Điện trở, tụ điện, diode, sò

Điện trở là cấu kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện trong mạch. Tụ điện là linh kiện dùng để chứa điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt trên nó Cuộn cảm là phần tử sinh ra hiện tượng tự cảm khi dòng điện chạy qua nó biến thiên. Khi dòng điện qua cuộn cảm biến thiên sẽ tạo ra từ thông thay đổi và một sức điện từ được cảm ứng ngay trong cuộn cảm hoặc có thể cảm ứng một sức điện từ sang cuộn cảm kề cận với nó.

CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 3.1 Cấu kiện thụ động

Ký hiệu điện trở theo 2 cách như hình 3.1

R R

Hình 3.1 Ký hiệu điện trở

Trên điện trở, dòng điện và điện áp luôn cùng pha và điện trở dẫn dòng điện mộtchiều và xoay chiều như nhau

(3.2)Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở Biểu thức định luật Ôm theodòng điện

(3.3)Công suất tiêu tán tức thời trên điện trở:

Công suất tiêu tán trung bình:

Điện trở có rất nhiều ứng dụng như: định thiên cho các cấu kiện bán dẫn, điềukhiển hệ số khuyếch đại, cố định hằng số thời gian, phối hợp trở kháng, phân áp, tạonhiệt Tùy theo ứng dụng, yêu cầu cụ thể và dựa vào đặc tính của các loại điện trở đểlựa chọn thích hợp

a Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở

+ Trị số điện trở và dung sai

+ Hệ số nhiệt của điện trở

+ Công suất tiêu tán danh định

+ Tạp âm của điện trở

- Trị số điện trở và dung sai

Trị số điện trở là tham số cơ bản nhất, và yêu cầu phải ổn định, ít thay đổi theonhiệt độ, độ ẩm, v.v Trị số của điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, vào kích

thước của điện trở và nhiệt độ môi trường.

Trị số của điện trở đo bằng đơn vị Ôm và các bội số cũng như ước số của nó: μΩ,

mΩ, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ

Giá trị của điện trở thường đo ở dòng điện một chiều hoặc tần số thấp Muốndùng điện trở ở tần số cao phải chọn điện trở có kết cấu, kích thước, vỏ bọc cụ thể.Trị số của điện trở: (Resistance [Ohm]-Q) được tính theo công thức:

(3.4)trong đó: ρ - là điện trở suất của vật liệu dây dẫn cản điện l - là chiều dài dây dẫnS- là tiết diện của dây dẫn

Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểu thị mức độ chênh lệch của trị sốthực tế của điện trở so với trị số danh định và được tính theo %

Tùy theo dung sai phân chia điện trở thành 5 cấp chính xác (tolerance levels ):Cấp 005: có sai số ± 0,5 %

Cấp 01: có sai số ± 1 %

Cấp I: có sai số ± 5 %

Cấp II: có sai số ± 10 %

Cấp III: có sai số ± 20 %

Trong các mạch điện yêu cầu độ chính xác cao thường dùng điện trở cấp 005 và

01 Còn trong kỹ thuật điện tử thông dụng người ta dùng các loại điện trở từ cấp I đếncấp III Các điện trở có độ chính xác càng cao càng đắt

- Hệ số nhiệt của điện trở - TCR

TCR (temperature coefficient of resistance): biểu thị sự thay đổi trị số của điệntrở theo nhiệt độ, được tính như sau:

(3.5)TCR là trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1°C (viếttắt là ppm/°C)

Hệ số nhiệt của điện trở có thể âm hoặc dương tùy loại vật liệu:

+ Kim loại thuần thường hệ số nhiệt dương

+ Một số hợp kim như constantin, manganin có hệ số điện trở nhiệt 0

+ Carbon, than chì có hệ số điện trở nhiệt âm

- Tạp âm của điện trở

Tạp âm của điện trở gồm:

+ Tạp âm nhiệt (Thermal noise): sinh ra do sự chuyển động của các hạt mang

(3.6)+ Erms = Điện áp hiệu dung nhiễu

+ k = Hằng số Boltzmans ()

+ T = Nhiệt độ làm việc [0K]

+ R = Trị số điện trở

+ ∆f = Dải tần làm việc của mạch [Hz]

+ Tạp âm dòng điện (Current Noise): sinh do các thay đổi bên trong của điện trởkhi có dòng điện chạy qua nó, giá trị hiệu dung của tạp âm dòng điện:

(3.7)trong đó

+ - Hệ số nhiễu (Noise Index )

+ : điện áp không đổi đặt trên 2 đầu điện trở

+ : điện áp tạp âm dòng điện

+ : khoảng tần số làm việc của điện trở

Mức tạp âm phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cản điện Bột than nén có mứctạp âm cao nhất Màng kim loại và dây quấn có mức tạp âm rất thấp

b Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở

- Cách ghi trực tiếp: ghi đầy đủ các tham số chính và đơn vị đo trên thân của điệntrở, ví dụ: 220KΩ 10%, 2W

- Cách ghi theo quy ước: có rất nhiều các quy ước khác nhau Xét một số cáchquy ước thông dụng:

+ Quy ước đơn giản: Không ghi đơn vị Ôm

Ví dụ: 2M=2MΩ, 0K47 =0,47KΩ = 470Ω, 100K = 100 KΩ, 220E = 220Ω,R47 = 0,47Q

+ Quy ước theo mã: Mã này gồm các chữ số và một chữ cái để chỉ % dung sai.Trong các chữ số thì chữ số cuối cùng chỉ số số 0 cần thêm vào Các chữ cái chỉ %dung sai qui ước gồm: F = 1 %, G = 2 %, J = 5 %, K = 10 %, M = 20 %

Ví dụ: 103F = 10000 Q ± 1% = 10K ± 1%

153G = 15000 Q ± 2% = 15 KQ ± 2%

4703J = 470000 Q ± 5% = 470KQ ± 5%

+ Quy ước mầu:

Quy ước các giá trị của các màu, và sử dụng các vòng màu để ghi giá trị của điệntrở Thông thường người ta sử dụng 3 vòng màu, 4 vòng màu, 5 vòng màu, và 6 vòng

* Loại 3 vòng màu được qui ước:

- Hai vòng màu đầu tiên là chỉ số có nghĩa thực của nó

- Vòng màu thứ 3 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân)

* Loại 4 vòng màu được qui ước:

- Hai vòng màu đầu tiên là chỉ số có nghĩa thực của nó

- Vòng màu thứ 3 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân)

- Vòng màu thứ 4 chỉ phần trăm dung sai (%)

* Loại 5 vạch màu được qui ước:

- Ba vòng màu đầu chỉ các số có nghĩa thực

- Vòng màu 4 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân)

- Vòng màu thứ 5 chỉ % dung sai

* Loại 6 vạch màu được qui ước:

- Ba vòng màu đầu chỉ các số có nghĩa thực

- Vòng màu 4 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân)

- Vòng màu thứ 5 chỉ % dung sai

- Vòng màu thứ 6 chỉ hằng số nhiệt của điện trở - TCR

Hình 3.2 Giá trị trở kháng theo mầu

c Phân loại điện trở

Phân loại điện trở có rất nhiều cách Thông dụng nhất là phân chia điện trở thànhhai loại: điện trở có trị số cố định và điện trở có trị số thay đổi được (hay biến trở).Trong mỗi loại này lại được phân chia theo các chỉ tiêu khác nhau thành các loại nhỏhơn như sau:

- Điện trở có trị số cố định

Điện trở có trị số cố định thường được phân loại theo vật liệu cản điện như:+ Điện trở than tổng hợp (than nén): cấu trúc từ hỗn hợp bột cacbon (bột thanchì) được đóng thành khuôn, có kích thước nhỏ và giá thành rất rẻ

+ Điện trở than nhiệt giải hoặc than màng (màng than tinh thể)

+ Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr hoặc manganin,constantan) quấn trên 1 ống gốm ceramic và phủ bên ngoài là một lớp sứ bảo vệ.+ Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng: Điện trởmiếng thuộc thành phần vi điện tử Dạng điện trở miếng thông dụng là được in luôntrên tấm ráp mạch

+ Điện trở cermet (gốm kim loại)

- Điện trở có trị số thay đổi (hay còn gọi là biến trở - Variable Resistor)

Biến trở có hai dạng: Loại kiểm soát dòng và Loại chiết áp (tùy theo cách sửdụng)

Hình 3.3 Ký hiệu các loại biến trở

Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu conchạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở Con chạy có kết cấu kiểu

xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt) Chiết áp có 3 đầu ra, đầugiữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng với hai đầu của điện trở.

d Một số điện trở đặc biệt

- Điện trở nhiệt: Tecmixto

Đây là một linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi theo nhiệt độ Khi ở nhiệt

độ bình thường thì tecmixto là một điện trở, nếu nhiệt độ càng tăng cao thì điện trở của

nó càng giảm

Hệ số nhiệt TCR của điện trở nhiệt tecmixto có giá trị âm lớn Điện trở nhiệtthường được dùng để ổn định nhiệt cho các mạch của thiết bị điện tử, để đo và điềuchỉnh nhiệt độ trong các cảm biến

- Điện trở Varixto: Đây là linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi được khi tathay đổi điện áp đặt lên nó

- Điện trở Mêgôm : có trị số điện trở từ

- Điện trở cao áp: Là điện trở chịu được điện áp cao từ 5 KV đến 20 KV

- Điện trở chuẩn: Là các điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn địnhcao

- Điện trở quang: Là các điện trở có trị số thay đổi khi có ánh sáng chiếu vào, trị

số điện trở thay đổi theo bước sóng và cường độ dòng điện chiếu vào

- Mạng điện trở: Mạng điện trở là một loại vi mạch tích hợp có 2 hàng chân Mộtphương pháp chế tạo là dùng công nghệ màng mỏng, trong đó dung dịch chất dẫn điệnđược lắng đọng trong một hình dạng theo yêu cầu, ví dụ một số hình ảnh tương đươngcủa mạng điện trở như sau:

Cấu tạo của tụ điện bao gồm một lớp vật liệu cách điện nằm giữa hai bản cực là 2tấm kim loại có diện tích S Điện dung của tụ điện được đo bằng số lượng điện tích mà

nó có thể được tích trong linh kiện khi điện áp giữa hai bản cực là 1 V Điện dung cóthể được tính khi biết kích thước của tụ điện và hằng số điện môi của chất cách điện.Dung lượng của tụ điện C[F]

(3.8)Trong đó:

- hằng số điện môi tương đối của chất điện môi

- hằng số điện môi tuyệt đối của không khí hay chân không

S - diện tích hữu dụng của bản cực [m2]

d - khoảng cách giữa 2 bản cực [m]

Đơn vị đo C: F, μF, nF, pF

c Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện

Trị số dung lượng và dung sai

Giá trị chuẩn của các loại tụ thông dụng:

10pF l2pF l5pF l8pF 22pF 27pF 33pF 39pF 47pF 56pF 68pF 82pF l.0μF1.2 μF 1.5 μF 1.8 μF 2.2 μF 2.7 μF 3.3 μF 3.9 μF 4.7 μF 5.6 μF 6.8 μF 8.2 μF

+ Dung sai của tụ điện

Đây là tham số chỉ độ chính xác của trị số dung lượng thực tế so với trị số danhđịnh của nó Dung sai của tụ điện được tính theo công thức:

Dung sai của điện dung được tính theo % Dung sai từ ± 5% đến ± 20% là bìnhthường cho hầu hết các tụ điện có trị số nhỏ, nhưng các tụ điện chính xác thì dung saiphải nhỏ (Cấp 01: 1%, Cấp 02: 2%)

+ Điện áp làm việc

Điện áp cực đại có thể cung cấp cho tụ điện hay còn gọi là "điện áp làm việc mộtchiều“, nếu quá điện áp này lớp cách điện sẽ bị đánh thủng và làm hỏng tụ.

Để đánh giá sự thay đổi của trị số điện dung khi nhiệt độ thay đổi người ta dùng

hệ số nhiệt TCC và tính theo công thức sau:

(3.9)TCC thường tính bằng đơn vị phần triệu trên 1°C (viết tắt ppm/°C) và nó đánhgiá sự thay đổi cực đại của trị số điện dung theo nhiệt độ

Khi giá trị điện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ, người ta dùng giới hạn cực đạithay đổi giá trị điện dung trên khoảng nhiệt độ làm việc và tính bằng %:

(3.10)+ Dòng điện rò

Do chất cách điện đặt giữa 2 bản cực không lý tưởng nên sẽ có một dòng điện ròrất bé chạy qua giữa 2 bản cực của tụ điện Trị số dòng điện rò phụ thuộc vào điện trởcách điện của chất điện môi

Đặc trưng cho dòng điện rò có thể dùng tham số điện trở cách điện của tụ (có trị

số khoảng vài MQ và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếu tụ có dòng điện rò nhỏ

Tụ điện màng Plastic có điện trở cách điện cao hơn 100000 MQ, còn tụ điện điệngiải thì dòng điện rò có thể lên tới vài khi điện áp đặt vào 2 bản cực của tụ chỉ 10 Vôn.Đối với điện áp xoay chiều, tổn hao công suất trong tụ được thể hiện qua hệ sốtổn hao D:

(3.11)Trong đó C là thành phần thuần dung, R là thành phần điện trở tổn hao

+ Sự phân cực

Các tụ điện điện giải ở các chân tụ thường có đánh dấu cực tính dương (dấu +)hoặc âm (dấu -) gọi là sự phân cực của tụ điện Khi sử dụng phải đấu tụ vào mạch saocho đúng cực tính của tụ Như vậy chỉ sử dụng loại tụ này vào những vị trí có điện áplàm việc không thay đổi cực tính

d Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện

Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện dung(kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc (điện áp lớn nhất) Có 2 cách ghi cơbản:

+ Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng Cách nàychỉ dùng cho các loại tụ điện có kích thước lớn

Ví dụ: Trên thân một tụ mi ca có ghi: 5.000PF ± 20% 600V

Cách ghi gián tiếp theo qui ước:

+ Ghi theo qui ước số đơn giản: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen,(Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen), nếu kiểu giá trị ghi bằng số nguyên thìđơn vị tương ứng là pF, nếu kiểu giá trị ghi bằng số thập phân thì đơn vị tương ứng làμF

Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung là 47 pF, điện áp làmviệc một chiều là 630 Vdc

Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức là giá trị điện dung là 0,01 μF và điện

áp làm việc một chiều là 100 Vdc

+ Quy ước theo mã: XYZ = XY * 10z pF

Ví dụ: 123K/50V =12000 pF ± 10% và điện áp làm việc lớn nhất 50 Vdc

+ Ghi theo quy ước màu:

Sử dụng vòng mầu, vạch màu, hoặc chấm mầu để ghi giá trị:

Sử dụng vạch mầu và chấm màu để ghi giá trị:

+ Cách ghi bằng chấm mầu, sử dụng 3 hoặc 6 chấm mầu, Cả 2 kiểu này đều nhưnhau nhưng kiểu 6 chấm mầu nhiều thông tin hơn như: Hệ số nhiệt, dung sai

Sử dụng vòng mầu để ghi giá trị:

Hình 3.5 Các loại ký hiệu trên tụ điện

Loại có 4 vòng màu:

Hai vòng đầu là số có nghĩa thực của nó

Vòng thứ ba là số nhân (đơn vị pF) hoặc số số 0 cần thêm vào

Loại có 5 vòng màu:

Ba vạch màu đầu giống như loai 4 vạch màu Vạch màu thứ tư chỉ % dung saiVạch màu thứ 5 chỉ điện áp làm việc

Hình 3.6 Các loại ký hiệu trên tụ điện

e Phân loại

+ Tụ điện có trị số điện dung cố định và tụ điện có trị số điện dung thay đổiđược

- Tụ điện có trị số điện dung cố định

Tụ điện có trị số điện dung cố định thường được gọi tên theo vật liệu chất điệnmôi

+ Tụ giấy: chất điện môi là giấy, thường có trị số điện dung khoảng từ 500 pFđến 50 μF và điện áp làm việc đến 600 Vdc Tụ giấy có giá thành rẻ nhất so với cácloại tụ có cùng trị số điện dung

Ưu điểm: kích thước nhỏ, điện dung lớn

Nhược điểm: Tổn hao điện môi lớn, TCC lớn

+ Tụ màng chất dẻo: chất điện môi là chất dẻo, có điện trở cách điện lớn hơn

100000 MQ Điện áp làm việc cao khoảng 600V Dung sai tiêu chuẩn của tụ là ± 2,5%;

hệ số nhiệt từ 60 đến 150 ppm/0C

Tụ màng chất dẻo nhỏ hơn tụ giấy nhưng đắt hơn Giá trị điện dung của tụ tiêuchuẩn nằm trong khoảng từ 5 pF đến 0,47 μF

+ Tụ mica: chất điện môi là mica, tụ mica tiêu chuẩn có giá trị điện dung khoảng

từ 1 pF đến 0,1 μF và điện áp làm việc cao đến 3500V

Nhược điểm: giá thành của tụ cao

Ưu điểm:Tổn hao điện môi nhỏ, Điện trở cách điện rất cao, chịu được nhiệt độcao

của một đĩa gốm mỏng và dây dẫn nối tới màng kim loại Tất cả được bọc trong một

+ Tụ dầu: chất điện môi là dầu Tụ dầu có điện dung lớn, chịu được điện áp cao

Có tính năng cách điện tốt, có thể chế tạo thành tụ cao áp

Kết cấu đơn giản, dễ sản xuất

+ Tụ điên giải nhôm: Cấu trúc cơ bản là giống tụ giấy Hai lá nhôm mỏng làm haibản cực đặt cách nhau bằng lớp vải mỏng được tẩm chất điện phân (dung dịch điệnphân), sau đó được quấn lại và cho vào trong một khối trụ bằng nhôm để bảo vệ

Các tụ điện giải nhôm thông dụng thường làm việc với điện áp một chiều lớn hơn

400 Vdc, trong trường hợp này, điện dung không quá 100 μF Điện áp làm việc thấp vàdòng rò tương đối lớn

+ Tụ tantan: (chất điện giải Tantan) Đây là một loại tụ điện giải, Bột tantan được

cô đặc thành dạng hình trụ, sau đó được nhấn chìm vào một hộp chứa chất điện phân.Dung dịch điện phân sẽ thấm vào chất tantan Khi đặt một điện áp một chiều lên haichân tụ thì một lớp oxit mỏng được tạo thành ở vùng tiếp xúc của chất điện phân vàtantan

Tụ tantan có điện áp làm việc lên đến 630 Vdc nhưng giá trị điện dung chỉkhoảng 3,5μF

- Tụ điện có trị số điện dung thay đổi

Hình 3.7 Hình ảnh minh họa của tụ điện có điện dung thay đổi.

Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được là loại tụ trong quá trình làm việc ta cóthể điều chỉnh thay đổi trị số điện dung của chúng Tụ có trị số điện dung thay đổiđược có nhiều loại, thông dụng nhất là loại đa dụng và loại vi điều chỉnh:

+ Loại đa dụng còn gọi là tụ xoay: Tụ xoay được dùng làm tụ điều chỉnh thusóng trong các máy thu thanh, v.v Tụ xoay có thể có 1 ngăn hoặc nhiều ngăn Mỗi

ngăn có các lá động xen kẽ, đối nhau với các lá tĩnh (lá giữ cố định) chế tạo từ nhôm.Chất điện môi có thể là không khí, mi ca, màng chất dẻo, gốm, v.v

+ Tụ vi điều chỉnh (thường gọi tắt là Trimcap), có nhiều kiểu Chất điện môicũng dùng nhiều loại như không khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Trong cácloại Trimcap chuyên dùng, thường gặp nhất là loại chất điện môi gốm Để thay đổi trị

số điện dung ta thay đổi vị trí giữa hai lá động và lá tĩnh Khoảng điều chỉnh của tụ từ1,5 pF đến 3 pF, hoặc từ 7 pF đến 45 pF và từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệtcần thiết

f Ứng dụng của tụ điện

Tụ điện được dùng để tạo phần tử dung kháng ở trong mạch Dung kháng XC

được tính theo công thức:

(3.12)Trong đó: f - là tần số của dòng điện (Hz); C - là trị số điện dung của tụ điện (F).Tùy theo cách sử dụng trong mạch mà tụ có các ứng dụng khác nhau:

+ Tụ không cho dòng điện một chiều qua nhưng lại dẫn dòng điện xoay chiều,nên tụ thường dùng để cho qua tín hiệu xoay chiều đồng thời vẫn ngăn cách được dòngmột chiều giữa mạch này với mạch khác, gọi là tụ liên lạc

+ Tụ dùng để triệt bỏ tín hiệu không cần thiết từ một điểm trên mạch xuống đất(ví dụ như tạp âm), gọi là tụ thoát

+ Tụ dùng làm phần tử dung kháng trong các mạch cộng hưởng LC gọi là tụcộng hưởng

+ Tụ dùng trong mạch lọc gọi là tụ lọc Tụ dùng trong các mạch chia dải tần làmviệc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích này thuộc nhóm chính xác

+ Các tụ trong nhóm đa dụng dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, thoát tín hiệu ngoài ra tụ còn dùng để trữ năng lượng, định thời

+ Do có tính nạp điện và phóng điện, tụ dùng để tạo mạch định giờ, mạch phátsóng răng cưa, mạch vi phân và tích phân

g Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế

Tụ hóa (Electrolytic Capacitors)

Hình 3.8 Các hình ảnh minh họa tụ hóa

Tụ làm việc với điện áp một chiều (Tụ DC): Các cực được ghi rõ dấu (+) hoặc(-), loại tụ này có kích thước to nên giá trị điện dung, điện áp làm việc được ghi trựctiếp trên thân tụ

+ Điện dung của tụ gốm (ceramic)

Hình 3.12 Các hình ảnh minh họa tụ film nhựa

Mức độ cảm ứng trong mỗi trường hợp phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn cảmhoặc sự hỗ cảm giữa hai cuộn cảm Các cuộn cảm được cấu trúc để có giá trị độ cảmứng xác định

Cuộn cảm cũng có thể đấu nối tiếp hoặc song song Ngay cả một đoạn dây dẫnngắn nhất cũng có sự cảm ứng

Hình 3.15 Hình ảnh minh họa cuộn cảm

b Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây

+ Độ tự cảm (L)

(3.13)Trong đó: S - là tiết diện của cuộn dây (m2)

N - là số vòng dây l - là chiều dài của cuộn dây (m)

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

Đơn vị đo:

Độ từ thẩm tuyệt đối của một số loại vật liệu

c Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q)

Dung sai của độ tự cảm: Đây là tham số chỉ độ chính xác của độ từ cảm thực tế

so với trị số danh định của nó Dung sai được tính theo công thức:

Một cuộn cảm lý tưởng không có tổn hao khi có dòng điện chạy qua, thực tế luôntổn hao đó là công suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây Tổn hao này được biểu thịbởi một điện trở tổn hao

Để đánh giá chất lượng của cuổn cảm dùng hệ số phẩm chất Q của cuộn cảm:(Cuộn cảm tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp, cuộn cảm tổn hao lớn dùng

sơ đồ tương đương song song)

Hình 3.16 Hình ảnh minh họa cuộn cảm

(3.14)

3.2 Chất bán dẫn

3.2.1 Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể

Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là cácmức rời rạc Khi đưa các nguyên tử lạì gần nhau, do tương tác, các mức này bị suybiến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng Đây

là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể

Tùy theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗhay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau :

L

Rs Rs

L

+ Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều

đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do

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

Hình 3.17 Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng a) Chất cách điện E g > 2eV; b) Chất bán dẫn điện E g ≤ 2eV; c) Chất dẫn điện.

Chúng ta đã biết, muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đống thời:quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyểnđộng có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của trường Dưới đây ta xét tớicách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất

mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình tạo các hạt tự do trong mạng tinhthể

3.2.2 Chất bản dẫn thuần

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúcvùng năng lượng dạng hình 3.18a với Eg = 0,72eV và Eg = l,12eV, thuộc nhóm bốnbảng tuấn hoàn Mendeleep Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) của chúng códạng hình 3.18b với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hóa trị vành ngoài, ở 0 Kchúng là các chất cách điện Khi được một nguồn năng lượng ngoài kích thích, xảy rahiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứtkhỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự do và để lại 1 liên kết bị khuyết (lỗ trống) Trên

đồ thị vùng năng lượng hình 3.18a, điều này tương ứng với sự chuyển điện tử từ 1 mứcnăng lượng trong vùng hóa trị lên 1 mức trong vùng dẫn để lại 1 mức tự do (trống)trong vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự do này, dưới tác dụng của trường ngoài hay một

Građien nồng độ cókhả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo nên dòng

điện trong chất bán dẫn thuần

Hình 3.18 a) Đồ thị vùng giải thích cơ chế phát sinh từng cặp hạt dẫn tự do

b) Cấu trúc mạng tinh thể mộí chiêu của chất bán dẫn thuần Si

3.2.3 Chất bản dẫn tạp chất loại n

Người ta tiến hành pha thêm các nguyên tử thuộc nhóm 5 bảng Mendeleep vàomạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ các công nghệ đặc biệt, với nồng độkhoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 Khi đó các nguyên tử tạp chất thừa một điện tửvành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ 1 nguổn năng lượng yếutạo nên 1 cặp ion dương tạp chất - điện tử tự do Ở điểu kiện bình thường (25°C) toàn

bộ các nguyên tử tạp chất đã bị ion hóa Ngoài ra hiện tượng phát sinh hạt giống như

cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra như được mô tả trên hình 3.19a, với mức độyếu hơn Trên đổ thị vùng năng lượng, các mức năng lượng tạp chất loại này (gọi làtạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên trong vùng cấm, nằm sát đáyvùng dẫn (khoảng cách cỡvài % eV)

Kết quả là trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion dương của tạp chất bất động vàdòng điện trong chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không bằng nhau tạo ra: điện

tử được gọi là loại hạt dẫn đa số có nồng độ là nn, lỗ trống - loại thiểu số có nồng độ Pn

(chênh nhau nhiều cấp : nn>> pn)

trong đó là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn,

khối lượng hiệu dụng của điện tử tự do

k: hằng số Boltzmann

Mức năng lượng Fermi-Dirac

Mức năng lượng của đáy vùng dẫn

Mức năng lượng của đỉnh vùng hóa trị

trong đó: là mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn,

Khối lượng hiệu dụng của lỗ trống

h: hằng số Plank, k: hằng số Boltzmann

- Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn thuần

- Dòng điện khuếch tán: Dòng điện tạo ra do sự chuyển động ngẫu

các hạt tải điện (thông thường giá trị trung bình =0, nên bỏ qua) và sự

điện từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp hơn:

,

Trong đó: là hệ số khuếch tán của lỗ trống

là hệ số khuếch tán của điện tử

dp/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống và điện tử tự do

- Dòng diện trôi p: Dòng chuyển dịch của các hạt tải điện do tác

E:

- Dòng tổng cộng trong chất bán dẫn:

3.3 Chuyển tiếp p - n

3.3.1 Chuyển tiếp p – n khi chưa có điện áp ngoài

Khi cho hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc công nghệ với nhau, giữa hai khối bándẫn hình thành một mặt tiếp xúc p-n, do sự chênh lệch về nồng độ hạtdẫngiữahaikhốisẽxảyrasự khuyếch tán Các lỗ trống ở khối p sẽ khuyếch tán sang khối n và cácđiện tử từ khối n sẽ khuyếch tán sang khối p

Kết quả làmchobềmặt gầnlớptiếpgiáp củakhối pnghèođi vềđiệntíchdươngvàgiàu

cânbằngvớilựckhuyếchtánthìtrạngtháicânbằngđộngxảyra.Khiđóvùngđiệntíchkhônggiankhôngtăngnữa,vùngnàygọilàvùngnghèo.Khicânbằngđộng,cóbaonhiêuhạtdẫnđiệnkhuyếchtántừkhốinàysangkhốikiathìcũngbấynhiêuhạtdẫnđượcchuyểntrởlạiquamặttiếpxúc,chúngbằngnhauvềtrịsốnhưngngược chiềunhau nênchúngtriệttiêunhau,kếtquảdòngđiệnquatiếpxúcP-Nbằng0

Kết luận:Khôngcódòngđiệnchạy qualớptiếpgiápP–Nkhichưa cóđiệntrường ngoài

Hình 3.20 Mặt ghép p – n khi chưa có điện trường ngoài

hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp giáp p – n Dòng điện trôi do Engoài gây ra gầnnhư giảm không đáng kể, do nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp này ứng với hình3.21 gọi là phân cực thuận cho tiếp giáp p – n khi đó bề rộng vùng nghèo giảm đi sovới l0

Cần chú ý rằng điện áp thuận càng tăng, bề dày vùng nghèo càng giảm và điện áphàng rào thế Et.xúc – Engoài càng giảm Khi Et.xúc = Engoài , hàng rào thế biến mất, dòngqua chuyển tiếp p – n theo chiều thuận sẽ vô cùng lớn, phá hỏng miền tiếp xúc Đây làtrạng thái cần tránh khi sử dụng chuyển tiếp p – n phân cực thuận sau này

Dòng điện qua chuyển tiếp p-n là tổng dòng khuyến tán điện tử và lỗtrống:

Với dòng bão hòa ngược

Hình 3.21 Phân cực thuận chuyển tiếp pn

3.3.3 Phân cực ngược

Khi điện áp Engoài được nối như hình 3.22 (p nối với cực âm, n nối với cực dươnggọi là phân cực ngược) Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo (gọi làvùng trung hoà) là không đáng kể Khi đó điện áp Engoài gần như đặt lên toàn bộ vùngnghèo, chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Et.xúc Tình trạng cân bằng trước đây không cònnữa Điện trường E do điệp áp Engoài gây ra cùng chiều với Et.xúc sẽ làm hạt dẫn đa sốcủa hai bán dẫn rời xa khỏi mặt ranh giới đi về 2 phía

Hình 3.22 Phân cực ngược chuyển tiếp pn

Do đó cùng nghèo bị mở rộng (l>l0) điện trở vùng nghèo tăng Hàng rào điện thếtrở thành Et.xúc + Engoài khiến dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhỏ,còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì tăngtheoEngoài Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu sốrất nhỏ nên trị số dòng này rất nhỏ Nó nhanh chóng đạt đến giá trị bão hoà Is khi Engoài

còn rất thấp Dòng tổng hợp qua chuyển tiếp p – n (chiều dương quy ước là chiều từ psang n) ở trạng thái này là: I = - Is Nghĩa là khi bị phân cực ngược, dòng điện qua quachuyển tiếp p – n có giá trị rất bé và chạy theo chiều âm Is còn được gọi là dòngngược bão hoà

3.3.4 Điện dung của lớp chuyển tiếp

Lớp điện tích khối l0 tương đương như 1 tụ điện gọi là điện dung của mặt ghép n: Cpn = Ckt + Crào

p-Trong đó Crào là thành phần điện dung chỉ phụ thuộc vào điện áp ngược (vài phầnchục pF) và Ckt là thành phần chỉ phụ thuộc vào điện áp thuận (vài pF)

Ở những tần số làm việc cao, người ta phải để ý tới ảnh hưởng của Cpn tới cáctính chất của mạch điện Đặc biệt khi sử dụng điốt ở chế độ khoá điện tử đóng mở vớinhịp cao, điốt cần một thời gian quá độ để hồi phục lại tính chất van lúc chuyển từ mởsang khoá Điện áp mở van UD là giá trị điện áp thuận đặt lên van tương ứng để dòngđiện đạt được giá trị 0,1Imax

3.3.5 Sự đánh thủng lớp chuyển tiếp

Khi chuyển tiếp p - n bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trịquá lớn nào đó thì dòng điện ngược tăng vọt, nghĩa là chuyển tiếp p - n dẫn điện mạnhtheo chiều ngược, phá hỏng đặc tính van vốn có của nó Hiện tượng này được gọi làhiện tượng đánh thủng Giá trị điện áp ngược khi xảy ra quá trình này thường ký hiệu

là VB (điện áp đánh thủng)

Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc do nhiệt, vì vậy người tathường phân biệt hai dạng: đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt Có khi cả hainguyên nhân đó kết hợp lại với nhau và tăng cường lẫn nhau, gây ra một dạng đánhthủng thứ ba là đánh thủng điện - nhiệt.

Đánh thủng về điện phân làm hai loại: đánh thủng thác lũ (avalanche) và đánhthủng xuyên hầm (tunnel)

Hình 3.23 Đặc tuyến V-A chuyển tiếp pn

Đánh thủng thác lũ thường xảy ra trong các chuyển tiếp p - n có bề dày lớn, điệntrường trong vùng nghèo có trị số khá lớn Điện trường này gia tốc cho các hạt dẫn,gây ra gây ra hiện tượng ion hóa vìvachạm làm sản sinh những đôi điện tử - lỗ trống.Các hạt dẫn vừa sinh ra này lại tiếp tục được gia tốc và ion hóa các nguyên tử khác …,

cứ như thế số lượng hạt dần tăng lên gấp bội, khiến dòng điện tăng vọt

Đánh thủng xuyên hầm xảy ra ở những vùng nghèo tương đối hẹp, tức là chuyểntiếp của những bán dẫn có nồng độ tạp chất rất lớn Điện trường trong vùng nghèo rấtlớn, có khả năng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử trong vùng hoá trị củabán dẫn p có khả năng “chui qua” hàng rào thế để chạy sang vùng dẫn n, làm cho dòngđiện tăng vọt

Đặc tuyến Volt - Ampere của hai dạng đánh thủng nói trên gần như song song vớitrụctung Khi nhiệt độ môi trường tăng, giá trị điện áp đánh thủng theo cơ thể xuyênhầm bị giảm (tức hệ số nhiệt của VB âm), còn điện áp đánh thủng theo cơ chế thác lũ,lại tăng (hệ số nhiệt của VB dương)

Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng nghèo Khi có điện ápngược lớn, dòng điện ngược tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu

số tăng và do đó lại làm dòng điện ngược tăng nhanh Quá trình cứ thế tiến triển khiếncho nhiệt độ vùng nghèo và dòng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn tới đánh thủng.Trị số của điện áp đánh thủng về nhiệt phụ thuộc vào dòng điện ngược ban đầu, vàonhiệt độ môi trường và điều kiện tỏa nhiệt của chuyển tiếp p - n Đặc tuyến vôn-ampe

có đoạn điện trở âm, nghĩa là dòng điện ngược tăng vọt trong khi điện áp trên hai đầu

chuyển tiếp p - n giảm xuống Đánh thủng về nhiệt thường gây ra những hậu quả taihại, phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p - n Còn đánh thủng vềđiện, nếu có biện pháp hạn chế dòng điện ngược sao cho công suất tiêu tán chưa vượtquá giá trị cực đại cho phép thì chuyển tiếp p - n vẫn có thể hồi phục lại đặc tính chỉnhlưu của mình.

3.4 Điốt bán dẫn

Hình 3.24 Cấu tạo và ký hiệu của điốt bán dẫn

Điốt bán dẫn là linh kiện gồm có một tiếp xúc p-n và hai cực là anốt (ký hiệu làA) được nối với bán dẫn p và catốt (ký hiệu là K) được nối tới bán dẫn n (hình 3.24).Khi UAK> 0 thì điốt sẽ dẫn điện và trong mạch có dòng điện chạy qua vì lúc nàytiếp xúc P-N được phân cực thuận Khi UAK< 0 điốt sẽ khoá vì tiếp xúc P-N phân cựcngược, dòng điện ngược rất nhỏ I0 chạy qua

3.4.1 Đặc trưng V-A của điốt bán dẫn

Chuyển tiếp p - n (còn gọi vùng nghèo) là bộ phận quan trọng nhất của tiếp xúcgiữa hai bán dẫn khác loại Tùy theo điện áp đặt vào theo chiều thuận hay ngược mà

nó có đặc tính khác nau Khi phân cực thuận, vùng nghèo hẹp, điện trở nhỏ, dòng điệnlớn và tăng nhanh theo điện áp; khi phân cực ngược, vùng nghèo mở rộng, điện trở rấtlớn, dòng điện chạy qua rất nhỏ và ít thay đổi theo điện áp Như vậy chuyển tiếp p – ndẫn điện theo hai chiều không giống nhau Nếu có điện áp xoay chiều đặt vào thì nóchỉ dẫn điện chủ yếu theo một chiều Ta gọi đó là tính chất van hay đặc tính chỉnh lưu.Hình 3.25 là đồ thị nêu lên mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chuyểntiếp p – n: về phía thuận, dòng điện tăng nhanh theo điện áp, còn về phía ngược, dòngđiện rất nhỏ gần như không đổi