Giáo trình vật lý điện từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VẬT LÝ ĐIỆN TỪ Biên Soạn: TS.Trần Ngọc TS Nguyễn Văn Thuận ThS Đỗ Quốc Huy ThS Nguyễn Thị Ngọc Anh www.hutech.edu.vn VẬT I Ấn 2015 TỪ MỤC ỤC I ỤC MỤC MỤC ỤC I HƢỚ G DẪ VI BÀI 0: GIẢI TÍCH VECTƠ 0.1 H TỌA Ộ DESCARTES 0.2 H TỌA Ộ TRỤ 0.3 H TỌA Ộ CẦU 0.4 TRƢỜ G VÔ HƢỚ G 0.4.1 Định nghĩa 0.4.2 Mặt mức hay mặt đẳng trị 0.4.3 Đạo hàm theo hướng 0.4.4 Gradient trường vô hướng 0.5 TRƢỜ G VECTƠ 0.5.1 Định nghĩa 0.5.2 Đường dòng trường vectơ 0.5.3 Thông lượng divergence trường vectơ 0.5.4 Lưu số rotational trường vectơ 11 0.5.5 Toán tử Laplace (Laplacian) 13 BÀI 1: 1.1 I I TRƢỜ G TĨ H 15 TÍCH - Ị H UẬT COULOMB 15 1.1.1 Điện tích, định luật bảo tồn điện tích 15 1.1.2 Định luật Coulomb 18 1.2 I TRƢỜ G 20 1.2.1 Khái niệm điện trường 20 1.2.2 Vectơ cường độ điện trường 20 1.2.3 Điện thông 23 1.2.4 Định lý Gauss điện trường 24 1.2.5 Năng lượng điện trường 27 1.3 I THẾ, HI U I THẾ 27 1.3.1 Công lực tĩnh điện (lực điện trường) 27 1.3.2 Thế điện tích điện trường 28 1.3.3 Điện 29 1.3.4 Liên hệ điện trường điện 31 1.4 ƢỠ G CỰC I 33 1.4.1 Khái niệm 33 1.4.2 Điện điện trường lưỡng cực điện 33 1.4.3 Tác dụng điện trường lên lưỡng cực điện 34 TÓM TẮT 36 CÂU HỎI TRẮC BÀI 2: TỤ I GHI M 39 VÀ CHẤT I MÔI 41 II MỤC ỤC 2.1 VẬT DẪ CÂN BẰ G TĨ H I 41 2.1.1 Khái niệm vật dẫn cân tĩnh điện 41 2.1.2 Tính chất vật dẫn cân tĩnh điện 42 2.2 HI U Ứ G MŨI 2.3 HI 2.4 TƢỢ G I 2.5 TỤ HỌ I 44 HƢỞ G 44 DUNG CỦA VẬT DẪ I CÔ ẬP 46 47 2.5.1 Khái niệm tụ điện .47 2.5.2 Đặc tính điện tụ .48 2.5.3 Các thông số tụ .52 2.5.4 Các công thức liên quan đến tụ 54 2.5.5 Ghép tụ điện 58 2.5.6 Phân loại tụ điện 61 2.5.7 Cách đọc trị số tụ 66 2.5.8 Phương pháp kiểm tra tụ 67 2.5.9 Các ứng dụng tụ .68 2.6 CHẤT I MÔI 69 TÓM TẮT 72 CÂU HỎI TRẮC BÀI 3: DÕ G I 3.1 CÁC KHÁI GHI M 75 VÀ I I M VÀ TRỞ 79 Ị H UẬT CƠ BẢ VỀ DÒNG I 79 3.1.1 Dòng điện, chiều dòng điện .79 3.1.2 Cường độ dòng điện .80 3.1.3 Mật độ dòng điện 82 3.1.4 Độ linh động 84 3.1.5 Nguồn điện, suất điện động .85 3.2 Ị H UẬT OHM 86 3.2.1 Dạng vi phân định luật Ohm 86 3.2.2 Định luật Ohm đoạn mạch đồng chất 87 3.2.3 Định luật Ohm mạch điện kín 89 3.2.4 Đối với đoạn mạch (định luật Ohm tổng quát) 90 3.3 I TRỞ (RESISTORS) 91 3.3.1 Đặc tính điện 91 3.3.2 Các thông số điện trở .92 3.3.3 Các công thức liên hệ đến điện trở 93 3.3.4 Ghép điện trở 94 3.3.5 Cách đọc trị số điện trở 96 3.3.6 Phân loại điện trở 99 3.4 HỌ CÁC I TRỞ 101 3.4.1 Biến trở (Varistor hay Variable Resitor) 101 3.4.2 Nhiệt trở (Thermistor) 103 3.4.3 Quang trở (LDR) 105 3.4.4 Điện trở tùy áp VDR (Volt Dependent Resistor hay Varistor) 106 MỤC ỤC III 3.4.5 Điện trở cầu chì (Fusistor) 106 3.4.6 Dãy điện trở 107 3.5 CÁC Ứ G DỤ G CỦA 3.6 MẠCH I I TRỞ 107 108 3.6.1 Ngắn mạch hở mạch 108 3.6.2 Công tắc 109 3.6.3 Thiết bị bảo vệ 110 TÓM TẮT 111 CÂU HỎI TRẮC GHI M 113 BÀI 4: TỪ TRƢỜ G TĨ H 117 4.1 TỪ TRƢỜ G, Ị H UẬT BIOT - SAVART - LAPLACE 117 4.1.1 Tương tác từ 117 4.1.2 Khái niệm từ trường, vectơ cảm ứng từ vectơ cường độ từ trường 118 4.1.3 Định luật Biot - Savart - Laplace 118 4.1.4 Đường sức cảm ứng từ 123 4.2 Ị H LÝ GAUSS ỐI VỚI TỪ TRƢỜ G 123 4.2.1 Từ thông 123 4.2.2 Định lý Gauss 124 4.3 Ị H LÝ AMPÈRE ( Ị H LÝ DỊNG TỒN PHẦ ) 125 4.3.1 Lưu số vectơ cảm ứng từ 125 4.3.2 Định lý Ampère 125 4.3.3 Áp dụng định lý Ampère để xác định từ trường 125 4.4 Ị H UẬT AMPÈRE 126 4.4.1 Biểu thức định luật 126 4.4.2 Công lực từ 128 4.5 TÁC DỤ G CỦA TỪ TRƢỜ G LÊN MẠCH I KÍN 129 4.5.1 Lực từ tác dụng lên dây dẫn kín 129 4.5.2 Momen lực từ tác dụng lên khung dây dẫn kín 129 4.6 CHUYỂ Ộ G CỦA HẠT MANG I TRONG TỪ TRƢỜ G 130 4.6.1 Lực Lorentz 130 4.6.2 Chuyển động hạt điện từ trường 131 4.7 HI U Ứ G HALL 133 4.8 MỘT VÀI Ứ G DỤ G 135 4.8.1 Bơm điện từ 135 4.8.2 Xác định điện tích riêng ion, khối phổ kế 136 4.8.3 Máy gia tốc cyclotron synchrotron 137 TÓM TẮT 139 CÂU HỎI TRẮC BÀI 5: CẢM Ứ G 5.1 CÁC GHI M 143 I TỪ 146 Ị H UẬT CƠ BẢ VỀ CẢM Ứ G I TỪ 146 5.1.1 Hiện tượng cảm ứng điện từ 146 5.1.2 Định luật Lenz 147 5.1.3 Định luật Faraday suất điện động cảm ứng 147 5.2 DÒNG I FOUCAULT 152 IV MỤC ỤC TÓM TẮT 154 CÂU HỎI TRẮC BÀI 6: CUỘ GHI M 156 CẢM VÀ Ứ G DỤ G 159 6.1 CUỘ CẢM 159 6.1.1 Cấu tạo 159 6.1.2 Hiện tượng tự cảm 161 6.1.3 Hỗ cảm 164 6.1.4 Trở kháng cuộn cảm 165 6.1.5 Điện dung cuộn cảm 166 6.1.6 Ghép cuộn cảm 166 6.1.7 Cách đọc trị số cuộn cảm 166 6.1.8 Năng lượng từ trường 167 6.1.9 Sự nạp xả cuộn cảm 170 6.1.10 Hệ số phẩm chất (Quality factor) cuộn cảm 171 6.1.11 Phân loại cuộn cảm 172 6.2 BIẾ THẾ (TRANSFORMER) 176 6.2.1 Cấu tạo 176 6.2.2 Nguyên lý hoạt động 177 6.2.3 Hướng vòng dây 177 6.2.4 Hệ thức biến 178 6.2.5 Biến với vai trò thiết bị cách điện 179 6.2.6 Các loại biến khác 180 6.2.7 Các lỗi thường gặp biến 182 6.2.8 Cách đo thử kiểm tra 183 6.3 Ứ G DỤ G CỦA CUỘ CẢM 183 6.3.1 Mạch lọc nguồn 183 6.3.2 Chốt tần số radio 184 6.3.3 Mạch điều chỉnh 184 6.3.4 Micro điện động 185 6.3.5 Loa điện động 185 6.3.6 Relay 186 6.4 HI U Ứ G BỀ MẶT 188 TÓM TẮT 191 CÂU HỎI TRẮC GHI M 193 BÀI 7: TRƢỜ G VÀ SÓ G 7.1 THUYẾT MAXWELL VỀ I TỪ 197 I TỪ TRƢỜ G 197 7.1.1 Luận điểm Maxwell thứ – điện trường xoáy 197 7.1.2 Luận điểm Maxwell thứ hai – dòng điện dịch 199 7.1.3 Hệ phương trình Maxwell 201 7.1.4 Ý nghĩa thuyết Maxwell 202 7.2 SÓNG I TỪ 203 7.2.1 Hệ phương trình Maxwell mơ tả sóng điện từ 203 7.2.2 Sóng điện từ phẳng, phân cực thẳng 204 MỤC ỤC V 7.2.3 Tính chất tổng quát sóng điện từ 206 7.2.4 Thang sóng điện từ 208 7.2.5 Ứng dụng sóng điện từ 209 TÓM TẮT 211 CÂU HỎI TRẮC BÀI 8: VẬT RẮ 8.1 VẬT RẮ GHI M 213 TI H THỂ SIÊU DẪ 217 TINH THỂ 217 8.1.1 Năng lượng electron vật rắn tinh thể 217 8.1.2 Phân bố Fermi - Dirac 222 8.1.3 Khối lượng hiệu dụng electron 226 8.1.4 Các electron dẫn kim loại 228 8.1.5 Hiệu điện tiếp xúc hai kim loại 232 8.2 SIÊU DẪ 234 8.2.1 Khái niệm siêu dẫn 234 8.2.2 Tính chất chất siêu dẫn 235 8.2.3 Giải thích tượng siêu dẫn 237 TÓM TẮT 238 CÂU HỎI TRẮC BÀI 9: CHẤT BÁ GHI M 240 DẪ 9.1 CHẤT BÁN DẪ VÀ Ứ G DỤ G 243 (SEMICONDUCTOR) 243 9.1.1 Bán dẫn tinh khiết (bán dẫn thuần) 244 9.1.2 Chất bán dẫn tạp 246 9.1.3 Sự phụ thuộc điện trở suất chất bán dẫn vào nhiệt độ 249 9.2 HI TƢỢ G KHUẾCH TÁN 250 9.3 ỚP TIẾP XÚC P-N 252 9.3.1 Lớp tiếp xúc p-n chưa có điện trường ngồi 252 9.3.2 Lớp tiếp xúc p-n có điện trường 253 9.4 DIODE CHỈ H ƢU 256 9.4.1 Cấu tạo 256 9.4.2 Các thông số diode 258 9.4.3 Hình dạng số diode 259 9.4.4 Điện trở tụ diode cách đo thử kiểm tra tụ 259 9.5 TRANSISTOR ƢỠ G CỰC 262 9.5.1 Cấu tạo 262 9.5.2 Nguyên tắt hoạt động 262 9.5.3 Tra cứu- hình dạng - cách đo thử 265 9.5.4 Các thông số transistor 267 TÓM TẮT 270 CÂU HỎI TRẮC GHI M 272 VI HƢỚ G DẪ HƢỚ G DẪ MÔ TẢ MƠ HỌC Giáo trình Vật lý điện từ trình bày kiến thức tượng điện - từ số ứng dụng chúng khoa học, công nghệ đời sống Những nội dung đưa giáo trình là: khái niệm điện tích, điện trường, điện thế, điện thơng, định lý, định luật điện trường tĩnh; khái niệm từ trường, cảm ứng từ, từ thông, định lý, định luật từ trường tĩnh; tượng cảm ứng điện từ; giới thiệu tổng quan trường điện từ hệ phương trinhg Maxwell Giáo trình đề cập tới cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng số linh kiện điện tử thông dụng điện trở, tụ điện, cuộn cảm,… thường gặp mạch điện Ngồi ra, giáo trình cịn trình bày tính dẫn điện vật rắn tinh thể siêu dẫn, chất bán dẫn ứng dụng ỘI DU G MƠ - HỌC Bài 0: Giải tích vectơ Bài trình bày cách xác định tọa độ điểm hệ tọa độ Descartes, hệ tọa độ trụ, hệ tọa độ cầu Ngồi ra, cịn đề cập đến khái niệm trường vô hướng, trường vectơ, số đại lượng đặc trưng cho trường - Bài 1: iện trƣờng tĩnh Bài đề cập đến khái niệm điện tích, mật độ điện tích, điện trường, cường độ điện trường, đường sức điện trường, điện thế, hiệu điện thế, điện thông; nguyên lý chống chất điện trường; định luật bảo toàn điện tích, định luật Coulomb, định lý Gauss ứng dụng để xác định cường độ điện trường cho hệ điện tích phân bố đối xứng; mối liên hệ điện trường điện thế; lượng điện trường; lưỡng cực điện - Bài 2: Tụ điện chất điện mơi Trong trình bày nội dung vật dẫn cân tĩnh điện, hiệu ứng mũi nhọn; điện dung vật dẫn; cấu tạo, hình dạng, đặc tính số tụ điện đơn giản; cách đọc trị số tụ điện; ghép tụ điện; cách HƢỚ G DẪ VII đo thử kiểm tra tụ; lượng tụ điện; số ứng dụng tụ điện Bài học khảo sát phân cực chất điện môi; điện trường chất điện môi - Bài 3: Dòng điện điện trở Bài học đề cập đến khái niệm dòng điện, cường độ dòng điện, mật độ dòng điện, sức điện động; định luật dịng điện; ký hiệu, cấu tạo, hình dạng, đặc tính điện điện trở; màu sắc cách đọc trị số điện trở; cách ghép điện trở; số ứng dụng điện trở; mạch điện tử, khái niệm ngắn mạch hở mạch; mạch bảo vệ - Bài 4: Từ trƣờng tĩnh Bài trình bày khái niệm tương tác từ, từ trường, cường độ từ trường, đường sức từ, từ thông; định luật Biot - Savart - Laplace, định lý Gauss cho từ trường, định lý Ampère dịng tồn phần lực tác dụng lên phần tử dòng điện; tác dụng từ trường lên dịng điện; cơng lực từ; chuyển động hạt mang điện từ trường; hiệu ứng Hall ứng dụng - Bài 5: Cảm ứng điện từ Những nội dung học tượng cảm ứng điện từ; định luật Lenz chiều dòng điện cảm ứng; định luật Faraday suất điện động cảm ứng; số ứng dụng tượng cảm ứng điện từ - Bài 6: Cuộn cảm Bài học trình bày tượng tự cảm, hỗ cảm; hệ số tự cảm, cách ghép cuộn cảm, cách đọc trị số cuộn cảm, lượng từ trường; đặc tính điện cuộn cảm mạch DC AC, phân loại vài ứng dụng cuộn cảm Biến vấn đề liên quan, cách đo thử kiểm tra cuộn cảm biến - Bài 7: Giới thiệu trƣờng sóng điện từ Bài đưa hai luận điểm Maxwell; giới thiệu hệ phương trình Maxwell; ý nghĩa thuyết điện từ Maxwell; sóng điện từ, sóng điện từ phẳng, thang sóng điện từ; ứng dụng sóng điện từ - Bài 8: Vật rắn tinh thể - Siêu dẫn Trong đề cập đến khái niệm vật rắn tinh thể; tách mức lượng vật rắn; phân loại vật rắn theo thuyết vùng lượng; phân bố Fermi – Dirac; electron dẫn kim loại; hiệu điện tiếp xúc; tượng siêu dẫn - Bài 9: Chất bán dẫn - Ứng dụng Bài giới thiệu đại cương chất bán dẫn, chất bán dẫn thuần, tạp loại N, loại P; cấu trúc vùng lượng; lớp tiếp xúc P-N, VIII HƢỚ G DẪ đặc tuyến Volt - Ampe, ứng dụng chế tạo linh kiện điện tử: diode chỉnh lưu, BJT, FET,… KIẾ THỨC TIỀ Ề Để học tốt môn học sinh viên phải có tảng tốn cao cấp YÊU CẦU MÔ HỌC Sinh viên phải dự học đầy đủ buổi lên lớp, tham khảo tài liệu, ôn lại học làm tập đầy đủ nhà CÁCH TIẾP HẬ ỘI DU G MÔ HỌC Đối với học, sinh viên đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau đọc kỹ nội dung học Muốn học tốt môn học xong học sinh viên cần ơn tập học đó, trả lời câu hỏi làm đầy đủ tập học; tìm thêm thơng tin liên quan đến nội dung học tài liệu tham khảo, để hiểu kiến thức trình bày học cách đầy đủ sâu sắc PHƢƠ G PHÁP Á H GIÁ MƠ HỌC Mơn học đánh giá gồm: - Điểm trình: 30% Hình thức nội dung giảng viên định, phù hợp với quy chế đào tạo tình hình thực tế nơi tổ chức học tập - Điểm thi: 70%; Hình thức thi: trắc nghiệm; Thời gian làm bài: 60 phút Nội dung thi kiến thức từ học đến học 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 Thơng 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: e  I osat dVD VT Suy ra: rd  dVD  VT dI D I osat e VD VT  VT ID Ở nhiệt độ phòng (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): cịn gọi cực phát, pha đậm nên nồng độ hạt dẫn đa số lớn, khả sinh dịng 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 (dịng 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 có trị số lớn Khi đến cực B, thành dòng 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 VCC 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 dịng 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 Ngoài 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 B C Mỹ B C E Vỏ cực C Châu Âu Loại công suất nhỏ Loại cơng 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 : - Cịn 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 NPN p PNP n n p Hình 9.24: Cách đo thử transistor loại NPN PNP Còn 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 < ) Ngồi 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 Công suất giới hạn Khi có dịng điện qua Transistor sinh cơng suất nhiệt làm nóng Transistor ,cơng suất sinh tính theo cơng thức: PT = IC VCE Mỗi Transistor có cơng suất giới hạn gọi công suất tiêu tán tối đa P Dmax (Dissolution) Nếu công suất sinh lớn công 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 thơng 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 Ngồi 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 cơng 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: Cơng 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 dịng điện tồn 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 dòng 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 IE IC =.IB PNP IB 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, nguyên tử tạp chất bị ion hoá hoàn toàn 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 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 ( 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 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 ( 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 phịng 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 B C D , Hình 9.37 , , , ... HỌC Giáo trình Vật lý điện từ trình bày kiến thức tượng điện - từ số ứng dụng chúng khoa học, công nghệ đời sống Những nội dung đưa giáo trình là: khái niệm điện tích, điện trường, điện thế, điện. .. tụ điện - Chất điện môi: phân cực chất điện môi, vectơ phân cực điện môi, điện trường bên chất điện môi 2.1 VẬT DẪ CÂ BẰ G TĨ H I 2.1.1 Khái niệm vật dẫn cân tĩnh điện Vật dẫn vật có hạt mang điện. .. khái niệm điện tích, mật độ điện tích, điện trường, cường độ điện trường, đường sức điện trường, điện thế, hiệu điện thế, điện thông; nguyên lý chống chất điện trường; định luật bảo tồn điện tích,