🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình linh kiện điện tử Ebooks Nhóm Zalo NGUYÊN VIÉT NGUYÊN (Chủ bién) PHẠM THỊ THANH HUYÉN - NGUYÉN THỊ KIM NGÂN - PHẠM THỊ QUỲNH TRANG NGUYÊN b c LIỆU NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤỎ NGUYỄN VIẾT NGUYÊN (Chủ biên) PHẠM THỊ THANH HUYỀN - NGUYỄN t h ị k im n g â n PHẠM THỊ QUỲNH TRANG GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ■ ■ (Dùng cho sinh viên Cao đắng) (Tái bán lán thứ hai) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC Công ty cổ phần sách Đại học ■ Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục giữ quyền công bô' tác phẩm. Mọi tổ chức, cá nhân muốn sử dụng tác phẩm dười mọi hình thức phải được sự đống ỷ của chủ sở hữu quyển tác giả. 04 - 2009/CXB/226 - 21 17/CtD Mã số : 7B680y9 - DAI Ngày nay, các loại linh kiện điện tử đang phát triển với tốc độ rất nhanh. Do đó, các sinh viên ngành Điện tử cần được đào tạo một cách bài bản, trình tự mới có thể nắm bắt được một cách vùng vàng và nhanh chóng khối lượng kiến thức lớn và ngày càng rộng này. Để đáp ứng được nhu cầu đó, Giáo trình Linh kiện điện tử hy vọng sẽ giúp bạn đọc, các sinh viên mới bắt đầu bước vào lĩnh vực này có được một phần kiến thức cơ bản về các linh kiện điện tử. Giáo trình dùng cho sinh viên chuyên ngành Điện Tử Viễn Thông và Tự Động Hoá. Nội dung của cuốn sách đề cập đến cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công nghệ chê tạo các linh kiện điện tử cơ bản, gồm bảy chương: C hư ơng 1: Giới thiệu về các linh kiện thụ động: điện trở, tụ điện, cuộn cảm... Chương 2: Trình bày về cấu trúc của chất bán dẫn, đặc tính dẫn điện của tiếp xúc P-N. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, cách tra cứu và một sô" ứng dụng của điôt bán dẫn. Chương 3: Trình bày cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và ứng dụng của tranzito lưỡng cực. Chương 4: Giối thiệu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và một sô ứng dụng của tranzito trường. C hương 5: Trình bày về các linh kiện nhiều lớp tiếp giáp. Chương 6 : Giới thiệu về các linh kiện quang điện tử. C hương 7: Giới thiệu về vi mạch tổ hợp. Do thời gian biên soạn ngắn và thời lượng có hạn nên mặc dù có nhiều cố gắng, cuốn Giáo trình Linh kiện điện tử chắc chắn còn nhiều vấn đề cần bổ sung, hoàn thiện. Mong bạn đọc góp ý xây dựng, mọi ý kiến xin gửi về địa chỉ: Công ty c ổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội. CÁC TÁC GIẢ 3 C hương LINH KlệN THỤ ĐỘNG • • • Trong chương này sẽ trình bày về khái niệm câu tạo, nguyên lý hoạt động, hình dạng, phân loại, ứng dụng và cách sử dụng các linh kiện thụ động: điện trở, tụ điện, cuộn dây. 1Ề1. ĐIỆN TRỎ 1ẽ1.1. Khái niệm 2ệ2.1.1ệ Định nghĩa Điện trở (ký hiệu R) là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của một vật thê dẫn điện. Định nghĩa trên chính xác cho dòng điện một chiều. Đối với dòng điện xoay chiều, khái niệm sự cản trở dòng điện được mở rộng thành trở kháng (ký hiệu Z) thể hiện dưới dạng một đại lượng phức: z = R + jX, ở đây j2 = —1 và X được gọi là điện kháng, trong đó điện trở là phần trở kháng thuần của trở kháng tổng cộng. - Ký hiệu trong mạch: R y v v \^ \ R - Đơn vị đo điện trở trong hệ SI là Q (Ôm). Ngoài ra, các bội thường dùng của điện trở là kQ (kilô Ôm), MQ (mêga Ôm), mQ (mili Ôm)... 1 MQ = 1 0 3kQ = 1 0 6Q ; lmQ = lCr3Q 2.2Ệ2ế2. Các th a m sô'kỹ th u ậ t đặc trư n g của điện trở Đề đánh giá và lựa chọn điện trở ta phải dựa vào các tham số’ của nó. Các tham sô" gồm có: — Trị sô điện trở và dung sai: + Trị số’ của điện trở là tham sô' cơ bản yêu cầu phải ổn định ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, v.v... Trị sô' của điện trở phụ thuộc vào tính chất dẫn điện và kích thưốc của vật liệu chê tạo nó. 5 Trị số của điện trở đo bằng đơn vị Ôm và các bội sô' của nó. Giá trị của điện trỏ thường đo ỏ dòng điện một chiều hoặc tần sô' thấp. + Dung sai hay sai số' của điện trở: Dung sai biểu thị mức độ chênh lệch giữa trị số' thực tế của điện trở so với trị số' danh định và được tính theo %. Dung sai được tính theo công thức: R|l_~Rdd-100% R -d d Rtt: Trị sô" thực tế của điện trở. Rdd: Trị sô" danh định của điện trở (giá trị được ghi hay ký hiệu mã vạch trên thân của điện tử) Dựa vào dung sai, ta chia điện trở ở 5 cấp chính xác: Cấp 005: có sai sô ± 0,5% Cấp 01: có sai sô" ± 1% Cấp Ị: có sai sô" ± 5% Cấp II: có sai số ± 10% Cấp III: có sai sô' ± 20% Trong các mạch điện yêu cầu độ chính xác cao thường dùng điện trở cấp 005 và 01. Còn trong điện tử thông dụng người ta dùng các loại điện trở từ cấp I đến cấp III. Các điện trỏ có độ chính xác càng cao có giá thành càng cao do công nghệ chế tạo chúng đòi hỏi khắt khe và phức tạp hơn. - Công su ất tiêu tán cho ph ép (PttmaJ: Khi có dòng điện chạy qua, điện trở tiêu tán năng lượng điện dưối dạng nhiệt gọi là công suất tiêu tán. p„ = R.I! = í £ i w ] Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pttmax: là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được, nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng cháy và không dùng được nữa. u 2 p.._ = tt max I Y -ä max ß I v v J R I2_ = — max ÍW 1 Vậy, để đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường thì P tt< p Qua công thức trên ta thấy công suất tiêu tán cho phép hạn chế giá trị điện áp cực đại và giá trị dòng điện cực đại. Do đó, tuỳ theo điện áp và 6 dòng điện qua điện trỏ lớn hay nhỏ mà sử dụng điện trở có công suất tiêu tán cho phép lớn hay nhỏ. — Hệ sô'nhiệt của điện trở (TCR): Hệ sô" nhiệt của điện trỏ biểu thị sự thay đổi trị sô" của điện trở theo nhiệt độ môi trường và được tính theo công thức: Định lu TCR = -i^n. Ị 0~6 rppm /°c 1 RAT L J Trong đó: R: trị sô của điện trở. AR: đại lượng thay đổi của trị số điện trở khi nhiệt độ thay đổi một lượng là AT. TCR: trị sô" biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở p = Cõng suất ^ ------ / \ v x I / v2\ A ^ r \ I 12 x R /P(W) 1 ; 1 l/\/\ n x R ó - ! ^ ¡ ¡ M u = Điện áp ật ÔmI = Dòng điện V / n . r / _ p \ 1(A) y R R (íì) V2 / \ / \p \ I / J2 x ỵ R = Điện trỏ trên l° c (đơn vị là ppm/°C). 1.1ề2. Phân loại 2Ềl ề2.2. Phản loại theo cấu tạo Hình 1.1ế Định luật ôm áp dụng cho điện trở — Điện trở thông thường (không dây quấn). — Điện trở dây quấn làm bằng dây côngtantan (điện trỏ thấp) hay nikeii (điện trở cao). 1.1.2.2. Phân loại theo cấp sai số — Loại một có sai sô" cho phép là ± 5% được dùng ở những mạch cần nâng cao độ chính xác của chê độ công tác. — Loại hai có sai s ố cho phép là ± 10%. — Loại ba có sai số cho phép là ± 20% dùng ở những nơi ít ảnh hưởng đến chê độ công tác như các mạch ghép. Trong thực tê chỉ sản xuất một số’ loại điện trở có giá trị chuẩn nhất định, khi yêu cầu các điện trỏ có giá trị khác nhau cần ghép song song hay nôi tiếp nhiều điện trở. Khi có hai hay nhiều điện trỏ R , R9j... Rn mắc nôi tiếp nhau thì điện trở tương đương R bằng tống các điện trở riêng rẽ. R = R, +R; +... + Rn= ¿ R , i=l 7 Khi có hai hay nhiều điện trở Rj, R2,... Rn mắc song song nhau thì điện trỏ tương đương của chúng được tính: n_ 1 — t i n 1=1 1ễ1.3. Cấu tạo điện trỏ Điện trở thông thường (không dây quấn): thường được làm bằng than hay các chất đặc biệt khác có tính dẫn điện kém. Các vật liệu này bao bọc bên ngoài một lõi bằng sứ, hoặc lốp bọc bị xẻ theo đường rãnh xoắn ốc xung quanh-lõi (điện trở mặt), hoặc chúng được ép lại thành khôi (điện trỏ khôi). Loại này có kích thước bé, điện cảm và điện dung tạp tán nhỏ, giá thành rẻ nhưng độ ổn dinh kém và công suât tiêu thụ nhỏ. Điện trở dây quán làm bằng dây côngtantan (điện trở thấp) hay nicrôm (điện trở cao) quấn trên một ống bằng sứ, được bao phủ bằng một lớp men màu nâu hay xanh. Điện trở dây quấn có ưu điểm là độ ôn định và độ chính xác cao, mức tạp âm bé, công suất tiêu thụ lớn nhưng có nhược điểm là bị giới hạn về tần sô do điện c ả m v à đ i ệ n d u n g t ạ p t á n lớ n . H ình 1-2. Điện trở th an - Điện trở kiểu ơhiết áp dây quấn: Cấu tạo tương tự như điện trở dây quấn nhưng biôii dổi được. Con chạy bằng kim loại nôi vói trục trượt hoặc trục quayfvà trượt trên các vòng dây. Chiết áp dây quấn có giá trị thay đổi trong khoảng ( 1 + 200)kQ, công suất khoảng (3 H- 5 )W. Chiết áp dây quấn thường được dùng trong các mạch công suất lớn. Hình 1.3. Một số loại điện trờ kiểu chiết áp - Điện trỏ kiểu chiẻt áp than hỗn hợp: Lớp vật liệu hỗn hợp được phủ lên trên tấm đê hình móng ngựa, hai đầu có phủ một lớp bạc nối với chân ra. 8 Chiêt áp than hỗn hợp có phạm vi biến đổi giá trị trong khoảng (10Q -T- 10MQ), công suất khoảng (0 , 1 4 - 2 )W. Chiêt áp điện trở biến đổi tuyến tính. Điện trỏ kiểu chiết áp logarit dùng trong các bộ lọc hoặc điểu chỉnh âm sắc trong các máy thu. Điện trở kiểu chiết áp hàm mũ dùng để điều chỉnh âm lượng. 1Ể1.4. Cách đọc giá trị, kiểm tra điện trở Cách đọc trị số của điện trỏ tuỳ thuộc vào cách biểu thị trị sô' điện trỏ. 1.1.4.1. B iể u th ị t r i s ố đ iê n tr ở b ằ n g s ố và c h ữ Thường ghi các chũ R, K, M. Chữ R ứng với đơn vị Q, chữ K ứng vối đơn vị kQ, chữ M ứng với đơn vị M í 2 . Vị trí của chữ thể hiện chữ số’ thập phân, giá trị của sô' thể hiện giá trị điện trở. Ví dụ: 3M3 => R = 3,3Mn. 3K9 => R = 3,9kQ. R47 => R = 0,47Q. Nếu có ba chữ sô" thì thường sô" thứ ba biểu thị sô" luỹ thừa của 10. Ví dụ: 472R => R = 47 X 102 Q. Đặc biệt chữ sô" thứ 3 là sô" 0 thì đó là giá trị thực của điện trở. V í dụ: 330R => R = 330Q. Quy ước về sai số’: B = 0,1%, c = 0,25%, D = 0,5%, F = 1 %, G = 2%, H = 2,5%, J = 5%, K = 10%, M = 20%. Ví dụ: 8K2J => R = 8,2kQ ± 5%. 1.1.4.2. B iêu th ị tri sô điên trở bằng các vòng m àu Vòng sai số Vòng sai số \ \ \ — Vòng hệ số nhân Vòng hệ sô nhân \ \ ' ------Vòng gia trị 3 Vọng giá trị 2 \ --------Vòng giá trị 2 Vòng giá trí 1 . ---------- Vòng giá trị 1 Hình 1.4. Biểu thị trị số điện trở bằng các vòng màu Thường dùng 3 vòng, 4 vòng hoặc 5 vòng để biểu diễn. Các quy ộịnh màu đối với vòng màu điện trở như sau: — Trường hợp điện trỏ 3 vòng màu: + Vòng 1, 2 là vòng giá trị. 9 + Vòng 3 là vòng biểu thị sô luỹ thừa của 10. + Sai số 20%. - Trường h ợ p đ i ệ n trở 4 v ò n g m à u : + Vòng 1 , 2 là vòng giá trị. + Vòng 3 là vòng biểu thị số luỹ thừa của 10. + Vòng 4 là vòng sai số. - Trường h ợ p đ i ệ n trở 5 v ò n g m à u : + Vòng 1 , 2, 3 là vòng giá trị. + Vòng 4 là vòng biểu thị sô' luỹ thừa của 10. + Vòng 5 là vòng sai số. Đê xác định thứ tự vòng màu căn cứ vào ba đặc điếm: + Vòng thứ nhất gần đầu điện trở nhất. + Tiết diện vòng cuôi cùng là lớn nhất. + Vòng 1 không bao giờ là nhũ vàng, nhũ bạc. Ví dụ: Điện trở có 4 vòng màu lần lượt là cam — trắng - đỏ - nhũ vàng sẽ có trị sô: 39 X 102Q ±'5%. Bảng 1.1ễ Quy ước mã màu trên tụ điện 10 1.1.5. ứng dụng ứng dụng của điện trỏ rất đa dạng: để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, dùng để phân cực, làm tải cho mạch điện, chia áp, định hằng số thời gian, v.v... Tuỳ theo mạch cụ thể, yêu cầu cụ thể và dựa vào đặc tính của các loại điện trở để lựa chọn điện trở cho thích hợp. 1ể2. TỤ ĐIỆN 1ắ2.1. Khái niệm Tụ điện là một linh kiện điện tử thụ động tạo bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi chât điện môi. Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại đây sẽ xuât hiện điện tích cùng cường độ nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so vối điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Cấu tạo chung gồm hai bản cực làm bằng kim loại đặt song song và cách điện bằng một lóp điện môi. Từ hai bản cực nôi vói hai dây dẫn ra ngoài làm hai chân tụ, toàn bộ đặt trong vỏ bảo vệ. Ký hiệu của tụ trong mạch điện: ■ H h Tụ thường Tụ có phân cực Tụ có điện dung thay đổi Đê đặc trưng cho khả năng phóng nạp điện tích của tụ điện người ta đưa ra khái niệm điện dung. Đơn vị đo điện dung là F (fara). Ngoài ra các ước sô' thường dùng của điện dung là ị.iF (micrô fara), nF (nanô fara), pF (picó fara)... IF = 106|iF = 1 0 9nF = 1012pF 1.2.2. Các tham sô cơ bản của tụ điện Mỗi một loại tụ điện đều có các tham số kỹ thuật đe giúp ta lựa chọn và sử dụng tụ điện một cách tốt nhất. Tụ điện gồm có các tham sô chính sau: 1.2.2.1. Tri sô điện du n g và du n g sai - Trị s ố điện dung C: được tính theo tỷ sô giũa diện tích hữu dụng 11 của bản cực s vối khoảng cách giữa hai bản cực d, theo công thức: c = S £ ! ¿ r F] d 1 1 Trong đó: C: Điện dung của tụ điện (F). Hằng sô" điộn môi của chất điện môi. En: Hằng sô điện môi của không khí hay chân không. s : Diện tích hiệu dụng của một bản kim loại (m2). d: Khoảng cách giữa hai bản cực (m). — Dung sai của tụ điện: Đây là tham sô chỉ độ sai lệch của trị số điện dung thực tế so VỚI trị số danh định được ghi trên thân của nó. Dung sai của tụ điện được tính theo % và được xác định theo công thức sau: C- ; C^ 100% CdJ Trong đó: Cn: trị số điện dung thực tế. C(l(1: trị sô điện dung danh định. 1.2.2.2. Đ iên áp làm việc Mỗi tụ điện chỉ có một điện áp làm việc tôi đa nhất định, nếu quá điện áp này lớp điện môi sẽ bị đánh thủng và làm hỏng tụ điện. Điện áp làm việc là điện áp lớn nhất mà tụ điện có thể chịu đựng được trong suốt cả thòi gian làm việc (ít nhất là 1 0 0 0 0 giờ) bảo đảm được các tham sô của tụ (điện dung, điện trở cách điện...). Đôi với đa sô" các loại tụ điện, thường điện áp này là điện áp một chiều. Điện áp xoay chiều (hiệu dụng) trên tụ có thể bé hơn 1 ,5 - 7 2 lần điện áp làm việc đối với dòng một chiều. 1.2.2.3. Tôn hao Tụ điện lý tưởng mắc trong mạch xoay chiều năng lượng không bị mất mát và góc lệch pha giữa điện áp trên tụ và dòng điện trong mạch là 90". Nhưng trong thực tế, một phần năng lượng bị tổn hao trong chất cách điện và trên các bản cực nên góc lệch pha bị giảm đi. Sự tổn hao năng lượng trong tụ điện được biểu thị bằng tgỗ (góc 5 là hiệu số giữa góc 90" và góc lệch pha). Đại lượng nghịch đảo của tgô gọi là phẩm chất của tụ điện và được tính: 12 Q = — = 2ĩif.c.r tgô Trong đó: f: Tần số của dòng điện xoay chiều (Hz). C: Điện dung của tụ điện (F). r: Điện trở tổn hao tương đương của tụ điện (fỉ). Phẩm chất của tụ điện có thể lên đến 1000 hoặc lớn hơn. 2ẳ2.2.4. Đ iện trở cách điên Tính chất và kích thước của lớp điện môi quyết định điện trở cách điện của tụ điện. Đối với tụ hoá, điện trở cách điện được biểu thị bằng dòng rò. 1.2.2.5. H ê s ố n h iệ t c ủ a tụ đ iệ n Khi nhiệt độ xung quanh biến đổi sẽ làm cho kích thước của các bản, khoảng cách giữa các bản và cả hệ sô" điện môi thay đổi, nên điện dung sẽ b.iến đổi. Sự biến thiên tương đôi của điện dung khi nhiệt độ thay đổi l°c gọi là hệ số nhiệt của tụ điện. 1.2.2.6. Đ iện cảm ta p tán Điện cảm tạp tán phụ thuộc vào kích thước của các bản và các đầu nổi. Đế’ công tác ổn định, tần số công tác lớn nhất phải nhỏ hơn tần số cộng hưởng của tụ điện khi tính tối điện cảm tạp tán của nó (hình thành một khung cộng hưởng LC). 1Ễ2ễ3. Phân loại, cảu tạo và đặc tính của tụ điện 1.2.3.1. Tụ có g iá trị cô định - Tụ giấy: + Cấu tạo: Chất cách điện trong tụ giấy làm bằng loại giấy mỏng cách điện không thấm nước, còn đầu ra làm bằng các lá kim loại rất mỏng. + Đặc tính: Đốì với tụ giấy có điện dung nhỏ hơn 0,l|iF, điện trỏ cách điện ít nhất là 5000MQ; còn với tụ giấy có điện dung lớn hơn 0,1ịìF, điện trỏ cách điện nhỏ hơn. 13 Tu giá’y dung dé phán diídng, ngán, nói táng, loe trong nhüng mach dién tán só tháp. - Tu mica: + Cáu tao: Chat cách dién trong tu mica lám báng các bán mica chát ltfdng cao, các bán tu dién lám báng các lá kim loai móng hay mót lóp bac móng tráng lén mót mát cúa bán mica. Tu dién mica có các bán lám báng lá kim loai kém on djnh hdn loai tráng Hinh 1.6. Tu mica mot lóp bac. + Dác tính: Tu mica có ton hao rát bé vá‘ dién trd cách dién cao (khoáng 10000MQ) nén diidc dung chu yéu trong các mach cao tán, các phán tú cách ly trong các máy radió. - Tu gó'm: + Cáu tao: Góm mót mieng góm nhó hinh tru hoác có hinh gióng khuy áo, hai mát dude tráng bac, cách dién vói nhau tao thán’n hai má cúa tu dién (chát dién mói lá góm). + Dác tính: Kích thiíóc nhó, dién áp lám viéc cao. Tu góm hinh día tri só" dién dung nhó tü lpF -r lpF. Tu gó’m kích thiíóc nhó dung trong các mach thóng thu'dng hién nay có dién áp lám viéc cvfc dai cho phép lá 50V. - Tu hoá: Hinh 1.7. Tu góm + Cáu tao: Các dién cuc lám báng nhóm tinh khiet (99,99%), dó dáy cúa dién cüc khoáng (0,075 + 0,13)mm, de táng dién tích hiéu dung có thé dung hoá chát án món lám thay doi dó dáy cúa hai bán cüc. Lóp dién mói lá A L 0 3 bám tren cüc diíong dáy khoáng vái pm, có khá náng chiu difdc dién áp cao khoáng 800kV/mm. Giüa hai bán ciIc lá ehá't dién phán. Néu chát dién phán üót goi lá tu hoá üót. Neu chát dién phán khó goi lá tu hoá khó. Chát dién phán có nhiém vu tiep tuc tao lóp Al O, trong quá trinh lám viéc. Tu hoá ifdt có tri so lón va dién áp lám viéc lón hdn tu hoá khó nluíng kích thuóc lón hdn. Tuoi tho cúa tu thóng thudng khoáng (5000 -r- 10000) gid va dó tin cay tháp hdn tu thüdng. 14 Hình 1.8a. Tụ hoá + Đặc tính: Tụ hoá có trị sô điện dung rất lớn, so với các tụ khác thường đạt từ 0 ,lụ F đến vài nghìn |.iF (ví dụ như tụ 4700|.iF). Châ't điện môi dùng trong tụ hoá thường là hợp chât hoá học như ôxít nhôm (AI9 O3 ) hoặc ôxít tantan (Ta9 0 5). Đặc điểm của chất điện môi này là có tính chất dẫn điện không đổi, nghĩa ]à khi đặt điện áp một chiều lên tụ thì tụ có một chiều điện trở rất cao và một chiều điện trở rất nhỏ, do đó phải phân cực + và cực —. Các cực này được ghi trên thân tụ. Khi lắp tụ vào trong mạch phải chú ý cực tính của tụ. + .Căn cứ vào vật liệu làm điện cực: Tụ hoá nhôm và tụ hoá tantan. + Căn cứ vào chất điện phân: Tụ hoá khô và tụ hoá ướt. Bản cực chưa bị ăn mòn Hình 1.8b. cấu tạo tụ hoá 1.2.3.2. Tu có g iá trị th ay đôi - Tụ biến đôi (tụ xoay) S 3 i ri Hình 1.9. Tụ xoay 15 Tụ xoay là một hệ thông gồm các má động và các má tĩnh được đặt xen kẽ với nhau. Các má động có thể xoay quanh một trục để thay đỏi s dân đên thay đổi giá trị c. Chất điện môi có thể là chất khí, mica, thạch anh. Khi c = Cmax: hai nhóm má tĩnh và động hoàn toàn đôi điện nhau: s = s ¡n". Khi c = Cniin: hai nhóm má tĩnh và động hoàn toàn lệch nhau: s = Smn. - Tụ tinh chinh: Có nhiều loại tụ tinh chỉnh: + Tụ tinh chỉnh bằng sứ: Có kích thưốc nhỏ, các chỉ tiêu vê điện cao. + Tụ tinh chỉnh có lò xo: Gồm có hai bản cực kim loại, giữa hai bản là một chất điện môi. Một bản cô định, còn một bản có thê đàn hồi được. Khi ta vặn đinh ôc thì bản đàn hồi sẽ gần lại hoặc cách xa bản cô định, do đó điện dung có thê biến đối được. Loại này không ổn định nhưng đơn giản. + Tụ tinh chỉnh nhỏ: Có điện môi là không khí, chỉ tiêu chất lượng cao, nhưng cấu tạo phức tạp. Tụ này dùng đê điều chỉnh chính xác điện dung, mắc phụ thêm vào các mạch dao động hay các mạch cần điều chỉnh để có một điện dung thật chính xác. 1.2.4. Cách đọc giá trị, kiêm tra tụ điện Cách đọc trị sô' của tụ điện tuỳ thuộc vào cách biểu diễn trị số tụ điện. Ghi bằng sô và chữ - Ghi bằrg số’ và chữ: Chữ K, z, J, n ứng với đơn vị pF; chữ n, H ứng với dơn vị nF; chữ M, m ứng vối đơn vị |iF. VỊ trí của chữ thê hiện chữ số thập phân, giá trị của số thể hiện giá trị tụ điện. Ví dụ: 2H7J = 2,7nF ± 5% 16 — Ghi bằng các con số không kèm theo chữ: + Nếu các con sô" kèm theo dâu châm hay phẩy thì đơn vị là |iF, vị trí dấu phẩy (dâu chấm) thể hiện chữ sô" thập phân. + Nêu các con s ố không kèm theo dấu thì đơn vị là pF và con số cuối cùng biểu thị sô" luỹ thừa của 10. Đặc biệt sô" cuốĩ cùng là sô'“0” thì con sô đó là giá trị thực. Ví dụ: 763 = 76 X 103pF 160 = 160pF Sai số: C: ± 0,25% K: ± 1 0 % D: ± 0,5% F: ± 1 % G: ± 2% M: ± 20% J: ± 5% S: ± 50% Ví dụ: 102J = 10 X 102pF ± 5% 1.2.4.2. Ghi bằn g quy lu ậ t m àu Khi tụ điện được biểu diễn theo các vạch màu thì giá trị các vạch màu cũng giông như điện trở, đơn vị tính của nó là pF. Riêng đối với tụ phân cực thì cực tính được ghi trên thân tụ. Bảng 1.2ẵ Quy ước mã màu trên tụ điện Màu Giá trị Sô mũ Sai sô Điện áp chịu dựng Đen 0 10° Nâu 1 10’ 1% 100V Đỏ 2 102 2% 250V Cam 3 103 Vàng 4 104 400V Lục 5 105 Lam 6 106 630V Tím 7 107 Xám 8 108 Trắng 9 109 Nhũ vàng 10-1 5% Nhũ bạc 1C)-2 10% 1.2.5. ứng dụng Tụ điện được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử. - Cho điện áp xoay chiều đi qua và ngăn điện áp một chiều lại do đó 17 tụ điện được sử dụng để truyền tín hiệu giữa các tầng khuêch đại có chênh lệch vê điện áp một chiều. — Lọc điện áp xoay chiểu sau khi đã được chỉnh lưu thành điện ap một chiểu bằng phẳng. Đó là nguyên lý của tụ lọc nguồn. — Với điện xoay chiều thì tụ dẫn điện còn đôi với điện một chiêu thì tụ lại trở thành tụ lọc (phần tử hở mạch). 1ế3. CUỘN DÂY (CUỘN CẢM) 1.3ẵ1. Khái niệm Cuộn dây là một linh kiện điện tử thụ động, thường dùng trong mạch điện có dòng điện biến đổi theo thòi gian (như các mạch điện xoay chiều). - ■ m i I l Hình 1.11. Cuộn dây Cuộn dây có tác dụng lưu trữ Đường sức từ năng lượng dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua) và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°. T 3 J Q77T777777777.I 1 1 11 TT1 r T T 51 iitn tn n ỉr;'ì Cuộn dây gồm nhiều vòng dây quấn trên một cốt bằng chất cách điện có lõi hoặc không lõi tuỳ theo tần sô" làm việc. - Ký hiệu của cuộn dây trong mạch điện: Cuộn dây lõi sắt Hình 1.12. Ký hiệu cuộn dây 18 Cuộn dày không lõi Cuộn dây lõi Ferit Cuộn dây một lõi điều chinh Cuộn dây hai lõi điểu chình Để đặc trưng cho khả năng cảm ứng điện từ người ta đưa ra khái niệm điện cảm. Đơn vị đo điện cảm là H (Henri). Ngoài ra, các ưốc thường dùng của điện cảm là: mH, Trong đó: 1 H = 103mH = 1 0 6 (iH. 1.3.2. Các tham sô 1.3.2.1. Độ tự cảm của cuôn dày (L) L = I Trong đó: S: Tiết diện của cuộn dây (m2). N: Sô" vòng dây. 1: Chiều dài của cuộn dây (m). fir: Độ từ thẩm của vật liệu lõi sắt từ (H/m). fx0: Độ từ thẩm của không khí (H/m). 1.3.2.2. Hê sô'phẩm ch ấ t của cuôn dây (Q) Đế tính hệ sô phẩm chất của cuộn dây ta xem xét đến sự tổn thất của cuộn dây khi có dòng điện chạy qua. Một cuộn dây thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn thất, đó là công suất điện hao phí để làm nóng cuộn dây. Các tổn thất này được biểu thị bởi một điện trở Rs nôi tiếp với điện kháng XL của cuộn dây. Hệ sô phẩm chất Q của cuộn dây là tỷ sô V của cảm kháng XL trên điên trở nôi tiếp hiêu dung Rs: Q = —-— Rs 1.3.2.3. Đ iên d u n g tap tán Điện dung tạp tán là điện dung ký sinh giữa các vòng dây tạo ra một tần số cộng hương riêng. Điện dung ký sinh càng lớn khi cuộn cảm có nhiều lóp dây quấn, để giảm điện dung ký sinh thì cuốn dây theo kiểu phân đoạn. I.3.2.4. T ầ n s ô 'là m việc g iớ i h ạ n (fgh) Cuộn dây thực còn có tần sô làm việc bị giới hạn bởi điện dung riêng của nó (đó là điện dung phân tán giữa các vòng dây), ơ tần số thấp, điện dung này được bỏ qua vì dung kháng của nó rất lớn. Nhưng ỏ tần sô" cac thì cuộn dây trỏ thành một mạch cộng hương song song. 19 1.3.3. Phân loại Dựa theo ứng dụng, cuộn dây có một sô’ loại sau: - Cuộn cộng hưởng là cuộn dây dùng trong các mạch cộng hưỏng LC. - Cuộn lọc là cuộn dây dùng trong các bộ lọc một chiểu. - Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v... Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia các cuộn dây ra một sô loại sau: - Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi. - Cuộn dây lõi sắt bụi. - Cuộn cảm có lõi Ferit. - Cuộn dây lõi sắt từ. 1.3.4. Cấu tạo Cuộn cảm có thể được làm bằng cách quấn các vòng dây dẵn điện; tùy thuộc công suất và độ tự cảm để chọn tiết diện của dây dẫn và sô" vòng. Ví dụ, cuộn cảm có độ tự cảm lmH vỏi công suất từ 1 0 0 W trỏ xuống thì lấy loại dây đồng có đường kính 0,3mm H- 0,5mm quấn 10 vòng, công suất cao hơn thì chọn đưòng kính l,2mm quấn 13 T 15 vòng. 1.3.4.1. Cuộn dây lõi không khí hay cuôn d â y kh ôn g có lõi Cuộn dây lõi không khí là các cuộn dây được quấn trên cốt bằng bìa hoặc cô"t bằng sứ, hoặc không có cót. Thường gặp nhất là các cuộn cộng hương làm việc ỏ tần sô cao và siêu cao. Các cuộn dây thường được tẩm để chống ẩm, tăng độ bền cơ học, ỏ tần số rađiô, các cuộn dây thường được bọc kim để tránh các liên kết điện từ không mong muốn. 1.3.4.2. Cuôn d â y lỏi sắ t bui Cuộn dây lõi sắt bụi (bột nguyên chất trộn VỐI chất dính không từ tính) được dùng tần số cao và trung tần. Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt là tổn hao do dòng điện xoáy ngược, và độ từ thẩm thấp hơn nhiều so với loại lõi sắt. Chê tạo cuộn dây lõi sắt bụi giông như cuộn dây lõi không khí. Cuộn dây lõi sắt bụi cũng có yêu cầu giông như cuộn dây lõi không khí cao tần về ảnh hưởng Hình 1.13. Cuộn dây lõi sắt bụi điện dung riêng của cuộn dây, về tổn thất điện môi và hiệu ứng mặt ngoài. 20 I.3.4.3. Cuôn cảm có lõi ferit Cuộn dây lõi ferit là các cuộn dây làm việc tần số cao và trung tần. Lõi ferit có nhiều hình dạng khác nhau như: thanh, ống, hình chữ E, chữ c, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu, v.v... Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điện cảm cao, tuy vậy lại dễ bị bão hoà từ khi có thành phần một chiều. Hình 1.14. Cuộn dây lõi ferit I.3.4.4. Cuộn d â y lõi sắ t tù Lõi của cuộn dây thường là sắt — silic và sắt — silic hạt định hưống, hoặc sắt — niken tuỳ theo mục đích ứng dụng. Đây là các cuộn dây làm việc ỏ tần số thấp. Dây quấn là dây đồng đã được tráng men cách điện, quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lốp và được tẩm châ"t chống ẩm sau khi quấn. Cuộn chặn tần số thâ"p được dùng chủ yếu để lọc bỏ điện áp g Ợ n cho nguồn cung cấp một chiều qua chỉnh lưu, làm tải anôt trong các tầng khuếch đại và trong các ứng dụng một chiều khác. 1.3.5. Cách đọc giá trị cuộn cảm Cách đọc giá trị của cuộn cảm w tương tự như đọc tụ điện. Giá trị =V] Vo v3 + sai sô" (|iH) Ví dụ : đỏ đỏ nhù bạc => cuộn cảm có giá trị 0,22|aH Chú ý: Vạch màu to nhất là vạch sai sô". 1.4. BIẾN ÁP 1.4.1. Khái niệm V, 2 V, Máy biến áp là một thiết bị điện từ dùng từ trường đê biến đổi năng 21 lượng điện của hệ thông dòng điện xoay chiều có điện áp u, sang hệ thống dòng điện xoay chiều có điện áp U 2, vối tần sô không đôi. Hình 1.15. Máy biến áp 1.4.2ễ Cấu tạo Máy biến áp gồm 3 bộ phận chính: Bộ phận dẫn từ (lõi thép), dây dẫn điện (dây quấn), vỏ bảo vệ máy (vỏ máy), ngoài ra máy biên áp còn có các phần cách điện, đồng hồ đo, bộ phận điều chỉnh, bảo vệ, chuông, đèn báo... 1.4.2.1. Lõi thép Được cấu tạo bằng thép kỹ thuật, có nhiệm vụ làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung quấn dây. Thép kỹ thuật là hợp kim sắt có thành phần silic, các lá thép dày 0,3; 0,35; 0,5mm, có lớp cách điện. Các lá thép này được cán mỏng nhằm mục đích giảm tổn hao năng lượng trong quá trình làm việc. Tính chất của thép kỹ thuật cũng thay đổi theo hàm lượng silic, nếu hàm lượng silic càng nhiều độ tổn hao càng ít, tuy nhiên lại giòn và khó gia công. Lõi thép thường được chia làm hai loại là kiểu lõi trụ và kiểu lõi hình xuyến. 2ẳ4.2ắ2. D ây qu ấn Thường được làm bằng dây đồng, là loại dây điện mềm, có độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt. Thông thường máy biến áp có hai cuộn dây là cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Dây quấn nối với nguồn, nhận năng lượng từ nguồn gọi là dây sơ cấp. Dây quấn nôi vối phụ tải, cung cấp điện cho phụ tải gọi là dâv thứ cấp. Dây sơ cấp và thứ câp thường không nôi điện vói nhau, máy biến áp có hai dây quấn như vậy gọi là máy biến áp cảm ứng. Còn máy biến áp có hai dây quấn nôi điện vói nhau và có phần chung gọi là máy biên áp tự ngẫu. 22 1.4.2.3. Vỏ m áy Thường làm bằng kim loại để bảo vệ máy, chông rung... Ngoài ra, vỏ máy còn làm giá lắp đồng hồ đo, bộ phận chuyên mạch... 1.4.2.4. Vật liệu cách điên Làm nhiệm vụ cách điện giữa các vòng dây vói nhau, giữa dây quân và lõi thép, giữa phần dẫn điện và phần không dẫn điện. Tuổi thọ của một máy biến áp phụ thuộc nhiều vào chất cách điện. Nếu cách điện không tốt sẽ gây sự cố cho máy biến áp, nhưng cách điện quá mức sẽ tăng kích thưốc máy và tăng giá thành máy. 1.4.3. Các tham sô kỹ thuật của biến áp Biến áp có các tham sô" như: hệ sô biến áp, trị sô" điện áp vào cuộn sơ cấp và điện áp ra cuộn thứ cấp, dòng điện trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, sô vòng dây cuộn sơ câp và cuộn thứ cấp, trở kháng vào ở cuộn sơ câp và trở kháng ra ở cuộn thứ câp, hiệu suất biến áp, v.v... 1.4.3.1. H ệ s ố g h é p b iến á p k k =M Trong đó: M: Hệ số hỗ cảm của biến áp. Lj, L2: Hệ sô tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp. - Khi k = 1 (trường hợp ghép lý tưởng) là trường hợp mà tất cả từ thông sinh ra do cuộn sơ cấp đều đi qua cuộn thứ cấp và ngược lại. - Khi k = 0,5 có nghĩa là có 50% sô' từ thông sinh ra do cuộn sơ cấp được đi qua cuộn thứ cấp và ngược lại. I.4.3.2. Đ iện áp cuộn sơ cấp và cuôn th ứ cấp Máy biến áp gồm cuộn sơ cấp có Nj vòng dây, cuộn thứ cấp có N2 vòng dây được quấn trên một lõi thép khép kín. Khi nối dây sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều có điện áp U 1; dòng điện Ij chạy qua cuộn dây sơ cấp sẽ sinh ra trong lõi thép một từ thông biến thiên. Do mạch từ là khép kín nên từ thông này sẽ cảm ứng sang cuộn thứ cấp sinh ra một sức điện động cảm ứng E2 tỷ lệ với sô' vòng dây N 2. Đồng thời từ thông biến thiên đó cũng sinh ra trong cuộn sơ cấp một sức điện động tự cảm E, tỷ lệ với số vòng Nj. Nếu bỏ qua tổn hao trên các cuộn dây (thường rất nhỏ) thì ta có: 23 u l = e l = n l u 2 E, n 2 Uj ~ Ej ; U2 ~ E2 ; U 1; Ư9 là trị sô' hiệu dụng của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nj, N2 là sô" vòng dây của cuộn sơ cấp và thứ cấp. Nếu: Nj = N2 thì ƯJ = u 2 ta có biến áp 1 :1 . N] > N2 thì U] > u 2 ta có biến áp hạ áp. Nj < N2 thì Uj < u , ta có biến áp tăng áp. 1.4.3.3. D òng điện sơ cáp và dòn g điên th ứ cấp Quan hệ giữa dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp: Ị l = ư l = Nl I, u2 n2 1.4.3.4. H iệu su ất của biến áp Các biến áp thực đều có tổn thất nên người ta đưa ra thông sô" hiệu suất của biến áp. Hiệu suất của biến áp là tỷ số giữa công suất ra và công suâ"t vào tính theo % : rị = Ộ - 1 0 0 % = - — ^ ---------1 0 0 % p p + p , 11 12 -r I lổỆl lhấl Trong đó: Pj: Công suât thu được ỏ cuộn sơ cấp. P2: Công suất thu được ỏ cuộn thứ cấp. ptốn thâ't: Công suất điện mất mát do tổn thất của lõi và dây quấn. Muôn giảm tổn hao năng lượng trong lõi sắt từ, dây quấn và từ thông rò người ta dùng loại lõi làm từ các lá sắt từ mỏng, có quét sơn cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn và ghép chặt. 1.4.4. Phân loại Máy biên áp có thể phân làm nhiều loại khác nhau dựa vào: - Cấu tạo. - Chức năng. - Cách thức cách điện. - Công suất và hiệu điện thế. 24 1.4.5. Ký hiệu một số loại máy biến áp —Ọ Biến áp ảm tần Biến áp nguồn lõi sắt Biến áp tự ngẫu Biến áp cao tần khõng lõi Biến áp loi ferit / X -a o -ú Biến áp trung tần Hình 1.16. Ký hiệu máy biến áp 1.4.6. Một sô loại máy biến áp thường gặp 1.4.6.1. Biên áp âm tần Biên áp âm tần là biên áp được thiết kê để làm việc dải tần sô" âm thanh khoảng từ 2 0 Hz đến 20000Hz. Do đó, biến áp này được dùng để biến đổi điện áp mà không được gây méo dạng sóng, dùng để ngăn cách điện một chiều trong mạch này với mạch khác, đê biến đổi tổng trở, để đảo pha, v.v... 1.4.6.2. B iến áp cao tần Biến áp cao tần gồm hai cuộn dây quấn trên cùng một ông cách điện cao tần. Dây dẫn có thô là dây đồng một sợi có tráng men hay mạ bạc, có đường kính lốn hoặc bằng nhiều sợi dây nhỏ tết lại với nhau. Hai cuộn sơ cấp và thứ cấp có thể quấn chồng lên nhau, hoặc có thể quân cách nhau một khoảng vài mm, khoảng cách càng gần độ ghép càng lớn. Người ta còn cho thêm lõi ferit vào lòng cuộn dây đê tăng thêm hệ sô" tự cảm và hệ sô phẩm chất của nó. Đê tránh ảnh hưởng 25 ghép ký sinh giữa biên áp vối các vật liệu xung quanh ngươi ta thương bọc kín nó bằng một hộp kim loại. 1.4.6.3. Biến áp tự ngẫu Biên áp tự ngẫu là bộ biên dổi điện áp gôm một cuộn dây co mọt hay nhiều đầu dây trung gian. Dùng biên áp tự ngẫu thay cho biên áp có thê giảm chi phí vê dây quân, vì trong một cuộn dây chung chỉ có dòng điện hiệu sô chạy qua I — I2 — Ij (trong biến áp tự ngẫu hạ áp) hay I = Ij — I2 (trong biên áp tự ngáu tăng áp). Biên áp tự ngẫu có một ưu điểm đáng kê về chi phí của dây dân khi ty sô biên áp không lớn lắm. Với tỷ sô biên áp k = 2 thì dây đồng tiêt kiệm được 50%, với k = 20 thì chỉ vào khoảng 5%. Vì đầu ra và đầu vào của biên áp tự ngâu ghép trực tiếp nên trong mạch biến áp tự ngẫu không nôi đất. I. h — I, C ----------o o--- ------7»- ------o °--------- ^---------° Hình 1.17a. Biến áp tự ngẫu hạ áp Hình 1.17b. Biến áp tự ngẫu tăng áp 1.4.6.4. B iên áp cộng hưởng Đây là biến áp cao tần (dùng ở trung tần hoặc cao tần) có lõi không khí hoặc sắt bụi hoặc ferit. Các biến áp này ghép lỏng và có một tụ điện mắc ỏ cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn. Nêu dùng hai tụ mắc ở hai bên thì ta có cộng hưởng kép hoặc cộng hưởng lệch. Đê mở rộng dải tần, ta dùng một điện trỏ đệm mắc song song với mạch cộng hương. 1.4.6.5. B iên áp nguồn (biến áp cáp điên) Biên áp làm việc vối tần sô 50Hz, 60Hz. Biên áp nguồn có nhiệm vụ là biên đôi điện áp lôi vào thành một điện áp và dòng điện ra theo yêu cầu và ngăn cách thiết bị khỏi nguồn điện. Các biên áp nguồn thường được ghi giới hạn bằng von-am pe. Các yêu cầu chính của một biến áp nguồn tốt là: + Điện cảm cuộn sơ cấp càng cao càng tôt để giảm dòng điện không tải xu fin g giá trị nhỏ nhất. 26 + Hệ số ghép’ K cao để điện áp thứ cấp ít sụt khi có tải. + Tổn thất lõi càng thấp càng tôt. + Kích thước càng nhỏ càng tôt. 1.4.6.6. B iên áp xung Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu và loại công suất. Biến áp xung có yêu cầu về dải thông tần khắt khe, đê hoạt động tốt cả ở tần sô" thấp (đỉnh và đáy xung) và tần sô" cao (sườn xung), biến áp xung cần phải có điện cảm sơ câp lớn. o 1.4.6.7. B iền áp nhiêu đầu ra Biến áp nhiều đầu ra gồm có u một cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp. Điện áp ra ở mỗi cuộn phụ thuộc vào sô" vòng dây của cuộn đó cũng như phụ thuộc vào điện áp -0 U3 u, -o u, ov cuôn sơ cấp và sô" vòng dây củaHình 1.18. Biến áp nhiều đầu ra cuộn sơ cấp. 1.4ễ7. ứng dụng Trong lĩnh vực điện và điện tử, máy biên áp được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Máy biến áp được sử dụng đê điểu chỉnh điện áp phù hợp cho hoạt động của một mạch điện hay một hệ thông điện. Các máy biến áp có thể sử dụng đế phôi hợp trở kháng giữa một mạch và một tải hay giữa hai mạch với nhau. Các máy biến áp cũng có the được sử dụng đê không chế dòng điện một chiều giữa các mạch điện tử trong trường hợp muôn ngăn cách dòng xoay chiều. Một ứng dụng khác nữa là làm tương hợp các mạch cân bằng và không cân bằng, các hệ thông cung cấp điện và các tải. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Đọc các trị số điện trở theo màu sắc như sau: a) Nâu, đen, đen, nhũ bạc b) Nâu, đỏ, đò, nâu c) Cam, trắng, nàu, nhũ vàng d) Lục, lam, đỏ e) Đỏ, đỏ, cam, đỏ f) Vàng, tím, cam, nhũ bạc 2. Chọn các vòng màu tương ứng với giá trị điện trở sau: a)0,15Q b) 150Q c) 82Q c) 150kQ e) 5MQ. f) 2,2kQ 27 3. Giải thích hoat đỏng của các mach sau, khi công tắc K đóng ờ vị tri 1 vá đóng ở vị trí2 ---- rlfc L c R K - ----- l|lH E ( 1)(2) , | , H (3) (4) 4. Đọc các giá trị tụ điện sau (5) / l .01 D 150 50 1,5kV / 5. Hãy phản biêt tính chất của điện trờ, tụ điên, cuộn dây: a) Trong mạch điên môt chiều. b) Trong mach điên xoay chiểu tấn số thấp. c) Trong mạch điện xoay chiều tần số cao. 28 C huông V 2 ĐIÔT BÁN DẪN Chương này sẽ trình bày chi tiết về cấu trúc đặc điểm của chât bán dẫn, một vật liệu quan trọng trong công nghệ sản xuất chế tạo linh kiện điện tử. Khảo sát và phân tích về cấu trúc cơ bản và đặc tính dẫn điện của tiếp xúc PN khi được phân cực. Phần cuối của chương sẽ trình bày về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một sô" mạch ứng dụng của điôt bán dẫn 2.1. CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA CHẤT RẮN tinh thể Các linh kiện điện tử như điôt, tranzito và các mạch tích hợp đều được chế tạo từ chât bán dẫn. Đế hiểu được hoạt động của các linh kiện này ta phải hiểu được cấu trúc của các nguyên tử và sự tương tác giữa các nguyên tử trong tinh thê chất bán dẫn. 2ế1.1. Câu trúc nguyên tử Nguyên tử gồm có một hạt nhân giữa và bao xung quanh là các quỹ đạo có điện tử. Hạt nhân gồm có các hạt tích điện dương gọi là proton và các hạt không tích điện gọi là notron. Điện tử là các hạt mang điện tích âm. Sô proton và điện tử của mỗi nguvên tử luôn bằng nhau phụ thuộc vào từng nguyên tô. Ví dụ, nguyên tử đơn giản nhất là hyđro, hạt nhân chỉ có một proton và một điện tử. Nguyên tử khác là helium có hai proton và hai notron trong hạt nhân và hai điện tử quay xung quanh. 2.1.1.1. K hôi lương và sô nguyên tủ Các nguyên tô sắp xếp trong bảng hệ thông tuần hoàn theo số nguyên tử của chúng, tức là sô' điện tử trong nguyên tử ỏ trạng thái trung hoà về điện. Các nguyên tô cũng có thế được sắp xếp theo khôi lượng nguyên tử của chúng, khối lượng nguyên tử xấp xỉ bằng sô' proton cộng vối số notron trong hạt nhân. Ví dụ hydro có số nguyên tử là 1 và khôi lượng nguyên tử là 1,0079. Sô' nguyên tử của helium là 2 và khối 29 lượng nguyên tử là 4,00260. ở trạng thái trung hoà, nguyên tử có sô điện tử bằng sô proton nên nguyên tử mang điện tích bằng không. 2 .1. 1.2. Quỹ đạo và các lớp điện tử Điện tử quay xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhât đinh. Các điện tử gần hạt nhân có năng lượng ít hơn so vối các điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân. Quỹ đạo của các điện tử quanh hạt nhân tương ứng với các mức năng lượng khác nhau. Trong nguyên tử, các quỹ đạo được nhóm thành các dải năng lượng và được gọi là các lốp. Mỗi nguyên tử có một sô lớp nhát định, mỗi lớp quy định sô điện tử lốn nhất ỏ các quỹ đạo. Sự chênh lệch các mức năng lượng trong một lớp thấp hơn so vói sự chênh lệch các mức năng lượng giữa các lớp. Các lớp được gọi là lốp K, L, M, N... vói lớp K là lớp gần hạt nhân nhất. 2.1.1.3. Các điện tủ hoá trị Các điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân thì có năng lượng cao hơn và liên kết yêu với hạt nhân hơn so với các điện tử có quỹ đạo gần hạt nhân hơn. Các điện tử nằm ở lớp ngoài cùng có mức năng lượng cao nhất và liên kết yếu với hạt nhân. Lớp ngoài cùng gọi là lốp hoá trị và các điện tử ỏ lớp đó gọi là điện tử hoá trị. Các điện tử hoá trị này có ảnh hương tới tính chất và liên kết trong cấu trúc và xác định tính dẫn điện của vật chât. 2.1.1.4. Sự ion hoá Khi các nguyên tử hấp thu năng lượng (nhiệt hay ánh sáng), sẽ làm tăng các mức năng lượng của các điện tử. Khi các điện tử được tăng năng lượng nó sẽ di chuyển ra các quỹ đạo xa hạt nhân hơn. Do đó, các điện tử hoá trị này có năng lượng cao hơn và liên kết yếu vối hạt nhân hơn so với các điện tử lớp trong, chúng có'thể nhảy lên các quỹ đạo cao hơn trong lớp hoá trị một cách dễ dàng khi năng lượng ngoài được hấp thu. Nếu các điện tử hoá trị thu được đủ năng lượng nó có thể nhảy ra khỏi lớp ngoài cùng. Sự di chuyển của các điện tử hoá trị làm cho nguyên tử mất cân bàng về điện và trở thành tích điện dương (sô' proton lớn hơn sô' điện tử), quá trình mất điện tử hoá trị gọi là sự ion hóa và kết quả là nguyên tử tích điện dương gọi là ion dương. Các điện tử hoá trị trở thành điện tử tự do. Khi các điện tử tự do bị hút vào lớp ngoài cùng thì nguyên tử trơ nôn tích điện âm và gọi là ion âm. 2.1.1.5. Sô điên tủ tron g m ôt lớp Sô điện tử lớn nhất (Nc) có thê có trong mỗi lớp của nguyên tử được tính theo công thức : N„ = 2n2. 30 ơ đây n là số của lớp. Lớp trong cùng K có số là 1 , lớp L có sô" là 2, lop M có sô' là 3,... Ví dụ, sô"điện tử lớn nhất có thể có trong lớp K là : Ne = 2 n2 = 2 . 1 2 = 2. Tất cả các lớp trong nguyên tử phải điện đủ số điện tử trừ lớp ngoài cùng. 2.1.2. Châ't bán dẫn, châì dẫn điện, châ't cách điện Chất dẫn điện là chất dễ dàng dẫn dòng điện. Chất dẫn điện tốt nhất là các chất đơn chất ví dụ như đồng, bạc, vàng, nhôm, là các chất mà trong nguyên tử chỉ có duy nhất một điện tử hoá trị liên kết yếu vối hạt nhân. Điện tử hoá trị này do liên kết yếu với hạt nhân nên dễ dàng tách ra khỏi nguyên tử và tạo thành điện tử tự do. Do đó, các chất dẫn điện có nhiều điện tử tự do và khi đặt trong một điện trường thì tạo nên dòng điện. Chất cách điện là các chát không dẫn dòng điện ở điêu kiện thường. Phần lớn các chất cách điện tốt là các hợp chât. Các điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với hạt nhân, do đó có rất ít điện tử tự do trong chất cách điện. Chất bán dẫn là chất nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện về khả năng dẫn dòng điện. Chất bán dẫn đơn chất phổ biến nhất là silic, gemani và cacbon. Chất bán dẫn hợp chất như là gali, arsen cũng được sử dụng phổ biến. Các chất bán dẫn đơn châ't được tạo thành từ các nguyên tử có 4 điện tử hoá trị. 2.1.3. Các vùng năng lượng Lốp hoá trị của một nguyên tử được thay thế bởi một vùng các mức năng lượng và các điện tử hoá trị bị giới hạn trong vùng đó. Nếu điện tử hâp thu đủ năng lượng ngoài thì nó ròi khỏi lớp hoá trị và trở thành điện tử tự do và tồn tại trong vùng gọi là vùng dẫn. Sự chênh lệch năng lượng giữa vùng hoá trị và vùng dẫn gọi là vùng cấm. Đây là phần năng lượng mà điện tử hoá trị phải có để nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Cấu trúc vùng năng lượng vật chất nói chung chia làm 3 vùng: - Vùng hoá trị (hay còn gọi là vùng đầy) bao gồm các mức năng lượng mà trong điều kiện thường đã bị điện tử chiếm giữ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. - Vùng dẫn (vùng trông) trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trông hay chỉ bị chiếm chỗ một phần. - Vùng cấm trong đó không tồn tại các mức năng lương nào để điện tử có thê chiếm giữ hay xác suất tìm hạt đây bằng 0 . Tuỳ theo vị trí tương đối giữa 3 vùng kể trên, các chất rắn tinh thể dược chia làm 3 loại (xét ỏ 0°K) thê hiện trên hình 2.1. 31 Mức năng lượng Mức năng lượng Mức năng lượng Vùng dẫn ắ i vùng dẫn vung cam gt Vùng cấm r Vùng dẫn Vùng hoá tắ'Bị chồn Vùng hoá trị Vùng hoá trị 0 0 Chất cách điện Chất bán dẫn Chất dân điện Hình 2.1. Cấu trúc vùng nãng lượng của chất cách điện, chất bán dàn và chất dẫn điện Đôl với chất cách điện, bề rộng vùng cấm Eg > vài eV, các điện tử hoá trị không nhảy được lên vùng dẫn trừ trường hợp bị đánh thủng khi có điện áp vô cùng lỏn được đặt lên. Đôi với chất bán dẫn, vùng cấm hẹp hơn Eg ắ 2eV, do đó cho phép các điện tử hoá trị nhảy lên vùng dẫn và trỏ thành điện tử tự do. Đôi với chất dẫn điện, các vùng năng lượng bị chồng lên nhau, vì vậy luôn luôn có một số lớn điện tử tự do. 2.1.4. So sánh nguyên tử chất dẫn điện và chất bán dẫn Trong câ'u trúc của nguyên tử silic, lõi của nguyên tử silic mang điện tích +4 (14 proton và 10 điện tử), còn trong cấu trúc của nguyên tử đồng, lõi của nguyên tử đổng mang điện tích + 1 (29 proton và 28 điện tử). Điện tử hoá trị của nguyên tử dồng chịu một lực hút + 1 và điện tử hoá trị của nguyên tử silic chịu một lực hút +4. Hơn nữa, điện tử hoá trị của nguyên tử đồng ở lốp thứ tư còn điện tử hoá trị của nguyên tử silic ở lớp thứ ba. Do đó, điện tử hoá trị trong nguyên tử đồng có năng lượng lớn hơn điện tử hoá trị trong nguyên tử silic. Điều đó có nghĩa là điện tử hoá trị của nguyên tử đồng dỗ dàng nhận năng lượng ngoài đổ trỏ thành điện tử tự đo hơn điện tử hoá trị của nguycn tử silic. Trong thực tế, một lượng lớn diện tử hoá trị của nguyên tử đồng đã đủ năng lượng đê trỏ thành điện tử tự do được thê hiện ở đoạn chồng nhau của vùng hoá trị và vùng dẫn trong dồ thị câu trúc vùng năng lượng. 32 2.2. CHẤT BÁN DAN 2.2.1 Ế Chất bán dẫn thuần Hai châ't.bán dẫn thường dùng trong kỹ thuật điện tử là silic và gemani. Hình 2.2 là cấu trúc nguyên tử của silic và gemani, chúng đều có 4 điện tử hoá trị. Silic là vật liệu được sử dụng rộng rãi để chê tạo nên điôt, tranzito, mạch tích hợp và các linh kiện bán dẫn khác. silic gemani Hình 2.2. Cấu trúc nguyên tử của silic và gemani Các điện tử hoá trị trong nguyên tử gemani lớp thứ tư, còn điện tử hoá trị của nguyên tử silic lớp thứ ba, gần hạt nhân hơn. Có nghĩa là các điện tử hoá trị trong nguyên tử gemani có mức năng lượng cao hơn trong nguyên tử silic, do đó chỉ cần một năng lượng nhỏ thì điện tử hoá trị của nguyên tử gemani sẽ trở thành điện tử tự do. Điều này làm cho gemani không ổn định ở nhiệt độ cao, đây là lý do tại sao silic là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi. Silic và gemani có câu trúc mạng tinh thể, nghĩa là mỗi nguyên tử silic (hoặc gemani) liên kết với bốn nguyên tử xung quanh theo liên kết cộng hoá trị. Các electron góp chung Hình 2.3. Cấu trúc mạng tinh thể và liên kết cộng hoá trị trong Si 33 Tinh thể silic thuần (tinh khiết) ở nhiệt độ phòng nhận được một năng lượng (nhiệt, ánh sáng) từ môi trường ngoài, làm cho một sô điện tử hoá trị được tăng năng lượng và nhảy mức từ vùng hoá trị lên vùng dẫn, trở thành điện tử tự do và gọi là điện tử dẫn điện. Khi điện tử nhảy lên vùng dẫn để lại một khoảng trôYig ở vùng hoá trị gọi là lỗ trông. Do đó, khi có năng lượng ngoài kích thích thì tạo nên một cặp điện tử - lỗ trống. Sự tái hợp xuất hiện khi điện tử ỏ vùng dẫn bị mất năng lượng và quay trơ vể lỗ trông trong vùng hoá trị. Vùng dần Vùng hóa trị • • • • • • •• Hình 2.4. Quá trinh tạo ra cặp điện tử tự do - lỗ trống trên đồ thị vùng năng lượng Khi có một điện áp đặt vào mảnh silic thuần, thì các điện tử tự do sẽ chuyển động vê phía cực dương của nguồn, được gọi là dòng điện tử. Hình 2.5. Dònc điện tử và dòng lỗ trống Một dòng khác xuất hiện ở vùng hoá trị đó là dòng lỗ trống. Các electron còn lại trong vùng hoá trị vẫn liên kết với hạt nhân không tự do di chu>en trong tinh thG như cac electron do. Tuy nhiên, môt slectron hoá trị có thể di chuyển đến một lỗ trông gần đó với sự thay đổi mức năng lượng nhỏ và nó để lại một lỗ trống mới. Thực tế lỗ trông có thể di chuyên trong cấu trúc tinh thể và gọi là dòng lỗ trông. 34 2.2.2. Chât bán dẫn loại p và loạj N Độ dẫn điện của silic và gemani có thể tăng mạnh bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu bán dẫn thuần, tức là làm tăng sô" hạt dân điện (điện tử hoặc lỗ trông) và vì vậy tăng độ dẫn điện. Có hai chât bán dân tạp chất đó là loại N và loại p. 2.2.2.1. C h ất bán d ẫ n loai N Đê tăng số electron ở vùng dẫn trong tinh thể silic thuần người ta thêm các nguyên tử có hoá trị V, tức là có 5 điện tử hoá trị. Ví dụ như các nguyên tử As (arsen), p (photpho), Bi (bitmut), Sb (antimon). Như minh hoạ ở hình 2.6, mỗi nguyên tử tạp chất (ví dụ là Sb) liên kết cộng hoá trị với 4 nguyên tử silic xung quanh. B<ấn electron hoá trị của nguyên tử Sb tham gia vào liên kết cộng hoá trị vối các nguyên tử Si còn một electron không tham gia vào liên kết. Electron này trở thành electron dẫn điện, bởi vì nó không gắn với nguyên tử nào. Nguyên tử tạp chất cho electron được gọi là nguyên tử đono. s ố lượng electron dẫn điện có thế thay đổi được bằng cách thay đổi sô" nguyên tử tạp chất pha tạp vào. Electron dẫn điện được tạo ra do sự pha tạp nhưng_lại không tạo ra lỗ trông ỏ vùng hoá trị. Electron \ / Hình 2.6. Đổ thị vùng năng lượng và cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn loại N Việc làm sai hỏng mạng tinh thể chất bán dẫn thuần bằng tạp chất đono tương ứng với việc làm xuất hiện trong vùng cấm của bán dẫn này những mức năng lượng cục bộ nằm sát đáy vùng dẫn. Những mức năng lượng này gọi là những mức đono. Khoảng cách từ đáy vùng dẫn đến mức đono nhỏ hơn nhiều độ rộng vùng cấm, bởi vậy năng lượng cần thiết để điện tử nhảy từ mức đono lên vùng dẫn (năng lượng ion hoá) nhỏ hơn nhiều năng lượng cần thiết để đưa điện tử từ vùng hoá trị lên vùng dẫn. Điểu này một lần nữa giải thích tại sao trong chất bán dẫn loại N thành phần dòng điện chủ yếu là điện tử. 35 Trong chát bán dẫn N, dòng điện được tạo ra do phân lớn là các electron nên các electron được gọi là hạt đa sô. Nhưng củng có một sô các lỗ trông tham gia vào quá trình dẫn điện khi cặp điện tử — lô trông được tạo ra do hiện tượng nhiệt (các lỗ trông này không được tạo ra do sự pha tạp) được gọi là hạt thiểu sô. 2.2.2.2. C hất bán dẫn loai p Để tăng sô lỗ trông trong tinh thể silic thưan người ta thêm các nguyên tử có hoá trị III, tức là có 3 điện tử hoá trị. Ví dụ như các nguyên tử AI (nhôm), B (bo), In (indi), Ga (gali). Như minh hoạ ở hình 2.7, mỗi nguyên tử tạp chát (ví dụ là B) liên kêt cộng hoá trị với 4 nguyên tử Si xung quanh. 3 electron hoá trị của nguyên tử B tham gia vào liên kết cộng hoá trị với các nguyên tử Si mà do cần 4 electron hoá trị nên 1 lỗ trôYig được tạo ra. Bởi vì nguyên tử tạp chât có thể nhận electron nên gọi là tạp chất nhận (aceptor). Sô lượng lỗ trông có thê thay đổi được bằng cách thay đổi sô* nguyên tử tạp chất pha tạp vào. Lỗ trông dược tạo ra do sự pha tạp không phụ thuộ: vào điện tử tự do. Vùng dẫn Mức năng iươngV tạp chất A boooooooo Vùng hóa trị Hình 2.7. Đổ thị vùng năng lượng và cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn loại p • Tương tự như chất bán dẫn loại N, trong chất bán dẫn loại p việc làm sai hỏng mạng tinh thê chất bán dẫn thuần bằng tạp chát nhận tương ứng V Ớ I việc làm xuất hiện trong vùng cấm của bán dẫn nàv những niiíc năng lượng cục bộ năm sát đỉnh vùng hoá tri. Những mức năng lượng này gọi là những mức nhận. Bởi vậy chỉ cần một nãng lượng nhỏ (nang lượng lon hoa) cung có thê làm cho điên tử nhảy vùng hoá tri lên cac mưc nhạn, lam cho nguyên tii tạp chất bi ion hoá trỏ thành ion âm đồng thời làm xuất hiện các lỗ trông trong vùng hoá trị. 1 rong chât bán dân p, dòng điện được tạo ra do phần lốn các lỗ trông nen cac lo tiông được gọi là hạt đa sô. Nhưng cũng có một sô các electron tham gia vào qu^ trình dân điện khi cặp điện tử — lỗ trông được tạo ra do hiện tượng nhiệt (các electron này không được tạo ra do sự pha tạp) đươc gọi là hạt thiểu sô. 36 2.2Ẻ2.3. C hất bán d ẫ n tap ch ất suy biên Khi pha tạp chất nhóm V (loại N) hoặc tạp chât nhóm III (loại P) vối nồng độ cao (>1 0 17nguyên tử/cm3), người ta thu được các chât bán dẫn tạp chất suy biến tương ứng loại N hay loại p. Khi đó, vùng năng lượng cấm của châ't bán dẫn gốc bị thu hẹp lại do xuất hiện vùng năng lượng của tạp chất phân bô' dưối sát đáy vùng dẫn (với loại N) hay trên sát đỉnh vùng hoá trị (với loại P). Nhóm tạp chất suy biến được sử dụng chê tạo các loại linh kiện có tính chất điện — quang đặc biệt (điôt Tunel, LED, Lazer...). 2.3. CÁC HIỆN TƯỢNG VẬT LÝ THƯỜNG GẶP 2.3.1. Hiện tượng ion hoá nguyên tử Hiện tượng ion hoá trong các chất bán dẫn thuần hay trong các chất bán dẫn tạp chất là một hiện tượng gắn liền với quá trình tạo hạt diện tử tự do hay sự chuyển dời của hạt giữa các mức năng lượng. Sô" hạt được sinh ra bằng số mức năng lượng bị chiếm ở trong vùng dẫn hoặc số mức năng lượng bị bỏ trông trong vùng hoá trị. ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ của hai loại hạt dẫn là một hằng sô trong các loại chất bán dẫn. Nghĩa là việc tăng nồng độ của loại hạt này luôn kéo theo việc giảm nồng độ của hạt kia. 2.3.2. Hiện tượng tái hợp của các hạt dẫn Bản chất của hiện tượng tái hợp ngược lại với hiện tượng ion hoá nguyên tử và nó liên quan tới sự chuyển dời điện tử ỏ mức năng lượng cao trong vùng dẫn về mức năng lượng thấp hơn trong vùng hoá trị. Hiện tượng tái hợp làm mất đi một cặp hạt dẫn và đưa hệ hạt. đến trạng thái cân bằng mới. Trong chất bán dẫn loại N, sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trông xảy ra trong điều kiện nồng độ điện tử cao: An(t) = A n (0).exp (— —) Tn Trong đó: An(t): Mức giảm điện tử theo thời gian. An(0): Mức giảm điện tử ở thời điểm t = 0. Tn: Thời gian sông của điện tử trong chất bán dẫn loại N là khoảng thời gian trong đó nồng độ điện tử giảm đi e lần. Tương tự, trong chất bán dẫn loại p, sự tái hợp giữa điện tử và lỗ trông xảy ra trong điêu kiện nồng độ lỗ trông cao: 37 Ap(t) = A p (0).exp(— —) T P Trong đó: Ap(t): Mức giảm lỗ trông theo thời gian. Ap(0): Mức giảm lỗ trông ở thời điêm t = 0. T p : Thòi gian sông của lỗ trông trong chât bán dân loại p, là khoảng thời gian trong đó nồng độ lô trông giam đi e lần. T p, T n l à n h ữ n g t h ô n g s ô q u y ê t đ ị n h đ ô i v ớ i đ ặ c t r ư n g t â n s ô c ủ a l i n h k i ệ n b á n d ẫ n . 2.3.3. Chuyển động cuốn của hạt dẫn trong điện trường (chuyển động trôi) Dưối tác dụng của điện trường, các hạt dẫn tự do chuyển động định hướng và có gia tốc, do đó tạo nên một dòng điện gọi là dòng điện cuôn (dòng điện trôi), vối vận tốc trung bình tỷ lệ với cường độ điện trường E: Ulb = |iE Do đó trong chât bán dẫn loại N: Ulbn = — finE Trong chất bán dẫn loại P: Ulhp = |_ipE |in, |ip được gọi là độ linh động của các hạt dẫn tương ứng, có đơn vị là cm2 /v.s. Độ linh động của điện tử lớn hơn cỡ hai lần độ linh động của lỗ trông. Mật độ dòng tương ứng: ỉ.rùin = -q-n-U lhn ■^irỏip — Trong đó q là điện tích các hạt. Dòng điện trôi trong chất bán dẫn được tính như sau: Kcú = q-n(uthp + u ih„) 2.3.4. Chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn Do sự phân bô' không đều về mặt không gian của các hạt tải điện mà các hạt dẫn sẽ chuyển động từ nơi có nồng độ cao tới nơi có nồng độ thấp. Theo hướng giảm của nồng độ ta có dòng khuếch tán. T r w dnx_ dn kin = - q - D ( - 7 ) = q . D „ dx dx 38 Trong cả hai công thức dâu ” thể hiện sự khuêch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp. Dn, D,, là hệ số tỷ lệ hay còn gọi là hệ sô" khuếch tán. Dn = 32cm2/s; Dp = 1 2 cm2 /s. kT Ta có: D = —— .ịi = U T.|i q kT Với U T = —— gọi là điện áp nhiệt (« 25mV ở nhiệt độ phòng). q D X = L n n n2 D ĩ = L2 p p p Ln, Lp gọi là quãng đường khuếch tán của hạt, đó chính là khoảng chuyển động trung bình của hạt dẫn do sự khuếch tán trong khoảng thời gian sống của nó. 2.4. MẶT GHÉP P-N VÀ TÍNH Mặt ghép P-N là một câu trúc bán dẫn cơ bản được hình thành khi cho chất bán dẫn loại N và loại p ghép với nhau bằng các biện pháp công nghệ khác nhau. Trong chất bán dẫn loại N, điện tử là hạt đa sô" còn lỗ trông là hạt thiếu sô". Ngược lại, trong chất bán CHẤT CHỈNH LƯU Vùng nghèo r*l Điện tử l i ! trống ? J lon âm |©Ị lon dương dẫn loại p, lỗ trông là hạt đa sô còn điện tử là hạt thiếu số. Hình 2.8. Sự hình thành vùng nghèo ở mặt ghép P-N 2.4.1. Sự hình thành vùng nghèo (miền điện tích không gian) Như ta đã biết, các điện tử tự do trong miền N di chuyển ngẫu nhiên theo mọi hướng. Ngay khi cho mặt ghép P-N , các điện tử tự do trong miền N ở gần lốp mặt ghép bắt đầu khuếch tán sang miền p ỏ đây chúng kết hợp vói các lỗ trông gần lớp tiếp xúc. Khi lớp mặt ghép được 39 hình thành, miền N mất các điện tử tự do (do khuêch tán sang miên P), tạo ra một lớp tích điện dương gần lớp tiêp xúc. Khi các electron di chuyển qua lớp mặt ghép, miền p mất các lỗ trông do các điện tử kêt hợp với lỗ trông, tạo ra một lóp tích điện âm gần lốp tiêp xúc. Hai lớp tích điện dương và âm này tạo nên vùng nghèo như hình 2.8. Khái niệm vùng nghèo là để chỉ vùng gần lớp mặt ghép P -N bị mất hêt các hạt mang điện (điện tử và lỗ trông). Vùng nghèo được mở rộng ra tới khi trạng thái cân bằng được thiết lập và không có thêm sự khuêch tán điện tử qua lớp tiếp xúc. Điều này có thể được giải thích như sau: Khi các điện tử liên tục khuếch tán qua lớp mặt ghép làm cho vùng nghèo hình thành hai lớp tích điện dương và âm rõ rệt, đên khi lớp tích điện âm đủ lớn chông lại bất kỳ sự khuếch tán nào của các electron sang miền p thì sự khuêch tán dừng lại. Nói cách khác, vùng nghèo hoạt động như một hàng rào ngăn cản sự di chuyển của các electron qua lớp tiếp xúc. Vùng nghèo được hình thành rất nhanh và rất mỏng so với miền N và miền p. Trong vùng nghèo, hình thành một điện trường theo định luật Culông. Điện trường này ngăn cản các electron trong miền N và là năng lượng cần thiêt để electron có thể di chuyển qua vùng nghèo. Điện thê cần cung cấp để cho electron di chuyển qua vùng nghèo gọi là điện áp mở. Điện áp mỏ có giá trị xác lập bởi : 'PO KT, — 1 n \Pn )— 111 q , nP, Trong đó: K: Hệ sô Boltzman. q: Điện tích điện tử. T: Nhiệt độ tuyệt đối. Pp, pn) nn, np: nồng độ tương ứng các hạt dẫn. Với những điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ phòng, U mỏ có giá trị khoảng 0,3V với loại mặt ghép P -N làm từ Ge và 0,7V vối loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỷ sô nồng độ hạt dẫn cùng loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (—2mV/K). 2.4.2. Đồ thị vùng năng lượng của mặt ghép P-N và vùng nghèo Vùng hoá trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn loại N có mức năng lượng thấp hơn vùng hoá trị và vùng dẫn trong chất bán dẫn loại p nhưng bề rộng vùng cấm thì bằng nhau, do sự khác nhau về đặc tính cùa nguyên tử tạp chất. 40 Hình 2.9. Đổ thị vùng năng lượng của tiếp xúc P-N Đồ thị vùng năng lượng của mặt ghép P-N ngay khi vừa hình thành được minh hoạ trên hình 2.9. Các electron tự do trong miền N chiếm mức năng lượng cao trong vùng dẫn dễ dàng khuếch tán qua lớp mặt ghép (không cần thêm năng lượng ngoài) và tạm thòi trỏ thành electron tự do chiếm mức năng lượng thấp trong vùng dẫn của miền p. Sau khi qua lớp mặt ghép các electron nhanh chóng bị mất năng lượng và kết hợp với các lỗ trống trong vùng hoá trị của miền p. Hiện tượng khuếch tán tiếp tục, vùng nghèo bắt đầu hình thành và mức năng lượng của vùng dẫn bị giảm. Sự giảm mức năng lượng này là do các electron năng lượng cao bị khuếch tán qua lớp mặt ghép sang miền p. Ngay khi đó, không có electron dời từ vùng dẫn miền N sang vùng dẫn miền p. Lúc đó, lớp mặt ghép ỏ trạng thái cân bằng bởi hiện tượng khuếch tán bị dừng lại. 2.4.3. Mặt ghép P-N khi phân cực ngược Phân cực ngược nghĩa là không cho phép dòng điện chạy qua mặt ghép P-N. Hình 2.10 chỉ ra điện áp một chiều cung cấp cho mặt ghép P -N , cực âm nôi với miền p, cực dương nối với miền N, và gọi điện áp đó là Vng. Cực dương của điện áp nguồn sẽ hút các electron tự do, là các hạt đa sô" trong miền N ra khỏi mặt ghép P-N. Trong miền N, khi các electron di chuyển về phía cực dương của nguồn thì các ion dương được tạo ra và kết quả làm cho vùng nghèo rộng ra. Trong miền p, các electron từ cực âm của nguồn và các electron hoá trị di chuyền qua các lỗ trống và đến vùng nghèo tạo ra các ion âm. Kết quả là làm cho vùng nghèo rộng ra và làm nghèo các hạt đa số. Dòng ban đầu của các hạt mang điện là quá độ và chỉ tồn tại trong thòi gian rất ngắn sau khi mặt ghép P -N bị phân cực ngược. Khi miền p và N nghèo các hạt dẫn đa số, điện trường giữa cực dương và cực âm giảm đên khi điện thê qua vùng nghèo bằng điện áp Vng. ở đây, dòng điện chạy qua mặt ghép P -N là rất nhỏ và có thể bỏ qua 41 và đạt đến một giá trị bão hoà gọi là dòng điện ngược bão hoà cua tiep x ú c P—N, ký hiệu là Is. Dòng điện qua mặt ghép l ú c đó là dòng n g u Ợ c . Hình 2.10. Tiếp xúc P-N khi phản cực ngược và đồ thị vùng năng lượng 2.4.4. Mặt ghép P-N khi phân cực thuận Phân cực thuận cho mặt ghép P—N là đặt một điện áp ngoài lên mặt ghép hay là cho phép dòng điện chạy qua mặt ghép P-N. Hiện tượng tái hợp Dòng lỗ trống c ộ oooooooooooooooodợ Vùng dẫn í * "fT• r»T••« ••• Dòng điện tử Hình 2.11. Mặt ghép P-N khi phân cực thuận và đổ thị vùng năng lượng Hình 2.11 chỉ ra điện áp một chiều cung cấp cho mặt ghép P -N , cực dương nối với miền p, cực âm nối với miền N, và gọi điện áp đó là v,h. Điện trỏ R đê giới hạn dòng điện bảo vệ mặt ghép P -N . Điện áp Vth phải lớn hơn điện áp mỏ. Khi phân cực thuận, cực âm của Vth sẽ đẩy các electron tự do trong miền N (là các hạt đa số) qua mặt ghép P—N. Dòng các electron tự do gọi là dòng điện tử. Cực âm của nguồn cũng đẩy các electron vào miền N. Điện áp nguồn truyền đủ năng lượng cho các electron tự do đ ê chúng vượt qua vùng nghèo và tới được miền p. Ó miền p các electron dẫn điện này bị mất năng lượng và tái hợp với các lỗ trông ở vùng hoá tri. Cực dương của nguồn sẽ hút các electron hoá trị về phía bên trái của miền p. 42 Các electron di chuyển từ lỗ trống này đến lỗ trông khác và tối được cực dương của nguồn. Các lỗ trông là các hạt đa sô" của miền p thực tê di chuyển sang bên phải lốp mặt ghép và gọi là dòng lỗ trông. Khi phân cực thuận, vùng dẫn của miền N được nâng lên đến mức năng lượng cao và gối lên vùng dẫn của miền p. Một sô" lượng lớn các electron tự do có đủ năng lượng để vượt qua rào và sang phía miền p, ở đây chúng kết hợp vối các lỗ trông ở vùng hóa trị như minh họa ở hình 2.11. Dòng điện chạy qua mặt ghép P-N khi phân cực thuận là : qu I... = I e KT 1 ih v c Is: Dòng ngược bão hoà. U: Điện áp ngoài đặt vào mặt ghép. KT U T = —— gọi là điện áp nhiệt, có giá trị khoảng 25mV. q Do điện áp Vth đặt vào mặt ghép P -N nên điện tử trong bán dẫn N và lỗ trông trong bán dẫn p bị đẩy về phía vùng nghèo, trung hoà bớt các ion âm và ion dương của miền này, do đó làm cho độ rộng của miền này hẹp lại so với khi cân bằng. Nhận xét: Mặt ghép P—N dẫn điện mạnh khi được phân cực thuận và hầu như không dẫn điện khi được phân cực ngược, đó là tính chất dẫn điện một chiều (tính chất chỉnh lưu) của mặt ghép P-N. 2.4.5. Đặc tuyên V-A của mặt ghép P-N Khi mặt ghép P -N phân cực thuận thì cho dòng qua mặt ghép, gọi là dòng thuận và ký hiệu là dòng IF. Đặt điện áp nguồn là ov thì không có dòng thuận qua mặt ghép. Khi tăng điện áp nguồn thì dòng thuận cũng tăng theo. Khi điện áp nguồn tăng tới xấp xỉ 0,7V thì dòng thuận tăng mạnh. Tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng thuận tăng rất nhanh nhưng điện áp qua mặt ghép P -N tăng từ từ trên 0,7V do ảnh hưởng của điện trở động trong chất bán dẫn. Khác với điện trỏ tuyến tính, điện trỏ động không phải là hằng sô trên toàn bộ đặc tuyến và gọi là điện trở xoay chiều, ký hiệu là rd. ơ điểm uôn của đặc tuyến, điện trỏ động có giá trị lớn nhất vì dòng điện tăng rất ít so với sự thay đổi điện áp (rj = AVp/AIp ). Sau đó, điện trỏ động giảm dần do dòng điện tăng mạnh so vối sự tăng điện áp. 43 Khi mặt ghép P -N phân cực ngược, chỉ có một dòn*g ngược rất nhỏ chạy qua (cỡ hoặc nA) và ký hiệu là IR. Tại ov không có dòng ngược, khi tăng điện áp nguồn thì có một dòng ngược rất nhỏ chạy qua. Khi tăng điện áp nguồn tối giá trị mà mặt ghép P—N đ ạ t tai giá t r ị đánh th ù n g B-. — Xét nửa chu kỳ âm của U 2: thì điểm A có điện thê âm, điểm B có điện thê dương, điôt D tắt (phân cực ngược). Vì vậy, dòng điện chạv trong mạch có trị số bằng không. Nhận xét: Điện áp ra chỉ xuất hiện trong nửa chu kỳ dương của U 2 vì vậy điện áp ra là điện áp một chiểu. 52 Đặc điểm: — Kêt cấu mạch đơn giản. - Độ g Ợ n s ó n g lớ n , v ì v ậ y đ ể đ i ệ n á p r a b ằ n g p h ẳ n g h ơ n t a có t h ê m ắ c t h ê m t ụ lọ c s o n g s o n g v ố i Rt. Tính toán giá trị dòng và áp trên tải: Điện áp xoay chiều (hiệu dụng) trên thứ cấp: U 2 = ^ . U , N, Nêu dùng mô hình tương đương thực tê của điôt thì biên độ điện áp ra trên tải là: Giá trị điện áp một chiều nhận được trên tải là: 1 8,33ms U ,“ ' = Ĩ M 7 T í U «p»sinC2lt-60,;iđt = ° ’ 3 1 8U -

Dòng một chiều nhận được trên tải là: B c nạp c phóng Hình 2.25. Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ 53 2.5.4.2. M ach chinh lưu hai nửa chu kỳ d ù n g h ai đ iô t Hình 2.26. Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Hoạt động: - Xét nửa chu kỳ dương của U91 (tức là nửa chu kỳ âm của U22): điôt thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều: A —> Dj—> Rt —> ov. - Xét nửa chu kỳ âm của U 2 1 (tức là nửa chu kỳ dương của U 2 o): điôt D2 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều: B -> D2 —> Rt -> ov. Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải. Sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ sử dụng điôt chính là hai sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ mắc song song có tải chung. Đặc điểm: - Mạch dùng 2 điôt. - Điện áp ngược đặt lên điôt lớn. Cảu tạo của biến áp dùng cuộn thứ cấp có điểm chung: - Công suất bé, điện áp ra bé. - Độ gỢn sóng ít hơn mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ, vì vậy để điện áp ra bằng phẳng hơn ta có thể mắc thêm tụ lọc song song với Rt. Tính toán giá trị dòng và áp trên tải: Điện áp xoay chiều (hiệu dụng) trên thứ cấp: u 2 = í ^ ễu, N, Nêu dùng mô hình tương đương thực tế của điôt thì biên độ điện áp ra trên tải là: 54 U r, p) = ư 2(p) - 0,7V Trong đó: ư r(p): Điện áp ra đỉnh. u 2(p): Điện áp thứ cấp đỉnh. Giá trị điện áp một chiều nhận được trên tải là: ^ 8,33ms 3ms u r(dc) 16,67ms |u r(p) sin(2;i.60t)dt = 0,636Ur(p) Dòng một chiều nhận được trên tải là: u I, = r(dc) R. 2.5.4.3. Chỉnh lưu cầu c nạp c phóng Hình 2.27. Mạch chỉnh lưu cầu Hoạt động: - Xét nửa chu kỳ dương của U2: điôt D, và D3 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều: A —> —» Rt-> D3 —> B. - Xét nửa chu kỳ âm của U2: điôt D2 và D4 thông nên có dòng điện chạy trong mạch theo chiều: B —» D2 —> Rt —> D4 —> A. Nhận xét: Trong cả hai nửa chu kỳ của điện áp xoay chiều đều có dòng điện qua tải. Đặc điểm: - Mạch dùng bôn điôt. - Điện áp ngược đặt lên mỗi điôt nhỏ hơn so với mạch chỉnh lưu dùng hai điôt. - Cấu tạo của biến áp đơn giản hơn. Tính toán giá trị dòng và áp trên tải: Điộn áp xoay chiều (hiệu dụng) trên thứ cấp: 55 u 2 = ^ .u , N, Nếu dùng mô hình tương đương thực tê của điôt thì biên độ điện áp ra trên tải là: u (p) = u,(p)-2.0.7V Ưr(p): Điện áp ra đỉnh. U 2(p): Điện áp thứ cấp đỉnh. Giá trị điện áp một chiều nhận được trên tải là: 8.33ms u I - _ fu sin(27i.60t)dt = 0.636U r(dc’ 16,67ms r(p)r( p) Dòng một chiều nhận được trên tải là: I, —Ur(*, R. 2.5.4.4. M ach bôi áp ' D, Tầng thứ 1 Tầng thứ n u, 0— c, u 2 d , ; c, c 2 Tu, a) Hai lần b) 2n lần Hình 2.28. Mạch bội áp Mạch nhân đôi điện áp được dùng trong nhtíng trường hợp đặc biệt, ví dụ như khi yêu cầu điện áp ra cao mà dòng tiêu thụ lại nhỏ (cõ |iA). Nếu dùng một tầng như hình 2.28a thì điện áp một chiều ỏ đầu ra gấp đôi trị sô" đỉnh của điện áp xoay chiều ở đầu vào, vì Cj và C2 được nạp đên giá trị đỉnh của điện áp vào qua Dj và D2 trong hai nửa chu kỳ âm và dương. Trên hình 2.28b trong nửa chu kỳ âm của điện áp U 2, Cj được nạp đến giá trị đỉnh U 9 thông qua Dị. Trong nửa chu kỳ tiếp theo C2 được nạp thông qua Cj và D2 với giá trị ƯC 2 = U C 1 + U 2 = 2U 9- Nếu có n tầng như vậy thì điện áp ra tải Ưr < nU9. Thường chọn n < 10. 2.5.5. Tra cứu điòt 2.5.5.1. Đ iôt chinh lưu Bảng tham sô" của điôt chỉnh lưu có ký hiệu 1N4001A, 1N4002A, 1N4003A, 1N4004A, 1N4005A, 1N4006A, 1N4007A. 56 1N4001A 1N4002A 1N4003A 1N4004A 1N4005A 1N4006A 1N4007A RL101 RL102 RL103 RL104 RL105 RL106 RL107 'Điện áp đỉnh naươc cưc đai 50 100 200 400 600 800 1000 V Điện áp hiéu dung cưc đai 35 70 140 280 420 560 700 V Điện áp mót chiều cưc đai 50 100 200 400 600 800 1000 V Dòng sau chỉnh lưu thuận trung binh cưc đại ở nhiẽt đò 55()c 1,0 A Dòng điện đình thuân 30 A Điên áp tức thời thuận cực đai vói I|ÌC= 1A 1,1 V Dòng điện ngược cực đại Ta= 25°c 5,0 A Ta = 100°c 500 Trung bình dòng điện ngược cực đai khi có tải ở T| =750C 30 A Điên dung măt ghép 15 pF Điẻn trở nhiẽt 50 uc /w Phạm vi nhiệt độ hoạt dộng - 6,5 đến +175 °c 2.5.5.2. Đ iôt ôn áp Bảng tham sô"của điôt ổn áp có ký hiệu từ 1N957 đến 1N978. Ký hiệu điôt Phạm vi ôn áp Điện trở động ở Hệ số nhiệt Dóng ró ngược cực dại Dòng cực ổn áp đó Van» lzT rZT |"zk u Ir2 điển Điên áp kiểm tra dai lỉM V mA Q Q mA Tại A Tại B hinh (mA) (mA) 1N957 6,8 18,5 4,5 700 1,0 0,050 150 4,9 5,2 47 1N958 7,5 16,5 5,5 700 0,£ 0,058 75 5,4 5,7 42 1N959 8,2 15 6,5 700 0,5 0,062 50 5,9 6,2 38 1N960 9,1 14 7,5 700 0,5 0,068 25 6,6 6,9 35 1N961 10 12,5 8,5 700 0,25 0,075 10 7,2 7,6 32 1N962 11 11,5 9,5 700 0,25 0,076 5 8.0 8,4 28 1N963 12 10,5 11,5 700 0,25 0,077 5 8,6 9,1 26 1N964 13 9,5 13 700 0,25 0,079 5 9,4 9.9 24 1N965 15 8,5 16 700 0,25 0,082 5 10,8 11,4 21 1N966 16 7.8 17 700 0,25 0,083 5 11,5 12,2 19 1N967 18 7,0 21 750 0,25 0,085 5 13,0 13,7 17 1N968 20 6,2 25 750 0,25 0,086 5 14,4 15,2 15 1N969 22 5,6 29 750 0,25 0,087 5 15,8 16,7 14 1N970 24 5,2 33 750 0,25 0,088 5 17,3 18,2 13 1N971 27 4,6 41 750 0,25 0,090 5 19,4 20,6 11 1N972 30 4,2 49 1000 0,25 0,091 5 21,6 22,8 10 1N973 33 3,8 58 1000 0 25 0,092 5 23,8 25,1 9,0 1N974 36 3,4 70 1000 0,25 0,093 5 25,9 27,4 ,5 1N975 39 3,2 80 1000 0,25 0,094 5 28,1 29,7 7,8 1N976 43 3,0 93 1500 0,25 0,095 5 31,0 32,7 7,0 1N977 47 2,7 105 1500 0.25 0.095 5 33,8 35,8 6,4 1N978 51 2,5 125 1500 0,25 0,095 5 36,7 38,8 5,9 2.5.5.3. Đ ỉôt cầu Bảng tham sô" của điôt cầu có ký hiệu W005M, W01M, W02M, W04M W06M, W08M, W10M. 57 Tham so Ky hiéu W005M W01M W02M W04M W06M W08M W10M Don vi tiién áp nqyoc dinh ci/c dai 50 100 200 400 600 800 ! 1000 _( V Oién ap vao hiéu duna cut dai 35 70 140 280 420 560 ¡ 700 V --------1 3 _ Oién ap mót chiéu cue dai 50 100 200 400 600 800 i 1000 V --------- £-------------------------- Dónq ra trunq binh cuC dai ó TA = 25°C lo 1.5 A Dónq thuán dinh 50 A Pham vi nhiét dó hoat dóng Tj - 55 den 125 “C Oién áp thuán ciíc dai V, 1.0 V Dóng ngiroc TA=25"C Ih10 j}A cut dai mAI TA=100nC 1 . . ---------- --- ----------------- -------------------------------- 2.5.5.4. D iót cóng su at Báng tham só cua diót cóng suat có ky hiéu tií 6A01 den 6A07. ■B - 4 R -í Cue tié u Cl,'c dai A 25 40 — B 8 60 9 10 C 1.20 1.30 D 8 60 9 10 T inh báng mm Tham só Ky hiéu 6A01 6A02 6A03 6A04 6A05 6AC6 6A07 Don vi Oién áp nguoc cut dai Oién áp ngifoc lám viéc Oién áp mót chiéu Vrhm VrwM V„ 50 100 200 400 600 800 1000 V Oién áp nguUc RMS Vm\s 35 70 140 280 420 560 700 V Dóng ra sau chinh luu trung binh lo 6,0 A Oién áp . ngiroc FSM If»i 400 A Oién áp thuán lf = 6,0A v ,„ 1.0 V Dong nguoc dinh o dién áp Ta = 25"C li«i 10 A mót chiéu TA = 100°C 1.0 A Oién dung mát ghép C. 140 ¡ 70 nF Oién tro nhiét mát ghép R„ en - £ Pham vi nhiét dó lám viéc L —65 dén 150 "■c CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Các chất rắn đươc chia thành 3 loại: chất bán dẫn, chất cách điên, chất dẫn điện dựa trên nguyên tắc nào? Tại sao gọi là vùng năng lượng? Một nguyên tử đứng cỏ láp có vùng năng lượng khõng? 2. Hãy so sánh 3 loại chất bán dẫn: chất bán dẫn thuần, chất bán dẫn loại N, chất bán dẫn loại p vế các mặt: đổ thị vùng năng lượng, cấu trúc tinh thể, hạt tải mang điện 3. Từ đâc tuyến V-A của điôt hãy nêu cách kiểm tra chất lượng mỏt điỏt khi dùng đóng hố vạn năng? 4. Khi nào thi cấn dùng mạch chỉnh lưu bội áp? Ưu và nhược điểm của mạch là gi7 Khi cấn dòng điên tiéu thụ trên tài lớn dùng mach chỉnh lưu bội áp có lợi không? Vi sao7 5. Hãy nêu các đặc điểm của mật ghép P-N khi không phân cực, khi phân cực thuận, khi phân cực ngược? 6. Cho đặc tính von-ampe của một điôt bán dẫn là: I = 20 10 - 12(eu/u' - 1) (A) Giả thiết u, = 26mV a) Hãy tinh các giá trị dòng điên tương ứng với các giá trị điện ap sau: -0,1; -0,2; -0,5; -0,6; -0,7; -0,8; 0; 0,1; 0,2; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 b) Dựa trên các kết quả tính toán được, hãy vẽ 'đặc tuyên von-ampe của điôt. c) Nếu mắc song song một nguốn pin 1,5V với điỗt trên thi dòng điên đi qua điỏt bằng bao nhiêu? d) Hãy tính điên trở động của điõt r = AV/Al khi U=0,5V. 7. Có thể thay thế một điòt ổn áp bằng môt điỏt chỉnh lưu không7 Tại sao? 8. Hãy cho biết điều kiện đóng mở của một điõt bán dẫn? Đặc điểm của điỏt khi đóng và khi mở. 9. Sử dụng một điện trỏ 1kQ, một bộ nguốn một chiều 1V, một điõt lý tưởng, hãy thiết kế mạch điện có đặc tuyến dòng-áp như sau; l(mA) ‘ l(mA) i / -2 -1 0. ______ w 1 / Ị ỵ~ w / \ / U(V) / UjV) / . ----------- -1 0 / a) b) Hinh 2.29 10. Nẽu môt sỏ ứng dung của điỏt bán dẫn. 11. Xác định vu, VR va I , trong mạch điện hinh 2.30. 12. Xác định V0 và lL, trong mạch điện hinh 2 31 59 13. Xác định I, vt, V2 và V0 trong mạch hình 2.32. 14. Cho mạch điện hinh 2.33. a) Xác định VL, lL, lz và lR nếu R, = 180Q. b) Xác định giá trị của R, sao cho điõt Zener hoạt động không quá cóng c) Xác định giá trị tối thiểu của R, để điôt Zener có thể hoạt đỏng được. 1r + V , Rs Si + 10V v0 • v w v -------w w ------—•----------- 220n 4.7K 1+ v, 20V \Jz- 10V 2,2K — 5V Hình 2.32 Hình 2.33 suất. 15. a) Thiết kế hệ thống mach có dạng hình 2.34 biết rằng V; =12V khi I thay đổi từ OmA đến 200mA. Xác định Rs và b) Xác định P /M của điôt Zener. 16. Trong mạch điện hình 2.35, xác định khoảng thay đổi của V sao cho V = 8V và điôt Zener hoạt động không quá công suất. Rq -A/VvV 100Í2 Vz = 8V 200! > R; V, PzrT, = 400mA - - ■ - 4 \ _______ Hinh 2.35 60 C hương <\ 3 / > TR(ìNZITO LƯỠNG cực Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của tranzito lưỡng cực NPN và PNP. Phân tích các họ đặc tuyến, các phương pháp mắc tranzito trong mạch khuếch đại và xét các sơ đồ phân cực cho tranzito NPN và PNP. 3.1 ế CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA TRANZITO 3.1.1. Cấu tạo N p N ■o B L Emitơ Colectơ . ;K.Ễ— k i—I— CH— 2. Bazơ B a) Emitơ p N p Colectơ Bazơ b) -N Hình 3.1. Cấu tạo của tranzito loại NPN (a) và PNP (b) Tranzito là một linh kiện bán dẫn gồm các miền bán dẫn tạp chất p, N xen kẽ nhau, tuỳ theo trình tự của miền p và miền N ta có hai loại cấu trúc điển hình: PNP và NPN với các ký hiệu quy ước trên hình 3.1. Đê’ tạo ra các cấu trúc này người ta áp dụng những phương pháp công nghệ khác nhau như: phương pháp hợp kim, phương pháp khuếch tán, phương pháp epitaxi... Miền N thứ nhất của tranzito NPN (với tranzito PNP là miền P) dược gọi là miền emitơ, miền này có nồng độ tạp chất lớn nhất, nó đóng 61 vai trò phát xạ các hạt dẫn (diện tử hoặc lỗ trông), diện cực nôi với miên này được gọi là cực emitơ, ký hiệu là E. Miền p kc tiêp (vói tran/jto PNP là miền N) dược gọi là miền bazư, miền này có nồng độ tạp chàt ít hơn, độ dày cúa nó rất nhỏ so vối kích thước toàn bộ tran/ito. Miền bazo dóng vai trò truyền dạt hạt dẫn, điện cực nôi với miền dược gọi là cực bazơ, ký hiệu là B. Miền N còn lại (với Lranzito PNP là miền P) dược gọi là miền colectơ, miên nàv có nồng độ tạp chất ít nhất, dóng vai trò thu gom các hạt dẫn, điện cực nôi với miên nàv gọi là cực colecto, ký hiệu là c. Mặt ghép P-N giữa emitơ và bazơ được gọi là chuyển tiôp omitơ, ký hiệu là J K. Mặt ghép P -N giữa bazơ và colectó được gọi là chuyển tiêp colectơ, ký hiệu là Jr. VỎ1 câu trúc như vậy, có thể coi tran/.ito như hai điôt mắc dôi nhau nhưng không có nghĩa là cứ mắc hai diôt dôi nhau là có thô thực hiện được chức năng của tran/ito. Bói vì khi đó không có tác dụng tương hỗ lẫn nhau của hai mặt ghép p N. Hiệu ứng tranzito chí xáv ra khi khoáng cách giữa hai chuyển tiêp nhó hơn nhiều so voi độ dài khuếch tán của hạt dẫn. 3.1.2. Nguyên lý hoạt động của tranzito Muôn cho tranzito làm việc ta phái cung cấp cho các cực cua nó một điệp áp một chiều thích hợp. Tuỳ theo điện áp dặt vào các cực mà tranzito làm việc ỏ các chế dộ khác nhau. Có ba chế độ làm việc chính cua tranzito: chế độ khuếch dại (tích cực), chê dộ bão hoà, chê độ cắt dòng. Đê mô tả hoạt động của tranzito, ta lấy tranzito loại NPN làm ví dụ. 3.1.2.1. Chê đô khuếch đ a i ơ chê độ khuêch đại ta phải cung cấp nguồn diện một chiều lên các cực sao cho chuyển tiếp emitơ J|Ọ phân cực thuận, chuyên tiếp colectơ J( phân cực ngược (hình 3.2). Chuyển liếp J[.; phân cực thuận nên các hạt đa số dược lãng cường khuếch tán qua chuyến tiếp J|.; tạo lên dòng IK. Cụ thể là: IK = I en + I|-:p Điện tử từ miền N (miền emito) khuếch tán sang p (miến bazo) tạo nên I|.;N. Lô trông từ miền p (miền ba/.ơ) khuếch tán sang N (miến emitơ) tạo nên 1 K|,. Vì nồng độ hạt da số trong miền ba/,0 ' ít hơn nhiều so V0 1 miến emitơ và bồ dày miền einitơ lớn hơn bê dày miền bazơ rất nhiều nôn I . >> 1 ;|, do đó I ị. = I ị.;ề«^ . 62 Các điện tử từ emitơ phun vào bazơ lại trở thành các hạt thiêu sô, do sự chênh lệch về nồng độ các điện tử này tiêp tục khuêch tán dôn miền điện tích không gian chuyển tiếp Jc. Tại đây chúng bị diện trường của chuyển Liếp Jc phân cực ngược cuốn sang miền colectơ tạo nôn dòng Ir. Dòng [(. gồm hai thành phần: dòng của các hạt điện tử từ miền emitơ, và dòng của các hạt thiêu số (điện tử ỏ miên bazơ khi chúa có sự khuếch tán từ emitơ sang và lỗ trông ỏ miền colcctơ). Dòng của các hạt thiếu sô được gọi là dỏng điện ngược It.|ị0 (hay còn gọi là dỏng điện rò) có giá trị rất nhỏ. Dòng điện 1(150 không phụ thuộc vào dòng điện IK nên không diều khiên được và đâv là thành phẩn dòng điện không cần thiết. Tuy miền bazơ hẹp và pha tạp ít nhưng sô lỗ trông là hạt dẫn da sô tại dâv cũng dáng kê so với sô hạt dẫn không cân bằng (điện tử) mới phun vào tù emitơ, cho nên trong miền bazơ vẫn xảy ra hiện tượng tái hợp. Hiện tượng tái hợp này làm trung hoà bốt điện tử và lỗ trông trong miền bazo, tương ứng với nó làm xuâ’t hiện dòng tái hựp I|J. Ap dụng dinh luật Kirchhof'f ta có: I E = lc + I]J. Dòng hạt đa sô Dòng hat thiểu sô Hình 3.2. Nguyên tắc hoạt đông của tranzito NPN 3.1.2.2. Chê đô cắt dòng ơ chê độ cát dòng ta phái cung câp nguồn diện một chiều lên các cực sao cho cả hai chuyển tiếp emitơ J F và chuyển tiếp colectơ J c đều phân cực ngược. Lúc này diện trỏ của tranzito rất lớn và qua tranzito chỉ có dòng diện ngược rất nhò cua chuyên tiêp colcctơ IC1 0 - 3.1.2.3. Chê đô bão hoà 0 chê dộ bão hoà ta phải cung cấp nguồn điện một chiều lên các cực sao cho cả hai chuyên tiếp emitơ J|.; và chuyên tiêp colectơ Jc đều phân cực thuận. Khi (ỉó diện trớ của hai chuyên tiếp J K và J(- rất nhỏ. Dòng diện qua tran/ito I, khá lỏn và gẩn bằng dòng bão hoà. 63 Chê độ khuếch đại là sử dụng tranzito như một phần tử tuyến tính để khuếch đại tín hiệu, trong khi chế độ bão hoà và cắt dòng thì tranzito làm việc như một khoá điện tử với hai trạng thái phân biệt: đóng (nôi mạch cho dòng di qua tranzito) và mơ (ngắt mạch không cho dòng chảy qua tranzito). Hinh 3.3. Hình dạng thực tế của một số loại tranzito Từ các mô tả trên ta có các quan hệ dòng điện trong tranzito như sau: Ie - Ic + Iiỉ; aE ơ đây a dc là hệ số truyền đạt dòng điện của tranzito ở chê độ một chiều, đế đánh giá mức dộ hao hụt dòng khuêch tán trong miên bazơ. Hệ sô' khuếch đại dòng điện ỏ chê độ một chiểu được định nghĩa: Từ đó ta có môi quan hộ giữa a dc. và PC1C như sau: 3.1.3. Tham sô của tranzito Dòng ICmax là dòng qua cực colectơ lớn nhất trong thời gian dài mà không làm tranzito nóng quá nhiệt độ cho phép. Điện áp ƯCmax là điện áp lớn nhất đặt vào hai cực colectơ-emitơ (trong sơ đồ EC hoặc CC) hoặc bazơ-colectơ (trong sơ đồ BC) mà không làm chuyên tiếp colectơ bị đánh thủng. Công suất P Cmax là công suất lớn nhất tiêu hao trên chuyển tiếp colectơ t’-ong thòi gian dài mà tranzito vẫn làm việc bình thường. Hộ sô a xác định chất lượng của tranzito (càng gần 1 càng tót). Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh p cho bict khả năng khuếch đại dòng điện của tranzito (càng lớn hơn 1 càng tôt). 64 D ò n g đ i ệ n r ò I cbo > d ò n g đ i ệ n r ò c à n g n h ỏ t h ì t r a n z i t o c à n g tô t. Nhiệt độ làm việc giới hạn là nhiệt độ cho phép lớn nhât bảo đảm cho tranzito làm việc còn ổn định. Tần sô' cắt fcmax là tần sô' lớn nhất mà tranzito có thể làm việc mà hệ số’ khuếch đại dòng điện hay hệ sô' truyền đạt dòng điện giảm đi và bằng 0,7 giá trị ban đầu (ký hiệu là fa và fp). 3.2. CÁC CÁCH MẮC cơ BẢN CỦA TRANZITO Trong các mạch điện, tranzito được xem như một mạng bốn cực: tín hiệu được đưa vào giữa hai cực và tín hiệu lấy ra cũng giữa hai cực. Tranzito là linh kiện bán dẫn có ba cực nên khi sử dụng phải đặt một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Dựa vào cách đưa tín hiệu vào và ra tại các cực của tranzito ta có ba cách mắc cơ bản của tranzito: mạch bazơ chung (BC), mạch emitơ chung (EC), mạch colectơ chung (CC). 3.2.1. Mạch bazơ chung (BC) Trong cách mắc bazơ chung, tín hiệu vào được đặt giữa hai cực emitơ và bazơ, còn tín hiệu ra lấy từ cực colectơ và bazơ. Sơ đồ cách mắc BC được minh hoạ ỏ trên hình 3.4. c E Ic E E o « c ■o c u.u B o ■o o ■o BB a) b) Hình 3.4. Sơ đổ cách ghép BC (a): tranzito NPN, (b): tranzito PNP Trên hình 3.4 chiều mủi tên chỉ chiều của dòng điện trên các cực của tranzito. Để thấy rõ quan hộ giữa các dòng điện và điện áp trên các cực của tranzito trong cách mắc BC người ta dùng ba họ đặc tuyên: họ đặc tuyến vào, họ đặc tuyến ra và họ đặc tuyên truyền đạt. 3.2.1.1. Ho đ ặ c tuyên vào Đặc tuyến vào (hình 3.5) là quan hộ giữa dòng điện vào IE biến thiên theo điện áp vào U EB khi điện áp ra U C1Ị giữ khC <=Ị đổi. It; = f(U|.:lì) khi UCI3 = const. 65 Đê nhận được đặc tuyên vào trong cách mắc BC, cần giữ U rB một giá trị không đối, thay đổi giá trị điện áp U Kn và ghi lại giá trị dòng IE tương ứng, sau đó biểu diễn kết quả này trên trục toạ độ IE, U KB. Nhận xét: Do chuycn tiếp emitơ luôn phân cực thuận cho nên đặc tuyến vào của mạch bazơ chung cơ bản giông đặc tuyến thuận của điôt. ứ ng với Hình 3.5. Đặc tuyến vào của cách mắc điện áp Ư FB cố định dòng vào IE BC đối với Tranzito NPN :àng lớn khi điện áp ra U CIJ càng lỏn vì khi tăng ƯCB làm cho miền điện tích không gian của chuyên tiêp colectơ 1 'ộng ra làm cho khoảng cách hiộu dụng giữa chuyển tiêp emitơ và colectơ ngắn lại, do đó làm dòng IE tăng lên. 3.2.1.2. Đ ặc tuyến ra Đặc tuyến ra (hình 3.6) là quan hệ giữa dòng điện ra Ic biến thiên theo điện áp ra U CR khi dòng điện vào IE giữ không đổi. Ic = f(Urn) khi IK = const. Để nhận được đặc tuyên ra trong cách mắc BC, cần giữ Ip ở một giá trị không đổi, thay đổi giá trị điện áp ucu và ghi lại giá trị dòng Ic tương ứng, sau dó biểu diễn kêt quả này trên trục toạ độ Ic, U CLỊ. Nhận xét: Khi U clỊ tăng lên, Ic chỉ tăng không đáng kể, nghĩa là hầu hết các hạt dẫn được phun vào miền bazơ từ miền emitơ đểu đến được miền colectơ (dĩ nhiên Ic < IE). Khi u cn tăng làm cho độ rộng miền điện tích không gian chuyển tiếp colectơ lớn lên, độ rộng hiệu dụng của miên bazơ hẹp lại, sô hạt dẫn đên dược miền colectơ nhiều hơn nên dòng Ic tăng lên. Trong cách mắc BC khi điện áp ra U CB giảm tối không thì dòng điện ra Ic vẫn chưa giảm đến không. Bơi vì khi điện áp ƯCB giảm đến không thì bản thân chuyên tiếp colectơ vẫn còn điện thê tiêp xúc. chính điện thế tiếp xúc colectơ đã cuốn những hạt dẫn từ bazơ sang colectơ làm cho dòng Ic tiếp tục chảy. Đê dừng hẳn dòng Ic thì chuyên tiép coìectơ phải được phân cực thuận vối giá trị nhỏ nhât bằng điện thê tiôp xúc làm cho các hạt dẫn từ bazơ không thể sang được colectơ (Ic = 0 ). 66 Nêu t ă n g đ i ệ n áp n g ư ợ c Uru đến m ộ t g i á t r ị n h ấ t đ ị n h n à o đó (g ọ i là đ i ệ n á p đ á n h t h ủ n g ) d ò n g I c t ă n g l ê n đ ộ t n g ộ t có t h ể d ẫ n đ ế n h ỏ n g t r a n z i t o . Hình 3.6. Đặc tuyến ra và đãc tuyến truyền đạt của cách mắc BC đối với tranzito NPN 3.2.1.3. Đ ăc tuyến truyên đ a t Đặc tuyến truyền đạt (hình 3.6) là quan hệ giữa dòng điện ra Ic biên thiên theo dòng điện vào IE khi diện áp ra U CR giữ không đổi. Ic = f(IE) khi u r[ỉ = const. Để vẽ đặc tuyến này có hai cách: lioặc bằng thực nghiệm hoặc từ đặc tuyên ra. - Bằng thực nghiệm: Giữ nguyên điện áp UCB, thay đổi dòng vào IE, ghi lại các kết quả tương ứng dòng Ic, sau đó biểu diễn các kết quả thu được trên hệ toạ độ Ic, IK. - Bằng cách suy từ đặc tuyến ra: Tại vị trí ucn cho trước trên đặc tuyến ra, vẽ đường song song với trục tung, đưòng này cắt đặc tuyến ra ở những điểm khác nhau. Tương ứng vối giao điểm này tìm được giá trị Ic. Trôn hộ toạ độ Ic, IK vẽ những điểm có toạ độ IC) IE vừa tìm được, nổi các điểm này với nhau ta được đặc tuyến truyền đạt. 3.2.2. Mạch emitơ chung (EC) Trong cách mắc EC, điện áp vào được mắc giữa cực bazơ và cực 67 emitơ, còn điện áp ra lấy từ cực colectơ và cực emitơ. Sơ dồ cách măc EC được cho trên hình 3.7. Iß II Í , - I IX o----------- - IE Î o------------- u. ------------o b) Hình 3.7. Sơ đổ cách mắc EC a) Tranzito NPN, b) Tranzito PNP 3.2.2.1. Đ ặc tuyến vào Đặc tuyến vào (hình 3.8) là quan hệ giữa dòng điện vào IB biến thiên theo điện áp vào UBF khi điện áp ra U rE giữ không dôi. IB = f(UBE) khi U CF = const. Đê nhận được đặc tuvến vào trong cách mắc EC, cần giữ UCE ỏ một giá trị không đối, thay đôi giá trị điện áp Ư J J E và ghi lại giá trị dòng IịỊ tương ứng, sau đó biểu diễn kêt quả này trên trục toạ độ IB, U|iK. Nhận xét: Hinh 3.8. Đặc tuyến váo của cách mắc Ec đối VỚI Tranzito NPN Đặc tuyến vào của cách mắc EC giông như đặc tuyến của chuyển tiếp P -N phân cực thuận, vì dòng IB trong trường hợp này là một phần của dòng tổng IK chảy qua chuyển tiếp J E phân cực thuận, ứ n g vối một giá trị ƯliE nhất định dòng IB càng nhỏ khi U CE càng lốn, vì khi tăng U CK tức là tăng U (-u làm cho miền diện tích không gian của chuyên tiếp colectơ rộng ra chủ yếu vê phía miền bazơ pha tạp ít. Diện áp U (u càng lớn thì tý lệ hạt dẫn đến colectơ càng lớn, sô' hạt dẫn bị tái hợp trong miền bazơ để tạo thành dòng bazơ càng ít, do đó dòng bazờ nhò đi. 68 3.2.2.2. Đ ặc tuyên ra Đặc tuyến ra (hình 3 .9 ) là quan hệ giữa dòng điện ra Ic biến thiên theo điện áp ra U CE khi dòng điện vào IB giữ không đổi. Ic = f(UCE) khi IB = const. Để nhận được đặc tuyến ra trong cách mắc EC, cần giữ IB ở một giá trị không đổi, thay đổi giá trị điện áp U CE và ghi lại giá trị dòng Ic tương ứng, sau đó biểu diễn kết quả này trên trục toạ độ Ic, U CE. Nhận xét: Tại vùng tích cực, độ dốc của đặc tuyến nhỏ nhất vì trong cách mắc EC dòng IE không giữ cô' định. Khi tăng U CE độ rộng hiệu dụng miền bazơ hẹp lại làm cho hạt dẫn đến colectơ nhiều hơn, do đó dòng Ic tăng lên. Khi U CE giảm xuống không thì Ic cũng giảm xuống không. Bơi vì khi đó chuyển tiếp colectơ phân cực thuận sẽ đẩy những hạt thiểu số tạo thành dòng colectơ quay trở lại miền bazơ làm cho dòng Ic giảm xuống không. Nếu tăng U CE lên quá lớn thì dòng Ic sẽ tăng lên đột ngột. Đó là miền đánh thủng chuyên tiếp Ic của tranzito. Do đó khi tranzito làm việc ở điện áp U CE lớn cần có biện pháp hạn chế dòng Ic đề phòng tranzito bị phá huỷ bơi dòng Ic quá lớn. 3.2.2.3. Đ ặc tuyến truyên đ a t Đặc tuyến truyền đạt (hình 3.9) là quan hệ giữa dòng điện ra Ic biến thiên theo dòng điện vào IB khi điện áp ra U CE giữ không đổi. Hình 3.9. Đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của cách mắc EC đối với tranzito NPN 69 Ic = f(IJi) khi U CE = const. Đê vẽ đặc tuyến này có hai cách: hoặc bằng thực nghiệm hoặc từ đặc tuyên ra. — Bằng thực nghiệm: Giữ nguyên điện áp U CE, thay đổi dòng vào IB ghi lại các kết quả tương ứng dòng Ic, sau đó biểu diễn các két quả thu được trẽn hệ toạ độ Ic, In. — Bằng cách suy từ đặc tuyên ra: Tại vị trí U CE cho trước trôn đặc tuyên ra, vẽ đường song song vối trục tung, đường này cắt đặc tuyên ra ờ những điểm khác nhau. Tương ứng với giao điểm này tìm được giá trị Ic. Trên hệ toạ độ Ic, IB vẽ những điểm có toạ độ Ic, Iu vừa tìm được, nôi các điếm này vối nhau ta dược đặc tuyến truyền đạt. 3.2.3. Mạch colectơ chung (CC) Trong cách mắc c c , điện áp vào dược mắc giữa cực bazơ và cực colectơ, còn điện áp ra lấy từ cực emitơ và cực colectơ. Sơ đồ cách mắc cc được cho trên hình 3.10. ur a) Tranzito NPN; b) Tranzito PNP Ib^ ) 3.2.3.1. Đ ặc tuyến vào Đặc tuyên vào (hình 3.11) là quan hộ giữa dòng điện vào IB biến thiên theo điện áp vào Ưlir khi điện áp ra UFC giữ không dôi. IB = f(UBC) khi U FC = const. Đe nhñn được đặc tuyên vào trong cách mắc c c , cần giữ U EC UF 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 2V upr = 4V -5 UBC(V) một giá trị không đổi, thay đổi giá trị 70 Hinh 3.11. Đặc tuyến vào cùa cách mắc cc đối với tranzito NPN điện áp unc và ghi lại giá trị dòng IB tương ứng, sau đó biểu diễn kết quả này trên trục toạ độ IB, U BC. Nhận xét: Đặc tuyến vào của cách mắc cc có dạng khác hẳn so với đặc tuyên vào của hai cách mắc EC và BC. Bơi vì trong cách mắc mạch cc điện áp vào UBC phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra U EC (khi làm việc ỏ chê độ khuếch đại, điện áp UßE đôi vói tranzito silic luôn giữ khoảng 0,7V, còn tranzito gemani vào khoảng 0,3V, trong khi điện áp U EC biên đổi trong khoảng rộng). Với cùng một giá trị điện áp U EC dòng điện I[Ị giảm khi điện áp UBC tăng. 3.2.3.2. Đ ăc tuyến ra Đặc tuyến ra là quan hệ giữa dòng điện ra IE biên thiên theo điện áp ra U EC khi dòng điện vào Ib giữ không đổi. IE = f(UEC) khi IB = const. Đê nhận được đặc tuyến ra trong cách mắc cc, cần giữ I| 3 ở một giá trị không đổi, thay đổi giá trị điện áp U EC và ghi lại giá trị dòng IF tương ứng, sau dó biêu diễn kết quả này trên trục toạ độ IE, U EC. 3.2.3.3. Đ ăc tuyến truyên đ a t Đặc tuyến truyền đạt là quan hệ giữa dòng điện ra IE biến thiên theo dòng điện vào IB khi điện áp ra U FC giữ không đổi. IE = Í'(I|¡) khi U FC = const.. Đe vẽ đặc tuyến này có hai cách: hoặc bằng thực nghiệm hoặc từ đặc tuyên ra. Bằng thực nghiệm: Giữ nguyên điện áp ƯEC, thay đổi dòng vào IB, ghi lại các kết quả tương ứng dòng IE, sau đó biểu diễn các kết quả thu được trên hộ toạ độ I E, I[Ị. Bằng cách suy từ đặc tuyến ra: Tại vị trí U EC cho trước trên đặc tuyến ra, vẽ đường song song với trục tung, đường này cắt đặc tuyến ra ỏ những diêm khác nhau. Tương ứng với giao điểm này tìm được giá trị IE. Trôn hộ toạ độ IK, IB vẽ những điểm có toạ độ IE, In vừa tìm được, nối các điểm này VỚ I nhau ta được đặc tuyến truyền đạt. Bởi vì ĩ c =s I).; cho nên đặc tuyên ra và đặc tuyến truyền đạt trong cách mác cc tương tự như cách mắc EC nhưng thay Ic bơi IE ,ƯCE bởi U EC. 71 3.3. PHÂN cực CHO TRANZITO LƯỠNG cực 3.3ẵ1. Giới thiệu Đê tranzito lưỡng cực hoạt động ta phải phân cực cho tranzito, nghĩa là đưa một điện áp một chiểu từ bên ngoài vào chuyên tiêp emitơ và colectơ với giá trị và cực tính phù hợp. Khi các giá trị điện áp một chiều đặt vào tranzito đã xác lập, dòng điện tĩnh qua tranzito cũng như điện áp tĩnh trên các cực tranzito sẽ có những giá trị nhất định, người ta gọi đó là điều kiện phân cực cho tranzito. Trên đặc tuyến ra của tranzito, điều kiện phân cực này được thể hiện qua điểm làm việc tĩnh Q. Nhiều tham sô của mạch tranzito phụ thuộc vào điểm làm việc tĩnh. Bỏi vậy vấn đề phân cực cho tranzito không những nhằm làm cho tranzito có thể làm việc bình thường mà còn đảm bảo sao cho mạch tranzito có được những tham sô tôi ưu đôi với từng mục đích sử dụng. Khi phân cực nếu: Chuyển tiếp emitơ phân cực thuận, chuyên tiêp colectơ phân cực ngược tranzito sẽ hoạt động trong vùng tích cực. Khi tính toán chê độ một chiều trong vùng này ta thường sử dụng các công thức: U(3E = 0,7V I e ~ (P+ 1)Ib ~ Ic Ic = pllỉ Chuyên tiêp emitơ phân cực ngược, tranzito sẽ làm việc trong vùng cắt. Chuyên tiếp emitơ và colectơ đều phân cực thuận, tranzito sẽ làm việc trong vùng bão hoà. Chú ý: để tranzito khuếch đại tín hiệu phải phân cực cho nó hoạt động ở vùng tích cực» — Đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh. Đường tải tĩnh là đường biểu diễn môi quan hệ giữa dòng điện đầu ra và điện áp đầu ra ỏ chê độ một chiều. Đường tải tĩnh được vẽ trên đặc tuyến ra của tranzito đê nghiên cứu dòng điện và điện áp khi nó mắc trong mạch cụ thô nào đó (khi có tải). Điểm làm việc tĩnh (còn gọi là điểm công tác tĩnh và thường ký hiệu là điểm Q) là điểm nằm trên đường tải tĩnh xác định dòng điện và điện áp trên tranzito khi chưa có tín hiệu xoay chiếu đặt vào, tức là xác định diều kiện phân cực tĩnh cho tranziío. Đê tranzito khuếch đại dược tín hiệu, đ i ể m làm việc tĩnh Q ohải nằm trong vùng tích c ự c . nêu chọn được điểm Q thích hợp (thường là giữa đặc tuyên ra) thì b i ê n độ t í n hiệu ra 72 c ó thể l ớ n m à không bị méo (méo nghĩa là dạng tín hiệu ra khác VỐI dạng tín hiệu vào). Nếu chọn điểm làm việc tĩnh không thích hợp, muôn cho tín hiệu không méo thì biên độ tín hiệu lại nhỏ. — On định điểm làm việc tĩnh khi nhiệt độ thay đôi. Các tham sô' của- tranzito rất nhạy cảm VỚI nhiệt độ. Hai đại lượng nhạy-cảm với nhiệt độ nhất và thường cũng ảnh hưỏng nhiều đến sự ổn định điểm làm việc tĩnh của tranzito là điện áp U BE và dòng rò ngược Ico. Thực nghiệm chứng minh rằng nhiệt độ thay đổi khiến U BE thay đôi, nếu đo bằng tỷ sô" (AUue /AT) sẽ bằng -2,0mV/°C đôi với tranzito silic và - l , 8 mV/°C đối với tranzito gemani. Còn dòng Ico nói chung tăng gấp hai lần khi nhiệt độ tăng 10°c. u 3.3.2. Mạch phân cực kiểu cố định Sơ đồ mạch phân cực cô" định sử dụng tranzito NPN được cho trên hình 3.12 (với tranzito PNP sơ đồ, các công thức và cách tính hoàn toàn tương tự, bằng cách thay đổi chiều dòng điện và cực của điện áp cung cấp). E Theo định luật Kirchhoff cho vòng bazơ—emitơ ta có: RbHinh 3.12. Mạch phản cực cố định Khi làm việc, chuyên tiếp emitơ luôn phân cực thuận, cho nên UịiE thường rất nhó (từ 0,2 đến 0,7V), u cc Uẹc không đôi, Rb không đôi, do đó dòng IB Rc từ nguồn một chiếu cung cấp cho tranzito sẽ không đổi, bới vậy cách phân cực này gọi là phân cực bằng dòng cô định. Ta có: I(' = pI|Ị Theo định luật Kirchhoff cho vòng colectơ — emitơ ta có: lc(mA) U(-c = I('K( + Uck => Ut.E - Ucc - ICRCHinh 3.13. Đường tải tĩnh Biểu thức trên dược gọi là phương trình đường tải tĩnh. Đê vẽ đường tái tĩnh ta cần xác định hai điếm : 1 0 G T L K O IE N T Ư A 73 Điểm thứ nhất: UCE = 0 suy ra Ic = Ucc/Rc (điểm ngắn mạch của tranzito)ế Điểm thứ hai: Ic = 0 suy ra UCE = u cc (điểm hỏ mạch của tranzito). Với hai điểm này ta vẽ được đường tải tĩnh như hình 3.13. Nêu thay đổi giá trị của điện trở RB sẽ làm cho IB thay đôi, khi đó đường tải tĩnh không đổi, nhưng điểm làm việc tĩnh Q sẽ dịch lên hoặc xuông (hình 3.14). - Khi thay đổi giá trị điện trở Rc và giữ nguyên nguồn u cc sẽ làm đường tải tĩnh thay đổi như hình 3.14a. — Khi giữ nguyên giá trị Rc và thay đổi nguồn u cc thì đường tai tĩnh sẽ dịch chuyển như hình 3.14b. Nhận xét: Mạch này có độ ổn định nhiệt kém nên chỉ dùng khi mạch yêu cầu độ ổn định nhiệt không cao. V í dụ 1: Cho mạch điện như hình 3.15. Hãy tính dòng điện và điện áp tại các cực của tranzito ỏ chê độ một chiều. Giải: IB =_ U C C ~ U BE _ 15V-0,7V Rb 330kQ= 43,33|iA Ic = p i B =4333|iA = 4,333mA Ucp = Ư CC- I C.RC =15-4,333.2,2 = 5,4674V U b = U b, + U e = 0.7V Uc = UCE + U E = 5,4674V ƯBC = U B- Ư C = 0 ,7 -5 ,4 6 7 4 = - 4 ,7674V Trong trường hợp này UE = ov. 74 Giá trị U BC âm, chứng tỏ chuyển tiêp colectơ phân cực ngược. u cc = + 15V Hinh 3.15 Ví dụ 2: Cho mạch phân cực cô" định có đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh Q như hình 3.16. Hãy tính các giá trị ucc, RB, Rc. Giải: Từ hình 3.16 ta có: Tại Ic = 0 : ƯCF = ư cc = 20V Tại U CE = 0: Ic = 5mA R U«L = 2ỌV_ = 4 k n c Ic 5mA u BH _ 20V - 0,7V 4ịiA= 4,825MQ 3.3.3. Mạch phân cực kiểu hổi tiếp điện áp Mạch phân cực hồi tiếp điện áp + o được cho trên hình 3.17. Một đường < Rc hồi tiếp từ cực c vê cực B làm cho Ru c, -)b *'ccie u, i Ie mạch đạt được sự ổn định đáng kể. Tuy nhiên điểm làm việc Q (được xác dịnh bơi ICQ và UCEq) không hoàn toàn dộc lập p, nhưng ôn định hơn so với mạch phân cực bằng dòng cố định hoặc phân cực emitơ. Hình 3.17. Mạch phàn cực hổi tiếp điện áp Theo định luật Kirchhoff II cho vòng bazơ—emitơ ta có: U (T — (I (-Re + I[ịRu + Uịju + IeRe) = 0 75 Mặt khác: I’c = Ic + IB. Tuy nhiên, dòng Ic và I’c quá lốn so với IB nên I’c w Ic . Thay thê I’c ~ Ic ~ PIb và Ie ~ Ic sẽ có kết quả là: 1 0 p Ucc - PIb Rc ~ Ib^b — Ube — PIb Re - 0 °—) \ Rút gọn ta có: Uv u cc — UBE — Ị3Ib (Rc+Re) ~ Ib^ b — 0 Vây dòng IB là: IB = -------—----- —---- 8 R B+P(RC + RE) Kết quả trên cho ta thấy phản hồi của điện trở Rc trỏ lại đầu vào, tương ou, 10nF Hình 3.18 15V 2 .2 kn đương với sự phản hồi của RE. Điện trỏ Rb làm nhiệm vụ hồi tiếp âm cả điện áp một chiểu và xoay chiều. Trong đó hồi tiếp âm điện áp xoay chiểu làm giảm hệ sô khuếch đại của mạch. Để khắc phục, thay điện trở RB bằng hai điện trở với một tụ nối giữa 330k0 uu o 10nF 10mF — IG-^U, p = 150 Ikn chúng xuống mát. Ví dụ 3: Xác định ICQ và ƯCEQ trong hình vẽ 3.19. Giải: Ir =14,3V Hình 3.19 R b + (P + 1)Re 330kQ+151kQ= 29,73ịiA Ic = p iB = 150. 29,73(iA = 4,46mA U c e q “ u c c — I c ( R c + R e ) = 15V - (4,46mA)(2,2kQ+lkQ) = 0,73V Ví dụ 4: Tiếp tục tính lại ví dụ 3 với p = 90 Giải: Và 76 Ị - U c c - U bh _ 15V - 0,7V u Rb+P(Re + Rc ) 330kQ + 90(2,2kQ + lkQ) Ic = pIB = 90.23,lfiA = 2,08mA U c e q = U c c — I c ( R c + R e ) = 15V - (2,08mA)(2,2kf2 + lkQ) = 8,344V Nếu I’c « Ic, dường tải tĩnh của mạch hồi tiếp điện áp tương tự như mạch phân áp và mạch phân cực emitơ. 3.3.4. Mạch phân cực kiểu hồi tiếp dòng điện Mạch phân cực ổn định cực emitơ như hình 3.20. Điện trở Re được mắc thêm để tăng độ ổn định hơn so với mạch phân cực cô" định (điều này sẽ 6- được minh hoạ qua các ví dụ sau này). Theo định luật Kirchhoff II cho vòng bazơ-emitơ, ta có: Ucc = Ib^ b + U BE + IeRe Ta đã biết IE = (P +1)IB Thay vào phương trình trên ta có: Hình 3.20. Sơ đổ phản cực hổi tiếp dòng điện u cc = IbRb ■*" U[JE + (P +1)IbRe => U BE = Ưcc — Ib^ b — (P iìRk Rút IB ta được: Khi nhiệt độ tăng dẫn đến dòng của tranzito tăng (do sự phát xạ cặp điện tử, lỗ trông tăng) thì U BE giảm, dòng tranzito giảm cho nên mạch có tác dụng ôn định nhiệt tốt. Theo định luật Kirchhoff II cho vòng colectơ - emitơ, ta có: Ưcc — ICRC + U CE +IkRe Thay thế IE as Ic ta có: UCE — Ucc — Ic(Ro+ Rk) Điện áp UF được xác định bằng: U E = IERE Điện áp U(- được xác định bằng: U(- = U CE + U E hoặc u c = u cc - ICRC Diện áp tại cực B có thể xác định từ : UB = Ưcc - IBRB hoặc U B = U BE + ƯE Điện trỏ Re làm nhiệm vụ hồi tiếp âm dòng điện, đê ngăn không cho hồi tiếp âm dòng xoay chiều (vì hồi tiếp âm dòng xoay chiều làm giảm hệ số khuếch đại của mạch) mắc tụ CK song song với điện trỏ RE để ngắn mạch đối với dòng xoay chiều (ZCE « Rị.;). Đường tải tĩnh của mạch phân cực emitơ được xác định như sau: U c ẽ - U c c — IcC R c'1' K e) De vẽ đường tài tĩnh ta cần xác dịnh hai điểm: 77 20V - Điểm thứ nhãt: U CE = 0 suy ra Ic = UCC/(RC + RE) — Điểm thứ hai: Ic = 0 suy ra UCE = u cc. Ví dụ 5: Cho sơ đồ mạch phân cực emitơ như hình 3.21. Tính toạ độ điểm làm việc tĩnh Q của mạch. Giải: Ưcc-Ư w cc w BE _ _____T / T_________ 20V - 0 , 7V IB = Ru+(P+1)Re 470kQ + (121).0,56kQ= 35,89|iA ICQ = p iB = 120.35,89fxA = 4,3mA UCEQ = ư cc - lc (Rc +Re)= 2 0 V - 4,3mA.(2,2kQ + 0,56kQ) = 8,13V 3.3.5. Mạch phân cực kiểu phân áp Trong các mạch phân cực trước, sự phân cực dòng diện ICQ và diện áp UCEQ là một hàm sô" của hệ sô khuếch dại dòng điện (Ị3). Trong khi đó, Ị3 là nhạy cảm VỚI nhiệt độ và giá trị thực tế của p thì thường không được xác định chính xác. Vì thế, xây dựng dược một mạch phân cực mà ít phụ thuộc, hoặc độc lập với Ị5 là vô cùng quan trọng. Với sơ đồ của mạch phân áp như hình 3.22, nêu chọn được các tham sô của mạch hoàn hảo thì dòng điện ICQ và điện áp U C E Q có thể hoàn toàn độc lập vối p. 3.3.5.1. P h ản tích chính xác Hình 3.22. Mạch phản áp Đầu vào của sơ đồ hình 3.23 có thể vẽ lại như hình 3.24. Hình 3.23 Hình 3.24. Xác đinh u., 78