Giáo trình Điện tử cơ bản 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗtrống đều là do chuyển động của điện tử trong bán dẫn điện tử trong vùng dẫnchuyển động theo hướng ngược chiều với điện trường, còn các điện tử trong v

K +

A -

K +

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

Ths §inh Gia Hu©n

gi¸o tr×nh

§iÖn tö c¬ b¶n 1

Nam Định - 2009

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

Ths Đinh Gia H uân

giáo trình

Điện tử cơ bản 1

(Dùng cho sinh viên đại học các ngành: Công nghệ kỹ thuật điện;

Công nghệ điện, điện tử; Công nghệ tự động)

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật điện tử là một ngành mũi nhọn mới phát triển Trong một khoảng thời gian không dài, từ khi transistor được phát minh (năm 1948) bởi hai nhà khoa học người Mỹ là John Bardeen và W.H Brattain, kỹ thuật điện tử

đã có những bước phát triển nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi to lớn và sâu sắc trong hầu hết các lĩnh vực rất khác nhau, dần trở thành một trong những công

cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà trung tâm là tự động hoá, tin học hoá, phương pháp công nghệ và vật liệu mới)

Môn học Điện tử cơ bản gồm hai học phần: Điện tử cơ bản 1 và Điện tử

cơ bản 2 là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo kỹ sư các ngành Công nghệ kỹ thuật điện; Công nghệ tự động; Công nghệ điện, điện tử

Để phục vụ việc giảng dạy của cán bộ và học tập của sinh viên chúng tôi

đã biên soạn “Giáo trình Điện tử cơ bản 1” dựa trên chương trình môn học đã

được trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định ban hành năm 2007

Nội dung giáo trình đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc, các tham số cơ bản của các linh kiện điện tử được dùng phổ biến trong công nghệ điện, điện tử Bên cạnh đó, giáo trình còn giới thiệu một

số mạch ứng dụng thực tế để sinh viên tham khảo, nghiên cứu Giáo trình gồm 6 chương:

Chương 1: Diode bán dẫn

Chương 2: Transistor

Chương 3: Các mạch khuếch đại cơ bản tín hiệu nhỏ dùng BJT, FET

Chương 4: Linh kiện nhiều mặt ghép

Chương 5: Linh kiện quang điện

Chương 6: Vi mạch (IC)

Chúng tôi tỏ lòng biết ơn đối với các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Kỹ thuật mạch & Xử lý tín hiệu, bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện - Đo lường thuộc khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã đóng góp nhiều

ý kiến xây dựng để hoàn chỉnh giáo trình này

Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã cố gắng thể hiện nội dung một cách cơ bản, hệ thống, hiện đại Tuy nhiên do khoa học không ngừng phát triển

và khả năng có hạn nên chắc chắn còn nhiều thiếu xót, chúng tôi mong nhận được sự đóng góp xây dựng của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn

Xin chân thành cám ơn

Ths Đinh Gia Huân

Chương 1

DIODE BÁN DẪN 1.1 Chất bỏn dẫn nguyờn chất và chất bỏn dẫn tạp

1.1.1- Cấu trỳc vựng năng lượng của chất rắn tinh thể

Vật liệu bỏn dẫn cú cấu trỳc tinh thể rắn Điện trở suất của vật liệu bỏn dẫn

ςBD= (10-4ữ1010)Ω.cm, nằm giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất củađiện mụi

Khi chế tạo dụng cụ bỏn dẫn và cỏc mạch vi điện tử, người ta thường dựng

Ge, Si, Ga, As, và một số bỏn dẫn khỏc như Se, Ti hoặc một số lo ại oxyt, Cacbit,Sulfua …

Tớnh chất đặc trưng nhất của bỏn dẫn là độ dẫn điện của nú phụ thuộc rấtnhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sỏng và điện trường Điện trở của bỏn d ẫn giảmnhanh khi nhiệt độ tăng, ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở (R) của kim loại và bỏn dẫn được vẽ trờnhỡnh 1.1

Ta đó biết cấu trỳc năng lượng của một ngu yờn tử đứng cụ lập cú dạng làcỏc mức rời rạc Khi đưa cỏc nguyờn tử lại gần nhau, do tương tỏc, cỏc mức này

bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sỏt nhau được gọi là cỏc vựng nănglượng Đõy là dạng cấu trỳc năng lượng điển hỡnh của vật rắn tinh thể

Tuỳ theo tỡnh trạng cỏc mức năng lượng trong một vựng cú bị điện tửchiếm chỗ hay khụng, người ta phõn biệt 3 loại vựng năng lượng khỏc nhau:

Hình 1.1: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:

a) Kim loại, b) Chất bán dẫn

R

T 0

Bán dẫn R

T 0

- Vùng hoá trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức nănglượng 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 trốnghay chỉ bị chiếm chỗ một phần

- Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử cóthể chiếm chỗ hay xác suất tìm thấy hạt dẫn tại đây bằng 0

Tuỳ theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể tr ên, xét theo tính chất dẫnđiện, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 0oK): chất cáchđiện, chất dẫn điện, chất bán dẫn, minh hoạ trên hình 1.2

Chúng ta đã biết , muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồngthời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trìnhchuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của điện trường.Dưới đây ta xét tới đặc trưng 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) các hạt tự do trong mạng tinh thể

1.1.2 Bán dẫn thuần

Để giải thích đặc trưng dẫn điện của chất bán dẫn, ta hãy nghiên cứu mộtthể tích lý tưởng của tinh thể Ge Ge là một nguyên tố thuộc nhóm IV trongbảng tuần hoàn Hình vẽ 1.3a mô tả mạng tinh thể Ge trên mặt phẳng

Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên

tử lân cận bằng 4 điện tử hoá trị Hai đường thẳng nối giữa các nút mạng biểudiễn mối liên kết đồng hoá trị giữa các cặp điện tử dùng chung

Tổng hợp các mức năng lượng của các điện tử hoá trị của tinh thể Ge lýtưởng tạo nên giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1 3b Trong đó: EC- mứcnăng lượng đáy vùng dẫn, EV- mức đỉnh của vùng hoá trị, EF- mức Fecmi,∆E -

Vïng dÉn Vïng dÉn

Vïng ho¸ trÞ

Vïng ho¸ trÞ

Ở nhiệt độ T = 0 0 K: với bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đều

tham gia mối liên kết đồng hoá trị Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mứcnăng lượng trong vùng hoá trị Còn vùng dẫn không có điện tử Như vậy ở nhiệt

độ T = 0oK, chất bán dẫn điện không dẫn điện Giữa đỉnh vùng hoá trị EV vàđáy vùng cấm EC là vùng cấm có độ rộng∆E = EC - EV

Với Ge:∆E ∼0,72 eVVới Si: ∆E∼1,2 eVNhư vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp mộtnăng lượng≥ ∆E Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt

Khi nhiệt độ T > 0 0 K: do có năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số

điện tử phá vỡ liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và đểlại một lỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống Độ dẫn này trongđiện từ trường giống như một điện tích dương có giá trị điện tích bằng điện tíchcủa điện tử Quá trình tạo nên cặp điện tử tự do và lỗ trống như trên được gọi làquá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên trên hình 1.3b

Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kêMaxwell- Boltzman

kT E E n

F C

e N n

-Ge

-

-Ge

-

Ge-

-Ge

-

-Ge

-

-kT E E p

V F

e N p

kT

E kT

E E

e N e

N p

2

E E

E E

E E

tử lỗ trống Số tái hợp tỷ lệ với mật độ hạt tải điện

Khi đặt điện trường ngoài E vào bán dẫn: chuyển động của điện tử và lỗ

trống trong bán dẫn được định hướng Nghĩa là khi T > 0oK bán dẫn có khả năngdẫn điện Độ dẫn càng lớn khi cường độ của quá trình phát sinh ra cặp điện tử lỗtrống càng lớn Độ dẫn này bao gồm cả chuyển động của điện tử và chuyển độngcủa lỗ trống

Như vậy độ dẫn toàn phần phụ thuộc vào độ dẫn của điện tử cộng với độdẫn của lỗ trống Gọi độ dẫn toàn phần làγta có:

qn, qp: Điện tích của điện tử và lỗ trống

àn,àp: Độ linh động của điện tử và lỗ trống

Độ dẫn này được gọi là độ dẫn riêng của bán dẫn (còn gọi là độ dẫn củabán dẫn không tạp chất} Bán dẫn không tạp chất còn được ký hiệu là bán dẫnloại i Độ dẫn riêng thường là không lớn Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗ

trống đều là do chuyển động của điện tử trong bán dẫn (điện tử trong vùng dẫnchuyển động theo hướng ngược chiều với điện trường, còn các điện tử trong vùnghoá trị sẽ chuyển động đến lấp các lỗ trống theo hướng ngược lại với chuyển

động của lỗ trống) Mật độ điện tử và lỗ trống của bán dẫn không tạp ở nhiệt độphòng (200C) đối với: Ge: 2.1013cm-3, Si: 1,4.1010 cm-3 (mật độ nguyên tử củamạng tinh thể là 5.1022cm-3)

1.1.3 Bán dẫn tạp chất

a Bán dẫn loại n

Nếu trong tinh thể Ge đưa vào tạp chất là nguyên tố nhóm V ví dụ As.Nguyên tử As sẽ chiếm một nút mạng As có 5 điện tử lớp ngoài cùng, nó bỏ ra 4

điện tử tạo nên liên kết đồng hoá trị và còn thừa 1 điện tử

Các điện tử thừa nằm ở mức năng lượng tạp chất Ed, nằm trong vùng cấm vàgần đáy vùng dẫn gọi là mức Donor (mức cho) Mức Ed cách vùng dẫn

∆Ed << ∆E nên ở nhiệt độ trong phòng các điện tử ở mức tạp chất dễ dàngchuyển hết lên vùng dẫn để lại các lỗ trống trên mức Ed(nút mạng có nguyên tửtạp chất trở nên ion điện tích dương)

Hình 1.4: Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất As

n n

p n

a) a)

-As

-

-Ge

-

-Ge

-

-Ge

-

-

-Số lượng các điện tử từ mức Ed nhảy lên vùng dẫn lớn hơn nhiều so với số

điện tử từ vùng hoá trị nhảy lên vùng dẫn Như vậy độ dẫn của bán dẫn tạp này là

độ dẫn điện tử, gọi là bán dẫn loại n Trong bán dẫn loại n thì điện tử là hạt tải cơbản (động tử đa số), lỗ trống là hạt tải không cơ bản (động tử thiểu số)

Mật độ điện tử trong bán dẫn loại n được tính:

kT

E E e n

i n

=

i

n F

F

n

n kT E

Như vậy: mức Fecmi trong bán dẫn tạp chất loại n sẽ dịch lên gần với vùngdẫn Độ dịch lên càng nhiều khi mật độ tạp chất càng cao (có thể nằm trên vùngdẫn như ở diode tunel)

b Bán dẫn loại p

Nếu đưa tạp chất là nguyên tố nhóm III (ví dụ In) vào Ge ta sẽ được bándẫn loại p Nguyên tử In chiếm 1 nút mạng Ge có 3 điện tử lớp ngoài cùng, khithực hiện liên kết đồng hoá trị sẽ thiếu 1 điện tử, để lại một lỗ trống

Hình 1.5: Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) của Ge có pha tạp chất In

-In m

-Ge

-

-Ge

-

-Ge

-

3e

-Lỗ trống

-Mức tạp chất của lỗ trống là EA nằm trong vùng cấm và gần với đỉnh vùnghoá trị gọi là axeptor (mức nhận) Vì ∆EA<<∆E nên ở nhiệt độ trong phòng các

điện tử trong vùng hoá trị sẽ dễ dàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức EA, để lạihàng loạt lỗ trống trong vùng hoá trị (nguyên tử In được điện tử nhảy lên chiếm

lỗ trống tạo nên ion âm)

Số lỗ trống này rất lớn hơn số điện tử dẫn tạo nên do quá trình phát sinh hạttải điện Vì vậy độ dẫn của bán dẫn này là dẫn lỗ trống Bán dẫn được gọi là bándẫn loại p, trong bán dẫn loại p lỗ trống là hạt tải cơ bản (động tử đa số), điện tử

là hạt tải không cơ bản (động tử thiểu số)

Mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p được xác định:

kT

E E e n

i p

F

n

p kT E E

i

Như vậy mức Fecmi trong bán dẫn loại p lại dịch xuống về phía đỉnh vùnghoá trị Độ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạp càng cao (có thể nằm trongvùng hoá trị như ở diode Tunel)

1.2 Tiếp giáp p – n

1.2.1 Ttiếp giáp p-n khi chưa có điện trường ngoài

Khi cho hai đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc côngnghệ với nhau, các hiện tượng vật lý xảy ra tại nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hếtcác dụng cụ bán dẫn điện hiện đại

Hình 1.6 biểu diễn mô hình lý tưởng hoá một tiếp giáp p – n khi chưa có

điện áp ngoài đặt vào Với giả thiết ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử tạp chất đã

bị ion hoá hoàn toàn (n n = N D+;p p = N A−) Các hiện tượng xảy ra tại nơi tiếpxúc có thể mô tả tóm tắt như sau:

Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn >> np và pp >> pn), tại vùng tiếpxúc có hiện tượng khuyếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, điện tử ở bán dẫn

n khuếch tán sang bán dẫn p, lỗ trống ở bán dẫn p khuếch tán sang bán dẫn n, dovậy xuất hiện một dòng điện khuyếch tán (Ikt) hướng từ p sang n Tại một vùnglân cận (l0) hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chấttạo ra, tại đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với cácvùng còn lại), do đó đồng thời xuất hiện một điện trường nội bộ hướng từ vùng n

điện thế tiếp xúc có giá trị xác lập, được xác định bởi :

p tx

n

n q

KT p

p q

PP( 1017)

Nn(10 15 )

1.2.2- Tiếp giáp p - n khi có điện trường ngoài

Trạng thái cân bằng động nêu trên sẽ bị phá vỡ khi đặt tới tiếp xúc p – nmột điện trường ngoài Có hai trường hợp xảy ra (hình 1.7 a và b) :

+

- Khi phân cực thuận (hình 1.7 a), điện áp đặt lên tiếp giáp có cực tínhdương đặt tới p, âm tới n, điện trường ngoài (Eng) ngược chiều với Etx Eng chủyếu đặt lên vùng nghèo và xếp chồng với Etx nên cường độ trường tổng cộng tạivùng lo giảm đi do đó làm tăng chuyển động khuyếch tán của các động tử đa số(người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt đa số qua miền tiếp giáp p – n khi nó

được mở) do vậy dòng Ikt tăng lên Dòng điện trôi do Ext gây ra giảm không

đáng kể do nồng độ hạt thiểu số nhỏ Khi đó bề rộng vùng tiếp giáp (vùngnghèo)giảm đi so với l0

- Khi phân cực ngược (hình 1.7 b), nguồn ngoài có cực dương đặt tới n, âm

đặt tới p, điện trường ngoài (Eng) cùng chiều với Etx Do tác dụng xếp chồng

điện trường tại vùng tiếp giáp ngăn cản các động tử đa số khuếch tán qua tiếpgiáp dẫn đến dòng Ikt giảm tới không, dòng chuyển động của các động tử thiểu

số (Itr) có tăng chút ít nhưng nhanh chóng đạt một giá trị bão hoà và có trị số

Hình 1.6 : Tiếp giáp p-n khi chưa có điện trường ngoài a) Mô hình cấu trúc 1 chiều; b) Phân bố nồng độ theo phương x; c) Vùng điện tích khối tại lớp nghèo (với loại chuyển tiếp đột ngột);d) Hiệu thế tiếp xúc tại nơi tiếp xúc;

nhỏ vì số lượng các động tử thiểu số không lớn Bề rộng vùng tiếp giáp (vùngnghèo) tăng lên so với trạng thái cân bằng.

Kết quả là tiếp giáp p – n khi đặt trong 1 điện trường ngoài có tính chấtdẫn điện không đối xứng theo 2 chiều: theo chiều phân cực thuận (p dương, n

âm), dòng điện thuận có giá trị lớn (lúc này có thể nói tiếp giáp p-n ở trạng tháimở), theo chiều phân cực ngược (p âm, n dương) dòng điện ngược có giá trị rấtnhỏ (lúc này có thể nói tiếp giáp p-n ở trạng thái khoá) Người ta gọi đó là hiệuứng chỉnh lưu (tính chất van) của tiếp giáp p – n

1.3 Diode bán dẫn

1.3.1.Cấu tạo của diode

Diode bán dẫn có cấu tạo là một tiếp giáp p – n với hai điệncực nối ra ngoài Điện cực phía miền p gọi là anốt, phía miền n gọi là catốt Ta

có thể tạo nên diode tiếp mặt và diode tiếp điểm

Tuỳ theo cấu tạo, nguyên tắc hoạt động mà người ta chia diode ra làm nhiềuloại khác nhau Hình 1.9 là kí hiệu của các diode chỉnh lưu, diode tách sóng -hình a, diode ổn áp (còn gọi là diode zener)-hình b, varistor-hình c, diode biếndung (varicap)-hình f, diode schottky-hình e, diode đường hầm (tunel)-hình d,photo diode-hình g, diode phát quang - hình h

A

K a)

n

Dây W

Chuyển tiếp P-N p

A

K

e) f) g) h)

1.3.2 Đặc tuyến V-A của diode

Sử dụng mạch điện hình 1.10a, biến đổi độ lớn và chiều của điện áp ngoài,

đo dòng tương ứng qua diode (Id) người ta thu được đặc tuyến Vol – Ampe củadiode có dạng hình 1.10 b

Đặc tuyến Vol – Ampe của diode là một đường cong có dạng phức tạp,chia làm 3 vùng rõ rệt:

Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận UD> 0

Vùng (2) ứng với trường hợp phân cực ngược UD< 0

Vùng (3) được gọi là vùng đánh thủng tiếp xúc p – n

Qua việc phân tích đặc tính Vol – Ampe giữa lý thuyết và thực tế người

ta rút được các kết luận chủ yếu sau:

Hình 1.10 Sơ đồ lấy đặc tuyến (a); Đặc tuyến V-A của diode bán dẫn (b).

a )

A

V E

R

ID

UD D

- khi phân cực thuận, nếu điện áp UD <U thì dòng qua diode vẫn bằngkhông, khi UD ≥ U thì mới có dòng qua diode U được gọi là điện áp ngưỡng.

Điện áp trên diode dạt giá trị lớn nhất Udmax Thực nghệm cho thấy:

Với diode Si:U= 0,5 – 0,6V, Udmax= 0,8- 0,9V,

Với diode Ge: U= 0,15 – 0,2V, Udmax= 0,4- 0,5V

- Trong vùng (1) và (2) phương trình mô tả đường cong có dạng:

D

e I

Trong đó:

IS gọi là dòng điện ngược bão hoà có giá trị gần như không phụ thuộc vào

UD, chỉ phụ thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài và hệ sốkhuyếch tán tức là vào bản chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại n và p và do đóphụ thuộc vào nhiệt độ 

n

p n

L

p D L

n D s q

IS .

UD: điện áp trên diode (V)

ID: dòng điện qua diode (A)

q: điện tích của điện tử , q = 1,6.10-19C,

D

e I I

- Khi phân cực thuận (diode dẫn): UD > U thì mV

100C

- Khi phân cực ngược diode sau đó tăng điện áp ngược đến giá trị khá cao(Uđt) dòng điện qua diode tăng lên rất lớn có thể làm hỏng diode Lúc đó diode

đã bị đánh thủng, tính chất van của diode không còn Có hai dạng đánh thủngchính:

• Đánh thủng vì nhiệt do tiếp xúc p – n bị nung nóng cục bộ, vì va chạmcủa hạt thiểu số được gia tốc trong trường mạnh Điều này dẫn tới quá trình sinhhạt ồ ạt ( ion hoá nguyên tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt

độ nơi tiếp xúc tiếp tục tăng … dòng điện ngược tăng đột biến và tiếp giáp p – n

bị phá hỏng

• Đánh thủng vì điện do hai hiệu ứng:

- Ion hoá do va chạm (giữa hạt thiểu số được gia tốc trong trường mạnh cỡ

105 V/cm với nguyên tử của chất bán dẫn thuần thường xảy ra ở các tiếp giáp p– n rộng (hiệu ứng Zener)

- Hiệu ứng xuyên hầm (Tunen) xảy ra ở các tiếp giáp p – n hẹp do phatạp chất với nồng độ cao liên quan tới hiện tượng nhảy mức trực tiếp của điện tửhoá trị bên bán dẫn p xuyên qua rào thế tiếp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n

Cũng cần lưu ý UT và IScó độ lớn phụ thuộc vào nhiệt độ, nên hoạt độngcủa diode bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ và trong thực tế các mạch điện

tử có sử dụng diode bán dẫn (hoặc transistor sau này), người ta cần có nhiều biệnpháp nghiêm ngặt để duy trì sự ổn định của chúng khi làm việc, chống (bù) lạicác nguyên nhân kể trên do nhiệt độ gây ra

1.3.3 Các tham số của diode

Khi phân tích hoạt động của diode trong các mạch điện cụ thể, người tathường sử dụng các đại lượng (tham số) đặc trưng cho nó Có hai nhóm tham sốchính với diode bán dẫn là nhóm các tham số giới hạn đặc trưng cho chế độ làmviệc giới hạn của diode và nhóm các tham số định mức đặc trưng cho chế độ làmviệc thông thường

a) Các tham số giới hạn

• Điện áp ngược cực đại để diode còn thể hiện tính chất van (chưa bị đánhthủng): Ungmax (thường giá trị Ungmax chọn khoảng 80% giá trị điện áp đánhthủng Uđt)

• Dòng cho phép cực đại qua diode lúc mở : Ithmax

• Dòng định mức làm việc của diode lúc mở : Iđm

• Công suất tiêu hao cực đại cho phép trên diode để diode chưa bị hỏng vìnhiệt: PAcf

• Tần số giới hạn của điện áp ( dòng điện) đặt lên diode để nó còn có tínhchất van fmax

S A A

T A

AK d

I

I Ln I

U I

U r

A

T A

AK d

rdthvà rdngcàng chênh lệch nhiều thì tính chất van càng thể hiện rõ

• Điện dung tiếp giáp p-n: tại vùng tiếp giáp p-n có hàng rào điện thế làmcho các điện tử ở chất bán dẫn n không sang được chất báan dẫn p Khoảng nàycoi như một lớp cách điện có tác dụng như một lớp điện môi trong tụ điện vàhình thành tụ điện ký sinh của tiếp giáp p-n, ký hiệu là CD và được tính theo côngthức:

d

S

C D = 

: hằng số điện môiS: tiết diện tiếp giápd: bề dầy lớp cách điện

Khi làm việc ở tần số cao, phải lưu ý tới ảnh hưởng của CD tới các tính chấtcủa mạch điện Đặc biệt khi sử dụng diode ở chế độ khoá điện tử đóng mở vớinhịp cao, diode cần một thời gian quá độ để phục hồi lại tính chất van lúcchuyển từ mở sang khoá 1.3.3 Phân loại diode

Người ta phân loại các diode bán dẫn theo nhiều quan điểm khác nhau:

• Theo đặc điểm cấu tạo có loại diode tiếp điểm, diode tiếp mặt

• Theo loại vật liệu sử dụng có diode Ge hay Si

• Theo tần số giới hạn fmax có loại diode tần số cao, diode tấn số thấp

• Theo công suất pAcf có loại diode công suất lớn, công suất trung bìnhhoặc công suất nhỏ( IAcf< 300mA)

• Theo nguyên lý hoạt động hay phạm vi ứng dụng các loại diode chỉnhlưu, diode ổn định điện áp (diode Zenner), diode biến dung (Varicap), diode sửdụng hiệu ứng xuyên hầm (diode Tunen)

1.4 Các loại diođe và ứng dụng

1.4.1 Diode chỉnh lưu

Diode chỉnh lưu bán dẫn là loại diode dùng để biến đổi dòng điện xoaychiều thành dòng điện một chiều diode chỉnh lưu là các diode tiếp mặt có diệntích lớp tiếp giáp lớn Giải tần làm việc của diode ∆f = 50Hz ữ 10kHz Vật liệulàm diode chỉnh lưu là Se, Ge, Si Hiện nay người ta dùng chủ yếu các loại diodelàm bằng Si vì nó có giá trị dòng ngược nhỏ

Đặc trưng von- ampe của diode chỉnh lưu có dạng hình 1.10b

Khi sử dụng diode chỉnh lưu cần quan tâm các thông số sau:

- Ungmax: Điện áp ngược lớn nhất cho phép (càng lớn càng tốt)

- Ithtb max : Dòng thuận trung bình lớn cho phép diode làm việc lâu dàikhông bị hỏng (còn gọi là Iđm)

- Uthtb: Giá trị trung bình của điện áp thuận sụt trên diode khi nó làm việc ở

Ithtb

Các loại diode chỉnh lưu công suất nhỏ và vừa có:

Ithtbmax : (0,5ữ1)A, Ungmax: 500V

Diode chỉnh lưu công suất lớn có:

Ithtbmax: (5ữ20)A, Ungmax: (200ữ500)V

Diode chỉnh lưu điện áp cao có:

Ungmax: (10ữ25) V, Ithtbmax: (1ữ100)mA

Ví dụ tham số của một số diode chỉnh lưu thông dụng cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Tham số của một số diode chỉnh lưu thông dụng

Ký hiệu Iđm(A) Ungmax(V) Ký hiệu Iđm (A) Ungmax(V)

-○

○U0

U0

D1 C1

a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ: nửa chu kỳ dương của dòng điện xoay chiều điqua diode nạp điện cho tụ Nửa chu kỳ âm dòng điện không đi qua diode

b) Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ: nửa chu kỳ dương dòng điện đi qua diode D1nạp điện cho tụ điện Nửa chu kỳ âm dòng điện đi qua diode D2nạp điện cho tụ

điện Điện áp một chiều khi chưa có tải: U0= 1,4 U2

c) Chỉnh lưu cầu: nửa chu kỳ dương dòng điện đi qua diode D2, D3nạp điệncho tụ điện Nửa chu kỳ âm dòng điện đi qua diode D1, D4nạp điện cho tụ điện.d) Chỉnh lưu nhân áp: C1và D1, C2và D2tạo thành hai mắt chỉnh lưu ở nửachu kỳ dương, dòng điện đi qua diode D1 nạp điện cho tụ C1, trên tụ C1 có điện

áp U0 Nửa chu kỳ âm, dòng điện đi qua diode D2 và nạp điện cho tụ C2, trên tụ

C2có điện áp U0 Sau hai nửa chu kỳ điện áp tại đầu ra có độ lớn 2U0

Khi mắc nguồn chỉnh lưu cần phải chú ý không được mắc nhầm cực tụ hoá

Điện áp một chiều cao nhất ở lối ra bộ nguồn chỉnh lưu (lúc chưa mắc tải vàonguồn) phải nhỏ hơn điện áp tụ chịu đựng được Điện dung tụ lọc nguồn có giátrị từ 500àFữ1000àF (càng lớn càng tốt)

1.4.2 Varistor (điện trở bán dẫn phi tuyến)

Những vật liệu bán dẫn có điện trở giảm khi tăng điện áp đặt vào gọi làvaristor (hoặc là các điện trở bán dẫn phi tuyến) Varistor được chế tạo từ SiC cócấu trúc hạt kích thước d = 20 ữ 200 àm Bột này trộn với một số vật liệu kếtdính được đốt ở nhiệt độ cao Cấu tạo của varistor như hình 1.12 a, ký hiệuvaristor trên hình 1.12b

I

U 0

Trong Varistor tồn tại các cơ chế cho dòng điện qua như sau:

1 Dòng chạy qua tiếp điểm không bình thường giữa các hạt Khi tăng dòng

có thể xảy ra sự đốt nóng vi mô của tiếp điểm, do đó độ dẫn điện ở đó tăng lên

2 Dòng qua lớp tiếp xúc p - n: nếu bề mặt hạt này có độ dẫn khác bề mặthạt kia (do sự hấp thụ của bề mặt) thì tiếp điểm giữa hai hạt đó tạo nên một tiếpgiáp p - n Dòng qua đó là dòng qua 1 diode Dòng này tăng khi thế tăng

3 Dòng chạy qua khe hở của các hạt gần nhau Nếu giữa các hạt có các kẽ

hở nối tiếp nhau thì khi tăng →E trong khe hở có thể xảy ra sự phát xạ e- từ nhữngmũi nhọn của các hạt và độ dẫn ở đó tăng lên Khi đó tăng điện áp số khe hở

được nối với nhau tăng lên coi như tăng tiết diện hiệu dụng của điện tử

4 Dòng chạy qua màng mỏng oxyt: khi có mặt màng mỏng oxyt giữa cáchạt sự tăng dòng có thể xảy ra do sự đi qua tunel của các hạt tải qua các màngmỏng hoặc do sự đánh thủng màng mỏng

Tuỳ theo công nghệ chế tạo, mỗi varistor có các cơ chế dẫn nhiều ít khácnhau mà độ dẫn toàn phần của nó phụ thuộc vào điện áp có thể khác nhau

Khi điện áp nhỏ, sự tăng dòng do 2 cơ chế đầu là cơ bản

Khi điện áp lớn, sự tăng dòng do 2 cơ chế sau là cơ bản

Dòng số lượng các hạt rất lớn nên đặc tuyến V- A là đối xứng (hình 1.12 c)

Đặc tuyến V- A là thể hiện hầu hết các cơ chế tạo dòng qua diode Quan hệdòng và điện áp: I = B.UK

Diode ổn áp bán dẫn hay còn gọi là diode zener là một diode bán dẫn cómột tiếp giáp p - n, khi làm việc ở cơ chế ổn định điện áp, diode được mắc vớinguồn điện theo chiều phân cực ngược Thế ngược đạt tới giá trị điện áp đánhthủng lớp tiếp giáp thì dòng ngược tăng nhưng điện áp ngược thay đổi không

đáng kể Người ta dùng điện áp này làm điện áp ổn định UZ

Diode zener được làm từ Si, có bề dày lớp tiếp giáp rất hẹp để có thể tạo

điều kiện đánh thủng điện lớp tiếp giáp ở điện áp thấp

Đặc tuyến von - ampe của diode ổn áp được vẽ như trên hình 1.13a

Diode zener được đặc trưng bởi các thông số cơ bản sau:

1 Điện áp ổn định UZ

2 Dòng cực đại IZmax được xác định bởi tỷ số giữa công suất cực đại với

điện áp UZ: IZmax= Pmax/ UZ

Dòng điện nhỏ nhất qua diode IZ min được xác định bởi độ bền vững củatrạng thái đánh thủng lớp tiếp giáp

3 Điện trở vi phân của diode ổn áp:

rZ= dUZ/ dIZ , rZ càng nhỏ càng tốt

4 Điện trở tĩnh của ổn áp:

Z

Z T

I

U

R = tại điểm làm việc

5 Hệ số nhiệt của điện áp ổn định UZđược biểu thị bởi sự thay đổi điện áp

UZkhi nhiệt độ môi trường xung quanh thay đổi 1 độ

Hình 1.13: Đặc tuyến V-A của zener (a); Sơ đồ ổn áp dùng zener (b)

b) a)

Dz

Bảng 1.2: Tham số của một số diode zener

1.4.4 Diode biến dung (Varicap)

Varicap là một diode bán dẫn được sử dụng như một tụ điện có điện dungbiến đổi, hoạt động của nó dựa trên sự phụ thuộc của điện dung lớp tiếp giáp vào

điện áp ngược đặt vào tụ Sự thay đổi điện dung được thực hiện bằng cách điềukhiển điện áp ngược đặt vào varicap Varicap được ứng dụng rộng rãi trong cácmạch điện tự động điều chỉnh tần số, điều chế biên độ và điều chế tần số Trongmạch diện khuếch đại thông số, varicap được dùng trong dải siêu cao tần

UD UD

a)

+ E0

R 2

VR R1

C D

C2 L

C1

Sơ đồ tương đương của varicap mắc ở chế độ phân cực ngược hình 1.14.a.

Rng là điện trở vi phân của lớp tiếp giáp p - n khi diode mắc ở chế độ phâncực ngược, dòng điện ngược rất nhỏ nên nó có giá trị rất lớn Điện trở r là điệntrở thuần của chỗ tiếp xúc giữa bán dẫn với dây kim loại đưa ra ngoài và điện trởcủa tinh thể bán dẫn, điện trở này rất nhỏ cỡ một vài Ω CD là điện dung của tiếpgiáp p-n

- Điện dung CDcó độ lớn tuỳ thuộc cách chế tạo diode tạo nên lớp tiếp giáp.Trường hợp tổng quát CD được tính theo công thức sau:

CD = A.S ( UD+ϕK)n (1-16)A: Hệ số tỷ lệ;

S: diện tích của tiếp giáp p-n

UD: điện áp đặt lên varicap

ϕK: hiệu điện thế tiếp xúc của tiếp giáp, với diode Silic ϕK=0,7v.n: hệ số phụ thuộc vào vật liệu nằm trong khoảng 1/2 1/3

Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của CD vào UD cho thấy trên hình 1.14

b Đối với varicap làm việc ở tần số cao CD khoảng vài chục pF Varicap làmviệc ở tần số thấp S = 0,1 cm2, CDcó thể hàng chục ngàn pF

- Hệ số phẩm chất của varicap Q được định nghĩa là tỷ số giữa trở khángcủa varicap với tần số của tín hiệu xoay chiều với điện trở tổn hao trên tụ có điện

áp ngược đặt vào Sơ đồ tương đương của varicap có trở kháng:

1

2 2

2 2

+

−++

=+

+

=

ng v

ng v ng

ng v v

ng

v ng

R C

R C j R r R C r C j R

C j R r

1

2 2 2

2

+

=

ng v

ng v c

R C

R C X





(1-18)

Hệ số phẩm chất Q:

Hình 1.14: Sơ đồ tương đương của varicap (a),

Đặc tuyến của varicap (b) Mạch cộng hưởng dùng varicap (c)

b)

1 2

+ +

=

=

∑

ng ng v

ng v c

R

r rR C

R C R

X Q

Q

v cao



1

=Trong các mạch tạo dao động, nếu dùng diode biến dung làm tụ điện mắcsong song với cuộn cảm như hình 1.14.b Có thể coi điện dung C2 >> CD có thể

bỏ qua tụ C2, tần số cộng hưởng của khung sẽ là:

ti vi, trong các máy phát điều tần…

Các thông số cơ bản của varicap

Cđ.mức( khi Uđ.m= 4V),

min

max 0

C

C

K = , Q, Ungược max

Ví dụ một số varicap có thông số cho thấy ở bảng 1.3

Bảng 1.3: Tham số của một số diode biến dung (varicap)

14 - 23

400 - 600

2,52,52,53

301240500

25445

50 - 90

101150

out

R C2

D1

L2 Cv

L1 C1

1.4.5 Diode tách sóng cao tần

Diode tách sóng cao tần được dùng để tách sóng (chỉnh lưu dòng cao tần),

điều chế, biến đổi tần số Người ta dùng diode tiếp điểm để làm diode cao tần,diện tích lớp tiếp giáp p - n nhỏ, điện dung lớp tiếp giáp không vượt quá 1 pF nêndải tần số làm việc có thể tới hàng trăm MHz

Diode tiếp điểm được chế tạo từ một dây vofram gắn vào đơn tinh thể bándẫn Ge loại n Chỗ bán dẫn tiếp giáp với đầu kim vonfram hình thành miền bándẫn loại p (hình 1.8b) Lớp tiếp giáp p - n được hình thành trong diode tiếp điểm

có diện tích nhỏ, dòng thuận qua diode cũng nhỏ, công suất Pmax của diode caotần nhỏ rất nhiều so với diode chỉnh lưu

Sơ đồ mắc mạch tách sóng tín hiệu cao tần điều chế biên độ được vẽ ở hình1.15

Khi diode được dùng để tách sóng thì ở nửa chu kỳ dương của tín hiệu caotần diode được phân cực thuận dòng qua diode Điện trở vi phân của diode chính

là điện trở lớp tiếp giáp p - n phân cực thuận, rất nhỏ nên rth= r

Nửa chu kỳ âm diode được phân cực theo chiều ngược Điện trở lớp tiếpgiáp p - n theo chiều phân cực ngược điện trở này rất lớn so với dung kháng ta cóthể bỏ qua, nên trở kháng của diode khi phân cực ngược là: rngD= r + 1/ jωCD

Các thông số đặc trưng của diode tách sóng:

Điện áp thuận của diode Uth

Dòng điện ngược của diode Ing

Điện trở vi phân rvf

Tần số giới hạn fα

Hình 1.15: Sơ đồ mạch tách sóng cao tần dùng diode

Dòng thuận cực đại Ith.max.

Điện áp ngược cực đại Ung.max

ứng dụng: diode loại này dùng để tách sóng (giải điều chế) trong Radio,TV…

1.5 Hướng dẫn tra cứu diode

Để tra cứu tham số và hình dáng của diode có thể dùng sổ tay tra cứu diode,cẩm nang ECG hoặc tra cứu trên internet Các cách tra cứu này được thực hiệntương tự như hướng dẫn ở chương 2

Câu hỏi và bài tập chương 1

1 Khái niêm chất bán dẫn thuần, chất bán dẫn tạp? Giải thích đặc tính dẫn

điện của chúng trên quan điểm cấu trúc vùng năng lượng?

2 Phân tích sự hình thành tiếp giáp PN, tiếp giáp PN khi có điện trườngngoài?

3 Đặc tuyến VA của diođe?

4 Điều kiện ngắt (khoá), mở của diode là gì? Đặc điểm của diode khingắt, khi mở? Diode khác công tắc lý tưởng ở điểm nào?

5 Các tham số của diode?

6 Các loại diode, đặc điểm, ứng dụng?

7 Dòng điện bão hoà nghịch của một diode là 10àA ở +250C Giả thiếtrằng dòng điện nghịch tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 100C Tính trị số dòng điệnnghịch của diode khi ở nhiệt độ +650C

8 Cho đặc tuyến V-A của một diode là:

b) Giả sử dùng Pin 1,5 v nối song song với diode thì dòng qua diode làbao nhiêu? Số liệu đó có phù hợp với thực tế không?

c) Tính điện trở một chiều của diode khi UD= 0,6v; 0,7v

d) Tính điện trở xoay chiều của diode khi UDbiến thiên từ 0,6v đến 0,65v

9 Diode khi công tác với điện áp thuận có tác dụng ổn áp không? Nói tiếphai diode zener có điện áp ổn áp lần lượt là 6v, 8v thì có thể nhận được mấy giátrị điện áp ổn áp?

10 Cho mạch điện hình a, dạng sóng điện áp đầu vào hình b, c (giả sử

điện áp đầu vào tần số thấp, biên độ > 0,7v)

Hãy vẽ: dạng sóng dòng điện tải It; điện áp rơi trên diode UD

11 Cho mạch điện a,b,c,d; dạng sóng điện áp vào như hình e E0= 3v; Uvm

= 9v Hãy vẽ dạng sóng tại đầu ra của các mạch điện trên

D

+ Eo

R2 R

D

+ Eo D

R1

+ Eo +

Eo

D

R

12 Tra cứu và cho biết cụng dụng và tham số của một số diode sau:

D255N, D448N, D758N, 1N4001, 1N4002, BY229, BY239, D,

Chương 2 Transistor 2.1 Transistor lưỡng cực (Bipolar junction transistor - BJT)

2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của BJT

Nếu trên cùng một đế bán dẫn lần lượt tạo ra hai tiếp giáp p-n gần nhau thì

ta được một dụng cụ bán dẫn 3 cực gọi là transistor lưỡng cực (Bipolar junctiontransistor - BJT) có khả năng khuếch đại tín hiệu điện

Miền bán dẫn thứ nhất của transistor là miền emitter với đặc điểm có nồng

độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực emitter (E)

Miền bán dẫn thứ hai là base với nồng độ tạp chất nhỏ nhất và độ dày của

nó nhỏ cỡàm, điện cực nối với miền này gọi là cự base (B)

Miền bán dẫn còn lại là miền collector với nồng độ tạp chất trung bình và

điện cực tương ứng là collector (C) Tiếp giáp p-n giữa miền emitter và base gọi

là tiếp giáp emitter (JE), tiếp giáp p-n giữa miền base và miền collector là tiếpgiáp collector (JC) Về kí hiệu transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cựcemitter và base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n

Transistor có cấu tạo p-n-p được gọi là transistor thuận và n-p-n gọi làtransistor ngược, hình 2.1

Nguyên lý làm việc của BJT

Hình 2.1 : Cấu tạo và ký hiệu của transistorpnp (a), transistor npn (b)

Cực Emitter E

pnp

E

C B

a)

npn

E

C B

Cực

Emitter

E

Cực Collector C

N miền

Cực Collector C

P miền

B

Để BJT làm việc, người ta phải cấp điện áp một chiều cho các điện cựccủa nó, gọi là phân cực cho transistor Đối với chế độ khuếch đại thì JE phâncực thuận và JCphân cực ngược như hình 2.2.

Hình 2.2 : Sơ đồ phân cực của transistor npn (a) và pnp (b) ở chế độ khuếch đại.

Để phân tích nguyên lý làm việc ta lấy transistor pnp làm ví dụ (hình 2.3)

Do JE phân cực thuận các hạt đa số (lỗ trống) từ miền E phun qua JE tạonên dòng emitter (IE) Chúng tới vùng base và tiếp tục khuếch tán sâu vào vùngbase hướng tới JC Trên đường khuếch tán một phần lỗ trống bị tái hợp với điện

tử của vùng base tạo nên dòng điện cực base (IB) Do cấu tạo miền base mỏng vànồng độ động tử đa số nhỏ nên số điện tử kết hợp với lỗ trống ít, dòng base rấtnhỏ Gần như toàn bộ các hạt khuếch tán tới được bờ của tiếp giáp JC và bịtrường gia tốc (do JCphân cực ngược) cuốn tới được miền collector tạo nên dòng

điện collector (IC) Cũng chính vì vậy dòng ICrất lớn hơn dòng IB Qua việc phân

tích trên rút ra được hệ thức cơ bản về các dòng điện trong transistor (hệ thứcgần đúng do bỏ qua dòng ngược của JC):

Để đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng base người ta đưa ra

hệ số truyền đạt dòng điệnαcủa transistor:

Cách mắc transistor và tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ

Khi sử dụng BJT về nguyên tắc có thể lấy 2 trong 3 cực của transistor làm

đầu vào và cực thứ 3 còn lại làm đầu ra Như vậy có tất cả 6 cách mắc mạch khácnhau Nhưng dù mắc thế nào cũng cần có một cực chung cho cả đầu vào và đầu

ra Trong số 6 cách mác đó chỉ có 3 cách transistor có thể khuyếch đại công suất

đó là cách mắc chung emitter (EC), chung base (BC), chung collector (CC) nhưhình 2.4 Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế

B

vào

ra

C E

B vào

B vào

Đặc tuyến tĩnh của BJT: dựa vào các hệ phương trình mô tả quan hệ giữacác đại lượng đầu ra và đầu vào có thể đưa ra các đặc tuyến tĩnh của transistorkhi coi một đại lượng là hàm, một đại lượng làm biến, còn đại lượng thứ 3 coinhư một tham số Nếu coi điện áp, dòng điện đầu vào là U1, I1; điện áp, dòng

điện đầu ra là U2, I2; trong trường hợp tổng quát có 4 họ đặc tuyến tĩnh:

Đặc tuyến vào:

const U

I f U

=

=

2 1

Đặc tuyến phản hồi:

const I

U f U

=

=

1 2

Đặc tuyến truyền đạt :

const U

U f I

=

=

2 1

const U

I f I

=

=

2 1

Đặc tuyến ra:

const I

U f I

=

=

1 2

Tuỳ theo cách mắc transistor mà các quan hệ này có tên gọi cụ thể dòng

điện và cụ thể điện áp khác nhau, ví dụ với kiểu mắc EC : đặc tuyến vào là quanhệ

const U

U

f

I

CE BE

B= ( ) = , hay đặc tuyến ra là quan hệ I C= f(U CE)I B =const

Bảng 2.1 dưới dây cho các phương trình của họ đặc tuyến tương ứng suy

ra từ hệ phương trình hỗn hợp trong các trường hợp mắc mạch BC, EC, CC

Bảng 2.1 Quan hệ các hàm xác định họ đặc tuyến tĩnh của transistor

const U

U = ( ) =

const I

U f U

E CB

const U

I f I

CB E

const I

U f I

E CB

const U

I f U

CE B

const I

U f U

B CE

EB= ( ) =

const U

I f I

E B

const I

U f I

B CE

const U

I f U

CE B BC

=

const I U f U

B CE BC

=

const U

I f I

CE B

const I

U f I

B CE

1 Đặc tuyến của BJT mạch chung emitter (EC)

Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực base và cực emitter,còn điện áp ra lấy từ cực collector và cực emitter Dòng vào, điện áp vào và dòng

IE _

+ +

U f I

CE BE

Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ nguyên điện áp UCE, thay đổi trị số

điện áp UBE ghi các trị số IB tương ứng sau đó dựng đồ thị quan hệ này, sẽ thu

được kết quả như hình 2.5 Thay đổi UCE đến 1 giá trị cố định khác và làm lạitương tự sẽ được đường cong thứ hai Tiếp tục làm như vậy sẽ có một họ đặctuyến vào của transistor mắc chung emitter

Từ hình 2.6, có nhận xét đặc tuyến vào của transistor mắc chung emittergiống như đặc tuyến của chuyển tiếp p-n phân cực thuận, vì dòng IBtrong trườnghợp này là một phần của dòng tổng IE chảy qua chuyển tiếp emitter phân cựcthuận (h.2.3) ứng với một giá trị UCE nhất định dòng IB càng nhỏ khi UCE cànglớn vì khi tăng UCE tức là tăng UCB (ở đây các giá trị điên áp là giá trị tuyệt đối)làm cho miền điện tích không gian của chuyển tiếp collector rộng ra chủ yếu vềphía miền base pha tạp yếu Điện áp UCB càng lớn thì tỉ lệ hạt dẫn đến collectorcàng lớn, số hạt dẫn bị tái hợp trong miền base và đến cực base để tạo thànhdòng base càng ít, do đó dòng base nhỏ đi

b Đặc tuyến ra

const I

U f I

B CE

Để vẽ đặc tuyến ra của transistor mắc EC, cần giữ dòng IB ở một trị số cố

định nào đó, thay đổi điện áp UCEvà ghi lại gía trị tương ứng của dòng ICkết quả

vẽ được đường cong sự phụ thuộc của ICvào UCEứng với IB cho trước Thay đổi

IB đến các giá trị cố định khác và làm tương tự như trên sẽ được một họ đặc

Hình 2.5 : Sơ đồ transistor mắc

chung emitter (EC) dùng để xác định các họ đắc tuyến/

Hình 2.6 : Họ đặc tuyến vào của transistor mắc chung emitter

100 150

IC

UCE UBE

V V

A A

E2 E1

tuyến biểu thị quan hệ giữa điện áp UCEvới dòng IC khi coi dòng IB là tham sốnhư hình 2.7.

Từ họ đặc tuyến có nhận xét sau: tại miền khuyếch đại độ dốc của đặctuyến khá lớn vì trong cách mắc này dòng IEkhông giữ cố định Khi tăng UCEđộrộng hiệu dụng miền base hẹp lại làm cho hạt dẫn đến collector nhiều hơn dodòng ICtăng lên Khi UCEgiảm xuống 0v thì IC cũng giảm xuống 0mA (các đặctuyến đều qua gốc toạ độ) Sở dĩ như vậy vì điện áp ghi trên trục hoành là

UCE = UCB +UBE, như vậy tại điểm uốn của đặc tuyến, UCB giảm xuống 0v, tiếptục giảm UCE sẽ làm cho chuyển tiếp collector phân cực thuận Điện áp phân cựcnày đẩy những hạt dẫn thiểu số tạo thành dòng collector quay trở lại miền base,kết quả khi UCE = 0v thì ICcũng bằng 0mA Ngược laị nếu tăng UCE lên quá lớnthì dòng ICsẽ tăng lên đột ngột, đó là miền đánh thủng tiếp giáp JCcủa transistor(tương tự như đặc tuyến ngược của diode, khi UCE tăng tức là điện áp phân cựcngược UCB lớn tới một giá trị nào đó, tại chuyển tiếp collector sẽ xảy ra hiệntượng đánh thủng do hiệu ứng thác lũ và hiệu ứng Zener làm dòng IC tăng độtngột) Bởi vậy khi transistor làm việc ở điện áp UCElớn cần có biện pháp hạn chếdòng ICđề phòng transistor bị phá huỷ bởi dòng ICquá lớn

c Đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ giữa dòng ra IC và điện ápvào UBEkhi UCE cố định Đặc tuyến này có thể nhận được bằng cách giữ nguyên

điện áp UCE, thay đổi UBE, ghi lại các giá trị tương ứng IC trên trục toạ độ, thay

đổi các giá trị của UCElàm tương tự như trên có họ đặc tuyến truyền đạt, cũng cóthể suy ra họ đặc tuyến này từ đặc tuyến ra

2 Đặc tuyến của BJT mạch chung base (BC)

Hình 2.7: Đặc tuyến đặc tuyến ra (a), truyền đạt (b) của transistor mắc chung emitter

IB=20 à A IB=0 à A

5

1

3 4 6

Transistor nối mạch theo kiểu chung base là cực base dùng chung cho cả

đầu vào và đầu ra Tín hiệu vào được đặt giữa hai cực emitter và base, còn tínhiệu ra lấy từ cực collector và base Để đo điện áp và dòng điện ở đầu ra và đầuvào từ đó xác định các họ đặc tuyến tĩnh cơ bản của transistor mắc chung base(BC) người ta mắc các vôn kế và miliampe kế như hình 2.8

a Đặc tuyến vào mạch BC xác định quan hệ hàm số IE= f(UEB) khi điện

áp ra UCBcố định Muốn vậy cần giữ UCBở một giá trị không đổi, thay đổi giá trị

UEB sau đó ghi lại giá trị dòng IE tương ứng Biểu diễn kết qủa này trên trục toạ

độ IE- UEB sẽ nhận được đặc tuyến vào ứng với trị UCBđã biết

Thay đổi các giá trị cố định của UCBlàm tương tự như trên sẽ được họ đặctuyến vào như hình 2.9

Vì chuyển tiếp emitter luôn luôn phân cực thuận cho nên đặc tuyến vàocủa mạch chung base cơ bản giống như đặc tuyến thuận của diode Qua hình 2.9còn thấy rằng ứng với điện áp vào UEBcố định, dòng vào IE càng lớn khi điện áp

UCBcàng lớn vì điện áp UCBphân cực ngược chuyển tiếp collector khi nó tăng lênlàm miền điện tích không gian rộng ra, dẫn đến khoảng cách hiệu dụng giữachuyển tiếp emitter và collector ngắn lại do đó làm dòng IE tăng lên

b Đặc tuyến ra biểu thị quan hệ Ic = f(UCB) khi giữ dòng vào IEở một giátrị cố định Căn cứ vào hình 2.8, giữ dòng IEở một giá trị cố định nào đó biến đổigiá trị của UCBghi lại các giá trị ICtương ứng, sau đó biểu diễn kết qủa trên trụctoạ độ Ic – UCB sẽ được đặc tuyến ra Thay đổi các giá trị IE sẽ được họ đặctuyến ra như hình 2.10

Từ hình 2.10 có nhận xét là đối với IE cố định, IC gần bằng IE Khi UCBtăng lên IC chỉ tăng không đáng kể, điều này nói lên rằng hầu hết các hạt dẫn

được phun vào miền base từ miền emitter đều đến được collector Dĩ nhiên dòng

V V

A A

E2 E1

2 3 1 0,5 1,0 UEB

ICbao giờ cũng nhỏ hơn dòng IE Khi UCB tăng làm cho độ rộng miền điện tíchkhông gian chuyển tiếp collector lớn lên, độ rộng hiệu dụng của miền base hẹplại, số hạt dẫn đến được miền collector so với khi UCB nhỏ nhiều hơn, nên dòng

IClớn lên Cũng từ hình 2.10 còn nhận xét rằng khác với trường hợp đặc tuyến ramắc EC khi điện áp ra UCB giảm tới 0v, dòng ra IC vẫn chưa giảm đến 0mA

Điều này có thể giải thích như sau:

Khi điện áp ngoài UCBgiảm đến 0, bản thân chuyển tiếp collector vẫn còn

điện thế tiếp xúc, chính điện thế tiếp xúc collector đã cuốn những hạt dẫn từ basesang collector làm cho dòng ICtiếp tục chảy Để làm dừng hẳn ICthì chuyển tiếpcollector phải được phân cực thuận với giá trị nhỏ nhất là bằng điện thế tiếp xúc,khi ấy điện thế trên chuyển tiếp collector sẽ bằng 0 hoặc dương lên, làm cho cáchạt dẫn từ base không thể sang được collector (IC=0)

Miền đặc tuyến trong đó chuyển tiếp collector phân cực thuận gọi là miềnbão hoà

Nếu tăng điện áp ngược UCBđến một giá trị nhất định nào đó (gọi là điện

áp đánh thủng) dòng IC tăng lên đột ngột có thể dẫn đến làm hỏng transistor.Hiện tượng đánh thủng này do một trong hai nguyên nhân: hoặc là do hiệu ứngthác lũ hoặc là do hiệu ứng Zener như trường hợp diode, hoặc do hiện tượngxuyên thủng (do điện áp ngược tiếp xúc với miền điện tích không gian chuyểntiếp emitter, kết quả làm dòng ICtăng lên đột ngột)

c Đặc tuyến truyền đạt chỉ rõ mối quan hệ hàm số giữa dòng ra và dòng

vào IC= f(IE) khi điện áp ra giữ cố định Để vẽ đặc tuyến này có thể làm bằng hai

Đánh thủng

I C

2 4

1 -1 -2 -3

Hình 2.11 : Đặc tuyến truyền đạt được suy

ra từ đặc tuyến ra của transistor mắc BC.

IE=1mA IE=2mA IE=3mA IE=4mA

IC<IE

2 3 4

UCB=2

UCB=6V D

IE

IC

cách: hoặc bằng thực nghiệm theo sơ đồ (h.2.8) giữ nguyên điện áp UCBthay đổidòng vào IE, ghi lại các kết quả tương ứng dòng IC, sau đó biểu diễn các kết quảthu được trên toạ độ IC – IE sẽ được đặc tuyến truyền đạt Thay đổi giá trị cố

định UCB sẽ được họ đặc tuyến truyền đạt như hình 2.11 Cũng có thể bằng cáchsuy ra từ đặc tuyến ra: từ điểm UCBcho trước trên đặc tuyến ta kẻ đường songsong với trục tung, đường này sẽ cắt họ đặc tuyến ra tại điểm ứng với IE khácnhau Từ các giao điểm này có thể tìm được trên trục tung các giá trị IC tươngứng Căn cứ vào các cặp giá trị IE, tương tự với các giá trị UCBkhác nhau sẽ được

họ đặc tuyến truyền đạt như hình 2.11

3 Đặc tuyến của BJT mạch chung collector (CC).

Mạch chung collector có dạng hình 2.12, cực collector được dùng chungcho đầu vào và đầu ra

Để đo điện áp, dòng vào, dòng ra qua đó xác định các đặc tuyến tĩnh cơbản của mạch CC dùng các vôn kế và miliampe kế được mắc như hình 2.12

a Đặc tuyến vào của mạch chung collector IB = f(UCB) khi điện áp ra UCEkhông đổi có dạng như hình 2.13, nó có dạng khác hẳn so với các đặc tuyến vàocủa hai cách mắc EC, BC xét trước đây Đó là vì trong kiểu mắc mạch này điện

áp vào UCBphụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UCE(khi làm việc ở chế độ khuếch

đại điện áp UBE đối với transistor silic luôn giữ khoảng 0,7V , còn transistor

Hình 2.13 : Họ đặc tuyến vào của

transistor mắc CC.

Hình 2.12: Sơ đồ lấy đặc tuyến

vào của transistor mắc CC

40 80

U CB

( à A)

UCE=2v UCE=4v

+_

Gecmani vào khoảng 0,3V trong khi điện áp UCEbiến đổi trong khoảng rộng) Ví

dụ trên hình 2.13 hãy xét trường hợp UEC= 2V tại IB = 100àA sẽ có:

UCB= UCE– UBE = 2V-0,7V = 1,3VKhi điện áp vào UCB tăng điện áp UBE giảm làm cho IBgiảm

b Đặc tuyến ra của transistor mắc CC mô tả quan hệ giữa dòng IE và điện

áp UCE khi dòng vào IB không đổi Đặc tuyến truyền đạt trong trường hợp nàymô tả quan hệ giữa dòng điện ra IE và dòng điện vào IB khi điện áp UCE không

đổi Trong thực tế có thể coi IC≈IE cho nên đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt(trường hợp mắc chung collector) tương tự như trường hợp mắc chung emitter( hình 2.14)

2.1.3 Các tham số kỹ thuật của BJT

Đặc tính kỹ thuật của transistor ngoài ba đặc tính quan trọng vừa xét còn

có một số các thông số kỹ thuật có ý nghĩa giới hạn mà cần phải biết khi sửdụng transistor

Độ khuếch đại dòng điện β của transistor thật ra không phải là một hằng

số mà β có trị số thay đổi theo dòng điện Hình 2.15 cho thấy khi dòng điện Icnhỏ thì β thấp; dòng điện Ic tăng thì β tăng, đến giá trị cực đại βmax nếu tiếp tục

2 4

Đặc tuyến truyền đạt

( à A)

UCE=2V UCE=6V

IB

6 5

IE

40 à A

60 à A

80 à A IB=100 à A

(V)

tăng Ic đến mức bão hoà thì β giảm Trong các sách tra đặc tính kỹ thuật củatransistor thường chỉ ghi giá trị βmax hay ghi β từ mức thấp nhất đến tối đa (ví

-điện áp này thì transistor sẽ bị hư Có ba loại -điện áp giới hạn:

Uce0đện áp đánh thủng giữa cực C và E khi cực B hở

UCB0điện áp đánh thủng giữa cực Cvà B khi cực E hở

UEB0điện áp đánh thủng giữa cực E và B khi cực C hở

b Dòng điện giới hạn: dòng điện qua transistor phải được giới hạn ở mộtmức cho phép, nếu quá trị số này thì trasistor sẽ bị hỏng

Ta có Icmax là dòng điện tối đa ở cực C và Ibmax là dòng điện tối đa ởcực B

c Công suất giới hạn: khi có dòng điện qua transistor sẽ sinh ra một côngsuất nhiệt làm nóng transistor, công suất sinh ra được tính theo công thức:

Pt = Ic.Uce Mỗi transistor đều có một công suất giới hạn được gọi là công suấttiêu tán tối đa Pdmax (dissolution) Nếu công suất sinh ra trên transistor Pt lớnhơn công suất Pdmax thì transistor sẽ bị hư

Ic

β

Hình 2- 15: Quan hệ giữa β và Ic

βmax

d Tần số cắt: tần số cắt (fcut) là tần số mà ở đó khả năng khuếch đại củatransistor không còn.

Khi dùng transistor để khuếch đại tín hiệu xoay chiều tần số cao, người tathấy rằng tính chất khuếch đại của transistor giảm khi tần số tăng Khi tăng tần

số, hệ số α,βgiảm là do 2 nguyên nhân:

- Nguyên nhân thứ nhất: là do quán tính của quá trình khuếch tán gây nênchuyển dời lỗ trống qua miền base đến collector Sự phụ thuộc của hệ số truyềndòng transistor mắc theo sơ đồ BC vào tần số mà tại đó h21E (β) giảm đi 2

(3dB) so với giá trị của nó ở tần số thấp được gọi là tần số giới hạn:

fα=1,2 Dp/πd2

B Trong đó Dplà hệ số khuếch tán lỗ trống, dBlà độ dày miền base

- Nguyên nhân thứ hai là do điện dung lớp tiếp giáp collector: rBCBC là hằng

số thời gian của mạch phản hồi ở tần số cao Hằng số này càng nhỏ càng nângcao giới hạn tần số của mạch collector

Tham số của một số transistor lưỡng cực cho thấy trên bảng 2.1

Bảng 2.1: Tham số của một số transistor lưỡng cực

Ký hiệu Loại I Cmax (A) P Cmax (W) U CE0 (V) U CB0 (V) h fe f cut (MHz)

2.1.4 Phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của transistor

1- Nguyên tắc chung phân cực transistor

Muốn transistor làm việc như một phần tử tích cực thì các tham số củatransistor phải thoả mãn điều kiện thích hợp Những tham số này của transistornhư ở mục trước đã biết, phụ thuộc rất nhiều vào điện áp phân cực các chuyểntiếp collector và emitter Nói một cách khác các giá trị tham số phụ thuộc vào

điểm công tác của transistor Một cách tổng quát, dù transistor được mắc mạchtheo kiểu nào, muốn nó làm việc ở chế độ khuếch đại cần có các điều kiện sau:

- Chuyển tiếp emitter- base (JE) luôn phân cực thuận

- Chuyển tiếp collector- base (JC) luôn phân cực ngược

Có thể minh hoạ điều này qua ví dụ xét transistor loại pnp (h.2.33) Nếu gọi

UE, UB, UC lần lượt là điện thế của cực emitter, base, collector, căn cứ vào các

điều kiện phân cực kể trên thì giữa các điện thế này phải thoả mãn điều kiện:

UE> UB> UC (2 - 4)