ra các electron hóa trị liên kết với các nguyên tử xung quanh) Ở nhiệt độ phòng một số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ tạo ra điện tử tự do và lỗ trống

Lỗ trống cũng có khả năng dẫn điện như điện tử tự do

Hình 2.4 Sự hình thành lỗ trống và điện tử tự do

Bán dẫn thuần có nồng độ hạt dẫn lỗ trống và nồng độ hạt dẫn điện tử bằng nhau:p  n  p i  n i

Độ dẫn điện của chất bán dẫn σ:

n p

σ=(n.μ +p.μ ).q (2.1) Trong đó: μn - Độ linh động của điện tử tự do

Tuy nhiên có thể tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần bằng cách đốt nóng hoặc chiếu sáng tinh thể bán dẫn để tăng số lượng hạt dẫn.Phương pháp hiệu quả và đơn giản hơn để tăng khả năng dẫn điện của chất bán dẫn là pha tạp chất

30

2.3 CHẤT BÁN DẪN PHA TẠP

Chất bán dẫn pha tạp (chất bán dẫn không thuần) là chất bán dẫn mà một số nguyên tử ở nút của mạng tinh thể của nó được thay thế bằng nguyên tử của chất khác

Có hai loại chất bán dẫn pha tạp:

- Chất bán dẫn pha tạp loại N - gọi tắt là Bán dẫn loại N

- Chất bán dẫn pha tạp loại P - gọi tắt là Bán dẫn loại P

2.3.1 Chất bán dẫn pha tạp loại N

Tiến hành pha các nguyên tử thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (As, P, Sb…) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Ge (Si) nhờ công nghệ đặc biệt với nồng độ cao (1010 ÷ 1018 nguyên tử/cm3) Nguyên tử tạp chất liên kết với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thừa một điện tử hóa trị, liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng bị ion hóa nhờ 1 nguồn năng lượng yếu, tách khỏi hạt nhân và trở thành electron tự

do và tạo nên ion dương tạp chất bất động

Tại nhiệt độ phòng, toàn bộ các nguyên tử tạp chất đều bị ion hóa Ngoài

ra, hiện tượng phát sinh hạt dẫn giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra nhưng với mức độ yếu hơn Mức năng lượng tạp chất loại N hay loại cho điện tử (Donor) phân bố bên trong vùng cấm, sát đáy vùng dẫn Nếu một nguyên

tử chất bán dẫn thuần được thay thế bởi một nguyên tử tạp chất thì độ dẫn điện của chất bán dẫn pha tạp tăng 105 lần so với chất bán dẫn thuần Trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion dương tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn pha tạp loại n gồm 2 thành phần : Điện tử - hạt dẫn đa số (Majority) có nồng độ là

31

Hình 2.6 Cấu tạo và cơ chế phát sinh hạt dẫn trong của chất bán dẫn loại P

Ngoài ra, vẫn xảy ra cơ chế phát sinh hạt dẫn giống trong chất bán dẫn thuần với mức độ yếu hơn Trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion âm tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn pha tạp loại p gồm 2 thành phần: Lỗ trống - hạt dẫn đa số có nồng độ pp và điện tử - hạt dẫn thiểu số có nồng độ np (np<< pp)

Kết luận:

- Ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ 2 loại hạt dẫn luôn là hằng số

g

E -

n p =n p =n p =n =N N e (2.3)Trong đó: k - hằng số Boltzmann, k =1,38.10-23[J/0K]

- Trong chất bán dẫn pha tạp loại N: nn>> ni>> pn nên: nn = ND+

- Trong chất bán dẫn pha tạp loại P: pp>> pi>> n p nên: pp = NA -

2.4 MẶT GHÉP P – N VÀ TÍNH CHẤT CHỈNH LƯU

2.4.1 Mặt ghép p-n khi chưa có điện trường ngoài ngoài

Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc với nhau bằng công nghệ đặc biệt, các hiện tượng vật lí xảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết các dụng cụ bán dẫn điện hiện đại

Với giả thiết ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa hoàn toàn (nn=ND+;

pp=NA-) Các hiện tượng xảy ra tại nơi tiếp xúc có thể mô tả tóm tắt như sau:

Hình 2.7 Biểu diễn mô hình lí tưởng hóa mặt ghép p-n khi chưa có điện trường ngoài

Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn>>np và pp>>pn) tại vùng tiếp xúc có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn

32

gấp nhiều so với các vùng còn lại), do đó đồng thời xuất hiện một điện trường nội bộ hướng từ vùng N (lớp ion dương ND+) sang vùng P (lớp ion âm NA-) gọi là điện trường tiếp xúc Etx

Như vậy, đã xuất hiện hàng rào điện thế hay một hiệu thế tiếp xúc Utx Bề dầy lớp nghèo phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, nếu NA+ = ND- thì bề dầy lớp nghèo đối xứng qua mặt tiếp xúc (thường NA+ >>ND-) và phần chủ yếu nằm bên loại bán dẫn pha tạp chất ít hơn (có điện trở suất cao hơn) Điện trường Etx cản trở chuyển động của đòng khuếch tán và gây ra chuyển động gia tốc (trôi) của các hạt thiểu số qua miền tiếp xúc, có chiều ngược lại với dòng khuếch tán Quá trình này tiếp diễn sẽ dẫn tới 1 trạng thái cân bằng động: Ikt = Itr và không có dòng điện qua tiếp xúc p-n

Với những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng, Utx có giá trị khoảng 0,3V với tiếp xúc p-n làm từ Ge và 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ hạt dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K)

2.4.2 Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài ngoài

Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p-n một điện trường ngoài Có hai trường hợp xảy ra (h 2.11a và b)

Hình 2.8 Biểu diễn mô hình lí tưởng hóa mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài

Khi điện trường ngoài (Eng) ngược chiều với Etx (tức là có cực tính dương đặt vào p, âm đặt vào n) khi đó Eng chủ yếu đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với Etx nên cường độ trường tổng cộng tại vùng nghèo 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 do Ext gây ra gần như giảm không đáng kể do nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp này ứng với hình 2.11a) gọi là phân cực thuận cho tiếp xúc p-n Khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi so với lo Khi Eng cùng chiều với Etx (nguồn ngoài có cực dương đặt vào n và âm đặt vào p, tác dụng xếp chồng điện trường tại vùng nghèo, dòng Ikt giảm về không, dòng Itr có tăng chút ít và nhanh đến một giá trị bão hòa gọi là dòng điện ngược bão hòa của tiếp xúc p-n Bề rộng vùng nghèo tăng lên

so với trạng thái cân bằng Người ta gọi đó là sự phân cực ngược cho tiến xúc p-n

Kết quả là mặt ghép p-n khi đặt trong 1 điện trường ngoài có tính chất van: dẫn điện không đối xứng theo 2 chiều Người ta gọi đó là hiệu ứng chỉnh lưu của tiếp xúc p-n: theo chiều phân cực thuận (UAK> 0), dòng có giá trị lớn tạo bởi dòng hạt đa số phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngược (USK< 0) dòng có giá trị nhỏ

33

hơn vài cấp do hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p-n Đây là kết quả trực tiếp của hiệu ứng điều biến điện trở của lớp nghèo của mặt ghép p-n dưới tác động của trường ngoài

2.5 DIODE BÁN DẪN

2.5.1 Cấu tạo và ký hiệu của Diode

Diode bán dẫn có cấu tạo là một chuyển tiếp p-n với một điện cực nối tới miền

p gọi là Anode (A) và một điện cực được nối tới miền n được gọi là Cathode (K), liên kết đó được gọi là liên kết Ohmic và có thể coi là một điện trở có giá trị nhỏ nối tiếp với diode ở mạch ngoài

Hình 2.9 Cấu tạo của Diode

Ký hiệu và hình dạng thực tế của Diode

Hình 2.10 Ký hiệu và hình dạng thực tế của Diode

Thúc đẩy các electron trong bán dẫn n và các lỗ trống trong bán dẫn p tái hợp với các ion gần đường bao của vùng chuyển tiếp và làm giảm độ rộng của vùng chuyển tiếp, quá trình này hình thành dòng điện thuận (ID) Thông thường UAK< 1V

Hình 2.11 Phân cực thuận cho Diode

2.5.2.2 Phân cực ngược (U AK <0)

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

34

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

Số lượng các ion dương trong vùng chuyển tiếp của bán dẫn n tăng lên do một

số lượng lớn các electron tự do bị kéo về cực (+) của điện áp cungcấp Số lượng các ion âm trong vùng chuyển tiếp của bán dẫn p cũng tăng lên Vùng chuyển tiếp được

mở rộng Dòng điện trong điều kiện phân cực ngược – dòng bão hoà ngược IS

Hình 2.12 Phân cực ngược cho Diode

Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng ID có giá trị lớn do sự phun hạt dẫn

đa số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược dòng qua diode chỉ là dòng ngược bão hòa Is có giá trị rất nhỏ Điều này thể hiện tính chất van một chiều của Diode

2.5.2.3 Đặc tuyến Volt - Ampere

Đặc tuyến Volt - Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện thuận qua diode ID theo điện áp UAK đặt vào nó

AK T

U mU

Trong đó:

- Is là dòng ngược bão hòa

- UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage)

- q - Điện tích của hạt mang điện, q=1,6.10-19 (C)

- T: Nhiệt độ được đo bằng đơn vị Kenvil

- m: Hệ số phát xạ (m=1÷2 với Diode Si; m 1 với Diode Ge)

35

Hình 2.13 Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode

 Vùng đánh thủng (UAK< 0 và │ UAK │ đủ lớn): Khi điện áp phân cực ngược

đủ lớn đạt được giá trị điện áp đánh thủng (UBR), dòng ID tăng đột ngột nhưng điện áp

UAK không tăng Khi đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng và Diode mất tính chất van Có hai hiện tượng đánh thủng chính: Đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện

 Đánh thủng vì nhiệt: Do các hạt dẫn thiểu số được gia tốc trong điện trường

mạnh nên va chạm với các nguyên tử nút mạng làm cho nhiệt độ tại miền tiếp xúc tăng, làm phát sinh cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống Số hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục va chạm với các nguyên tử nút mạng, càng làm nhiệt độ tăng và số lượng hạt dẫn tăng một cách đột ngột, cường độ dòng ngược tăng đột biến và làm phá hỏng tiếp giáp p-n

 Đánh thủng vì điện: theo hai cơ chế là cơ chế thác lũ và cơ chế xuyên hầm

(Tunnel hay Zener)

- Cơ chế đánh thủng thác lũ: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh va chạm với các nguyên tử nút mạng, cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị

có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do, hiện tượng ion hóa nguyên tử này được gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm, làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống tự do

Và các hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục được gia tốc trong điện trường mạnh và ion hóa các nguyên tử khác khi đó số hạt dẫn trong miền điện tích không gian tăng lên đột ngột như “thác lũ” làm cho điện trở suất giảm và cường độ dòng ngược tăng đột biến, chuyển tiếp p-n bị đánh thủng Trong hầu hết các chuyển tiếp p-n, đánh thủng theo cơ chế thác lũ luôn chiếm ưu thế

- Cơ chế đánh thủng xuyên hầm: Cường độ điện trường mạnh cũng cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị của nguyên tử chất bán dẫn thuần để có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do Hiện tượng ion hóa này được gọi là ion hóa do điện trường Nếu cường độ điện trường ngược đủ lớn làm số lượng các hạt dẫn tăng lên một cách đáng kể hay cường độ dòng điện ngược tăng đột ngột và tiếp giáp p-n bị đánh thủng Có thể hình dung trong cơ chế đánh thủng xuyên hầm các electron tự do