GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Ví dụ như Si và Ge là bán dẫn đơn chất vì trong nút mạng tinh thể của chúng chỉ cấu tạo từ một nguyên tử, cịn những bán dẫn mà trong phân tử của nĩ chứa trên một loại nguyên tử thì - Nếu

Lời Mở Đầu

Học phần Điện tử cơ bản được xem là học phần nền tảng của ngành Điện tử, vì vậy việc biên soạn giáo trình là rất cần thiết nhằm phục vụ hiệu quả việc đào tạo nguồn nhân lực cũng như trang bị cho sinh viên những kiến thức về điện tử cơ bản Giáo trình được dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành Cơng nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử, Cơng nghệ

kỹ thuật Điện tử truyền thơng, Cơng nghệ kỹ thuật Tự động hĩa Giáo trình bám sát chương trình đào tạo c ủa trường Đại học sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long nhằm giúp cho sinh viên đạt được các mục tiêu của học phần Đảm bảo chuẩn kiến thức, kỹ năng và chuẩn đầu ra đã ban hành

Nội dung giáo trình bao gồm 7 chương

- Chương 1 trình bày về chất bán dẫn và diode bán dẫn

- Chương 2 trình bày về transistor

- Chương 3 trình bày về họ thyristor

- Chương 4 trình bày về Op-amp

- Chương 5, 6 và 7 đi vào các loại mạch cụ thể, bao gồm Mạch khuếch đại, Mạch dao động và Mạch nguồn

Để học tốt học phần này, Sinh viên cần cĩ kiến thức về mạch điện, các định luật và các phương pháp giải mạch điện

Ngồi ra giáo trình này cịn giúp các Giảng viên thống nhất nội dung giảng dạy học phần Điện tử cơ bản, làm cơ sở để xây dựng ngân hàng đề thi chung

Khi biên soạn, chúng tơi đã tham khảo các giáo trình và tài liệu giảng dạy học phần này của một số trường đại học trong và ngồi nước để giáo trình vừa đạt yêu cầu về nội dung vừa thích hợp với đối tượng là sinh viên của trường Đại học sư phạm kỹ thuật Vĩnh Long Trong quá trình biên soạn, chúng tơi nhận được sự đĩng gĩp ý kiến rất quý báu và sự

hổ trợ của các đồng nghiệp trong khoa Điện – Điện tử và một số đồng nghiệp khác

Mặc dù đã đã hết sức cố gắng để giáo trình được hồn chỉnh, song chắc chắn khơng tránh khỏi sai sĩt Nhĩm biên soạn rất mong nhận được sự gĩp ý của đọc giả

Nhĩm tác giả

Chương 1: Diode và mạch ứng dụng

1.1 Đại cương về chất bán dẫn

Thuật ngữ bán dẫn (Semicondctor) dựa trên khái niệm về độ dẫn điện của vật liệu này Nĩ nằm khoảng giữa hai vật liệu là dẫn điện (Conductor) và cách điện (Isolator) Bán dẫn là những vật chất ở thể rắn, cĩ thể là kết tinh hoặc vơ định hình, tinh khiết hoặc hỗn hợp, đơn chất hoặc hợp chất Để cĩ thể ước lượng về độ dẫn điện, người ta dùng đại lượng điện trở suất ρ (Ω.cm)

Trong bảng 1.1 cung cấp giá trị điện trở suất của 3 loại vật liệu

Bảng 1.1 Giá trị điện trở suất

Nếu dựa vào cấu tạo phân tử thì cĩ thể phân ra bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất

Ví dụ như Si và Ge là bán dẫn đơn chất vì trong nút mạng tinh thể của chúng chỉ cấu tạo từ một nguyên tử, cịn những bán dẫn mà trong phân tử của nĩ chứa trên một loại nguyên tử thì

- Nếu hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì bán dẫn loại N

- Nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thì bán dẫn loại P

1.1.1 Chất bán dẫn thuần

Chất bán dẫn thuần về lý thuyết được định nghĩa là vật liệu khơng cĩ tạp chất

(Intrinsic Semiconductor) Trên thực tế khơng thể chế tạo được bán dẫn sạch lý tưởng, tuy nhiên để chế tạo các linh kiện hoặc các mạch tổ hợp cĩ chất lượng cao người ta địi hỏi chất

bán

3

ạt tới 1 phần 10 tỷ trong 1cmbán dẫn phải cĩ độ sạch rất cao Hiện nay độ sạch cĩ thể đ

dẫn (1: 10.000.000.000) Cĩ nghĩa là cứ 10 tỷ nguyên tử chất bán dẫn mới cĩ một nguyên tử

lạ (tạp chất).Hầu hết các chất bán dẫn đều cĩ các nguyên tử sắp xếp theo dạng tinh thể Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicon và Germanium Hình 1.1 trình bày cấu trúc đơn tinh thể của hai loại bán dẫn Si và Ge, hình 1.2 trình bày cấu trúc nguyên tử của Si và Ge

Hình 1.1 Cấu trúc đơn tinh thể của Si và Ge

a) Si b) Ge

Hình 1.2 Cấu trúc nguyên tử của Si (a) và Ge (b)

Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng Khi tham gia vào các mối liên kết trong mạng để tạo thành mạng tinh thể bán dẫn, các nguyên tử đưa ra các đôi điện tử dùng chung để hình thành 8 điện tử ở lớp ngoài cùng tạo nên cấu trúc bền vững (hình 1.3), sự liên kết giữa các nguyên tử với nhau này làm cho điện tử khó tách rời khỏi nhân của chúng Với cấu trúc như vậy nên tại nhiệt độ 00K chất bán dẫn thuần hoàn toàn cách điện

Hình 1.3 Liên kết giữa các nguyên tử Si

Hạt dẫn điện tự do chỉ xuất hiện ở điều kiện nhiệt độ xác định Khi chất bán dẫn được cung cấp năng lượng, điện tử trong nguyên tử dao động đủ phá vỡ mối liên kết hoá học trở thành điện tử tự do (electron) để lại lỗ trống cho nguyên tử Theo nguyên tắc liên kết hóa học, điện tử của nguyên tử bên cạnh có xu hướng thay thế lỗ trống vừa xuất hiện và cũng để lại cho nguyên tử mình lỗ trống Như vậy lỗ trống liên tục được đổi vị trí khắp chất bán dẫn nên cũng được gọi là lỗ trống tự do (hole) Đối với chất bán dẫn thuần khiết lượng hạt dẫn điện tử và lỗ trống tự do bằng nhau Nếu nồng độ hạt dẫn điện tử là n và lỗ trống là

p, ta có n = p

Các mức năng lượng của vật liệu bán dẫn là không liên tục và hình thành các dải năng lượng là vùng dẫn, vùng hoá trị, giữa các vùng được phân cách bởi các vùng cấm

Hình 1.4 Mức năng lượng của các vật liệu

ví dụ đối với bán dẫn Si, không có điện tử nào được phép nằm trong vùng cấm Những điện

tử ở lớp ngoài cùng tương ứng với các liên kết cộng hoá trị nếu bứt khỏi mối liên kết và trở thành điện tử tự do trong mạng thì việc đó tương ứng với cách biểu diễn điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn trong giản đồ vùng năng lượng Do đó điện tử tại vùng dẫn sẽ tham gia dẫn điện

Đơn vị năng lượng tính bằng eV (electron Volts)

W = QxV (eV)

Vì điện tích của điện tử bằng 1,6 x 10-19C

W = QxV = (1,6 x 10-19C) (1V) Nên 1eV = 1,6 x 10-19J

Đối với chất bán dẫn thuần, tại 00K (tức là -2730C) tất cả các điện tử đều nằm ở vùng hoá trị Tại nhiệt độ phòng (3000K hay 250C) một số lượng lớn điện tử có đủ năng lượng rời khỏi vùng hóa trị, vượt qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do, những điện tử này là các hạt dẫn điện của chất bán dẫn Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs

và Ge, độ lớn vùng cấm lần lượt là 1,1eV, 1,41eV và 0,67eV như trong hình 1.4 (đối với chất cách điện có vùng cấm thường là 5eV hoặc hơn, làm hạn chế số lượng các electron có thể đến được vùng dẫn ở nhiệt độ phòng, đối với chất dẫn điện tồn tại các điện tử ở vùng dẫn ngay cả ở nhiệt độ 0 0K ) Với nhiệt độ 250C, trong 1cm3của Si thuần có khoảng 1,5 x

1010điện tử tự do, còn của Ge tương ứng là 2,3 x 1013

. Điều này chứng tỏ Ge dẫn điện tốt hơn Si rất nhiều

1.1.2 Chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai:

Các đặc tính của chất bán dẫn thay đổi đáng kể nếu bổ sung các nguyên tử tạp chất nhất định vào chất bán dẫn thuần Chất bán dẫn thuần được pha thêm tạp chất gọi là chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai (Doped/Extrinsic Semiconductor) Có hai loại bán dẫn pha tạp quan trọng dùng để chế tạo linh kiện bán dẫn đó là loại n và loại p

a Chất bán dẫn loại n:

Khi pha một lượng rất nhỏ tạp chất có hoá trị 5 (tức là có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần (cấu trúc của tinh thể không biến dạng), như các chất Sb (Antimony), As (Asen), hoặc P (Photpho) Khi đó liên kết dùng chung cần 8 điện tử

là đủ (Si: 4 điện tử và Sb góp 4 điện tử) Vậy còn thừa một điện tử, điện tử này liên kết rất lỏng lẻo với nguyên tử và chỉ cần một năng lượng rất nhỏ cấp cho nó cũng đủ làm nó bứt khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do Tạp chất loại này được gọi là tạp chất cho (Donor) Hình 1.5 biểu diễn sự hình thành điện tử tự do và giản đồ năng lượng ứng với bán dẫn loại này Tạp chất ở đây dùng Sb Qua hình vẽ ta thấy rõ mức năng lượng ứng với tạp chất cho nằm ngay sát đáy vùng dẫn và khoảng cách này rất nhỏ cỡ 0,05eV đối với Si và 0,01eV đối với Ge Vì vậy chỉ cần cấp 1 năng lượng rất nhỏ (thí dụ như năng lượng nhiệt ở mức nhiệt

độ trong phòng) cũng đủ giúp điện tử nhẩy lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do

(a)

(b)

Hình 1.5: Tạp chất Sb trong bán dẫn loại n (a) và giản đồ năng lượng(b)

Kết quả là khi có chất Donor, độ dẫn điện của bán dẫn tăng một cách đáng kể Ở nhiệt độ phòng (250C), số lượng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn

105 lần bán dẫn thuần (tùy theo mức pha tạp) Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi là bán dẫn loại N

Do có nhiều eletron nằm trong băng dẫn điện hơn các lỗ trống nằm trong vùng hóa trị của chất bán dẫn loại n Các điện tử được gọi là các hạt tải đa số và các lỗ trống nằm ở lớp hóa trị được gọi là hạt tải thiểu số (nn>> pn)

b Chất bán dẫn loại p:

Trong trường hợp pha tạp chất có hóa trị 3 (tức là có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng) ví

dụ như B (Boron), In (Indium), Al(Aluminium) hoặc Ga (Gallium) vào mạng tinh thể của bán dẫn thuần, kết quả thiếu 1 điện tử trong các mối liên kết cộng hóa trị Tạp chất Boron

hóa trị 3 được bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tố silicon Nên sẽ có 1 mối liên kết không thành vì thiếu điện tử tạo thành 1 lỗ trống Tạp chất để tạo nên hiệu ứng này có tên là tạp chất nhận (Acceptor) Chất bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống ở vùng hóa trị nên được gọi là hạt tải đa số và rất ít điện tử ở vùng dẫn nên được gọi là hạt tải thiểu số (pp >> np)

a Cấu tạo của diode b ký hiệu của diode Hình 1.7 Cấu tạo và ký hiệu của diode bán dẫn

Tại mặt tiếp xúc P-N các điện tử tự do và lỗ trống kết hợp lại với nhau, kết quả là tại khu vực này nồng độ của cả lỗ trống và điện tử giảm đi rõ rệt so với phía sâu trong vùng P

và N Điều này dẫn đến trở kháng của vùng này khá lớn Cũng do lý do này vùng tiếp xúc còn có tên gọi là vùng nghèo (ít hạt dẫn), hoặc vùng chắn (trở kháng lớn)

1.2.2 Phân cực diode:

Vì diode có 2 cực nên có 3 cách đặt điện áp lên các cực của diode là VD = 0V (không phân cực), VD < 0V (phân cực ngược) và VD > 0V (phân cực thuận)

a Khi không phân cực (V D = 0V)

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

Trong vùng tiếp xúc do lỗ trống khuyếch tán về phía N nên mất cân bằng về điện tích, chúng để lại các ion âm của tạp chất nhận tại nút mạng tinh thể Ngược lại các điện tử khuếch tán về phía vùng P, chúng để lại các ion dương của tạp chất cho Kết quả là hình thành một lớp điện tích kép tại vùng tiếp giáp PN giống như hai bảng cực của tụ điện Do tồn tại lớp điện tích kép này, hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc Vtx tại vùng tiếp giáp

Hình 1.8 Mối nối pn khi chưa có điện trường ngoài

Do tồn tại hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm xuất hiện dòng điện trôi do các hạt dẫn thiểu số tạo thành có chiều ngược với chiều dòng điện khuếch tán Chiều của điện áp tiếp xúc là cản lại dòng khuyếch tán Như vậy ở đây hình thành một cơ chế tự điều chỉnh như sau: Do có hiện tượng khuyếch tán sinh ra dòng khuếch tán Ikt làm xuất hiện Vtx nhưng sự xuất hiện Vtx lại cản sự tăng trưởng của Ikt Trong điều kiện không có điện áp ngoài, dòng điện tổng phải bằng không

Tóm lại khi không phân cực diode, dòng điện qua diode theo cả 2 chiều là bằng 0

b Phân cực nghịch (V D < 0 ):

Anode nối với cực âm và Cathode nối với cực dương của nguồn ngoài Có thể giả thiết rằng điện trở của vùng P và vùng N nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở của lớp tiếp xúc nên điện áp ngoài VD coi như đặt toàn bộ lên lớp tiếp xúc này và cùng chiều với 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 lớn đến nổi các hạt tải đa số không thể nào băng qua được nên dòng khuếch tán là zero như được trình bày trong hình 1.9

Hình 1.9 Phân cực nghịch mối nối pn

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 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 bảo hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp

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 chuyển tiếp pn sẽ là:

( V D V T 1)

kt troi S

I =I −I =I e  − (1-1) Trong đó:

Is = dòng điện bảo hòa

: hằng số phụ thuộc vào vật liệu 1≤≤2

VT: là hiệu điện thế nhiệt

1.2.3.: Đặc tuyến Vôn - Ampe:

Đặc tuyến Vôn -Ampe của diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua diode theo điện áp VD(hay VAK)đặt vào nó, được mô tả bởi biểu thức ( V D V T 1)

I =I e  − Có thể chia đặc tuyến này thành hai vùng:

- Vùng phân cực thuận: dòng điện ban đầu rất nhỏ gần như bằng không và tăng rất nhanh sau một giá trị VD nhất định Điểm mà tại đó dòng bắt đầu tăng nhanh là điểm VD gần tới giá trị điện áp tiếp xúc Vtx và khi VD  Vtx thì dòng ID tăng vọt Theo đường cong thực

tế, dòng diode thuận ID không bắt đầu từ gốc tọa độ mà chỉ xuất hiện khi có một điện áp thuận nhất định gọi là điện áp ngưỡng hay điện áp mở diode Đối với diode Ge giá trị điện

áp này khoảng 0,3V còn đối với Si khoảng 0,7V

- Vùng phân cực ngược: Dòng ngược qua diode rất nhỏ, nếu điện áp ngược tiếp tục tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là chuyển tiếp pn 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 là đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt

Hình 1.21: Đặc tuyến vôn-ampe của chuyển tiếp pn

- Cơ chế đánh thủng thác lũ do điện tử va chạm vào mạng tinh thể gây nên hiện tượng ion hóa làm tăng dòng ngược

Tuy hiện tượng đánh thủng do hai hiệu ứng gây ra nhưng người ta gọi chung vùng đặc tuyến này là vùng Zener Hiện tượng đánh thủng do điện không làm hỏng diode

Điện áp phân cực ngược lớn nhất trước khi đạt đến vùng zener được gọi là điện áp ngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV) thường gọi là điện áp đánh thủng ngược

Hình 1.22 Vùng zener

b Đánh thủng về nhiệt:

Xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng tiếp xúc Khi có điện áp ngược lớn, dòng điện ngược tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đó lại làm dòng điện ngược tăng nhanh Quá trình cứ như thế tiến triển khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc và dòng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng Hiện tượng đánh thủng này có trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc vào dòng điện ngược ban đầu, nhiệt độ môi trường và điều kiện tỏa nhiệt của chuyển tiếp pn Đánh thủng về nhiệt thường làm diode bị hỏng hoàn toàn không sử dụng được nữa

Hình 1.23 so sánh đặc tuyến của diode bán dẫn Si và Ge

Diode Si có PIV, dòng điện và khoảng nhiệt độ hoạt động lớn hơn diode Ge Điện áp PIV đối với Si khoảng 1000V trong khi đó giá trị lớn nhất đối với Ge là 400V Diode Si có thể dùng trong các ứng dụng mà nhiệt độ có thể lên đến 2000C trong khi đó nhiệt độ chịu đựng lớn nhất của diode Ge là 1000C Dòng ngược của diode Si nhỏ hơn nhiều so với diode

Ge IS (Si) <<IS (Ge) Tuy nhiên khuyết điểm của Diode Si so với Diode Ge là điện áp phân cực thuận cần cao hơn để đạt đến vùng dẫn

Điện áp tại thời điểm bắt đầu dẫn được xem là điện áp ngưỡng (threshold) và kí hiệu

là VT

VT = 0,7V (Si); VT = 0,3V (Ge)

Do nhiều ưu điểm của loại vật liệu Si nên nó được ứng dụng rộng rãi hơn Ge trong công nghệ chế tạo linh kiện điện tử

Hình 1.23 Đặc tuyến Volt – Ampere của diode Si và Ge

c Ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến của diode:

Nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đáng kể đến đặc tuyến của diode bán dẫn như hình 1.24 Qua các thí nghiệm người ta thấy rằng “ Dòng điện bảo hòa nghịch IS sẽ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng lên 100C ”

Hình 1.24 ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến của diode

Đối với diode Ge với dòng IS vào khoảng 1 hoặc 2 µA ở nhiệt độ 250C nhưng có thể đạt đến 100µA tại nhiệt độ 1000C Giá trị IS của diode Si thấp hơn so với diode Ge với cùng một công suất và các mức dòng điện như trình bày ở hình 1.24 Ngay khi ở nhiệt độ cao dòng điện IS của diode Si cũng không bằng dòng IS của diode Ge ở nhiệt độ bình thường, đó

chính là lý do mà các linh kiện Si được sử dụng nhiều hơn trong thiết kế Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến điện áp thuận rơi trên diode Trong trường hợp cố định điện áp thuận, tăng nhiệt

độ thì dòng thuận tăng lên, ngược lại giữ nguyên dòng thuận, tăng nhiệt độ của tiếp xúc thì điện áp thuận rơi trên diode lại giảm Điều này chứng tỏ điện áp thuận rơi trên chuyển tiếp

PN có hệ số nhiệt âm Trong thực tế hệ số nhiệt âm này thường được dùng để bù nhiệt độ Nếu giữ dòng ID thuận không đổi thì điện áp thuận rơi trên diode sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng và vào khoảng -2mV/0K

1.3 Các thông số của diode:

PDmax= 0,7(V)xID đối với diode Si

PDmax= 0,3(V)xID đối với Điot Ge

7 Dải nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp xúc (Junction) ở chế độ làm việc và ở chế độ cất giữ: Cho biết dải nhiệt độ cho phép tại tiếp xúc PN khi ở chế độ làm việc và khi cất giữ

1.3.2 Các thông số về điện:

Tùy thuộc vào từng loại diode sử dụng, 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

1 Điện áp thuận trên diode: Là điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận

2 Dòng ngược bão hoà IS: Là dòng điện khi diode phân cực ngược Dòng này thường rất nhỏ và phụ thuộc vào nhiệt độ

3 Điện trở tĩnh hay điện trở một chiều: Là điện trở đối với thành phần dòng một chiều Giá trị RD phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tuyến Volt- Ampere của diode

RD= UD/ID (1.2)

Hình 1.25 Đặc tuyến của diode

Ví dụ1.1: Tính giá trị RD của diode có đặc tuyến như hình 1 25 tại

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

Phương trình tính điện trở động của diode là:

D

D D

I

V r

di dv

r =

Hình 1.26 Đặc tuyến xác định điện trở động của diode

Từ phương trình (1.1) ta có:

T

D V V S S

T

D V V S

S

D

e I

I

I I V

= lnVậy

S D T D

D D

I I

V di

dv r

Điện dung chuyển tiếp: Là điện dung của lớp tiếp xúc PN khi phân cực ngược Trong chuyển tiếp pn, vùng tiếp xúc mang tính chất như là chất cách điện giữa 2 lớp điện tích đối ngược nhau vì vậy nó tương đượng một tụ điện có điện dung gọi là điện dung chuyển tiếp

Độ rộng vùng nghèo này tăng tỉ lệ với điện áp phân cực nghịch, vì vậy điện dung chuyển tiếp sẽ bị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp phân cực nghịch cung cấp

d

A

C T = (1.8) Trong đó

 là hằng số điện môi của chất cách điện giữa các bản cực

A diện tích tiếp xúc của hai chất bán dẫn n và p

d: bề dày của vùng tiếp xúc

Điện dung khuếch tán: ởchế độ dòng thuận (UD> 0), do khuếch tán điện tích đa số qua lớp tiếp xúc, tạo nên sự thay đổi điện tích khi điện áp UD thay đổi Việc biến thiên này tương đương như là việc xuất hiện của một tụ điện có điện dung CD được tính bằng:

dV

dQ

C D = (1.9) Q: điện tích miền nền của diode

Giá trị của CD thường lớn hơn CT Tuy nhiên, ở chế độ phân cực thuận CD mắc song song với điện trở rD và điện trở này rất nhỏ nếu ít gây ảnh hưởng ( = RC: thời hằng nhỏ)

Hình 1.27 Điện dung chuyển tiếp và khuếch tán tỉ lệ với điện áp phân cực

Các ảnh hưởng vừa diễn tả ở trên được minh họa bằng 1 tụ điện mắc song song với 1 diode lý tưởng như hình 1.28 Trong các ứng dụng tần số từ trung bình trở xuống thì có thể

bỏ qua ảnh hưởng của tụ

Hình 1.28 Mạch tương đương của diode khi xét đến ảnh hưởng của điện dung

6 Thời gian phục hồi ngược: Được định nghĩa như là khoảng thời gian diode trở lại trạng thái không dẫn kể từ thời điểm chuyển điện áp từ thuận sang ngược Khi diode đang

có dòng thuận, có nghĩa là tại vùng bán dẫn P có rất nhiều điện tử khuếch tán từ phía N sang

và tại vùng N cũng có rất nhiều lỗ trống từ vùng P khuếch tán sang ở tại 2 vùng này, điện tử

và lỗ trống trở thành loại hạt thiểu số Khi đổi chiều phân cực, số lượng hạt này là khá lớn

và chúng chuyển động theo chiều ngược lại tạo nên dòng I ngược có giá trị không đổi trong một khoảng thời gian nhất định t1 Sau đó số lượng hạt dẫn này giảm đi theo thời gian nên dòng ngược cũng giảm dần và bằng IS Thời gian t2 được tính từ điểm sau t1 đến khi dòng giảm còn bằng 0,1 giá trị dòng ngược ban đầu

Hình 1.29 Đặc tuyến chuyển mạch của diode

Thời gian phục hồi ngược được tính bằng tổng hai thời gian t1 và t2

1.4.1 Diode chỉnh lưu:

Ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu Cấu tạo là một chuyển tiếp pn, tiếp xúc mặt Diode chỉnh lưu bao gồm diode chỉnh lưu công suất nhỏ, diode chỉnh lưu công suất trung bình và công suất lớn

Hình 1.30: kí hiệu của diode chỉnh lưu

1.4.2 Diode cao tần

Ứng dụng trong các mạch hoạt động ở tần số cao như mạch tách sóng cao tần Diode cao tần có điện dung tiếp xúc bé như diode tiếp xúc điểm

1.4.3 Diode phát quang (led-light emitting diode):

Diode phát quang là diode phát ra ánh sáng khi nó được dẫn điện 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 silicon và germanium việc 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 1.31 Led a cấu tạo; b kí hiệu

Led có đặc tính đường cong gần giống như diode mối nối pn Tuy nhiên điện áp phân cực thuận (VF) cao hơn và điện áp phân cực nghịch (VBR) thấp hơn Các dãy điện áp làm việc thông thường của led như sau:

❑ Điện áp phân cực thuận: +1V đến +3V

❑ Điện áp phân cực ngược: -3V đến –10V

Dòng điện trung bình phân cực thuận thường là 10mA Dòng điện phân cực thuận thấp nên phải thêm điện trở hạn dòng

Trong các ứng dụng thực tế sử dụng led thường mắc thêm điện trở hạn dòng mắc nối tiếp Điện trở phải được tính toán sao cho dòng cực đại qua led không được vượt quá dòng cho phép

Giá trị của điện trở RS được tính như sau:

F

F out

S

I

V V

= (max) (1.10) Trong đó:

- Vout(pk): là điện áp đỉnh ngõ ra của mạch

- VF: là giá trị điện áp VF nhỏ nhất của led

- IF: là dòng điện cho phép lớn nhất của led

1.4.4 Diode zener:

Ứng dụng trong các mạch ổn áp, tạo điện áp chuẩn Hoạt động chủ yếu ở vùng phân cực ngược Vùng zener đã được đề cập ở phần trước một cách chi tiết có đường cong đặc tính rơi thẳng đứng tại VZ Vùng đặc tính zener được sử dụng trong chế tạo ra diode Zener

Hình 1.32: (a) Kí hiệu của của diode zener (b) 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 silicon 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 áp tương đương với điện áp zener 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 áp như hình 1.33

Hình 1.33 Mạch điện tương đương của diode zener

Các thông số đặc trưng của diode zener:

- Điện áp VZ: Điện áp danh định là điện áp trung bình tiêu biểu của diode Zener ở vùng làm việc

- IZ min: Dòng điện tối thiểu để diode duy trì được ở chế độ Zener

- IZ max: Dòng điện tối đa cho phép nếu dòng điện vượt quá IZmax diode sẽ chuyển sang vùng đánh thủng về nhiệt, tiếp giáp bị nóng cục bộ và diode bị phá huỷ không hồi phục được

- IZT: Dòng danh định là dòng ứng với 1/4 công suất cực đại và được tính bằng công thức:

max min2

dI dV

r = (1.11)

- Điện trở tĩnh

Z

Z D

Trong đó VZ là sự thay đổi điện áp zener phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ Chú ý

hệ số nhiệt có thể là dương, âm và có thể bằng 0 đối với các mức zener khác nhau Với giá trị dương cho biết điện áp VZ trong vùng tăng theo nhiệt độ, trong khi giá trị âm VZ sẽ giảm khi nhiệt độ tăng

- PZmax: Công suất tiêu tán cực đại trên diode Zener, được xác định bằng công thức:

PZmax = IZmax x VZ (1.14)

1.4.5 Diode tunnel (diode xuyên hầm)

Cấu tạo của diode tunnel cũng dựa trên tiếp xúc PN, tuy nhiên nồng độ hạt dẫn rất cao, lớn hơn hàng trăm thậm chí hàng ngàn lần loại diode thông thường Do vậy vùng tiếp xúc PN trở nên rất hẹp Với khoảng cách rất nhỏ như vậy, cường độ điện trường tiếp xúc rất cao hạt dẫn có khả năng xuyên qua hàng rào thế năng với điện áp thuận đặt vào rất nhỏ, vùng xảy ra hiệu ứng này gọi là vùng Tunnel (hiệu ứng “xuyên hầm”) Vùng này ứng với điện áp trên tiếp giáp PN rất nhỏ (nhỏ hơn điện áp VT của diode thường) Đặc tuyến Volt - Ampere và các kiểu ký hiệu như trên hình 1.34

(a) (b)

Hình 1.34 Diode tunnel a.mạch điện tương đương b kí hiệu

Trên đặc tuyến của diode tunnel có thể thấy rõ có 3 vùng:

Vùng I dòng tăng nhanh, vùng II dòng giảm, vùng III dòng tăng như diode thường Ở đây vùng II có đặc điểm trở kháng âm (VT tăng, IT giảm) Đỉnh của đồ thị (Peak) ứng với dòng

IP và điện áp VP Điểm lõm (Valley) ứng với dòng IV và điện áp VV Giá trị của IP và UP

thường nằm trong giải giá trị sau:

IP có giá trị từ vài µA đến hàng trăm A;

UP < 600mV

Do lớp tiếp xúc rất mỏng điện trường tại đó rất cao nên hạt dẫn vượt qua tiếp xúc với tốc độ nhanh hơn nhiều lần diode thông thường Vì vậy nó có ứng dụng rộng rãi trong máy tính khi yêu cầu tốc độ chuyển mạch lên tới ns hoặc ps Hiệu ứng điện trở âm của diode Tunnel thường được ứng dụng để tạo mạch tạo dao động

1.4.6 Diode biến dung (varicap)

Như đã đề cập trong phần điện dung chuyển tiếp và điện dung khuếch tán, khi tiếp xúc PN phân cực ngược, ở lớp tiếp xúc tồn tại điện dung CT Diode biến dung đựợc ký hiệu như hình1.35:

Hình 1.35 ký hiệu diode biến dung

Điện dung CT có thể được tính theo công thức sau:

K C

V V

=+ (1.15) K: hệ số phụ thuộc vào chất bán dẫn và công nghệ chế tạo

VT: điện áp mở diode (0,7V – Si; 0,3V – Ge)

VR: điện áp ngược đặt lên diode

n: có giá trị khác nhau đối với kiểu chế tạo

n = ½ đối với tiếp xúc chế tạo theo công nghệ hợp kim (Alloy Junction)

n = 1/3 đối với tiếp xúc chế tạo theo công nghệ khuếch tán (Diffused Junction)

Hình 1.36 Đặc tuyến của diode biến dung

Giá trị của CT thường rất nhỏ, khoảng từ 2pF đến 100pF Vì vậy Varicap thường được sử dụng ở tần số cao như là một linh kiện trong mạch cộng hưởng Từ công thức trên

ta thấy một đặc điểm quí giá của Varicap là điện dung có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp VR đặt vào Varicap Nếu đặt Varicap vào một mạch cộng hưởng L-C, mà Varicap

đóng vai trò là điện dung C, thì tần số cộng hưởng của mạch L-C có thể điều chỉnh bằng điện áp Đặc tính này được ứng dụng rất rộng rãi trong các máy thu thanh, thu hình và nhiều thiết bị khác để tự động chọn kênh Ngoài ra nó còn được sử dụng rất nhiều trong các bộ điều chế tần số FM, các thiết bị tự động điều chỉnh tần số, các bộ lọc dải điều chỉnh được …

Sơ đồ tương đương của Varicap được mô tả như hình 1.37

Hình 1.37 Mạch tương đương của diode biến dung

Trong đó:

rv: Điện trở khối bán dẫn và chỗ nối cực, có giá trị nhỏ cỡ 0,1 đến 12?;

rs: Điện trở xoay chiều khi phân cực ng-ợc, có giá trị lớn khoảng trên 1M?;

Lv: Điện cảm đầu dây nối cực của Điot Varicap, có giátrị nhỏ khoảng từ 1 đến 5nH;

1.4.7 Diode Schottky

Diode schottky là loại diode có tần số làm việc rất cao, thời gian đáp ứng nhanh, tạp

âm nhỏ Vì vậy nó được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực như trong các thiết bị Rada, trong kỹ thuật số loại TTL – schottky trong các mạch biến đổi A/D, và trong cả các hệ nguồn biến đổi AC - DC Cấu tạo của diode schottky gồm phiến bán dẫn tiếp giáp với kim loại Thường người ta dùng bán dẫn Si loại n Còn kim loại có thể dùng một số loại như Mo (Molipđen),

Pt (Platin), Cr (Crôm), Wf (Vonfram), ứng với mỗi loại sẽ cho các đặc tuyến khác nhau như dải tần số, điện áp mở v.v…

(a) (b) Hình 1.38 Diode schottky (a).Cấu trúc; (b) kí hiệu

Hình 1.39 đặc tuyến Volt-ampere của diode schottky so với diode chuyển tiếp pn

1.5 Các mạch ứng dụng:

1.5.1 Mạch bảo vệ:

Do đặc điểm chỉ dẫn điện theo 1 chiều nên có thể sử dụng diode để thực hiện mạch bảo vệ chống ngược cực tính nguồn một chiều hoặc bảo vệ chống lại điện áp tự cảm sinh ra khi tải là cuộn dây

1.5.2 Mạch chỉnh lưu:

Điot bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các mạch chỉnh lưu để biến dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều cung cấp cho các mạch điện tử Các mạch chỉnh lưu sẽ được trình bày chi tiết trong chương 7

1.5.3 Mạch cổng logic

Có thể sử dụng diode để xây dựng các cổng logic đơn giản Trong hình 1.40 trình bày cổng logic OR (HOẶC – trạng thái ngõ ra bằng “1” khi một trong hai hoặc cả hai ngõ vào bằng “1”)

Hình 1.40 Cổng logic OR

Điện áp 10V được gán cho mức logic “1” và 0V được gán cho mức logic “0” Điện

áp ngõ vào 1 bằng 10V, điện áp ngõ vào 2 bằng 0V xem như nối mass, mạch điện được vẽ lại như sau:

Hình 1.41 Phần mạch cổng logic OR được vẽ lại

Trong hình 1.41 D1 dẫn, D2 ngưng dẫn xem như hở mạch

Điện áp ra VO được xác định như sau:

10 0, 7

9,31

Điện áp ngõ ra chỉ bằng 0V khi cả 2 ngõ vào đều bằng 0V

Trong hình 1.42 trình bày cổng logic AND (VÀ – trạng thái ngõ ra bằng “1” khi cả hai ngõ vào đều bằng “1”)

Hình 1.42 Cổng logic AND

Khi điện áp ngõ vào 1 bằng 10V làm cho D1 không dẫn (phân cực ngược) xem như

hở mạch, điện áp ngõ vào 2 bằng 0V làm cho D2 dẫn và điện áp rơi trên D2 bằng 0,7V Mạch điện tương đương như hình 1.43

Hình 1.43 Phần mạch cổng logic AND được vẽ lại

Điện áp ra VO được xác định bằng điện áp diode D2:

10 0, 7

9,31

1.5.4 Mạch xén:

Mạch xén là mạch cắt bỏ một phần của tín hiệu ngõ vào nhưng không làm méo dạng phần tín hiệu còn lại Có 2 dạng mạch xén là mạch xén nối tiếp và mạch xén song song Mạch xén nối tiếp là mạch xén mà diode mắc nối tiếp với tải, còn mạch xén song song thì diode mắc song song với tải

a Mạch xén nối tiếp:

Hình 1.44 trình bày một mạch xén đơn giản sử dụng 1 diode và 1 điện trở R Tín hiệu vào là sóng vuông và sóng tam giác, tín hiệu ra đã bị cắt bỏ phần tín hiệu âm

Hình 1.44 Mạch xén nối tiếp đơn giản

Trường hợp mạch có thêm nguồn điện áp dc với tín hiệu sin ở ngõ vào như hình 1.45

Hình 1.45 Mạch xén nối tiếp với mức xén khác 0V

Để phân tích hoạt động của mạch, xem diode là lý tưởng và tiến hành các bước:

Bước 1: xác định điện áp cung cấp làm thay đổi trạng thái của diode – là trạng thái

tương ứng với dòng id = 0 và điện áp vd = 0 như mạch hình 1.46

Hình 1.46 Mạch xác định mức điện áp thay đổi trạng thái

Kết quả tìm được:

vi = V Khi điện áp vào Vi lớn hơn V thì diode ở trạng thái dẫn – xem như ngắn mạch, khi vi nhỏ hơn điện áp V thì diode ở trạng thái ngưng dẫn – xem như hở mạch

Bước 2: xác định điện áp ra:

Khi diode ngưng dẫn – xem như hở mạch – dòng điện id = 0 và kết quả điện áp ra: Khi diode dẫn – xem như ngắn mạch – mạch tương đương như hình 1.47 Áp dụng định luật Kirchhoff để xác định điện áp ra:

Hình 1.47 Mạch xác định điện áp ra

Bước 3: vẽ dạng sóng tín hiệu ra:

Dựa vào kết quả của bước 2 để vẽ dạng sóng tín hiệu ra – kết quả được dạng sóng tín hiệu ở hình 1.48

Hình 1.48 Dạng sóng điện áp vào và ra

V R R

i R i

v O = i −

Hình 1.51 Mạch xén song song với mức xén khác 0V

Bước 1: cho dòng id = 0 và vd = 0 như hình 1.52 Áp dụng định luật Kirchhoff tìm được giá trị điện áp vào làm thay đổi trạng thái dẫn của diode là Vi = V= 4V

Hình 1.52 Mạch điện xác định mức điện vào làm thay đổi trạng thái của diode

Bước 2: xác định điện áp ra

Khi diode dẫn xem như ngắn, kết quả điện áp ra:

Khi diode ngưng dẫn xem như hở mạch, mạch tương đương như hình 1.53, kết quả điện

và C phải được lựa chọn sao cho thời hằng  = RC đủ lớn để đảm bảo rằng điện áp rơi trên

tụ điện C xả không đáng kể trong khoảng thời gian diode ngưng dẫn Trong khi phân tích mạch ta có thể xem tụ được nạp đầy và xả hết lượng điện tích sau khoảng thời gian 5

Mạch điện hình 1.55 là một mạch kẹp mức 0V (xem diode là lý tưởng)

Hình 1.55 Mạch kẹp

V V

v o = =4

Trong khoảng thời gian từ [0,T/2], tín hiệu vào dương, mạch tương đương như hình1.56, diode ở trạng thái dẫn xem như ngắn mạch điện trở R – dẫn đến thời hằng  có giá trị rất nhỏ và tụ C sẽ nạp đầy điện áp V một cách nhanh chóng còn điện áp ra bằng 0V

Hình 1.56 Mạch tương đương ở bán kì dương của tín hiệu

Trong khoảng thời gian từ [T/2, T], tín hiệu vào âm, mạch tương đương như hình1.57, diode phân cực ngược – xem như hở mạch – thời hằng  = RC có giá trị rất lớn –

áp dụng định luật Kirchhoff đểm tìm điện áp ra:

-V – V – VO = 0 Hay V0 = -2V

Chú ý dấu trừ trong kết quả ngược với dấu trừ đã xác định trong mạch

Hình 1.57: Mạch tương đương ở bán kì âm của tín hiệu

Kết quả dạng sóng vào và ra như hình 1.58

Hình 1.58: Dạng sóng điện áp vào và ra

1.5.6 Mạch ổn áp:

Diode zener thường được sử dụng trong các mạch ổn định điện áp Mạch ổn áp dùng Zener được mô tả trên hình 1.59 Lưu ý trong mạch ổn áp luôn phải có điện trở R để hạn chế dòng điện

Hình 1.61 Mạch tương đương khi diode zener dẫn

Vì tải mắc song song với diode zener nên ta có:

VL = VZ (1.17) Dòng điện chạy qua diode zener được xác định bằng định luật Kirchhoff

IZ = IR – I L (1.18) Trong đó:

R R

V V V

V I R

= (1.19) Công suất tiêu tán trên diode zener

PZ = IZ x VZ (1.20) Lưu ý: để mạch hoạt động ổn áp thì dòng qua diode zener phải thỏa:

max min Z Z

I   (1.21) Dòng IZ phụ thuộc vào các thông số: Vi, R, RL

- Khi Vi không đổi, phạm vi thay đổi của RL để mạch ổn áp vẫn còn hoạt động được xác định như sau:

min

min

Z L

z

V R

zm

V R

I I

=

− (1.22) Nếu RL< RLmin dòng điện chạy qua zener không đạt dòng điện tối thiểu IZmin theo yêu cầu nên mạch không ổn áp được

Nếu RL> RLmax dòng điện chạy qua tải giảm dẫn đến dòng chạy qua zener tăng thêm và vượt quá giá trị chịu đựng Izmax dẫn đến zener bị đánh thủng về nhiệt và bị hỏng

- Khi RL không đổi, phạm vi thay đổi của Vi được xác định như sau:

ax max max ( max)

nó nên mạch không ổn áp được

Nếu Vi> Vimax dòng chạy qua zener vượt quá giá trị chịu đựng Izmax dẫn đến zener bị đánh thủng về nhiệt và bị hỏng

Câu hỏi ôn tập và bài tập:

1 Từ bảng 1.1, hãy xác định:

a Điện trở của thanh bán dẫn Si có tiết diện 1cm2 và chiều dài 3cm

b Lặp lại câu a với chiều dài là 1 cm và tiết diện là 4 cm2

c Lặp lại câu a với chiều dài là 8 cm và tiết diện là 0.5 cm2

d Lặp lại câu a với vật liệu là đồng và so sánh các kết quả nhận được

2 Vẽ cấu trúc nguyên tử của đồng và cho biết tại sao nó dẫn điện tốt? Trình bày sự khác nhau về cấu trúc nguyên tử giữa đồng với germanium và silicon

3 Trình bày cái khái niệm về chất bán dẫn thuần, hệ số nhiệt âm và liên kết cộng hóa trị

4 Trình bày sự khác nhau giữa vật liệu bán dẫn loại n và bán dẫn loại p

5 Trình bày sự khác nhau giữa tạp chất donor (tạp chất cho) và acceptor(tạp chất nhận)

6 Trình bày sự khác nhau giữa hạt dẫn đa số và hạt dẫn thiểu số

7 Trình bày điều kiện để diode được phân cực thuận, phân cực ngược và dòng điện qua diode ứng với từng cách phân cực đó

8 So sánh các đặc tính của diode Si và diode Ge và cho biết tại sao diode Si đượ sử dụng phổ biến hơn

9 Xác định điện trở tĩnh (điện trở một chiều) của diode có đặc tính như hình 1.21 tại dòng điện ID = 2mA và tại ID = 15mA So sánh và nhận xét điện trở tĩnh trong 2 trường hợp

10 Xác định điện trở tĩnh của diode có đặc tính như hình 1.21 tại điện áp phân cực ngược -10V và -30V So sánh và nhận xét điện trở tĩnh trong 2 trường hợp

11 Xác định điện trở động(điện trở xoay chiều) của diode có đặc tính như hình 1.21 tại dòng điện 10mA bằng 2 công thức (1.3) và (1.6) So sánh kết quả thu được từ 2 công thức

12 Tính điện trở tĩnh và điện trở động của diode có đặc tính như hình 1.21 So sánh độ lớn của 2 điện trở này

13 Tìm VD, ID,VR trong 2 trường hợp là diode thực và diode lý tưởng So sánh kết quả nhận được từ 2 trường hợp trên và cho biết mô hình diode lý tưởng được sử dụng trong trường hợp nào?

18 Vẽ dạng sóng điện áp ngõ ra Vo của các mạch điện hình 1.67 trong cả 2 trường hợp diode lý tưởng và diode thực

21 Tìm VL, IL, IZ và IR của mạch điện hình 1.70 khi RL = 180 và khi RL = 470 Xác định giá trị RLmin và RLmax để mạch vẫn còn hoạt động được

Chương 2: Transistor và mạch ứng dụng

2.1 Transistor lưỡng cực BJT (Bipolar Junction Transistors)

2.1.1 Cấu tạo, kí hiệu và sơ đồ tương đương khi đo kiểm transistor

Hình 2.1 Cấu tạo của transistor

Một transistor cĩ 3 vùng bán dẫn NPN như hình 2.1 Vùng dưới cùng là vùng Emitter (phát), vùng giữa gọi là vùng Base (gốc) và vùng trên cùng gọi là vùng Collector (gĩp)

Transistor cũng được chế tạo dưới dạng PNP Hoạt động của transistor NPN và transistor PNP về cơ bản giống nhau Trong chương này chúng ta chỉ phân tích transistor NPN

Trong transistor vùng emitter được pha tạp chất nhiều, vùng base pha tạp chất rất ít

và vùng collector pha tạp chất trung bình

Transistor trong hình 2.1 gồm 2 mối nối PN: Mối nối emitter và mối nối collector Vì vậy cĩ thể xem như transistor gồm 2 diode nối ngược nhau, cấu hình này chỉ đúng khi transistor khơng phân cực, người ta thường dùng cấ u hình này khi đo thử transistor Nếu 2 diode trong transistor cịn tốt thì nhiều khả năng transistor cũng cịn tốt

base-2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Transistor khơng phân cực giống như 2 diode nối ngược, mỗi diode cĩ một hàng rào điện thế khoảng 0.7V (transistor Si) Khi nối transistor với nguồn ngồi, sẽ cĩ các dịng điện qua các vùng khác nhau trong transistor

Hình 2.2 Phân cực transistor

Hình 2.2 dấu trừ để biểu thị các electron tự do trong vùng emitter

Nguồn VBB phân cực thuận diode base-emitter, trong khi nguồn VCC phân cực ngược diode base-collector Do emitter được pha tạp chất mạnh, nó phát các electron vào base Sự pha tạp chất ít của base có ý nghĩa là làm cho hầu hết các electron từ emitter không bị tái hợp mà sẽ đến collector Collector có nghĩa là thu góp, cực collector có nhiệm vụ thu các electron từ emitter

Khi được phân cực, nếu thế VBB lớn hơn hàng rào điện thế, các electron từ emitter sẽ vào vùng base Về mặt lý thuyết các electron này sẽ đi theo 2 hướng, thứ nhất là vào vùng base qua RB để đến cực dương của nguồn VBB, thứ hai là vào collector, do sự pha tạp chất của vùng base rất ít, nên hầu hết các electron di chuyển lên vùng collector tại đây nó bị hút

về cực dương của nguồn VCC qua điện trở RC

Hình 2.3: Ký hiệu các dòng điện trong transistor

Hình 2.3 là ký hiệu trên sơ đồ của một transistor

Theo định luật Kirchhoff ta có:

Điều này chứng tỏ rằng dòng cực E bằng tổng của dòng cực C và dòng cực B

vì dòng cực B rất bé nên có thể xem như

Có 3 cách nối transistor thường dùng là:

• Nối E chung (common emitter - CE)

• Nối C chung (common collector - CC)

• Nối B chung (common base - CB)

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý mạch nối CE

Hình 2.4 là mạch nối chung emitter Mạch có 2 vòng kín là vòng base và vòng collector

Mạch vòng base, diode base-emitter được phân cực bởi nguồn VBB Điện trở RB để hạn chế dòng base bằng cách thay đổi VBB hoặc RB chúng ta có thể thay đổi dòng base vì vậy có thể thay đổi dòng collector Nói cách khác, chúng ta có thể điều khiển dòng collector bằng cách điều khiển dòng base Điều này rất quan trọng vì chúng ta có thể dùng một dòng

bé (dòng base) để điều khiển một dòng lớn (dòng collector)

Lưu ý: Các chỉ số dưới dùng trong mạch transistor có ý nghĩa như sau:

• Chúng ta dùng cùng chỉ số dưới để biểu thị nguồn nuôi Ví dụ VBB hoặc VCC

• Ngược lại chúng ta dùng chỉ số dưới khác nhau để biểu thị hiệu điện thế giữa các điểm Ví

dụ VCE là hiệu điện thế giữa cực C và cực E

Đặc tuyến base của một transistor giống như của một diode thường như hình vẽ 2.5

Vì vậy có thể dùng các gần đúng của diode khi phân tích mạch base của transistor

Hình 2.5: Đặc tuyến base của transistor

Áp dụng định luật ohm cho mạch vòng base, chúng ta thu được:

Khi VCE bằng 0V diode collector không phân cực nên dòng collector bằng 0 Khi tăng VCE lên thì dòng IC cũng tăng Dòng IC đạt giá trị bão hoà 1mA khi VCE gần bằng không

Hình 2.7 Đặc tuyến collector

Vùng dòng hằng của transistor trên hình 2.7b liên quan đến cấu tạo của transistor Sau khi diode collector phân cực ngược, các electron tự do phát xạ từ emitter đều bị collector thu góp Giá trị của dòng này chỉ phụ thuộc số electron phát xạ từ emitter hay chỉ phụ thuộc mạch base

Khi tăng VCE lên quá 40V, diode CB bị đánh thủng Khi đó dòng collector tăng vọt, hoạt động bình thường của transistor đã bị phá hủy Các transistor không được phép hoạt động ở chế độ này vì nó sẽ bị hỏng Các bảng số liệu của nhà sản xuất ghi giá trị thế đánh thủng collector-emitter là VCE(Max)

Điện áp collector và công suất

Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch vòng collector, ta có:

♦ Vùng đánh thủng (breakdown region)

♦ Vùng bão hoà (saturation region)

Vùng tác động của transistor là vùng có IC là hằng số Vùng đánh thủng ứng với

VCE> 40V Vùng bão hoà của transistor là vùng có thế VCE bé hơn 1V Người ta sử dụng transistor ở vùng tác động để khuếch đại tín hiệu

Nếu vẽ nhiều đường đặc tuyến collector trên cùng một đồ thị chúng ta có hình 2.8

Hình 2.8 Đường đặc tuyến I C ; V CE

Trên hình 2.8 có một đường đặc biệt Đó là đường ở dưới cùng, ở đó IB=0 nhưng vẫn

có dòng IC bé chảy qua transistor Đó là dòng rỉ của transistor do các hạt thiểu số tạo ra Miền giới hạn bởi đường cong có IB=0 và trục hoành gọi là vùng ngưng dẫn của transistor

Tóm lại, transistor có 3 vùng hoạt động: tác động, ngưng dẫn và bão hoà

Vùng tác động thường ứng dụng để khuếch đại tín hiệu bé, vùng tác động còn gọi là vùng tuyến tính vì sự thay đổi của dòng IC (tín hiệu ra) tỷ lệ tuyến tính với sự thay đổi của dòng IB (tín hiệu vào) Trong các thiết bị kỹ thuật số và máy tính, transistor thường hoạt động ở vùng ngưng dẫn hoặc bão hoà hay còn gọi là chế độ khoá (switching mode)

Đường tải (load line)

Hình 2.9 là mạch transistor nối CE Cho các giá trị của RB, βdc chúng ta có thể tính dòng IC và thế VCE

Hình 2.9 Mạch transistor nối CE

Sự phân cực base

Hình 2.9 là một ví dụ về mạch phân cực base để tạo ra một dòng base cố định Ví dụ nếu RB=1MΩ thì dòng base bằng 14.3µA, dòng này luôn xấp xỉ giá trị 14.3µA khi chúng ta thay thế transistor khác và ngay cả khi nhiệt độ thay đổi

Nếu βdc=100 thì dòng collector xấp xỉ 1.43mA và thế collector - base bằng:

15V – 1.43mA 3k 10.7V

Vậy điểm tĩnh Q(Quiescent) xác định dòng và thế trên transistor là IC = 1.43mA và

VCE=10.7V

Phương pháp đồ thị

Chúng ta có thể tìm điểm Q bằng phương pháp đồ thị dựa trên đường tải (load line) của transistor, đường tải là đường cong cho quan hệ IC và VCE của một transistor theo phương trình sau

V =V −I R

Hay I C =(V CC −V CE)/R C (2.8) Phương trình (2.8) là tuyến tính và đồ thị của nó là một đường thẳng Đường này gọi

là đường tải vì nó phản ánh sự ảnh hưởng của RC lên IC và VCE

Điểm bão hòa

Khi RB bé dòng IC rất lớn làm cho thế VCE của transistor đạt giá trị xấp xỉ 0V Trong trường hợp này, transistor đã ở trạng thái bão hoà, nghĩa là dòng IC đã tăng đến giá trị cực đại

Điểm bão hoà là điểm mà ở đó đường tải tiệm cận với vùng bão hoà của transistor

Vì VCE rất bé nên điểm bão hoà nằm gần đầu trên của đường tải Điểm bão hoà cho thấy dòng collector đã đạt được giá trị cực đại đối với mạch đang xét

Biểu thức tính dòng bão hoà của transistor là

C sat

C

V I

R