Giáo trình Vật lý điện từ: Phần 2

Phần 2 của giáo trình Vật lý điện từ tiếp tục trình bày những nội dung về: bài 4 - Từ trường tĩnh; bài 5 - Cảm ứng điện từ; bài 6 - Cuộn cảm và ứng dụng; bài 7 - Trường và sóng điện từ; bài 8 - Vật rắn tinh thể siêu dẫn; bài 9 - Chất bán dẫn và ứng dụng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 117 BÀI 4: TỪ TRƢỜ G TĨ H Sau học xong này, sinh viên có thể: - Nêu khái niệm tương tác từ, từ trường, cảm ứng từ, nguyên lý chồng chất từ trường, từ thông, định lý Gauss cho từ trường - Hiểu vận dụng định lý Ampère dịng tồn phần định lý Ampère lực tương tác phần tử dòng điện - Nắm cách xác định lực tác dụng từ trường lên mạch điện kín - Nêu từ trường hạt điện chuyển động; lực Lorentz; đặc trưng hạt điện chuyển động từ trường - Hiểu hiệu ứng Hall; nêu vài ứng dụng 4.1 TỪ TRƢỜ G, Ị H UẬT BIOT - SAVART - LAPLACE 4.1.1 Tƣơng tác từ Các tượng điện, từ người biết đến từ lâu, khơng biết chúng có liên quan với Mãi đến năm 1820, Oersted, nhà vật lý người Đan Mạch phát tượng đặt kim nam châm gần dây dẫn có dịng điện chạy qua kim nam châm bị lệch Như dịng điện nam châm có tương tác Sau Ampère, nhà vật lý người Pháp, phát rằng, dòng điện tương tác với Sự tương tác nam châm với nam châm, dòng điện với nam châm, dòng điện với giống gọi tương tác từ 118 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 4.1.2 Khái niệm từ trƣờng, vectơ cảm ứng từ vectơ cƣờng độ từ trƣờng Giữa dịng điện ln có tương tác lẫn Để giải thích lan truyền tương tác dòng điện, ta phải thừa nhận tồn môi trường “vật chất” bao quanh dịng điện làm mơi giới cho lan truyền tương tác Mơi trường vật chất gọi từ trường Từ trường đặc trưng đại lượng vectơ gọi vectơ cảm ứng từ, ký hiệu B Trong mơi trường vật chất, ngồi vectơ cảm ứng từ B , người ta đưa vào vectơ cường độ từ trường H để đặc trưng cho từ trường điểm Trong môi trường đồng đẳng hướng, hai đại lượng liên hệ với hệ thức: H B 0 (4.1)  hệ số từ môi môi trường (trong chân khơng   1, khơng khí  lớn khơng đáng kể nên coi 1), 0  4 107 H / m số từ 4.1.3 ịnh luật Biot - Savart - Laplace a Vectơ phần tử dòng điện Trên dây dẫn có dịng điện I chạy qua, lấy đoạn chiều dài nhỏ dl Đại lượng Idl gọi vectơ phần tử dòng điện Vậy, vectơ phần tử dịng điện có phương chiều phương chiều dịng điện có độ lớn I dl b ịnh luật Biot - Savart - Laplace Bằng thực nghiệm nhà vật lý Biot, Savart Laplace xác định vectơ cảm ứng từ d B gây phần tử dòng điện Idl điểm M cách Idl đoạn r là: dB  0 Idl  r 4 r3 (4.2) BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 119 r vectơ xác định vị trí M gốc vectơ phần tử dòng điện Idl (hình 4.1) Biểu thức (4.2) gọi định luật Biot - Savart - Laplace Vectơ d B có:  Phương: vng góc với mặt phẳng chứa Hình 4.1: Vectơ cảm ứng từ Idl r  Chiều: tuân theo quy tắc đinh ốc: xoay đinh ốc quay từ vectơ phần tử dòng điện Idl đến vectơ r theo góc nhỏ chiều tiến đinh ốc chiều vectơ d B  Độ lớn: dB  0 Idl sin  4 r2  góc Idl r  Vectơ cảm ứng từ B dòng điện tổng vectơ cảm ứng từ d B vectơ phần tử dòng điện:  B dB   dong dien  0 Idl  r r3  dong dien  4  (4.3)  Vectơ cảm ứng từ B n dòng điện khác tổng vectơ cảm ứng từ dòng điện:     n  B  B1  B2   Bn   Bi (4.4) i 1  Bi cảm ứng từ dịng điện Ii c Cảm ứng từ dòng điện thẳng Cho dịng điện có cường độ I chạy đoạn dây dẫn thẳng A1 A2 , tìm vectơ cảm ứng từ B dòng điện gây điểm M cách dòng điện khoảng h 120 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H Vectơ phần tử dòng điện Idl gây M cảm ứng từ d B có phương vng góc với mặt phẳng chứa dịng điện điểm M, có chiều hướng vào (quy tắc đinh ốc) có độ lớn: dB  r 0 Idl sin  4 r2 h ; sin  dl  hd sin  biểu thức dl ta lấy dấu dương (+) độ dài số dương 0 I sin  d 4 Suy ra: dB  Vectơ cảm ứng từ B dòng điện cường độ I chạy đoạn dây dẫn thẳng A1 A2 gây M vng góc với mặt phẳng hình vẽ, có chiều hướng vào (hình 4.2) Độ lớn B bằng: BA1 A2 A2 2 1 Hình 4.2: dịng điện thẳng 0   dB  sin  d 4 h  A BA1 A2  0  cos1  cos  4 h (4.5) Lưu ý: Nếu dịng điện thẳng dài vơ hạn 1  0, 2    thì: B 0 I 2 h (4.6) d Cảm ứng từ dòng điện tròn Cho dòng điện cường độ I chạy dây dẫn đường trịn tâm O, bán kính R Tìm cảm ứng từ B dịng điện gây điểm M trục đường tròn cách tâm O đoạn h Chọn hệ trục tọa độ Oxyz hình 4.3 với gốc tọa độ tâm vòng tròn trục Oz trùng với trục vòng tròn BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 121 Phần tử dòng điện Idl gây M cảm ứng từ d B có phương vng góc với mặt phẳng chứa Idl điểm M, có độ lớn: dB  0 Idl 4 r Do tính đối xứng nên B chiếu lên trục Ox, Oy, Oz cịn thành phần theo  Hình 4.3: dòng điện tròn  Oz: B  k Bz  Idl R R  dBz  dBcos = r 4 r r Vì cos = sin = B   dong dien    Bk   IS 2 R  h2 dBz   0 IR 2 R  h2  3/2 (4.7)  3/2 với S   R diện tích mạch điện trịn   Đặt: pm =IS n (4.8)  n vectơ đơn vị pháp tuyến diện tích phẳng giới hạn dòng điện tròn,   trường hợp ta xét n  k , cịn S   R diện tích giới hạn dịng điện trịn  bán kính R Vectơ pm vng góc với diện tích phẳng dịng điện trịn (hướng theo trục dịng điện trịn) có chiều thuận với dịng điện theo quy tắc đinh ốc có độ  lớn pm =IS Vectơ pm gọi vectơ momen từ Vectơ momen từ đặc trưng cho tính chất từ dòng điện Thay (4.8) vào (4.7), ta được:  B  0 2 R  h2   3/2 pm (4.9a) 122 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H Độ lớn: B  0 pm  2 R  h 2  3/2   0 IR 2 R h 2  3/2 với pm =IS = I. R (4.9b)  Tại tâm dòng điện h = 0, nên cảm ứng từ B0 tâm là:  Bo  0  pm 2 R Độ lớn: Bo  (4.10a) 0 pm 0 I  2 R 2R (4.10b) Trong hệ SI, cảm ứng từ có đơn vị Tesla (T), cịn cường độ từ trường có đơn vị Ampe mét (A/m) Ví dụ 4.1: Dịng điện I = 20A chạy qua dây dẫn dài hình (4.4) Biết bán kính vịng trịn 10cm hệ thống đặt khơng khí Tính cường độ từ trường tâm O vịng trịn Giải: Có thể chia dịng điện thành hai Hình 4.4 phần: phần chạy dây dẫn thẳng dài phần chạy vòng dây tròn   Cảm ứng từ tương ứng phần gây tâm O vòng dây là: B  B1  B2   Do vectơ B1 B2 vng góc với mặt phẳng hình vẽ hướng  ngồi nên B vng góc với mặt phẳng hình vẽ, hướng ngồi có độ lớn: B  B1  B2  0 I 0 I 0 I       1 2 R 2R 2R    Cường độ từ trường tâm O vòng dây bằng: H B 0  I 1  20    1  132A / m   1   2R    2.0,1  3,14  BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 4.1.4 123 ƣờng sức cảm ứng từ Để mơ tả hình ảnh cụ thể từ trường, người ta đưa khái niệm đường sức cảm ứng từ Đường sức cảm ứng từ (gọi tắt đường sức từ) đường cong vẽ từ trường, cho tiếp tuyến điểm trùng với Hình 4.5: Đường sức cảm ứng từ phương vectơ cảm ứng từ điểm Chiều đường sức cảm ứng từ chiều vectơ cảm ứng từ điểm Hình 4.7: Đường sức từ dịng điện trịn Hình 4.6: Đường sức từ dòng điện thẳng Người ta quy ước vẽ số đường sức từ qua đơn vị diện tích đặt vng góc với đường sức trị số vectơ cảm ứng từ B Từ trường đường sức từ song song cách Các đường cảm ứng từ khơng cắt điểm vectơ cảm ứng từ có giá trị xác định Các đường cảm ứng từ đường cong khép kín 4.2 Ị H GAUSS ỐI VỚI TỪ TRƢỜ G 4.2.1 Từ thông Từ thông qua diện tích dS định nghĩa: dm  B.dS  B.dS.cos (4.11) 124 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H Từ thông qua toàn mặt S: m   d S  m   Bd S   B.dS.cos S  S  (4.12) Nếu mặt S phẳng, đặt từ trường thì:  m  B.S.c os (4.13) Ý nghĩa từ thông: Giá trị từ thông qua diện tích S số đường sức từ gởi qua mặt S Trong hệ SI, đơn vị từ thơng Weber (Wb) 4.2.2 Hình 4.8: Từ thơng qua mặt S ịnh lý Gauss Ta biết điện trường, điện thơng gởi qua mặt kín tỷ lệ với tổng điện tích chứa mặt kín Bằng cách suy luận tương tự, từ trường, từ thơng gởi qua mặt kín phải tỷ lệ với tổng từ tích chứa mặt kín Tuy nhiên, khác điện trường từ trường chỗ: điện trường gây điện tích đứng yên, cịn từ trường gây điện tích chuyển động, khơng phải từ tích Cho đến người ta chưa tìm từ tích tự nhiên Vì lý định lý Gauss từ trường phát biểu sau: Từ thông gởi qua mặt kín khơng Biểu thức định lý Gauss:  Bd S  (4.14) S  Hay dạng vi phân: div B  (4.15) Các biểu thức (4.14), (4.15) chứng tỏ đường sức từ trường phải đường khép kín Các trường có đường sức khép kín gọi trường xốy Vì vậy, từ trường trường xốy BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H 4.3 Ị H AMPÈRE ( Ị H DÕ G TOÀ 125 PHẦ ) 4.3.1 ƣu số vectơ cảm ứng từ Xét đường cong kín (C) khơng gian có từ trường Trên (C) ta lấy độ dời  Hd l dl vơ bé Tích phân gọi lưu số vectơ cảm (C ) ứng từ B dọc theo đường cong kín (C) từ trường 4.3.2 Hình 4.9: Lưu số vectơ ịnh lý Ampère Lưu số vectơ cảm ứng từ dọc theo đường cong kín (C) tổng đại số cường độ dịng điện qua diện tích giới hạn đường cong kín nhân với 0 Biểu thức định lý: Dạng tích phân:  C  Dạng vi phân: n Bdl  0  I k (4.15) k 1 rotB  0 j (4.16) với j vectơ mật độ dịng điện qua mặt S Tích phân (4.15) tích phân đường Theo chiều lấy tích phân, dịng điện tuân theo quy tắc đinh ốc có dấu dương, ngược lại mang dấu âm 4.3.3 Áp dụng định lý Ampère để xác định từ trƣờng a Từ trƣờng cuộn dây hình xuyến (toroid) Giả sử cuộn dây gồm N vịng có cường độ dịng điện I chạy qua Do tính chất đối xứng tồn cuộn dây tâm O, vectơ cảm ứng từ B điểm đường tròn (C), tâm O, bán kính r (R1 R2) từ trường không b Từ trƣờng ống dây điện dài (solenoid) Ống dây thẳng dài vơ hạn xem cuộn dây điện hình xuyến có bán kính vơ cùng: R1  R2   Do cảm ứng từ điểm bên ống dây bằng: B  0 nI (4.19) Hình 4.11: Ống dây solenoid Trong thực tế, ống dây có chiều dài lớn mười lần đường kính coi ống dây dài vô hạn 4.4 Ị H UẬT AMPÈRE 4.4.1 Biểu thức định luật Khi đặt phần tử dịng điện Idl nơi có vectơ cảm ứng từ d B chịu tác dụng lực từ d F xác định sau: d F  Idl  d B (4.20) Hình 4.12: Lực Ampère 260 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G Khi phân cực thuận: ID tăng lên mạnh điện trở RD giảm nhỏ Khi phân cực nghịch: ID nhỏ , RD lớn xem hở mạch Người ta lợi dụng tính chất để đo thử diode đồng hồ VOM hình 9.18: Cách đo thử – kiểm tra diode: Để VOM giai Rx 100 (a): Phân cực thuận (b): Phân cực nghịch Hình 9.18: Cách đo thử diode Thông thường: Chất Rth Rng Si Vài K Vài M Ge Vài trăm  Vài trămK Nếu đo Rt = Rng = 0Ω: diode bị nối tắt; đo Rt = Rng = ∞Ω: diode bị đứt - iện trở động (Dynamic resistance) rd Điện trở động diode biến thiên điện áp dòng điện: rd = VD / ID = dVD / dID  VVD  mà: I D  I osat  e T  1     V dI D VTD đó:  I osat e dVD VT Suy ra: rd  dVD  VT dI D I osat e VD VT  VT ID Ở nhiệt độ phịng (250C), ta có VT = 25mV, nên điện trở Ac diode tính bởi: rd  25mV ID (9.36) BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 261 b Tụ diode : Trong vùng phân cực ngược, diện ion dương âm vùng nghèo với bề rộng vùng nghèo d tạo nên hàng rào điện Hàng rào xem lớp cách điện tụ hình thành nên điện dung chuyển tiếp C T (Transition capacitance): với: CT = 0 S d (9.37)  = 11,7 (Si),  = 15,8 (Ge); 0 = 8,85 x10-12F/m S: tiết diện mối nối p-n; d: Độ rộng vùng nghèo Hình 9.19 cho thấy điện phân cực thay đổi độ rộng vùng nghèo d thay đổi, nên giá trị tụ điện thay đổi, người ta chế tạo diode biến dung ứng dụng biến tụ để thay đổi tần số mạch cộng hưởng d (a) : Điện dung chuyển tiếp (b): Đặc tuyến tụ chuyển tiếp Hình 9.19: Tụ chuyển tiếp CT 262 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 9.5 TRA SISTOR ƢỠ G CỰC 9.5.1 Cấu tạo 0.150 in 0.150 in 0.001 in E P n P 001 in C E n n C B B C C B p PNP E B NPN E Hình 9.20 Cấu tạo ký hiệu Transistor loại NPN PNP Transistor linh kiện bán dẫn gồm ba miền bán dẫn khác loại ghép xen kẽ với tạo thành hai lớp tiếp xúc p-n Có hai cấu trúc xen kẽ điển hình p-n-p n-pn hình 9.20 Transistor ta xét dây gọi transistor lưỡng nối, viết tắt BJT (Bipolar Junction Transistor), thành phần dòng điện transistor gồm điện tử lỗ trống Transistor có chân nối ngồi: - Cực E (Emitter): gọi cực phát, pha đậm nên nồng độ hạt dẫn đa số lớn, khả sinh dòng lớn - Cực C (Collector): gọi cực thu, vùng pha đậm (nhưng nhạt vùng E) để có độ dẫn điện tốt - Cực B (Base): gọi cực (hay cực gốc), vùng pha nhạt, có độ dày mỏng, cực B dùng để điều khiển dòng hạt tải phát từ cực E 9.5.2 - guyên tắt hoạt động Xét Transistor loại NPN: Để cụ thể ta xét transistor loại N-P-N làm việc độ khuếch đại Lớp tiếp xúc cực E cực B gọi tiếp xúc BE (JE), cực B cực C gọi tiếp xúc BC (JE) BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 263 Để transistor làm việc ta phải đưa điện áp chiều tới điện cực nó, gọi phân cực cho transistor Để Transistor hoạt động chế độ khuếch đại mối nối BE phải phân cực thuận, mối nối CE phân cực ngược hình 9.21, nghĩa nối cực vào điện dương cho: VC > VB > VE Khi mối nối BC bị phân cực ngược, có dịng ngược ICBO (dòng ngược chạy từ cực C sang B để hở cực E) nhỏ hạt thiểu số Khi mối nối BE phân cực thuận, lúc điện tử từ cực E phun qua mối nối JE tạo thành dịng có trị số lớn Khi đến cực B, phần nhỏ điện tử tái hợp với lỗ trống VE VC Hình 9.21: Phân cực Transistor khuếch đại cực B bị lỗ cực dương nguồn VEE kéo tạo thành dòng Do mật độ lỗ cực B ít, cực B mỏng nên đại phận lỗ kịp vượt qua B mà không bị tái hợp hết nhờ điện trường nguồn V CC đẩy qua mối nối JC phun sang cực C tạo dòng Với việc phân tích dịng ta thấy: IE = IB + IC Số điện tử đến cực C Đặt : Số điện tử phát từ cực E (9.38) (9.39)  : gọi hệ số truyền đạt dòng phát, suy IC =  IE Do mối nối thu phân cực nghịch nên qua mối nối ngồi dịng I C nói cịn có dịng điện ngược ICBO hạt tải thiểu số gây ra, nên dòng qua cực C tổng cộng: IC =  IE + ICBO (9.40) Thế (2.3.1) vào, ta được: IC =  (IB + IC) + ICBO IC   I I B  CBO 1 1 Đặt    1 (9.41) 264 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G β gọi hệ số khuếch đại dòng Transistor, suy ra: IC = IB +( +1) ICBO (9.42) Ở nhiệt độ bình thường, người ta xem dịng ICBO nhỏ bỏ qua nên: IC = IB (9.43) Thế vào (9.39) ta được: IE = IC + IB = IB + IB = ( +1) IB (9.44) Do  < 1, nên  thường có giá trị từ vài chục đến vài trăm, nghĩa >>1, từ (9.39) (9.44) ta được: IC  IE = IB (9.45) Ta nói Transistor có chức khuếch đại dòng chiều - Xét Transistor loại P P: Giải thích dịng transistor PNP tương tự Transistor NPN, hệ thức liên hệ dòng đúng, chiều dòng điện Transistor PNP ngược so với Transistor NPN IC IC NPN IB IE PNP IE IC =.IB IB IE Transistor loại PNP Transistor loại NPN Hình 9.22: Chiều dịng điện transistor loại NPN PNP Công thức (9.39) cho thấy nhiệt độ bình thường, dịng rỉ I CO nhỏ bỏ qua Cịn nhiệt độ tăng, liên kết đồng hóa trị bị bẽ gãy, dịng I CBO tăng, nên dòng IC tăng Hiện tượng xảy dây chuyền gây hiệu ứng thác lũ làm hỏng transistor Do để bảo vệ transistor nhiệt độ tăng, người ta giới hạn dòng rỉ I CBO cách phân cực ổn định nhiệt cho Ví dụ 9.5: Một Transistor chế độ khuếch đại có khuếch đại hệ số truyền đạt Giải I C 2.103   100 Ta có hệ số khuếch đại dịng:   IB 20 , Tìm hệ số BÀI 9:CHẤT BÁ mà:   DẪ VÀ Ứ G DỤ G 265  1 Vậy hệ số truyền đạt dòng:    1   100  0,99 101 9.5.3 Tra cứu- hình dạng - cách đo thử a Tra Cứu Transistor: Khi sử dụng cần tra cứu việc sử dụng hiệu a.1 Transistor Nhật: - Chữ số thứ 1: Dùng để phân biệt Diode hay Transistor, số diode, số BJT - Chữ số thứ 2: dùng để vật liệu bán dẫn S (Semiconductor) Chữ số thứ 3: dùng để loại đặc tính tần số: 2SA : Transistor loại PNP (A anod hay có chất bán dẫn loại dương hai bên), tần số cao f > 5M 2SB : Transistor loại PNP tần số thấp (âm tần) 2SC : Transistor loại NPN (C Catod, có chất bán dẫn loại âm hai bên), tần số cao 2SD : Transistor loại NPN, tần số thấp Ví Dụ 9.6: 2SA 49: BJT loại PNP, cao tần, 49: thứ tự đăng ký sản phẩm 2SD72 : BJT NPN tần số thấp a.2 Transistor Mỹ: 1N…: diode, 2N…: BJT Sau số thứ tự sản phẩm Ngồi ra, BJT Mỹ cịn có nhiều loại ký hiệu là: HEP…, MPS…,MJE…; TIP…,ZTX… a.3 Transistor số nước Châu Âu: Thường có chữ số đầu chữ số sau: - Chữ thứ nhất: dùng chữ để chất bán dẫn chế tạo: A: Germani, B: Silic, C: Gali, D: Indi 266 - BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G Chữ thứ hai: dùng chữ để dãi tần số làm việc C : BJT âm tần công suất nhỏ, D : BJT cao tần công suất lớn F : BJT cao tần công suất nhỏ, L : BJT cao tần công suất lớn S : BJT chuyển mạch công suất nhỏ, U : BJT chuyển mạch cơng suất lớn b Hình dạng Tên Tên Tên H1061 Tên E B E B Nhật C E C B Mỹ B C E Vỏ cực C Châu Âu Loại công suất nhỏ Loại công suất trung Loại cơng suất lớn Hình 9.23: Hình dạng số Transistor c Cách đo thử: Nhận thấy cấu tạo transistor giống hai diode ghép ngược đầu Do đo thử transistor, ta xác định đo diode Nội dung đo : - Còn sử dụng khơng - Tìm loại BJT chân c.1) BJT cịn sử dụng hay khơng Để đo thử transistor dùng VOM để giai đo R x10, kiểm tra diode: Nếu R nhỏ: mối nối phân cực thuận ; R lớn: mối nối phân cực nghịch Do Transistor có ba cực nên có sáu lần đo Trong sáu lần đo, có hai lần R nhỏ, bốn lần R lớn, kết luận BJT sử dụng c.2) Cách xác định loại cực transistor: BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 267 Trong hai lần có R nhỏ, chân cố định dương pin (+), cực cực B Trans loại NPN p n p NPN n n PNP p Hình 9.24: Cách đo thử transistor loại NPN PNP Cịn chân cố định âm pin (-) cực B loại PNP - Xác định cực C,E : Đo điện trở ngược tiếp xúc BE BC để xác định cực C,E Để VOM giai đo R x 10 K Cụ thể : Loại NPN: (-) pin cực B, (+) pin cực lại Loại PNP: (+) pin cực B, (-) pin cực lại Trong lần đo, giá trị R lớn cực C (RBC =  , RBE < ) Ngoài đồng hồ đo đời có tầm đo hfe (tức hệ số khuếch đại dòng ) Transistor ta cắm Hình 9.25: cách đo cực C, E cực lên lỗ cắm chuyển giai đo hfe (hoặc ) 9.5.4 Các thông số transistor iện giới hạn Điện đánh thủng BV (Breakdown Voltage) điện ngược tối đa đặt vào cặp cực , điện Transistor bị hỏng Có ba loại điện giới hạn: - BVCE0 : điện đánh thủng C E cực B hở - BVCB0 : điện đánh thủng C B cực E hở - BVEB0 : điện đánh thủng E B cực C hở 268 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G Dòng điện giới hạn Dòng điện qua Transistor phải giới hạn mức cho phép, trị số Transistor bị hư Ta có: IC max dịng điện tối đa cực C IBmax dòng điện tối đa cực B Cơng suất giới hạn Khi có dịng điện qua Transistor sinh cơng suất nhiệt làm nóng Transistor ,cơng suất sinh tính theo công thức: PT = IC VCE Mỗi Transistor có cơng suất giới hạn gọi cơng suất tiêu tán tối đa P Dmax (Dissolution) Nếu công suất sinh lớn cơng suất PDmax Transistor bị hư Tần số cắt (thiết đoạn) Tần số thiết đoạn (fcut-off) tần số mà Transistor hết khả khuếch đại Như transistor 2SC458 có thông số kỹ thuật sau :  = 230 , BVCE0 = 30V , BVCB0 = 6V BVEB0 = 6V , PDmax = 200mW fcut – off =230MHZ , ICmax = 100mA loại NPN chất Si Hình 9.26: Đáp ứng tần số mạch khuếch đại Ngoài transistor lưỡng nối vừa xét cịn có nhiều loại transistor khác như: Transistor trường(FET) gồm hai loại JFET MOSFET… giáo trình kỹ thuật điện tử BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 269 Ví dụ 9.7: Cho mạch khuếch đại dùng transistor npn hình 9.27, với nguồn cung cấp VCC= 12V, RB=120K, RC=3K, VBB= 3V Transistor có β=100, VBE= Vγ= 0,6V Tìm dịng IC, điện áp VCE công suất tiêu tán transistor Giải Ta có: VCC  I B RB  VBE Nên dòng IB  cực B transistor: VCC  VBB  0, 6(V )   0, 02mA RB 120( K ) Dòng cực C transistor: Điện áp cực CE: Công suất tiêu tán transisotr: Hình 9.27 270 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G TÓM TẮT - Chất bán dẫn thuần: chất có nồng độ electron với nồng độ lỗ trống: ni= pi Mật độ dòng điện toàn phần: j  jn  j p  eni ( n   p ) E Điện dẫn suất:   eni ( n   p ) Cường độ dịng điện tồn phần: I  j.S  eni ( n   p ) ES - Chất bán dẫn tạp loại N (Negative): chất có nồng độ electron lớn nhiều so với nồng độ lỗ trống nn  pn  pi  ni Các điện tử tự gọi hạt dẫn điện đa số , lỗ trống hạt dẫn điện thiểu số Điện dẫn suất bán dẫn lại n là:  n  enn n  epn  p  enn n  eN d n - Chất bán dẫn tạp loại P (Positive): chất có nồng độ lỗ trống lớn nhiều so với nồng độ lỗ trống p p  n p  pi  ni Các lỗ trống gọi hạt dẫn điện đa số, điện tử tự hạt dẫn điện thiểu số Điện dẫn suất bán dẫn lại p là:  p  en p n  epn  p  ep p  p  eN a  p - Nếu N d  N a ta có bán dẫn loại N, ngược lại N a  N d bán dẫn loại P Cả hai trường hợp coi nn - N d  N a p p Na  Nd gƣời ta chứng minh đƣợc trạng thái cân tích mật độ hai loại hạt dẫn bán dẫn số: nn pn  p p np  ni pi  ni2  const - Quãng đƣờng trung bình mà điện tử dẫn hay lỗ trống dịch chuyển khuếch tán thời gian sống  n , p chúng: Dn n  L2n ; Dp p  L2p BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G 271 Với Dn (cm2/s) gọi hệ số khuếch tán  n : thời gian sống điện tử bán dẫn p,  p : thời gian sống lỗ trống bán dẫn n - Lớp tiếp xúc P-N:  Khi phân cực nghịch lớp tiếp xúc P-N : Vùng nghèo mở rộng, dòng qua lớp tiếp xúc nhỏ dịng trơi hạt thiểu số: Ing = Io (rất bé), nên xem mối nối P-N không dẫn điện phân cực nghịch  Khi phân cực thuận lớp tiếp xúc P-N: Vùng nghèo hẹp, dòng qua lớp tiếp xúc VD lớn tăng theo điện áp, dòng Ikt hạt đa số : I D  I o e 25 mV Vậy lớp tiếp xúc P-N giống van đóng mở, cho dịng chạy theo chiều từ P sang N, khơng có dịng chạy theo chiều ngược lại - Transitor: Cấu tạo hai lớp tiếp xúc p-n Có hai loại transis tor: NPN PNP, vói dịng điện hình vẽ: IC IC NPN IB IE IC =.IB PNP IB IE IE 272 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G CÂU HỎI TRẮC GHI M Câu 1: Tính mật độ điện tử lỗ trống Si, có tạp chất gồm 3.1015 nguyên tử B/cm3, ngun tử tạp chất bị ion hố hồn tồn với mật độ hai loại hạt dẫn bán dẫn ni  1.45.1010 (cm 3 ) A np  1,55.1015 (cm3 ) p p  0,7.105 (cm3 ) B np  3.1015 (cm3 ) p p  0,7.105 (cm3 ) C np  2.1015 (cm3 ) p p  0,7.105 (cm3 ) D n p  3.105 (cm3 ) p p  0, 48.105 (cm3 ) Câu 2: Tính mật độ điện tử lỗ trống Si có pha tạp chất gồm 3.1015 nguyên tử B/cm3, biết ngun tử tạp chất bị ion hố hồn tồn, với mật độ hai loại hạt dẫn bán dẫn ni  1.45.1010 (cm 3 ) Tính điện dẫn suất  điện trở suất  n   p  103 ( cm ) vs A  p  0,16( 1  6, 25(.cm) ) n  n .cm B  p  0, 48( 1  6, 25(.cm) ) n  n .cm C  p  3.1015 ( D  p  0, 48( ) .cm n  n  0, 7.105 (.cm) 1  2, 08(.cm) ) n  n .cm Câu 3: Tính mật độ điện tử lỗ trống Si 270C, pha tạp chất gồm 3.1016 nguyên tử B/cm3 1016 nguyên tử P/cm3, biết nguyên tử tạp chất bị ion hố hồn tồn, với mật độ hai loại hạt dẫn bán dẫn ni  1.45.1010 (cm 3 ) Tính điện dẫn suất  điện trở suất  n   p  103 ( 1  6, 25(.cm) ) n  n .cm 1  6, 25(.cm) ) n  B  p  0, 48( n .cm 1 n   0, 7.105 (.cm) ) C  p  3.1015 (  .cm n A  p  0,16( cm ) vs BÀI 9:CHẤT BÁ D  p  0, 48( DẪ VÀ Ứ G DỤ G 273 1  2, 08(.cm) ) n  n .cm Câu 4: Tính mật độ điện tử lỗ trống Si 270C, pha tạp chất gồm 1,3.1016 nguyên tử P/cm3 1016 nguyên tử B/cm3, biết nguyên tử tạp chất bị ion hố hồn tồn, với mật độ hai loại hạt dẫn bán dẫn ni  1.45.1010 (cm 3 ) Tính điện dẫn suất  điện trở suất  n   p  103 ( A  p  0,16( 1  6, 25(.cm) ) n  n .cm B  p  0, 48( 1  6, 25(.cm) ) n  n .cm C  p  3.1015 ( D  p  0, 48( ) .cm n  n cm ) vs  0, 7.105 (.cm) 1  2, 08(.cm) ) n  n .cm Câu 5: Bán dẫn tinh khiết hợp chất GaAs nhiệt độ phịng có điện trở suất A 480 B Tìm C D Câu 6: Bán dẫn tinh khiết hợp chất GaAs nhiệt độ phòng có điện trở suất 480 Tìm Tính mật độ lỗ trống bán dẫn pha tạp chất cho (Donor) với A B Câu 7: Tính = A , C D điện tử dôi thêm Ge loại p nhiệt độ phòng giả sử 0,99cm B 0,3cm C 0,2cm Câu 8: Một Transistor chế độ khuếch đại có đại A C 0,099cm Tìm hệ số khuếch hệ số truyền đạt D B D 274 BÀI 9:CHẤT BÁ DẪ VÀ Ứ G DỤ G Câu 9: Trên hình vẽ sơ đồ khuếch đại dùng Transisto n-p-n Cho mạch khuếch đại dùng transistor npn hình bên, với nguồn cung cấp VCC= 20V, RB=100K, RC=4K, VBB= 3V Transistor có β=100, VBE= Vγ= 0,5V Tìm dịng IC, điện áp VCE A , Hình 9.37 B C D , , , ... tính chất từ dịng điện Thay (4.8) vào (4.7), ta được:  B  0 2? ?? R  h2   3 /2 pm (4.9a) 122 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H Độ lớn: B  0 pm  2? ?? R  h 2  3 /2   0 IR 2 R h 2  3 /2 với pm =IS =... chiều điều chỉnh cho điện D1 lớn điện D2, hạt điện nhận lượng hiệu điện D1 D2, hạt điện tăng vận tốc khoảng 1 -2 Vì điện trường bên D2 triệt tiêu nên hạt điện vào bên cực D2 chịu tác dụng cảm ứng... hạn điện chiều, có chiều hướng xa I1 hai dịng điện ngược chiều có độ lớn: F21  I B1  0 I1 I 2? ?? d (4 .24 ) 128 BÀI 4:TỪ TRƢỜ G TĨ H Tương tự, dòng điện I2 tác dụng lên đơn vị chiều dài dòng điện