BÀI 3-LK BAN DAN

Chất bán dẫn thuần khiết a Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể: Cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rờirạc.. - Vùng cấm: Là vùng mà trong đó k

BÀI 3 LINH KIỆN BÁN DẪN

3.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN

3.1.1 Chất bán dẫn thuần khiết

a) Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể:

Cấu trúc năng lượng của một nguyên tử đứng cô lập có dạng là các mức rờirạc Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suy biếnthành 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 tửchiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau

- Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy): Là vùng mà 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): là vùng mà trong đó các mức năng lượng đều còn

bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần

- Vùng cấm: Là vùng mà trong đó không còn tồn tại một mức năng lượng

nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay có thể nói là xác suất tìm hạt tại đây bằng 0.Tùy theo vị trí tương đổi giữa 3 loại vùng kể trên và xét theo tính chất dẫnđiện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại

Muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời:

- Quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng

- Quá trình chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụngcủa năng lượng trường ngoài

Dưới đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫnthuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quátrình sinh (tạo ra) các hạt dẫn tự do trong mạng tinh thể

b) Chất bán dẫn thuần:

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) cócấu trúc vùng năng lượng với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV, thuộc nhóm bốnbảng tuần hoàn Mendeleep

Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của chúng có dạng là các liên kết ghép đôiđiện tử hóa trị vòng ngoài Ở 0K chúng là các chất cách điện Khi được mộtnguồn năng lượng ngoài kích thích, sẽ xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tửnút mạng và sinh từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trởthành hạt tự do và để lại 1 liên kết bị khuyết (lỗ trống)

Trên đồ thị vùng năng lượng, nó tương ứng với sự chuyển điện tử từ mộtmức năng lượng trong vùng hóa trị lên một mức trong vùng dẫn để lại một mức

tự do (trống) trong vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự do này dưới tác dụng củamột năng lượng trường ngoài chúng có khả năng dịch chuyển có hướng tronglòng tinh thể tạo nên dòng điện trong

Hình 3.2: Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Si và Đồ thị vùng

năng lượng với cơ chế phát sinh từng cặp hạt dẫn tự do.

nhau do quá trình phát sinh từng cặp hạt dẫn tạo ra (ni = pi)

3.1.2 Chất bán dẫn tạp:

a) Chất bán dẫn tạp loại N:

Pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Sithì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị,nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử vàtrở thành điện tử tự do (mang điện âm) => Chất bán dẫn lúc này trở thành thừađiện tử và được gọi là bán dẫn N ( Negative: âm )

Hình 3.3: Mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại N - Si

Vậy, chất bán dẫn tạp loại n là chất bán dẫn có thành phần dẫn điện cơbản, thành phần dẫn điện đa số là các điện tử mang điện tích âm, còn các thànhphần dẫn điện không cơ bản, thành phần dẫn điện thiểu số là các lỗ trống mangđiện tích dương

b) Chất bán dẫn tạp loại P:

Pha một lượng nhỏ chất có có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Sithì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị,liên kết này bị thiếu một điện tử và trở thành lỗ trống (mang điện dương) =>Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa lỗ trống và được gọi là chất bán dẫn P(Positive - dương)

Hình 3.4: Mạng tinh thể của chất bán dẫn tạp loại P-Si

Vậy, chất bán dẫn tạp loại p là chất bán dẫn có thành phần dẫn điện cơbản, thành phần dẫn điện đa số là các lỗ trống mang điện tích dương, còn các

thành phần dẫn điện không cơ bản, thành phần dẫn điện thiểu số là các điện tửmang điện tích âm.

3.2 TIẾP GIÁP P – N; DIODE TIẾP MẶT

3.2.1 Tiếp giáp P – N

a) Cấu tạo

Ghép bán dẫn loại N và bán dẫn loại P tiếp xúc với nhau sẽ hình thành mộtlớp tiếp xúc P - N Trong bán dẫn P lỗ trống là các điện tích đa số, còn trong bándẫn N là các điện tử thừa

Hình 3.5: Cấu tạo mối nối P – N b) Nguyên lý hoạt động

Khi chưa có điện trường ngoài đặt lên tiếp xúc

Khi ghép hai loại bán dẫn P và N với nhau thì điện tử thừa của N chạy sang

P và các lỗ trống của bán dẫn P chạy sang N Chúng gặp nhau ở vùng tiếp giáp,tái hợp với nhau và trở nên trung hoà về điện

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

do mất điện tử thừa, nên chỉ còn lại những ion dương Vì vậỵ ở vùng đó có điệntích dương, do đó, hình thành điện dung ở mặt tiếp giáp Đến đây, sự khuếch tánqua lại giữa P và N dừng lại

Vùng tiếp giáp đã trở thành một bức rào ngăn không cho lỗ trống từ P chạyqua N và điện tử N chạy qua P Riêng các hạt mang điện tích thiểu số là các điện

tử trong bán dẫn P và các lỗ trống trong bán dẫn N là có thể vượt qua tiếp giáp,

vì chúng không bị ảnh hưởng của bức xạ hàng rào ngăn, mà chỉ phụ thuộc nhiệtđộ

Khi có điện trường ngoài đặt lên tiếp xúc:

Hình 3.6: Phân cực thuận cho mối nối P-N

Phân cực ngược

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

Hình 3.7: Phân cực ngược cho mối nối P-N

Do đó có một dòng điện tử rất nhỏ từ cực âm nguồn chạy tới để thay thếcác điện tử trong P chạy về phía N và tạo nên dòng điện ngược rất nhỏ theochiều ngược lại Gọi là dòng ngược vì nó chạy từ bán dẫn âm (N) sang bán dẫndương(P) Dòng ngược này phụ thuộc vào nhiệt độ và hầu như không phụ thuộcđiện áp phân cực Đến khi điện áp phân cực ngược tăng quá lớn thì tiếp giáp bịđánh thủng và dòng ngược tăng vọt lên

3.2.2 Điôt tiếp mặt

a) Khái niệm, ký hiệu

Điốt tiếp mặt gồm hai bán dẫn loại P và loại N tiếp giáp nhau Đầu bán dẫn

P là cực dương(Anốt), đầu bán dẫn N là cực âm (Katốt)

Điốt tiếp mặt có nhiều cỡ to nhỏ, hình thức khác nhau Do diện tiếp xúclớn, nên dòng điện cho phép đi qua có thể lớn hàng trăm miliampe đến hàngchục ampe, điện áp ngược có thể từ hàng trăm đến hàng ngàn vôn

Nhưng điện dung giữa các cực lớn tới hàng chục picôfara trở lên, nên chỉdùng được ở tần số thấp để nắn điện

Hình 3.8: Cấu tạo và ký hiệu của Điốt tiếp mặt b) Nguyên lý làm việc của điôt tiếp mặt

 Phân cực thuận diode V A >V K ( V AK >0): nối A với cực dương của nguồn,

K với cực âm của nguồn.

Điện tích âm của nguồn đẩy điện tử trong N về lớp tiếp xúc Điện tíchdương của nguồn đẩy lỗ trống trong P về lớp tiếp xúc, làm cho vùng khiếmkhuyết càng hẹp lại Khi lực đẩy đủ lớn thì điện tử từ vùng N qua lớp tiếp xúc,sang vùng P và đến cực dương của nguồn….Lực đẩy đủ lớn là lúc diode có VAKđạt giá trị Vγ, lúc này diode có dòng thuận chạy theo chiều từ A sang K

Vγ được gọi là điện thế ngưỡng (điện thế thềm, điện thế mở)

Đối với loại Si có Vγ = 0,6V (0,7V); Ge có Vγ= 0,2 V

 Phân cực nghịch diode V A < V K (V AK <0 ): nối A với cực âm của nguồn,

K với cực dương của nguồn.

Điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P, điện tích dương củanguồn sẽ hút điện tử của vùng N, làm cho điện tử và lỗ trống càng xa nhau hơn.Vùng khiếm khuyết càng rộng ra nên hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trốngcàng khó khăn hơn

Như vậy, sẽ không có dòng qua diode Tuy nhiên, ở mỗi vùng bán dẫn còn

có hạt tải thiểu số nên một số rất ít điện tử và lỗ trống được tái hợp tạo nên dòngđiện nhỏ đi từ N qua P gọi là dòng nghịch (dòng rỉ, dòng rò) Dòng này rất nhỏ

cỡ vài nA Nhiều trường hợp coi như diode không dẫn điện khi phân cực nghịch.Tăng điện áp phân cực nghịch lên thì dòng xem như không đổi, tăng quámức thì diode hư (bị đánh thủng) Nếu xét dòng điện rỉ thì diode có dòng nhỏchạy theo chiều từ K về A khi phân cực nghịch

Hình 3.9: Nguyên lý hoạt động của điôt c) Đặc tuyến volt - Ampe

IS: dòng bão hòa nghịch

VN : Điện thế ngưỡng

VB: Điện thế đánh thủng

Đầu tiên phân cực thuận diode, tăng VDC từ 0 lên, khi VD = VN thì diode bắtđầu có dòng qua VN được gọi là điện thế thềm (điện thế ngưỡng, điện thế mở)

và có trị số phụ thuộc chất bán dẫn Sau khi VD vượt qua VN thì dòng điện sẽtăng theo hàm số mũ.

Phân cực ngược diode: tăng UAK thì chỉ có dòng dò rất nhỏ chạy qua điôt.Khi UAK tăng tới giá trị VB thì dòng ngược bắt đầu tăng mạnh, tiếp tục tăng UAKthì dòng ngược tăng rất nhanh nhưng điện áp qua tiếp xúc P-N chỉ lớn hơn VBrất ít

Hình 3.10: Đặc tuyến Volt – Ampe

3.3 CẤU TẠO, PHÂN LOẠI VÀ CÁC ỨNG DỤNG CƠ BẢN CỦA ĐIÔT

Nguyên lí hoạt động của mạch như sau:

Điện áp xoay chiều ngõ vào Vac in qua biến áp được tăng hoặc giảm áp.Được đưa đến Điôt nắn điện

T

Giả sử bán kỳ đầu tại A (+) : D được phân cực thuận nên dẫn điện nạp điệncho tụ C, có dòng IL qua tải và cho ra điện thế trên tải VDC dạng bán kỳ dươnggần bằng UA.

Bán kỳ kế tiếp tại A (-) : D phân cực nghịch nên không có dòng hay dòngqua tải bằng không và VDC = 0 Tụ xả điện

Điện áp trên tải là điện áp một chiều còn nhấp nháy Để giảm bớt nhấpnháy, nâng cao chất lượng điện áp chỉnh lưu, người ta mắc thêm tụ lọc C

Hình 3.12: Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu bán kì

Mạch nắn điện toàn kỳ dùng hai điốt

Hình 3.13: Mạch nắn điện toàn kì dùng hai điốt

Nguyên lí hoạt động như sau

Mạch dùng biến áp đảo pha, cuộn thứ cấp có ba đầu ra, điểm giưa chiacuộn thứ thành hai nửa cuộn bằng nhau và ngược pha nhau Điều này giúp chodiode D1 và D2 luân phiên dẫn điện trong mỗi bán kỳ

Giả sử bán kỳ đầu tại A (+), B (-) : D1 dẫn điện, D2 ngưng dẫn, cấp dòngqua tải có chiều như hình vẽ, tạo hiệu điện thế UDC giữa 2 đầu tải

Bán kỳ kế tiếp A (-), B (+) : D1 ngưng dẫn, D2 dẫn điện, cấp dòng qua tải

có chiều như hình vẽ, tạo ra VDC

Đặc điểm của mạch là phải dùng biến áp mà cuộn sơ cấp có điểm giữa nênkhông thuận tiện cho mạch nếu không dùng biến áp, hoặc biến áp không cóđiểm giữa Để khắc phục nhược điểm này, thông thường trong thực tế người tadùng mạch nắn điện toàn kì dùng sơ đồ cầu

Mạch nắn điện toàn kì dùng sơ đồ cầu

Hình 3.14: Mạch nắn điện toàn kì dùng sơ đồ cầu

 Nguyên lí hoạt động như sau

Giả sử bán kì đầu tại A (+): D1 và D3 dẫn điện, cấp dòng qua tải có chiều từtrên hướng xuống D2 và D4 ngưng dẫn

Bán kì kế tiếp tại A (-): D1 và D3 ngưng dẫn, D2 và D4 dẫn điện, cấp dòngqua tải có chiều từ trên hướng xuống

Dạng sóng vào, ra của mạch như hình:

Hình 3.15: Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu cầu

Như vậy, những mạch trên có điện áp ra trên tải là điện áp một chiều còn bịnhấp nháy Để giảm bớt nhấp nháy, nâng cao chất lượng ra ta mắc thêm tụ lọc Csong song với tải

Chỉnh lưu âm dương

Hình 3.16: Mạch chỉnh lưu âm dương

Mạch dùng biến áp đảo pha và cầu diode

C1 và C2 là 2 tụ lọc nguồn

Ngõ ra là hai nguồn điện áp một chiều đối xứng

3.1.2 Điôt zener

a) Cấu tạo

Diode zener có cấu tạo giống diode thường nhưng chất bán dẫn được pha

tạp chất với tỉ lệ cao hơn và có tiết diện lớn hơn diode thường, thường dùng bándẫn chính là Si

d) Ứng dụng

Lợi dụng tính chất của Điôt zener mà người ta có thể giữ điện áp tại một

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

Hình 3.17: Mạch điện sử dụng điôt zener

Nếu điện áp ngõ vào là tín hiệu có biện độ cao hơn điện áp VZ thì ngõ ra tínhiệu bị xén mất phần đỉnh chỉ còn lại khoảng biên độ bằng VZ

Nếu điện áp ngõ vào là điện áp DC cao hơn VZ thì ngõ ra điện áp DC chỉbằng VZ

Nếu điện áp ngõ vào cao hơn rất nhiều VZ Dòng qua điôt zener tăng caođến một giá trị nào đó vượt qua giá trị cho phép thì điôt bị đánh thủng, làm chođiện áp ngõ ra bị triệt tiêu, tính chất này được dùng trong các bộ nguồn để bảo

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

Dz

R

D Vd

R trong mạch giữ vai trò là điện trở hạn dòng hay giảm áp.

3.1.3 Điôt phát quang: LED (Light Emitting Diode)

a) Cấu tạo:

Lợi dụng tính chất bức xạ quang của một số chất bán dẫn khi có dòng điện

đi qua có màu sắc khác nhau Lợi dụng tính chất này mà người ta chế tạo cácLed có màu sắc khác nhau

b) Kí hiệu

Hình 3.18: Ký hiệu của LED c) Tính chất

Led có điện áp phân cực thuận cao hơn điôt nắn điện nhưng điện áp phân

cực ngược cực đại thường không cao khoảng 1,4 - 2,8 (V)

Dòng điện khoảng 5(mA - 20mA)

d) Ứng dụng

Thường được dùng trong các mạch báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch.

Như báo nguồn, chỉ báo âm lượng

3.4 TRANZITO CÔNG NGHỆ LƯỠNG CỰC (BJT - Bipolar Junction Tranzito)

3.4.1 Cấu tạo, ký hiệu

a) Cấu tạo của tranzito

Tranzito có cấu tạo gồm các miền bán dẫn P và N xen kẽ nhau, tùy theotrình tự sắp xếp các miền P và N mà ta có hai loại cấu tạo điển hình là P - N - P

và N - P - N như trên hình 3.19 Để cấu tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụngnhững phương pháp công nghệ khác nhau như phương pháp hợp kim, phươngpháp khuếch tán, phương pháp epitaxi,

Tranzito gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp

P-N, nếu ghép theo thứ tự P - N - P ta được Tranzito thuận, nếu ghép theo thứ tự N

- P - N ta được Tranzito ngược Về phương diện cấu tạo Tranzito tương đươngvới hai Diode đấu ngược chiều nhau

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực, lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là

B (Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp Hai lớp bán dẫnbên ngoài được nối ra thành cực phát (Emitter) viết tắt là E, và cực thu hay cựcgóp (Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại Nhay P) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vịcho nhau được

Hình 3.19: Cấu tạo Tranzito b) Ký hiệu Tranzito

Hình 3.20: Ký hiệu của tranzito lưỡng cực – BJT

3.4.2 Các tính chất cơ bản

a) Các qui tắc quan trọng

Qui tắc 1: Đối với tranzito npn, điện áp tại colectơ VC phải lớn hơn điện áp

tại emitơ VE ít nhất là vài phần mười của một vôn, nếu không thì dòng sẽ không

chảy qua tiếp giáp colectơ-emitơ Đối với tranzito pnp, điện áp emitơ phải lớnhơn điện áp colectơ một lượng tương tự

Qui tắc 2: Đối với tranzito npn, có sụt áp từ badơ đến emitơ là 0,6 V Đối

với tranzito pnp, có điện áp 0,6 -V tăng từ badơ đến emitơ Về ý nghĩa hoạt

động, điều đó có nghĩa là điện áp bajơ VB của tranzito npn ít nhất phải lớn hơnđiện áp VE là 0,6 V; nếu không thì tranzito sẽ không cho một dòng qua emitơ-colectơ Đối với tranzito pnp, VB ít nhất phải nhỏ hơn điện áp VE là 0,6 V, nếukhông thì tranzito sẽ không cho một dòng chảy từ colectơ đến emitơ

3.4.3 Phân cực cho tranzitor BJT

nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuyếch đại cần có các điều kiện sau:

Chuyển tiếp emitơ - bazơ luôn phân cực thuận

Chuyển tiếp bazơ - colectơ luôn phân cực ngược

Có thể minh họa điều này qua ví dụ xét tranzito loại p – n - p Nếu gọi UE,

UB, UC lần lượt là điện thế của emitơ, bazơ, colectơ, căn cứ vào các điều kiệnphân cực kể trên thì giữa các điện thế này phải thảo mãn điều kiện:

UE > UB >UC

Hãy xét điều kiện phân cực cho từng loại mạch

Từ mạch chung bazơ với chiều mũi tên là hướng dương của điện áp vàdòng điện, có thể xác định được cực tính của điện áp và dòng điện các cực khitranzito mắc CB như sau:

UEB = UE - UB > 0 IE > 0

UCB = UC - UB > 0 IC < 0

Căn cứ vào đẳng thức điều kiện, điện áp UCB âm, dòng IC cũng âm có nghĩa

là hướng thực tế của điện áp và dòng điện này ngược với hướng mũi tên trênhình

Từ mạch chung emitơ hình, lý luận tương tự như trên, có thể xác định được cực tính của điện áp và dòng điện các cực như sau:

Trường hợp thứ nhất như hình 2.31a dùng một nguồn một chiều Ecc Dòng

IB được cố định bằng Ecc và RB Từ hình vẽ, ta tính được:

IB = (ECC - UBE)/RB

Với UBE<< Ecc nên biểu thức có thể viết lại IB ≈ Ecc/RB

Hình 3.21: Mạch phân cực dòng I B cố định (a) Mạch một nguồn; (b) Mạch hai nguồn.

Trường hợp thứ hai như hình 3.21b Người ta dùng hai nguồn một chiều.Hai mạch này hoàn toàn tương đương nhau Nếu Ecc = Ubb có thể suy ra từnhững biểu thức cho việc tính toán thiết kế mạch phân cực dòng cố định áp dụngđịnh luật Kiếckhôp (Kirchhoff cho vòng mạch bazơ và chú ý rằng ở đây Ubb =Ecc có thể viết

Ecc = IB.RB + UBEKhi làm việc, chuyển tiếp emitơ luôn phân cực thuận cho nên UBE thườngrất nhỏ (từ 0,2v đền 0,7V) và trong biểu thức có thể bỏ qua, như vậy có thể viết:

Ecc = IB.RB > IB ≈ Ecc / RB

Sơ đồ phần cực tranzito bằng dòng cố định có hệ số ổn định nhiệt S phụthuộc vào hệ số khuếch đại dòng tĩnh, nghĩa là khi dùng loại mạch này muốnthay đổi độ ổn định nhiệt chỉ có một cách là thay đổi tranzito thường lớn cho nên

hệ số S của loại mạch này lớn và do đó ổn định nhiệt kém.Trong thực tế cáchphân cực cho tranzito như hình chỉ dùng khi yêu cầu ổn định nhiệt không cao

c) Phương pháp định áp bazơ

Để có thể khuếch đại được nhiều nguồn tín hiệu mạnh yếu khác nhau, mạchđịnh thiên sử dụng R1 và R2 là cầu phân áp mắc vào nguồn Ecc, trong đó phầnsụt áp trên điện trở R2 được đưa vào phân cực cho cực B của tranzito

Hình 3.22: Mạch định thiên bằng định áp Bazơ

Điện áp định thiên cho tiếp giáp BE của tranzito: UBE = IR2.R2

mà IR2 = IP - IB ; do dòng IB << IP nên có thể bỏ qua IB và tính gần đúng

UBE ≈ IP.R2

Mặt khác dòng IP được xác định: IP = Ecc/(R1 + R2)

Nên giá trị UBE được xác định: UBE = Ecc.R2/(R1 + R2 )