Bài giảng Điện tử cơ bản: Phần 1 - ĐH Phạm Văn Đồng

(NB) Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong mạch điện tử. Nội dung bài giảng được biên soạn như Đại cương về chất bán dẫn, Diode bán dẫn và mạch ứng dụng, Đại cương về Transistor lưỡng cực - BJT, Transistor hiệu ứng trường - FET, Các mạch phân cực của transistor.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên

Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên

Bộ môn: Điện - Điện tử

Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2019

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng “Điện tử cơ bản” được biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc cao đẳng chính qui, ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Trường đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong mạch điện

tử Nội dung bài giảng được biên soạn theo đề cương chi tiết môn học do Trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:

Chương 1 Đại cương về chất bán dẫn

Chương 2 Diode bán dẫn và mạch ứng dụng

Chương 3 Đại cương về Transistor lưỡng cực - BJT

Chương 4 Transistor hiệu ứng trường - FET

Chương 5 Các mạch phân cực của transistor

Chương 6 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Chương 7 Các mạch khuếch đại ghép tầng

Chương 8 Khuếch đại thuật toán và mạch ứng dụng

Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung một cách ngắn gọn và dễ hiểu Ngoài ra ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập nhằm giúp các sinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã học

Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện hơn Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - Điện tử, Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng

Tác giả xin chân thành cảm ơn

Tác giả

Th.S Trần Thị Ánh Duyên

MỤC LỤC

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN Trang 1

1.1 Giới thiệu sơ lược về chất bán dẫn 1

1.2 Chất bán dẫn thuần 1

1.3 Chất bán dẫn tạp 3

1.4 Quá trình động trong chất bán dẫn 4

1.5 Tiếp giáp P – N 5

Chương 2 DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 9

2.1 Cấu tạo, ký hiệu của diode 9

2.2 Nguyên lý làm việc của diode 9

2.3 Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode 11

2.4 Các tham số của diode 13

2.5 Các thông số giới hạn của diode 15

2.6 Phân loại diode 16

2.7 Giải tích mạch diode 18

2.8 Các mạch ứng dụng của diode 19

Chương 3 ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC - BJT 29

3.1 Cấu tạo và ký hiệu của BJT 29

3.2 Nguyên lý hoạt động của BJT 29

3.3 Ba cách mắc cơ bản của BJT 32

3.4 Đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT 32

3.5 Các thông số giới hạn của BJT 36

Chương 4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG - FET 40

4.1 Sơ lược về FET 40

4.2 JFET 40

4.3 MOSFET 44

Chương 5 CÁC MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR 50

5.1 Giới thiệu chung 50

5.2 Phân tích đường tải 50

5.3 Các mạch phân cực cho BJT 52

5.4 Hệ số ổn định nhiệt 56

5.5 Các mạch phân cực cho FET 59

Chương 6 MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ 68

6.1 Giới thiệu chung 68

6.2 Đặc trưng cơ bản của 1 tầng khuếch đại 68

6.3 Mô hình của BJT 69

6.4 Mô hình của FET 75

6.5 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng BJT 77

6.6 Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng FET 83

Chương 7 CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TẦNG 89

7.1 Giới thiệu chung 89

7.2 Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp 90

7.3 Mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ liên lạc (ghép RC) 92

7.4 Mạch khuếch đại ghép tầng bằng biến áp 94

7.5 Mạch khuếch đại ghép Darlington 97

7.6 Mạch khuếch đại ghép Cascode 97

7.7 Mạch khuếch đại vi sai 100

7.8 Mạch khuếch đại công suất 103

Chương 8 KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 113

8.1 Giới thiệu chung 113

8.2 Mạch khuếch đại không đảo 113

8.3 Mạch khuếch đại đảo 115

8.4 Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào 115

8.5 Mạch khuếch đại cộng đảo 116

8.6 Mạch khuếch đại cộng không đảo 116

8.7 Mạch tích phân 117

8.8 Mạch vi phân 119

Tài liệu tham khảo………

Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN 1.1 Giới thiệu sơ lược về chất bán dẫn

Tùy theo điện trở suất  của vật chất, người ta chia vật chất ra thành 3 loại:

Để chế tạo các linh kiện bán dẫn người ta thường sử dụng 2 chất bán dẫn là:

- Silic (Si) có Eg = 1,12eV

- Germani (Ge) có Eg = 0,72eV

Trên thực tế thì Silic là chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất

* Phân loại: Chất bán dẫn được phân thành 2 loại là bán dẫn thuần và bán dẫn tạp

1.2 Chất bán dẫn thuần

Xét chất bán dẫn loại Silic: Cấu hình electron của Si (Z = 14) là: 1s22s22p63s23p2

Từ cấu hình electron ta thấy: Silic có 3 lớp điện tử, lớp ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị trong khi đó có thể chứa đến 8 nguyên tử nên lớp điện tử ngoài cùng là chưa hoàn thiện

Eg > 5eV

Vùng dẫn Vùng cấm Vùng hóa trị

E

c) Chất dẫn điện

Hình 1.1 Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng

Các điện tử sẽ tham gia tác động lẫn nhau giữa các nguyên tử, chúng tạo thành tinh thể Silic hay phân tử hợp chất hóa học của Silic với các chất khác

Hình 1.2 Cấu trúc nguyên tử của a Germani; b.Silic

Hình 1.3 a Cấu trúc tinh thể đơn của Ge và Si; b Cấu trúc mạng tinh thể của Si

Trong mạng tinh thể của Silic, mỗi nguyên tử Silic liên kết với 4 nguyên tử Silic khác nằm cạnh nó nhờ 4 liên kết cộng hóa trị như hình 1.3b

Tính chất dẫn điện của kim loại là do sự tồn tại của các điện tử tự do (hay điện tử dẫn), chúng có mối liên kết rất yếu với các nguyên tử

Nếu khối tinh thể Silic là hoàn toàn nguyên chất và trong điều kiện bình thường thì tất cả các điện tử hóa trị của nguyên tử sẽ liên kết với nhau nên không tồn tại điện tử tự

do Do vậy trong điều kiện bình thường thì tinh thể Silic không dẫn điện

Nếu ta kích thích năng lượng bằng cách đốt nóng, chiếu chùm tia phóng xạ hoặc đặt một cường độ điện trường,… vào mạng tinh thể để làm tăng mức năng lượng của các điện tử thì các điện tử này có thể phá vỡ mối liên kết với nguyên tử, thoát ra ngoài thành điện tử tự do

Ở mỗi liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử thoát ra ngoài để lại 1 lỗ trống, lỗ trống này

dễ bị 1 điện tử ở mối liên kết khác nhảy đến lấp chỗ trống và do vậy sẽ xuất hiện 1 lỗ trống mới ở nơi điện tử vừa đi khỏi

Quá trình cứ tiếp tục như vậy, ta thấy điện tử di chuyển theo 1 chiều nhất định nào

đó, lỗ trống không di chuyển nhưng ta thấy dường như nó di chuyển theo chiều ngược lại với chiều di chuyển của điện tử

Ta nhận thấy rằng ở chất bán dẫn nguyên chất thì mật độ điện tử tự do bằng mật độ

lỗ trống nên tính chất dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào tác nhân bên ngoài kích

Gọi n là mật độ điện tử (số điện tử di chuyển trong 1 đơn vị thể tích), p là mật độ lỗ trống (số lỗ trống lần lượt xuất hiện trong 1 đơn vị thể tích) Ta có:

n = p = ni gọi là chất bán dẫn thuần

T K

E q exp(

T A

n2 3 gi

Người ta phân bán dẫn tạp thành 2 loại là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P

Hai nhóm tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 và hóa trị 5

Nguyên tố hóa trị 3 Nguyên tố hóa trị 5

Aluminum (Al) Phosphorus (P) Gallium (Ga) Arsenic (As)

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ điện tử lớn hơn mật độ lỗ trống được gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại N

Hình 1.4 Chất bán dẫn loại N

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108

nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử Sb

Gọi nN là mật độ điện tử trong bán dẫn loại N, pN là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại N thì: nN > pN Trong bán dẫn loại N, điện tử là hạt đa số, lỗ trống là hạt thiểu số

b Bán dẫn loại P

Cũng với chất bán dẫn Silic, nếu ta pha thêm 1 lượng nhỏ Nhôm (Al), Bo (B), Gali (Ga)… thuộc nhóm 3 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 3 điện tử lớp ngoài cùng Lúc này mỗi nguyên tử tạp chất thiếu 1 điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Silic nằm cạnh của tinh thể bán dẫn, như vậy tạo thành 1 lỗ trống

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ điện tử được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P

Hình 1.5 Chất bán dẫn loại P

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử B

Gọi nP là mật độ điện tử trong bán dẫn loại P, pP là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại P thì: nP < pP Trong bán dẫn loại P, điện tử là hạt thiểu số, lỗ trống là hạt đa số

1.4 Quá trình động trong chất bán dẫn

1.4.1 Thời gian sống của hạt mang điện

Một electron nằm ở lớp hóa trị, khi

nó được cung cấp một năng lượng vừa

đủ để nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn,

thì nó để lại một chỗ trống trong liên kết

hóa trị, chỗ trống này xem như lỗ trống

(hole) như hình 1.6

Sau khoảng vài s ở trạng thái điện tử tự do, electron này sẽ mất hết năng lượng và rơi vào 1 trong các lỗ trống nằm trong liên kết hóa trị Quá trình này gọi là tái kết hợp Thời gian từ khi electron trở thành điện tử tự do cho đến khi xảy ra việc tái hợp lại được

gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống

1.4.2 Chuyển động trôi

Như đã biết, nếu đặt điện tử hoặc lỗ trống vào môi trường chân không và khi có điện trường tác động, các hạt dẫn sẽ chuyển động có gia tốc (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều) Ở trong mạng tinh thể của chất rắn, cách thức xảy ra không hoàn giống như vậy Mạng tinh thể chứa rất nhiều nguyên tử (kể cả tạp chất), chúng luôn luôn dao động

Băng dẫn (lớp dẫn)

Băng hóa trị

vì nhiệt Vì vậy khi chịu tác động của điện trường, các hạt dẫn trên đường chuyển động

có gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tố của mạng tinh thể Mỗi lần va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiều của vận tốc nghĩa là làm tán xạ chúng Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác động của điện trường như vậy được gọi là chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn)

1.4.3 Chuyển động khuếch tán

Trong chất rắn, ngoài hình thức chuyển động trôi dưới tác động của điện trường, các hạt dẫn còn chuyển động khuếch tán Dạng chuyển động này xảy ra cho mọi phần tử vật chất khi có sự phân bố không đồng đều trong thể tích

Đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều, chúng

sẽ khuếch tán từ nơi nồng độ cao về nơi nồng độ thấp Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra gọi là dòng điện khuếch tán

1.5 Tiếp giáp P – N

Tiếp giáp p - n gồm một khối chất bán dẫn p và một khối chất bán dẫn n được ghép lại với nhau như hình 1.7

Hình 1.7 Tiếp giáp p - n 1.5.1 Tiếp giáp p - n khi chưa có địên trường ngoài đặt vào

Hình 1.8 trình bày các chất bán dẫn khi chưa ghép nối Ta có thể thấy rằng chất bán dẫn n với hạt tải đa số là điện tử và chất bán dẫn loại p với hạt tải đa số là lỗ trống

Hình 1.8 Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p

Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích âm bằng với tổng điện tích dương trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều

Khi tiếp xúc nhau, các dãy dẫn và dãy hóa trị trùng lắp nhau Do chênh lệch nồng

độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang

n, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ p sang n)

Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, hình thành 1 vùng hẹp ở 2 bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm xuống rất thấp Tại vùng hẹp, bên bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm (acceptor), còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn lại các ion dương (donor), nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích không gian khác dấu đối diện nhau như hình 1.9 Giữa hai lớp điện tích này sẽ có một sự chênh lệch điện thế (bên n dương hơn bên p) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx Nói cách khác: trong vùng lân

cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường (hướng từ n sang p) gọi là điện trường tiếp xúc Etx

Hình 1.9 Mối nối p - n khi chưa có địên trường ngoài

Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp p - n Nồng độ hạt dẫn trong vùng này còn rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng còn lại

Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt tải thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn n chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn p chạy về phía cực dương của điện trường Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt tải đa số

Nồng độ hạt tải đa số trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, dẫn đến điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số cũng tăng Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời gian rất ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới bằng 0

0





 I diffustion I drift I

Ta nói tiếp giáp p - n đạt tới trạng thái cân bằng động Ứng với trạng thái đó, hiệu điện thế tiếp xúc (hoặc điện trường tiếp xúc) giữa bán dẫn n và bán dẫn p có 1 giá trị nhất định

Thông thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,2 -> 0,3V (đối với Germani) hoặc 0,6 -> 0,7V (đối với Silic) Hiệu thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là “điện thế hàng rào” 1.5.2 Tiếp giáp p - n khi có điện trường ngoài đặt vào

a Phân cực nghịch (V D < 0 )

Giả sử nguồn điện áp VD được kết nối như hình 1.10: p nối cực âm và n nối cực dương, gọi là phân cực nghịch cho tiếp giáp p - n Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể Lúc đó gần như toàn bộ điện áp VD sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm cho tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa

Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ tăng lên phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích dương tự do lấy từ điện thế dương của nguồn điện áp cung cấp Tương tự số lượng các ion âm sẽ tăng trong chất bán dẫn loại p

Kết quả làm cho vùng nghèo nới rộng ra Sự nới rộng của vùng nghèo sẽ thiết lập một rào cản làm cho các hạt tải đa số không thể nào băng qua được nên dòng khuếch tán

là zero như được trình bày trong hình 1.10

Hình 1.10 Phân cực nghịch mối nối p - n

Do vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng Điện thế hàng rào trở thành:

D

tx V V

V   Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo VD Nhưng do nồng độ hạt tải thiểu số vốn rất ít, nên trị số dòng này rất nhỏ

Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp

Vậy: I I diffustionI drift  I drift  I S

b Phân cực thuận (V D > 0 )

Khi nguồn điện áp VD được mắc như hình 1.11: p nối cực dương và n nối cực âm thì quá trình sẽ xảy ra ngược lại Điện thế hàng rào giảm chỉ còn Vtx - VD Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ giảm xuống phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích âm tự do lấy từ điện thế âm của nguồn điện áp cung cấp

Hình 1.11 Phân cực thuận mối nối p - n

Tương tự, số lượng các ion âm sẽ giảm trong chất bán dẫn loại p Kết quả làm cho vùng nghèo thu hẹp lại Sự thu hẹp của vùng nghèo sẽ làm cho hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện Dòng do hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp VD, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo VD Tuy nhiên, do dòng hạt tải thiểu số vốn rất bé nên có thể coi như không đổi

Khi đó dòng tổng hợp qua tiếp giáp p - n sẽ là:

Vẽ đồ thị của phương trình dòng điện qua tiếp giáp p - n ta được hình 1.12 chính là đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n

Hình 1.12 Đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n 1.5.3 Hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p- n

Khi tiếp giáp p - n bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là tiếp giáp p - n dẫn điện mạnh

cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van của nó Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng

Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc nhiệt, vì vậy người ta thường phân biệt hai dạng đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt

Câu hỏi ôn tập Câu 1.1 Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị:

Câu 1.3 Các nguyên tố tạp chất pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo ra chất

bán dẫn loại P, có số electron ngoài cùng là:

Chương 2 DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 2.1 Cấu tạo, ký hiệu của diode

Cho tiếp xúc 2 thỏi bán dẫn P và N của cùng 1 chất bán dẫn Si hoặc Ge bằng 1 công nghệ đặc biệt ta được 1 tiếp giáp P – N, gọi là diode bán dẫn Cấu tạo và kí hiệu của diode như hình 2.1

2.2 Nguyên lý làm việc của diode

Ta đã biết bán dẫn loại P có mật độ lỗ trống cao hơn rất nhiều so với bán dẫn loại

N, ngược lại bán dẫn loại N có mật độ điện tử lớn hơn rất nhiều so với bán dẫn loại P Khi cho 2 bán dẫn loại P và N tiếp xúc nhau, các hạt điện tử (hạt đa số) trong bán dẫn loại N có khuynh hướng di chuyển ngang qua mặt tiếp giáp để tái hợp với lỗ trống (hạt đa số) trong bán dẫn loại P

Như vậy có sự dịch chuyển điện tử giữa 2 tiếp giáp hình thành nên dòng điện có chiều ngược với chiều dịch chuyển của các điện tử, gọi là dòng điện khuếch tán Ikt có chiều hướng từ P sang N

Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau làm cho trong 1 vùng hẹp giữa 2 bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp Tại vùng đó (vùng có bề dày l0), bên bán dẫn P hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn

N hầu như chỉ còn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích trái ngược nhau

Giữa 2 lớp điện tích này có một sự chênh lệch điện thế gọi là điện thế tiếp xúc Utx

có chiều từ N sang P Hay nói cách khác: trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện

1 điện trường hướng từ N sang P, gọi là điện trường tiếp xúc Etx

Vùng hẹp l0 nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp P – N Nồng độ hạt dẫn trong vùng này rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng khác

Do tồn tại điện trường tiếp xúc nên các hạt dẫn thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán

Nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều Do đó điện trường tiếp xúc càng tăng và dẫn đến dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số càng tăng Vì vậy sau 1 khoảng thời gian rất ngắn dòng điện trôi và dòng điện khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau, dòng điện tổng bằng không

Hình 2.1 Cấu tạo và ký hiệu của diode

+ + + + + + + +

+ + +

-

-

-

l0tiếp giáp

Ikt

Utx a) Cấu tạo diode

D

b) Kí hiệu diode

Lúc này ta nói tiếp giáp P – N đạt trạng thái cân bằng, ứng với trạng thái đó hiệu điện thế tiếp xúc giữa 2 bán dẫn P – N có 1 giá trị nhất định Người ta chứng minh được rằng giá trị hiệu điện thế tiếp xúc này tỉ lệ với lượng chênh lệch nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn:

P N N

P tx

n

n ln q

T K p

p ln q

T K

Điện thế tiếp xúc này gọi là hàng rào điện thế hay hàng rào thế năng

Tại nhiệt độ t = 26 0C (điều kiện chuẩn, hay 300 0K), người ta tính được:

- Đối với bán dẫn Silic: Utx = 0,6  0,7V

- Đối với bán dẫn Ge: Utx = 0,2  0,3V

2.2.1 Phân cực thuận cho diode

Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anôt nối với cực dương, Katôt nối với cực âm như hình 2.2, gọi là phân cực thuận cho diode

Giả sử điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể Lúc đó gần như toàn bộ điện áp V đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên điện thế tiếp xúc Utx Tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa Điện trường E do điện áp V gây ra ngược chiều với Etx, hàng rào điện thế giảm độ cao, chỉ còn Utx – V nên hạt dẫn đa số (điện tử miền N) tràn qua hàng rào sang miền đối diện (miền P), gọi là hiện tượng phun hạt dẫn Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo giảm bớt nên bề dày vùng nghèo lúc này thu hẹp lại (l < lo)

Lúc này có dòng điện chạy qua diode từ cực P sang cực N gọi là dòng điện thuận

do các hạt dẫn đa số gây ra Dòng điện qua diode lúc này được xác định bởi:

) U

V exp(

I 1]

k.T

-q.V [exp(

I I

T S

2.2.2 Phân cực ngược cho diode

Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anốt nối với cực âm, Katôt nối với cực dương như hình 2.3, gọi là phân cực ngược cho diode

Hình 2.2 Phân cực thuận cho diode

+ + + + + + + + + + + +

- - - -

- - - -

- - - -

+ + +

Tương tự như trên nhưng lúc này điện trường ngoài do điện áp 1 chiều V gây ra cùng chiều với Etx, hàng rào điện thế tăng độ cao thành Utx + V khiến cho dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống còn rất nhỏ, còn dòng trôi của hạt thiểu số thì tăng theo điện áp V Nhưng nồng độ của hạt dẫn thiểu số vốn rất bé nên trị số dòng này rất nhỏ Nó nhanh chóng đạt đến giá trị dòng bão hòa khi V còn rất bé

Dòng điện tổng hợp qua tiếp giáp P – N có chiều từ N sang P có trị số âm và rất bé, gọi là dòng điện ngược hay dòng ngược bão hòa

nA 1 A 10 I

I   S 9 

* Kết luận: Vậy diode chỉ cho dòng điện qua nó theo 1 chiều nhất định từ P sang N khi nó phân cực thuận Tính chất dẫn điện 1 chiều của diode gọi là tính chất chỉnh lưu hay tính chất van của diode

2.3 Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

2.3.1 Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

Xét mạch điện đơn giản như hình 2.4

.exp(

[.)



T

D S

D D

V

V I

V f I



Trong đó: η là hệ số hiệu chỉnh, thường có giá trị từ 1 -> 2, η phụ thuộc vào công nghệ chế tạo

] n L

D p L

D [ S q

N

N N p

DN, DP là hệ số khuếch tán của điện tử, lỗ trống

LN, LP là độ dài khuếch tán của điện tử, lỗ trống

PN là số hạt thiểu số của bán dẫn N (tức lỗ trống)

nP là số hạt thiểu số của bán dẫn P (tức điện tử)

Hình 2.3 Phân cực ngược cho diode

+ + + + + + + + + + + +

- - - -

- - - -

- - - -

+ + +

Thông thường IS thường có giá trị rất nhỏ và tăng nhanh theo nhiệt độ nên còn được gọi là dòng điện nhiệt

Cho thay đổi giá trị nguồn 1 chiều V, tức thay đổi giá trị điện áp đặt vào 2 đầu diode, ta có các giá trị dòng qua diode khác nhau Mối quan hệ giữa dòng điện theo điện

áp 1 chiều UAK đặt trên diode gọi là đặc tuyến tĩnh của diode hay đặc tuyến Vôn – Ampe như hình 2.5 Dòng điện qua diode biến thiên theo qui luật hàm mũ

Từ hình 2.5, ta thấy:

- Khi điện áp thuận Vth nhỏ hơn giá trị V = 0,6 V đối với diode Silic (hoặc 0,2 V đối với diode Ge) thì dòng điện thuận còn bé, chưa đáng kể Khi Vth vượt quá giá trị điện áp mở V  thì dòng điện thuận ID mới tăng nhanh theo điện áp Đoạn đặc tuyến này gần như 1 đoạn thẳng với độ dốc không đổi

- Dòng điện ngược có giá trị rất nhỏ, cỡ A Khi điện áp ngược tăng, dòng điện ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến giá trị điện áp đánh thủng VBR thì dòng điện ngược tăng vọt Nếu không có biện pháp ngăn chặn sự tăng vọt của VBR thì sẽ gây ra quá trình đánh thủng làm hỏng diode

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chế độ làm việc của diode

- Khi diode phân cực thuận, nếu nhiệt độ tăng 1 0C thì điện áp V  trên tiếp giáp P – N giảm vài mV, gọi là hệ số nhiệt của diode Diode có hệ số nhiệt âm

+ Đối với Silic: -2,5 mV/ 0C

+ Đối với Ge: -1,8 mV/ 0

C

- Dòng điện ngược IS có hệ số nhiệt dương, nó phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức:

10 25 t 0 S 0

S ( t C ) I ( 25 C ) 2 I

Điện áp chuẩn để diode dẫn là: 0,7.10+3 – 10.2,5 = 675 mV

Vậy điện áp để diode Si dẫn ở nhiệt độ 35 0C là 0,675V

Hình 2.5 Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

2.4 Các tham số của diode

2.4.1 Điện trở tĩnh (hay điện trở dc)

Điện trở dc của diode tại điểm hoạt động có thể được tìm thấy một cách đơn giản bằng cách tìm các mức điện áp VD và dòng điện ID tương ứng với điện áp nguồn cung cấp dc được trình bày trong hình 2.6 và áp dụng phương trình sau:

D

D D

Hình 2.6 Xác định điện trở dc của diode tại điểm làm việc

2.4.2 Điện trở động (điện trở ac)

Trong phương trình

D

D D

I

V

R  , ta thấy điện trở dc của diode không phụ thuộc vào

hình dạng đặc tính trong vùng xung quanh điểm tĩnh Q Nếu xếp chồng một nguồn tín hiệu sin lên nguồn điện áp dc ở trên thì tín hiệu vào thay đổi sẽ làm điểm hoạt động thay đổi lên và xuống như hình 27

Hình 2.7 Dạng sóng trên diode khi có tín hiệu nhỏ ac

Nếu tín hiệu biến thiên đưa đến bằng 0, điểm hoạt động sẽ là điểm Q xuất hiện trên hình 2.7 được xác định bởi các mức điện áp dc Điểm gán chữ Q được rút ra từ chữ

quiscent có nghĩa là mức không thay đổi hay còn gọi là điểm tĩnh

Hình 2.8 Xác định điện trở ac tại điểm Q

Phương trình tính điện trở động của diode là:

d d D

D D

I

V I

V r

I

V

R  có thể được viết lại như sau:

d d D

D D

I

V I

V r

I

I I V

D D

I I

V dI

dV r

mV 26 r

D

D Đến đây ta có thể tính điện trở ac mà không cần phải vẽ đường tiếp tuyến Tuy nhiên, một điều quan trọng cần phải nhớ là phương trình tính rD chỉ chính xác khi vùng hoạt động của diode có thể được xem là tuyến tính và giá trị của ID nằm ở vùng thẳng đứng của đường cong

Khi ID nằm từ điểm uốn trở xuống thì giá trị  = 2 (Silic) làm dòng ID giảm xuống phân nữa và kết quả là điện trở rD nhân thêm hệ số 2

2.4.3 Mạch điện tương đương của diode

Một mạch điện tương đương là tổ hợp các phần tử được lựa chọn 1 cách hợp lý để biểu diễn các đặc tính của 1 linh kiện thật, 1 hệ thống hoặc 1 vùng hoạt động đặc biệt một cách tốt nhất

Mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn: Một phương pháp để thành lập mạch điện tương đương cho diode bằng cách kẽ các đường thẳng gần giống như đường đặc tính như trong hình 2.9a Mạch điện đó gọi là mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn Do diode Silic chỉ dẫn khi điện áp phân cực thuận VD bằng 0,7V (như hình 2.9a), một nguồn pin Vγ sẽ thay thế tương đương, kết quả ta có mạch điện tương đương như hình 2.9b

a) b)

Hình 2.9 a Xác định mạch điện tương đương dùng

các đường thẳng gần với đường đặc tính

Mạch điện tương đương đơn giản:

Trong hầu hết các ứng dụng, điện trở trung bình rav khá nhỏ nên có thể bỏ qua khi

so sánh với các phần tử khác trong mạch Khi bỏ điện trở rav khỏi mạch điện tương đương thì mạch điện và đường đặc tính có dạng như hình 2.10

Hình 2.10 Mạch điện tương đương đơn giản của diode

Mạch điện tương đương lý tưởng:

Sau khi bỏ qua giá trị điện trở trung bình rav khỏi mạch điện tương đương, bây giờ

ta thực hiện thêm 1 bước nữa là điện áp 0,7V có thể bỏ qua nếu so sánh với mức điện áp tín hiệu cung cấp khá lớn Trong trường hợp này mạch điện tương đương chỉ còn lại là 1 diode lý tưởng và đặc tính của nó như hình 2.11

Hình 2.11 Đặc tính của diode lý tưởng

2.5 Các thông số giới hạn của diode

Bảng thông số của các linh kiện bán dẫn thường được cung cấp bởi nhà chế tạo Hầu hết bảng thông số cung cấp các thông số giới hạn cho phép Ngoài ra, còn có thêm các đặc tính đã kiểm tra thông qua hình ảnh, bảng biểu… Các thông số này bao gồm:

1 Điện áp phân cực thuận VF tại dòng và nhiệt độ chỉ định

2 Dòng phân cực thuận cực đại IF tại nhiệt độ chỉ định

3 Dòng bão hòa ngược IR tại điện áp và nhiệt độ chỉ định

4 Điện áp phân cực ngược đánh thủng PIV tại nhiệt độ chỉ định

5 Mức công suất tiêu tán cực đại tại nhiệt độ đặc biệt

6 Điện dung của diode

7 Thời gian khôi phục phân cực nghịch trr (reverse recover time)

8 Dãy nhiệt độ cho phép làm việc

Tùy thuộc vào từng loại diode sử dụng, bảng dữ liệu có thể được cung cấp thêm các thông số khác như dãy tần số làm việc, mức nhiễu, thời gian chuyển mạch, các mức điện trở ngưỡng và các giá trị đỉnh

Công suất cực đại được tính như sau: P Dmax V D I D

Nếu chúng ta sử dụng mô hình đơn giản đối với các ứng dụng thì có thể thay thế

VD = VT = 0,7V đối với diode Silic

2.6 Phân loại diode

Hình 2.14 Kí hiệu của diode zener

Hình 2.15 Đặc tuyến của diode zener

Vị trí của vùng zener có thể thay đổi được trong công nghệ chế tạo bằng cách thay đổi nồng độ tạp chất trong chất bán dẫn Diode zener có thể chế tạo với các mức điện áp thay đổi từ 1,8V đến 200V với công suất tiêu tán từ ¼ W đến 50W Do nhiệt độ cao và khả năng chịu dòng lớn nên Silic là chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo diode zener

Mạch điện tương đương của diode zener trong vùng zener gồm 1 điện trở động nhỏ

và một nguồn pin tương đương với điện áp zener như hình 2.16a Tuy nhiên trong các ứng dụng chúng ta xem điện trở bên ngoài lớn hơn điện trở zener rất nhiều nên mạch điện tương đương đơn giản chỉ còn lại nguồn pin như hình 2.16b

Hình 2.16 Mạch điện tương đương của diode zener

2.6.4 Diode biến dung (varicap)

Cấu tạo là tiếp giáp p - n, được chế tạo có điện dung thay đổi theo điện áp ngược đặt vào Ứng dụng trong các mạch tự điều chỉnh tần số cộng hưởng…

Hình 2.17 Diode biến dung a Mạch điện tương đương; b kí hiệu

Hình 2.18 Đặc tuyến của diode biến dung

2.6.5 Diode tunnel (diode xuyên hầm)

Cấu trúc cũng là tiếp giáp p - n, nhưng có nồng độ tạp chất rất cao Ứng dụng trong các mạch tạo dao động siêu cao tần…

Hình 2.19 Diode tunnel a.mạch điện tương đương; b kí hiệu 2.6.6 Diode phát quang (LED - Light Emitting Diode)

Các bộ hiển thị trong máy tính số, trong đồng hồ số và trong một số thiết bị thường

ánh sáng khi nó được kích Khi bất kỳ mối nối p - n phân cực thuận thì sẽ có sự tái hợp của lỗ trống và điện tử nằm trong cấu trúc và gần mối nối

Sự tái hợp này đòi hỏi một năng lượng được chiếm hữu bởi các điện tử tự do phát

ra sẽ chuyển sang 1 trạng thái khác Trong tất cả các mối nối bán dẫn p - n, năng lượng này sẽ tạo ra nhiệt và một vài dạng hạt photons (hạt ánh sáng) Trong Silic và Germani càng tăng phần trăm sẽ tạo ra nhiệt và ánh sáng phát ra không đáng kể Trong một số vật liệu khác chẳng hạn như gallium arsenide phosphide (GaAsP) hoặc gallium phosphide (GaP), số lượng hạt ánh sáng tạo ra vừa đủ để tạo ra một nguồn phát sáng có thể thấy được

Hình 2.20 Led a cấu tạo; b kí hiệu

2.7 Giải tích mạch diode

Xét mạch điện hình 2.21a sử dụng một diode có đặc tính như hình 2.21b

Hình 2.21.Sơ đồ mạch và đặc tuyến của diode

Áp dụng định luật Kirchhoff 2: E V  D VR  0 hay: EV DV R V D RI D

Hay

R

E R

V

I D

D    : Gọi là phương trình đường tải 1 chiều ngõ ra của diode

Xác định điểm làm việc tĩnh Q của diode như hình 2.22

Hình 2.22 Xác định điểm làm việc tĩnh Q của diode

Điểm giao nhau của đường tải và đường cong đặc tính của diode được gọi là điểm tĩnh Q (VDQ, IDQ) Đường tải trên chính là đường tải 1 chiều DCLL

2.8 Các mạch ứng dụng của diode

2.8.1 Chỉnh lưu (nắn điện)

Mạch chỉnh lưu là loại mạch có nhiệm vụ biến đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều thành dòng điện hoặc điện áp một chiều tương ứng

Xét các loại mạch chỉnh lưu sau đây:

a) Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ

- Trong khoảng thời gian 0 < t < T/2, ứng với bán kỳ dương của điện áp vi(t), điện

áp đầu A dương hơn đầu B, diode D phân cực thuận, lúc này dòng I qua diode chính là dòng It qua R

Mạch chỉnh lưu

- Trong khoảng thời gian T/2 < t < T, ứng với bán kỳ âm của điện áp vi(t), điện áp đầu A dương hơn đầu B, diode D phân cực ngược, lúc này không có dòng qua diode nên không có dòng qua R

Hình 2.37 Khoảng thời gian ngắt của diode [T/2, T]

* Dạng sóng ra trên tải như hình 2.28

Hình 2.28 Dạng sóng tín hiệu trong mạch chỉnh lưu bán kỳ

Vậy R chỉ cho dòng điện qua nó theo 1 chiều nhất định, gọi là dòng điện 1 chiều

- Trị trung bình của điện áp đặt trên R là:

m m

T DC

T V

Trong đó: V m V 2 là giá trị biên độ của điện áp vi(t)

b) Mạch chỉnh lưu toàn chu kỳ dùng biến áp đôi

- Ứng với bán kỳ dương của điện áp vi, lúc này ta có D1 phân cực thuận, D2 phân cực ngược Dòng Ichạy trong mạch có chiều từ A qua D1, qua R xuống mass như hình 2.30

Hình 2.30 Dạng sóng vào ra và mạch tương đương ứng với bán kì dương của v i

- Ứng với bán kỳ âm của điện áp vi, lúc này ta có D1 phân cực ngược, D2 phân cực thuận Dòng I chạy B qua D2, qua R xuống mass như hình 2.31

Hình 2.31 Dạng sóng tín hiệu vào ra ở bán kì âm của v i

Vậy trong cả 2 nửa chu kỳ của điện áp u1 đều có dòng điện qua R theo 1 chiều nhất định Điện áp giữa 2 đầu R là điện áp 1 chiều: vo = R.I (Giả sử 2 diode là hoàn toàn giống nhau thì dòng điện qua Rtrong 2 bán kỳ là giống nhau)

Hình 2.32 Dạng sóng vào ra của mạch chỉnh lưu toàn kì dùng biến áp đôi

- Giá trị điện áp trung bình trên R là:

m m

T T

DC

T dt t V

T V

V 1 2.sin 2.1 2.sin 2 . 2 2 0,636

2 /

0 0

c) Mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu

Mắc sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu như hình 2.33

* Nguyên lý làm việc:

- Đối với bán kỳ dương [0, T/2] của vi(t), ta có: D2 và D3 phân cực thuận, D1 và D4phân cực ngược Lúc này dòng điện I chạy từ A qua D2, R, qua D3 đến B

Hình 2.34 Mạch tương đương và dạng sóng vào ra ở [0,T/2]

- Đối với bán kỳ âm [T/2, T] của vi(t), ta có: D1 và D4 phân cực thuận, D2 và D3phân cực ngược Lúc này dòng điện I chạy từ B qua D4, R, qua D1 đến A

Hình 2.35 Mạch tương đương và dạng sóng vào ra ở [0,T/2]

Như vậy, trong cả 2 chu kỳ đều có dòng chạy qua R theo 1 chiều nhất định Điện

áp nhận được trên tải R là điện áp 1 chiều

Nếu D1 = D2 = D3 = D4 thì I1 = I2 = I nên điện áp trên tải là: V o  I.R Dạng sóng trên tải như hình 2.36

Hình 2.36 Dạng sóng vào và ra trong một chu kì của mạch chỉnh lưu cầu

Giá trị điện áp trung bình trên R là:

m m

T T

DC

T dt t V

T V

V 1 2.sin 2.1 2.sin 2 . 2 2 0,636

2 / 0 0

2dt)t(uT

1

0

2 2 0 T

0

2 2

- Giá trị dòng điện hiệu dụng:

R 2

U R

U

- Giá trị điện áp lớn nhất đặt lên diode là: VDmax  U0

- Giá trị dòng điện lớn nhất qua diode là: 0

max D R U

2.8.2 Mạch lọc điện

a) Khái niệm: Điện áp hoặc dòng điện sau khi chỉnh lưu là điện áp hoặc dòng 1 chiều có cực tính không đổi, nhưng sau khi chỉnh lưu vẫn còn những gợn sóng Những gợn sóng này gây nên sự nhiễu loạn trên tải và tiêu thụ năng lượng vô ích Vì vậy ta cần phải khử hiện tượng này bằng cách dùng mạch lọc điện

b) Mạch lọc điện dùng tụ C

- Mạch lọc dùng tụ C ứng với chỉnh lưu nửa chu kỳ:

- Dạng sóng ra trên tải lúc này như hình 2.38

- Tương tự, mạch chỉnh lưu toàn kỳ có dạng sóng như trên hình 2.39

2.8.3 Các cấu hình diode mắc nối tiếp và song song

Trong phần này mạch tương đương được sử dụng để nghiên cứu các cấu hình mạch mắc nối tiếp các diode với tín hiệu vào một chiều dc

Hình 2.40 Cấu hình diode mắc nối tiếp

Trong hình 2.40, ta thay diode bằng một điện trở R như hình 2.41, khi đó chiều dòng điện chạy trong điện trở R cùng chiều với chiều dòng điện thuận của diode và

Hình 2.41 Xác định trạng thái của diode Hình 2.42 Thay thế mạch tương đương

Khi đó điện áp trên điện trở R: VR  E  V

Và dòng qua điện trở R là:

R

VE



Trong hình 2.43 diode làm việc ở chế độ phân cực ngược Thay thế diode bằng 1 điện trở như hình 2.44 và kết quả là chiều dòng điện ngược với chiều ký hiệu của diode nên diode ở trạng thái ngưng dẫn (OFF) và thay thế bằng mạch tương đương như hình 2.45 Do hở mạch nên dòng bằng 0A và điện áp rơi trên điện trở R bằng:

V0RIRI

VR  R  D 

Hình 2.43 Mạch diode phân cực ngược

Hình 2.44 Xác định trạng thái của diode Hình 2.45 Thay thế mạch tương đương

Ví dụ 2.1 Hãy xác định Vo và ID trong hình 2.46

Hình 2.46 Mạch điện cho ví dụ 2.1

Giải:

Mạch điện tương đương hình 2.47

Kết quả dòng điện và điện áp là:

V 11 3 , 0 7 , 0 12 V V E

Vo   1 2    

V11R

VR

VI

Chỉ có diode Si cùng chiều dòng điện còn

diode Germani thì ngược chiều xem như hở mạch

dẫn đến dòng ID = 0A và mạch tương đương như

hình 2.49

V 0 R I R I

Vo  R  D 

V 12 E V

V 3 , 14 K

2 , 2 K 7 , 4

7 , 0 5 10 R

R

V E E

Câu 2.2 Loại diode nào được sử dụng trong mạch ổn định điện áp:

C Diode phát quang D Diode thu quang

Câu 2.3 Trong mạch chỉnh lưu toàn kỳ, người ta sử dụng ít nhất mấy diode:

Câu 2.5 Mạch chỉnh lưu bán kỳ có u(t) = 15√2sin100πt(V), RL = 100Ω Dòng

điện chỉnh lưu trung bình trên RL là:

Câu 2.6 Mạch chỉnh lưu bán kỳ có u(t) = 15√2sin100πt(V), RL = 50Ω Dòng điện

hiệu dụng qua tải RL là:

Câu 2.7 Nguồn tín hiệu xoay chiều u(t) = 15sin100πt(V) mắc nối tiếp với một

diode và một điện trở RL = 100Ω Điện áp trung bình trên điện trở RL là:

Câu 2.8 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu có u(t) = 12sin100πt(V), RL = 1KΩ

Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải RL là:

Câu 2.9 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi có u(t) = 18sin100πt(V), điện

trở tải RL = 20Ω Điện áp hiệu dụng trên tải RL là:

Câu 2.10 Hãy trình bày cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý làm việc của diode

Câu 2.11 Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra

của mạch chỉnh lưu bán kỳ

Câu 2.12 Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra

của mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi

Câu 2.13 Vẽ sơ đồ mạch, nêu nguyên lý làm việc và vẽ dạng sóng tín hiệu vào/ ra

của mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu cầu

Câu 2.14 Hãy xác định Vo, I1, ID1 và ID2 trong hình BT2.1

Câu 2.15 Hãy xác định I trong hình BT2.2

Câu 2.16 Hãy xác định điện áp V0 của mạch điện trong hình BT2.3

Câu 2.17 Hãy xác định I1, I2 và ID2 của mạch

điện trong hình BT2.4

Câu 2.18 Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với

u1(t) = 110√2sin100πt(V), điện trở tải R = 100Ω

như hình BT2.5

Với tỉ số biến áp là 5:1 Hãy xác định:

a Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu

trung bình trên tải

b Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu hiệu dụng

Câu 2.19 Cho mạch chỉnh lưu toàn kỳ kiểu

cầu với u1(t) = 220√2sin100πt(V), điện trở tải R = 88Ω , tỉ số biến áp N:1 như hình BT2.6

Với giá trị dòng điện hiệu dụng là 0,5A Hãy xác định:

a Giá trị N và điện áp chỉnh lưu hiệu dụng

b Giá trị dòng điện và điện áp chỉnh lưu trung bình

c Giá trị dòng điện và điện áp lớn nhất qua diode

d Nếu điện áp chỉnh lưu trung bình là 24.77V Tính N

Câu 2.20 Hãy xác định giá trị điện trở dc của

diode có đặc tuyến V – A như hình BT2.7 tại:

a ID = 2mA

b ID = 20mA

c VD = - 10V

Câu 2.21 Cho đặc tuyến V – A của diode như

hình BT2.8 Biết tại điểm làm việc A ứng với ID = 2mA,VD = 0,7V ta có: ΔVd = 0,76 – 0,65 = 0,11V,

ΔId = 4 – 0 = 4A; tại điểm làm việc B ứng với ID = 25mA, VD = 0,79V ta có: ΔVd = 0,8 – 0,78 = 0,02V;

ΔId = 30 – 20 = 10mA như hình vẽ

a Hãy xác định giá trị điện trở dc tại điểm A

b Hãy xác định giá trị điện trở dc tại điểm B

c Hãy xác định giá trị điện trở ac tại điểm A

d Hãy xác định giá trị điện trở ac tại điểm B

e Hãy so sánh giá trị điện trở dc và giá trị điện trở ac tại điểm A, tại điểm B

Hình BT2.7

Hình BT2.6

Hình BT2.6

Hình BT2.8

Chương 3 ĐẠI CƯƠNG VỀ TRANSISTOR LƯỠNG CỰC – BJT

(Bipolar Junction Transistor) 3.1 Cấu tạo và ký hiệu của BJT

BJT được tạo thành bởi 2 tiếp giáp P – N Về mặt cấu tạo có thể xem BJT do 3 lớp bán dẫn tiếp xúc nhau tạo nên Trong đó lớp ở giữa có bề dày rất bé và khác kiểu dẫn điện với 2 lớp bên cạnh Từ đó hình thành 2 loại BJT khác nhau là NPN và PNP Cấu tạo và kí hiệu như trên hình 3.1

- Nồng độ tạp chất trong 3 miền bán dẫn là không giống nhau: Miền có nồng độ tạp chất cao nhất, nghĩa là miền có nồng độ hạt dẫn đa số lớn nhất, kí hiệu là N+

hoặc P+gọi là miền Emiter (miền phát) Miền đối diện có nồng độ tạp chất ít hơn gọi là miền Colector (miền thu) Miền ở giữa có nồng độ tạp chất rất thấp gọi là miền bazơ (miền nền, miền gốc)

- Ba sợi kim loại nối với 3 miền nói trên gọi là 3 cực của transistor, lần lượt là cực Emiter (E), cực Colector (C), cực bazơ (B)

- Do cấu tạo như trên nên hình thành 2 tiếp giáp P – N rất gần nhau:

+ Tiếp giáp thứ nhất ở ranh giới giữa miền Emiter và miền Bazơ gọi là tiếp giáp (chuyển tiếp) Emiter, kí hiệu JE

+ Tiếp giáp thứ hai ở ranh giới giữa miền Colector và miền Bazơ gọi là tiếp giáp (chuyển tiếp) Colector, kí hiệu JC

3.2 Nguyên lý hoạt động của BJT

E

CB

Xét transistor NPN, điều kiện để transistor làm việc ở chế độ khuếch đại là tiếp giáp JE phân cực thuận và JC phân cực ngược Sơ đồ phân cực cho transistor như hình 3.2

Trong đó: VE < VC : gọi là nguồn phân cực cho BJT

RE, RC là điện trở phân cực

Tiếp giáp JE phân cực thuận, tiếp giáp JC phân cực ngược

- Khi chưa có nguồn VE, VC tác dụng, cũng như quá trình xảy ra trong diode, mỗi vùng nghèo JE, JC sẽ tồn tại 1 điện trường tiếp xúc nhất định hướng từ P sang N, tương ứng với 1 hiệu điện thế tiếp xúc nào đó Hiệu điện thế này đóng vai trò như 1 hàng rào điện thế duy trì trạng thái cân bằng của tiếp giáp (tức là cân bằng giữa dòng trôi của hạt dẫn thiểu số với dòng khuếch tán của hạt đa số làm cho dòng điện tổng hợp qua tiếp giáp bằng 0)

- Khi chỉ có nguồn VC, JC phân cực ngược, hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc trong vùng này tăng Tương tự như diode phân cực ngược, sẽ có 1 dòng rất nhỏ qua

JC có chiều từ N sang P gọi là dòng ngược Colector ICBO

- Khi có thêm nguồn VE, JE sẽ phân cực thuận Hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc trong vùng này giảm (so với trạng thái cân bằng) làm cho điện tử đa số từ miền

N+ chuyển sang miền P (hiện tượng phun hạt dẫn) tạo thành dòng IE hướng từ P sang N Sau đó các hạt dẫn không cân bằng này tiếp tục khuếch tán Trên đường khuếch tán chúng sẽ tái hợp với các lỗ trống trong miền P, nhưng do nồng độ hạt dẫn trong 2 miền chênh lệch nhau (nN > pP) nên trong số các điện tử từ miền N+ phun sang miền P, chỉ có

1 bộ phận rất ít bị tái hợp, tạo thành dòng IB, còn đa số sẽ khuếch tán qua miền Bazơ tới vùng nghèo JC Khi tới vùng nghèo JC, các điện tử nói trên lập tức bị điện trường trong

JC hút về phía cực Colector tạo nên dòng αIE, gọi là dòng Colector do hạt đa số gây nên Nếu gọi IE là dòng điện qua cực Emiter (tương ứng với chuyển động của điện tử từ miền N+

sang miền P) thì dòng điện tạo nên bởi số điện tử đa số chạy tới Colector I E Trong đó  là tỉ số giữa lượng điện tử tới được Colector với tổng số điện tử phát đi từ Emiter

E cuc tu di phat tu dien so Tong

C cuc duoc toi tu dien luong so





 gọi là hệ số truyền đạt dòng điện phát (0,95  0,99)

Như vậy dòng điện tổng trong mạch Colector gồm 2 thành phần: I C I EI CBO

Trong miền Bazơ, một số lỗ trống phun sang miền N+ và tái hợp với điện tử gây nên sự thiếu hụt của điện tích dương Để bù lại, các điện tích dương sẽ từ nguồn VE chay vào miền Bazơ thông qua cực B tạo nên dòng IB, trị số dòng này rất nhỏ so với dòng IC,

IE

Theo định luật Kirchhoff 1, ta có:IE IB IC

Mà IC IEICBO nên ta suy ra: IC  IBIC)ICBO

1

1I