Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 1 - CHƯƠNG I : CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN. I. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện: 1/ Mạng tinh thể và liên kết hóa trò. Các chất bán dẫn phần lớn đư ợc cấu tạo tư ø Gecmanium (Ge) và Silicium(Si) thuộc nhóm 4 trong bảng tuần hòan các ng uyên tố hóa học đư ợc sắp xếp theo một trật tư ï tạo nên 1 mạng lư ới gọi là mạng tinh thể. Vì thuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn nên mỗi nguyên tư û có 4 nguyên tư û khác kế cận liên kết nhau. Như õng nguyên tư û này có 4 điện tư û h óa trò ở lớp vỏ ngoài cùng. Hai nguyên tư û gần nhau có chung 1 cặp electron tạo nên mối liên kết hóa trò (liên kết đôi) lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tư û Si đư ợc bổ sung thêm 4 điện tư û, nghóa là đủ số điện tư û tối đa lớp vỏ ngoài cùng (8 điện tư û), lớp này trở thành bền vư õng, trạng thái này chất bán dẫn không dẫn điện. 2/Điện tư û tư ï do và lỗ trống bán dẫn loại i Chất bán dẫn giới thiệu trên đây là thuần khiết , khi bán dẫn có nhiệt độ cao hơn hoặc bò chiếu sáng bởi chùm tia thì một số điện tư û nhận thêm năng lư ợng thoát khỏi mối liên kết thành điện tư û tư ï do. Khi một điện tư û tư ï do xuất hiện thì tại mối liên kết sẽ thiếu mất một điện tích âm – q , nghóa là dư ra 1 điện tích dư ơng +q; gọi là lỗ trống . Chất bán dẫn thuần khiết vư øa xét có 2 loại điện tích tư ï do cùng xuất hiện là điện tư û và lỗ trống gọi là bán dẫn loại i , điện tư û và lỗ trống gọi là hạt dẫ n . 3/ Bán dẫn loại N và và bán dẫn loại P. Chất bán dẫn thuần khiết như trên nếu đư ợc pha thêm tạp chất thuộc nhóm 5 (ví dụ Asenic đối với Ge và Phophore đối với Si). Nguyên tư û tạp chất có 5 e lớp vỏ ngoài cùng, trong đó có 4 e tham gia liên kết hóa trò với các nguyên tư û kế cận . Điện tư û thư ù 5 liên kết yếu hơn đối với hạt nhân nên dễ bò bư ùc ra khỏi liên kết tạo thành điện tư û tư ï do. Nguyên tư û tạp chất khi đó bò ion hóa trở thành I on dư ơng. Như vậy chất bán dẫn có pha thêm tạp chất nhóm 5 g là bán dẫn loại N trong đó điện tư û là hạt dẫn đa số và lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Tư ơng tư ï như trong trư ờng hợp tạp chất pha vào chất bán dẩn là Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 2 - nguyên tư û thuộc nhóm 3 trong bảng tuần hoàn chẳng hạn (Bore đối với Si và Indium đối với Ge). Như vậy xung quanh mỗi nguyên tư û chỉ có 3 cặp e liên kết bền vư õng và 1 e bò lẽ đôi. Khi có ánh sáng kích thích thì e này bư ùc ra khỏi nguyên tư û thành điện tư û tư ï do. Chất bán dẫn như trên gọi là bán dẫn loại P trong đó lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tư û là hạt dẫn thiểu số. 4. Chuyển tiếp P -N ở trạng thái cân bằng: P N Khi có 2 khối bán dẫn tiếp xúc nhau, giảsư û rằng nồng độ hạt dẫn và tạp chất đư ợc phân bố đều, lúc này xảy ra hiện tư ợng khuyếch tán hạt dẫn, lỗ trống tư ø miền P sang miền N và ngư ợc lại điện tư û tư ø miền N sang miền P. Trên đư ờng khuyếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp nhau, làm mật độ hạt dẫn giảm xuống thấp. Trong lớp này 2 bên có 2 mư ùc điện thế khác nhau tạo ra chênh lệch về điện thế gọi là điện thế tiếp xúc . Vtx = 0.7 V (Si) , Vtx = 0.3V(Ge). Vùng tiếp xúc 2 lớp bán dẫn gọi là vùng nghèo hay là vùng chuyển tiếp P-N. 4. Chuyển tiếp P -N khi có điện áp ngoài: - + Ingïc V P N Giả sư û nguồn điện áp V đư ợc nối như hình vẽ, cư ïc âm nối với P, cư ïc dư ơng nối với N gọi là Phân cư ïc nghòch . Lúc này điện áp V sẽ đặt vào vùng nghèo xếp chồng lên Vtx , dư ới tác dụng điện trư ờng làm điện tư û vàlỗ trống vùng nghèo bò kéo về hai phíalàm cho vùng nghèo mở rộng dẩn đến điện trở tăng . Vchung = Vtx +V. dòng điện ngư ợc qua chuyển tiếp P -N đư ợc xác đònh bởi công thư ùc : Vùng nghèo Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 3 - Ingư ợc = Is[exp(-qV/ Kt) - 1] = Is[exp(-V/ Qt) – 1 ] = -Is Is: dòng bảo hòa ngư ợc V:điện áp ngoài Qt : điện thế nhiệt, KT: hằng số t o  Khi nguồn điện có điện áp V đặt vào, cư ïc dư ơng nối vào cư ïc P, cư ïc âm nối vào cư ïc N gọi là phân cư ïc thuận , hạt dẫn đa số sẽ tràn qua hàng rào làm cho vùng nghèo giảm xuống dẩn đến điện trở vùng nghèo giảm , trong mạch xuất hiện dòng điện thuận . I = Is(exp(qV/Kt)-1) = Is exp(V/Qt). Tóm lại: Chuyển tiếp P-N là bộ phận quan trọng của tiếp xúc, tùy theo chie àu đặt điện áp mà có phân cư ïc thuận hay nghòch làm cho vùng nghèo hẹp lại hay rộng ra dẩn đến dòng điện qua tiếp xúc lớn hay nhỏ. Như vậy, chuyển tiếp P-N dẫn điện 2 chiều khác nhau , nếu đặt điện áp xoay chiều vào thì chất bán dẩn chủ yếu chỉ dẫn điện 1 bán kì. đây gọi là đặt tính chỉnh lư u.  Đặt tuyến V-A của chuyển tiếp P -N . 30 20 150 100 50 10 0.5 1 30 60 5/ Hiện tư ợng đánh thủng chuyển tiếp P -N : Khi chuyển tiếp P -N bò phân cư ïc nghòch bởi điện áp. Nếu tăng điện áp đến 1 giá trò khá lớn thì dòng điện I ngư ợc tăng vọt làm chuyển tiếp P - N dẫn điện 2 chiều gọi là hiện tượng đánh thủng. Ingư ợc (A) Vngư ợc Vth(v) Ith (mA) Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 4 - 30 1 20 VB 100 50 10 Vngư ợc 30 Vth(v) 2 60 3 Ingư ợc (A)  Đư ờng 1: P-N đư ợc phân cư ïc thuận.  Đư ờng 2: P-N bòphân cư ïc ngư ợc như ng chư a phá hỏng(I ngư ợc <<).  Đư ờng3: P-N bò phá hỏng(Ingư ợc >>). II. Diot bán dẫn: 1. Diot chỉnh lư u: Diot là linh kiện bán dẫn có cấu tạo là 2 lớp chuyển tiếp P -N ,và kí hiệu như hình vẽ. P N Anod Katod  Ư Ùng dụng: - chỉnh lư u - tách sóng. Đặc tuyến V-A của Diod. - Khi phân cực thuận cho Diod . Ith (mA) 30 20 VB 40 20 10 Vngư ợc 30 0.4 0.8 Vth(v) V 60 Ingư ợc (A) Ith (mA) Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 5 - Ithuận + - V P N Nếu áp V< V thì dòng Ith rất bé -> Diode chư a dẫn . + Nếu V  V thì Ith tăng vọt tuyến tín h theo Vth. V : giá trò điện áp mở. V = 0.2v đ/v Ge. V = 0.7v đ/v Si . - Khi phân cực nghòch cho Diode - + Ingïc V P N + Khi áp ngư ợc tăng thì dòng ngư ợc tăng theo. + Khi Vng đạt điện áp đánh th ủng VB thì dòng ngư ợc tăng vọt đánh thủng tiếp giáp P-N hỏng diode. a/ Chỉnh lư u 2 nư ûa chu kì: _ Ở bán kỳ dư ơng của U thì U1 dư ơng, U2 âm dẩn đến D1 dẫn, D2 ngắt. Ở bán kỳ âm của U thì U1 âm, U2 dư ơng dẩn đến D1 ng ắt , D2 dẫn. UL = 1  2U hd sintdt = 2 Icm   = 22U hd = 0.9 Uhd Uhd : là điện áp hiệu dụng của 1 cuộn thư ù cấp BA. D1 D2 . + C . . 1 2 Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 6 - I tải = UL RL ID1 = I D2 = I tải 2 b/ Mạch chỉnh lư u cầu. Bán kì dư ơng D1, D3 dẫn. Bán kì âm D2 , D4 dẫn. 3/ Diode biến dung( Varicap) Kí hiệu: Là loại Diode mà điện dung của nó thay đổi nhiều theo điện áp ngư ợc đặt vào. Ư ùng dụng : mạch tạo sóng điều tần, cộng hư ởng, mạch khuyếch đại, nhân tần số…  Một số loại Varicap thư øơng gặp: Tên gọi Đ/áp đánh thủng Cmin Cđònh danh Cmax 1N5139 60V 6.1pF 6.8pF 7.5pF 1N5139A 60V 6.5 6.8 1N5144 60 19.8 22 24.2 MV415 30 90 100 110 MV1660 15 297 330 4/ Diode Tunen (Tunnel) Kí hiệu : A B A B Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 7 - ư ùng dụng: khuyếch đại và tạo dao động siêu cao tần, và các mạch đóng mở 2 trạng thái phân biệt. IV. Transistor hai cực tính BJT( Bipolar_Junction_Transistor ) Là loại linh kiện bán dẫn 3 cư ïc có khả năng khuyếch đại tín hiệu hoặc hoạt động như một khóa đóng mở. 1/ Cấu tạo : BJT đư ợc cấu tạo bởi hai chuyển tiếp P _N rất gần nhau. có 2 loại : N_P_N và P _N_P J E : ranh giới miền phát và miền nền -> enoiter Jc: ranh giới miền thu vàmiền nền -> collector * đối với loại công suất lớn, thư ïc tế ngư ời ta gọi là sò N_P_N : nghòch P_N_P : thuận B: Base : cư ïc nền C: Colector: cư ïc thu E: emiter :cư ïc phát E N P N B C JE JC C E B E P N P B C JE JC C E B Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 8 - 2/ Nguyên tắc hoạt động và khả năng khuyếch đại của BJT: C1C2 V1 0V R1 1k R2 1k R3 1k V3 0V V2 0V NpN + E 1 khoảng vào volt dùng để phân cư ïc thuận P_N (J E ), E 2 (5  20V) phân cư ïc nghòch cho Jc. E 1 và E 2 là các nguồn điện áp phân cư ïc. R E , Rc : điện trở phân cư ïc. Khi chư a có nguồn E 1 , E 2 tác động thì hoạt động của BJT như 2 lớp tiếp giáp Diode. Khi có E2 phân cư ïc nghòch vùng nghèo Jc tăng lên và có dòng điện rất nhỏ(hạt thiểu số). I CBO gọi là dòng điện ngư ợc. Khi có E1 phân cư ïc thuận cho JE , điện tư û tư ø N -> P và lỗ tống tư ø P -> N, do mật độ điện tư û N quá lớn và mật độ lỗ trống P quá mỏng nên có 1 số ít diện tư û tác hợp với lỗ trống miền P, một số đông khuy ếch tán sang miền N thông qua tiếp giáp Tc. Dư ới tác đông của điện trư ờng E2 sẽ hút các điện tư û về phiá Colector tạo ra dòng điện trong mạch Collector. Nếu IE là dòng điện chạy tư ø cư ïc N + sang P thì dòng điện tạo nên bởi số điện tư û chạy tới cư ïc Colector là.E1 với  :  = số lư ợng tư û tới cư ïc C  0.95  0.99 tổng số điện tư û phát ra tư ø cư ïc E trong miền Base các lỗ trống tư ø P -> N + để tác hợp vơ ùi điện tư û và gây nên thiếu điện tích + ở miền base để bù lại các điện tích ở nguồn E1 chạy vào base thông qua cư ïc B, tạo nên dòng điện IB theo quy luật đònh lý điểm nút. IE = IB +IC , thư ờng Ib << Ic, IE Giải thích nguyên ly ù khuyếch đại tín hiệu . Nếu có nguồn tín hiệu xoay chiều Cs( biên độ nhỏ) thông qua tụ C đặt vào giư õa E và B, nghóa là xếp chồng lên phân cư ïc JE, mư ùc độ phân cư ïc JE sẽ thay đổi 1 cách tuần hoàn theo chu kì tín hiệu. Do đo ù, dòng điện N N P Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 9 - trở tư ø E -> C sẽ tăng giảm theo quy luật Cs, nghóa là dòng Ic biến thiên theo Cs. Dòng này tạo ra trên Rc một điện áp biến thiên cùng quy luật Cs như ng biên độ lớn hơn Cs nhiều: vì Vc = Rc.(mà Rc >>). Ta nói rằng BJT đã khuyếch đại tín hiệu. IV.Các sơ đồ nối dây. BJT có 3 điện cư ïc E , B , C. Tùy theo việc lư ïa chọn cư ïc nào là chung cả tín hiệu vào và ra mà ta có 3 sơ đồ cơ bản sao: 1/ Mạch base chung(nền chung) -> BC. Tín hiệu cần đư a vào 2 cư ïc E , B và lấy ra cư ïc C và > B cư ïc chung. Ie: dòng điện vào Ic: dòng điện ra V EB : điện áp vào V CB : điện áp vào 2/ Mạch Emiter chung( phát chung) -> EC Đây là mạch rất thư ờng sư û dụng trong thư ïc tế. 0 Rs Rc C1 Vcc Vs RB2 R5 1k RB1 C2 Vbb E là cư ïc chung : - tín hiệu vào BE - tín hiệu ra CE  Họ đặc tuyến sinh tónh của BJT kiểu BC  Họ đặt tuyến sinh tónh của BJT kiểu EC. Vbb Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện tư û - 10 - Đặt tuyến này khác so với BC là đư ờng thấp nhất  I B = 0 Khi V CE = 0 1.2 V => dẫn bảo hòa.  Đặt tuyến đều qua gốc tọa độ.  Trạng thái khuyếch đại có độ dốc lớn hơn. Đặt tuyến EC có tính chất lý thuyết như ng thư ïc tế ít dùng => đặt tuyến ra. Tham số xoay chiều và mạch tư ơng đư ơng BJ T. 1/ Tham số: trên thư ïc tế, BJT làm việc với tín hiệu nhỏ, nghóa là trên cơ sở các điện áp một chiều phân cư c nhỏ JE và JC. Khi có điện áp xoay chiều es biên độ nhỏ đư a vào BJT để khuyếch đại thành tín hiệu xoay chiều lớn hơn, lúc này xem BJT như 1 phần tư û tuyến tính. Gọi V1, I1 là điện áp và dòng điện ngõ vào. V2, I2 là điện áp và dòng điện ngõ ra. ta có hệ phư ơng trình tham số h V1 = h11 . i1 + h12. V2 i2 = h21. i1 + h22 . V2 Trong đó: h11 = V1/i1 ; V2 = 0 ; hi: điện trở vào khi BJT bò ngắt mạch ngõ ra h21 = i2/i1 ; V2 = 0 ; hf: độ lợi dòng khi BJT bò ngắt mạch ngõ ra h22 = i2/V2 ; i1 = 0 ; ho: điện dẫn ra khi do øng ngõ vào hở mạch . h11 = V1/ i1 ; i1 = 0 ; hr : hệ số hồi áp của BJT khi hở mạch vào. Vậy phẩm chất BJT thể hiện qua hij -> gọi là tham số xoay chiều. 2/ Mạch tư ơng đư ơng của BJT h21i1 h21i1h12V2 ở mạch vào, ngoài điện trở vào h11 còn có nguồn áp h12.V2 thể hiện ảnh hư ởng ngõ ra đối với ngõ vào, thư ïc tế h12 rất bé nên bỏ qua. Ở mạch ra, nguồn dòng điện h21i1, tham số cho thấy khả năng khuyếch đại của BJT khi có i1 vào thì ngõ ra là h21. i1 Điện dẫn h22 rất bé -> 1/h22 >> có thể bỏ qua. => sơ đồ tư ơng dư ơng BJT mắc kiểu EC 1/h22 h11 h11 [...]... là trố g o n y lỗ n c) Đặt tuyến V-A (JFET kênh N) Id = f(Vds) khi tă g đ n á Vds đ n 1 giá tròVa nà đ , do sư ï n cư ï ngư ợ tiế n iệ p ế o ó phâ c c p giá P-N nê vùg nghè mở rộ g ra choá hế chỗlà kê h dẫ bòthắ p n n o n n t m n n t lạ A là iể thắ i đ m t - 11 - Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bàgiả g kỹ i n thuậ đ n tư û t iệ Bê trá đ m A là ng đ n trở n i iể vù iệ -> Nế tiế tụ tă g Vds, đ t tuyế chuyể...Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bàgiả g kỹ i n thuậ đ n tư û t iệ V Transistor trường(FET _ Field Effect Transistor) FET ra đ i sau BJT, có khả nă g ư u việ hơn( đ n trở và lớ , hệsố ờ n t iệ o n cao, tiê thụ nă g lư ợ g… ) u ít n n Transistor trư ờg FET có 2 nhó : J FET và n m MOS FET RD C2 C1 2 3 1 Rs RL Vcc RG cs RS Vs 0 1 Transistor trường dùng chuyển tiếp P -N (JFET) a) Nguyên lý... (C) và ) có thể c n (D thay đ i lẫ nhau mà c tham số ổ n cá khá củ FET khô thay đ i c a n ổ 5 Kích thư ớ củ FET rấ bé -> chế o vi mạh c a t tạ c 6 Giố g như BJT, FET mắ theo 3 sơ đ cơ bả :SC; DC; GC n c ồ n Mộ số i FET: 2N43 51( Kê h N) ; 2N3797(kê h N); 2N2844(kê h P) t loạ n n n - 12 - ... iể vù iệ -> Nế tiế tụ tă g Vds, đ t tuyế chuyể sang đ n thư ù 2 (gầ nằ u p c n ặ n n oạ n m ngang )-> vùg bấ hò n t a d) Nhận xét chung về JFET và MOS FET 1 Transistor trư ờg là i linh kiệ đ u khie å bằ g á ( cò BJT đ u n loạ n iề n n p n iề khiể bằ g dòg) n n n 2 Dòg Id tạ nê bở 1 loạ hạ dẫ đ số a kê h -> nê thuộ loạ n o n i i t n a củ n n c i đ cư ï tính ơn c 3 FET có đ n trở và rấ lớ => I và = 0 =>... cư ï nghò P-N thay đ i -> đ n trở kê h dẫ biế thiê và n n c ch ổ iệ n n n n … … cũ g biế đ i theo n n ổ Nế es tă g giả theo quy luậ hình sin thì Id cũ g biế thiê hình sin u n m t n n n Dòg nà hạá trê Rd và n thiê cùg Es, như ng biê đ lớ hơn n y p n biế n n n ộ n > ta nó JFET đ khuyếh đ i tín hiệ i ã c ạ u Nguyê lý hoạ đ ng kê h P tư ơng tư ï ng Ed và thay đ i cư ï tính n t ô n như Eg ổ c -> tạ dòg... MOS FET RD C2 C1 2 3 1 Rs RL Vcc RG cs RS Vs 0 1 Transistor trường dùng chuyển tiếp P -N (JFET) a) Nguyên lý hoạt động: Ed tạ ra đ n trư ờg Ds tạ ra dòg đ n Id o iệ n o n iệ Eg phâ cư ï nghò cho mố nố P -N là đ n vùg nà nghè tă g lê n c ch i i m iệ n y o n n và hẹ đ n tích vùg dẫ thu p iệ n n Nế Ed khô g đ i và ng dầ giá tròEg thì là cho phâ cư ï nghò u n ổ tă n m n c ch càg lớ , là cho diệ tích vùg . Cđònh danh Cmax 1N 513 9 60V 6.1pF 6.8pF 7.5pF 1N 513 9A 60V 6.5 6.8 1N 514 4 60 19 .8 22 24.2 MV 415 30 90 10 0 11 0 MV1660 15 297 330 4/ Diode Tunen (Tunnel) Kí hiệu : A B A B Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng. BJT như 1 phần tư û tuyến tính. Gọi V1, I1 là điện áp và dòng điện ngõ vào. V2, I2 là điện áp và dòng điện ngõ ra. ta có hệ phư ơng trình tham số h V1 = h 11 . i1 + h12. V2 i2 = h 21. i1 + h22. có i1 vào thì ngõ ra là h 21. i1 Điện dẫn h22 rất bé -& gt; 1/ h22 >> có thể bỏ qua. => sơ đồ tư ơng dư ơng BJT mắc kiểu EC 1/ h22 h 11 h 11 Khoa Cơ Điện – ĐH Lạc Hồng Bài giảng kỹ thuật điện