Giáo Trình Điện Tử Học Thầy Phan Văn Đường ĐHSP Huế

LỜI NÓI ĐẦU Điện tử học là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu và sử dụng các dụng cụ điện tử, các dụng cụ này hoạt động dựa theo việc điều khiển các dòng điện tử hoặc các hạt tải điện, Dụn

PHAN VĂN ĐƯỜNG

ĐIỆN TỬ HỌC

Trường Đại học sư phạm - Đại học Huế

Huế, tháng 12 năm 2011

Giáo trình này được viết bởi

Phan Văn Đường, giảng viên Khoa Vật lý,

Trường ĐHSP - Đại học Huế Giáo

trình này được dùng để giảng dạy và

học tập học phần Điện tử học mã số:

VALY 3372

LỜI NÓI ĐẦU

Điện tử học là một lĩnh vực khoa học nghiên cứu và sử dụng các dụng cụ điện tử, các dụng cụ này hoạt động dựa theo việc điều khiển các dòng điện tử hoặc các hạt tải điện,

Dụng cụ bán dẫn được nghiên cứu ở đây là các loại diode, các loại transistor, làm việc dựa trên sự biến đổi nồng độ và sự dịch chuyển của các hạt tải điện.Từ đó biết được nguyên lý hoạt động, các họ đặc tuyến tĩnh và động, các tham số tĩnh và động, các ứng dụng của các dụng cụ bán dẫn trên

Trong chương trình học ở phổ thông trung học cũng có dành một số chương thích đáng đề cập đến điện tử học Các trường đại học cao đẳng chuyên ngành kỹ thuật cũng đã có các giáo trình, các tài liệu tham khảo về điện tử học Nhưng để dành cho sinh viên Đại học sư phạm khoa Vật lý, khoa sư phạm kỹ thuật các tài liệu phù hợp khi ra trường giảng dạy các phần có liên quan đến điện tử học vẫn đang còn ít

Chúng tôi biên soạn giáo trình này để làm tài liệu học tập cho sinh viên Khoa Vật lý trường Đại học sư phạm, trước mắt là sinh viên khoa vật lý trường Đại học sư phạm Huế khi học học phần Điện tử học Khi soạn chúng tôi bám sát

đề cương chi tiết học phần Điện tử học đã được duyệt

Ngoài ra giáo trình còn có thể làm tài liêu học tập cho sinh viên Khoa Sư pham kỹ thuật khi học về kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đo lường điện điện tử

Giáo trình có 8 chương Chương đầu tiên trình bày khái niệm cơ bản nhất về chất bán dẫn làm nòng cốt để sinh viên nắm bắt được kiến thức của các chương sau Từ chương hai trở đi giáo trình lần lượt trình bày theo thứ tự các dụng cụ bán dẫn chỉ có một tiếp giáp, các dụng cụ bán dẫn có hai tiếp giáp, các dụng cụ bán dẫn có nhiều tiếp giáp và cuối cùng là các dụng cụ quang bán dẫn Ở chương cuối, tuy vi mạch không phải là một dung cụ bán dẫn mà là một mạch chức năng (function device), nhưng theo đề cương chi tiết, chúng tôi cũng đưa vào để sinh viên biết được một thành tựu mới nhất của điện tử học

Do trình độ và thời gian hạn chế, giáo trình chắc chắn có các sai sót, chúng tôi rất mong các thầy, cô giáo, các bạn đọc góp ý, chúng tôi rất mong và rất cần các góp ý đó để sửa chữa, bổ sung, hoàn chỉnh giáo trình

Phan Văn Đường

CHƯƠNG 1 CƠ SỞ VẬT LÝ DỤNG CỤ BÁN DẪN

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mở đầu

Điện tử học nghiên cứu các hiện tượng vật lý xảy ra trong các linh kiện điện

tử, chủ yếu là các linh kiện tích cưc Trước đây là các đèn điện tử 3 cực, 4 cực, 5 cực ngày nay là những dụng cụ bán dẫn Những linh kiện này đóng vai trò khuếch đại trong các mạch điện tử như khuếch đại cao tần, khuếch đại âm tần, khuếch đại xung Những hiện tượng đó đã nghiên cứu khi đề cập đến dòng điện

trong chất rắn

Dụng cụ bán dẫn được nghiên cứu là các loại diode (chỉnh lưu, zener, biến dung, SCR…), các loại transistor (BJT, FET, MOSFET ), các dụng cụ quang điện tử Làm việc dựa trên sự biến đổi nồng độ và sự dịch chuyển của các hạt mang điện: điện tử và lỗ trống dưới tác dụng của tác nhân bên ngoài như điện áp, dòng điện, ánh sáng

Mục tiêu của chương

Mục tiêu của chương này là tạo điều kiện cho sinh viên:

-Nắm được những khái niệm cơ bản về điện tử học như,thông số (parameter), đặc tuyến (characteristic), họ đặc tuyến

- Nắm được lịch sử phát triển các linh kiện điện tử

- Hiểu được nguyên lý hoạt động của các linh kiện điện tử mà chủ yếu là các linh kiện bán dẫn

- Nắm vững các tính chất của bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp chất

- Hiểu rõ cách hình thành tiếp giáp PN

Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng:

Phân tích được sự thay đỗi nồng độ của các hạt dẫn điện cơ bản có trong chất bán dẫn là điện tử và lỗ trống khi di chuyển qua tiếp giáp PN có và không có điện trường ngoài

Đây là chương mở đầu, có thể xem như là nhập môn để sinh viên thâm nhập vào điện tử học Từ những kiến thức rất cơ bản về tiếp giáp PN ở chương này, sinh viên nắm bắt dễ dàng nguyên lý hoạt động và các ứng dụng cơ bản của các linh kiện điện tử ở các chương sau

1.Lịch sử phát triển các dụng cụ điện tử

- Năm 1904 John Ambrose Fleming (1849 - 1945) nhà vật lý và kỹ sư người Anh, nhờ sự khám phá hiện tượng phát xạ điện tử của Thomas Edison đã phát minh diode chân không (Hình 1.1)

Hình 1.1: Cấu tạo và hình dạng của diode chân không

Hình 1.1 cho ta hình dạng của diode EZ81 được sử dụng rất phổ biến trong các thiết bị điện tử vào thập niên 60 của thế kỷ 20 và cấu tạo của nó

-Năm 1906 Lee de Forest (1873 - 1961) nhà phát minh người Mỹ đã phát minh ra đèn điện tử 3 cực (triode chân không) Đây là cuộc cách mạng lần thứ nhất của kỹ thuật điện tử Có đèn điện tử ta có thể khuếch đại biên độ các tín hiệu đang còn rất bé, nhờ vậy có thể nâng công suất của tín hiệu lên rất nhiều lần

Hình 1.2: Ký hiệu, cấu tạo và hình dạng của triode chân không

Hình 1.2 là ký hiệu, cấu tạo và hình dạng đèn điện tử 3 cực 12AX7 do hảng RCA Mỹ sản xuất năm 1947

- Năm 1948 Từ phòng thí nghiệm của hãng Bell, ba nhà khoa học người Mỹ John Bardeen (1908 - 1991), William Bradford Shockley (1910 - 1989) và Walter Houser Brattain (1902 - 1987) đã chế tạo thành công transistor, còn gọi là triode bán dẫn (Hình 1.3) Việc xuất hiện của transistor gây ra một cuộc cách mạng lần thứ hai của kỹ thuật điện tử, làm cho kỹ thuật vô tuyến điện tử bước một bước khổng lồ trong việc nâng cao chất lượng, tăng hiệu suất, thu gọn kích thước, trọng lượng và giảm giá thành một cách rất đáng kể các thiết bị điện tử

Hình 1.3: Các loại Transistor

- Ngày 12 tháng 9 năm 1958 vi mạch đầu tiên, hay còn được gọi là mạch tích hợp (IC – Intergrated Circuit), được chế tạo tại công ty Texas Instruments (Mỹ) bởi một nhân viên mới của công ty này là Jack Kilby Đây là một thành tựu

vô cùng to lớn của điện tử học, nó giúp con người tiếp tục hoàn thiện các chỉ tiêu quan trọng của các thiết bị điện tử là giảm kích thước, giảm tiêu thụ năng lượng, giảm giá thành sản xuất, tăng độ bền, độ tin cậy Nhờ phát minh này Kilby được trao giải Nobel Vật lý năm 2000

Ngược với chất dẫn điện, khi nhiệt độ tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng theo Nghĩa là điện trở suất của chất bán dẫn nghịch biến với nhiệt độ Ta nói chất bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm

Hai chất bán dẫn được dùng chủ yếu để chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Germanium (Ge) và Silicon (Si) Cả hai đều nằm trong nhóm 4 của bảng phân hạng tuần hoàn Hiện nay người ta không dùng Ge để chế tạo các dụng cụ bán dẫn

vì giá thành cao, dòng điện rò lớn và nhiệt độ chịu đựng bé (<1000C)

Theo nguyên lý loại trừ của Pauli ta suy ra số điện tử tối đa trong mỗi tầng: 2n2 Vận dụng vào Si (có 14 điện tử) và Ge (có 32 điện tử), ta có cấu hình diện tử của chúng như sau:

Si: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2

Ge: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p2

Như thế, các mức năng lượng bên trong của nguyên tử Ge và Si đều được làm đầy trong khi đó mức ngoài cùng còn thiếu 4 điện tử mới được làm đầy Xem hình vẽ phân bố điện tử ở các vòng của Si và Ge (Hình 1.4), ta thấy Si

và Ge có 4 điện tử hóa trị (điện tử hóa trị là điện tử ở lớp ngoài cùng trong nguyên tử) Do đó Si và Ge đều có hóa trị 4

Hình 1.4: Phân bố điện tử ở các vòng của Si và Ge

Theo quan điểm lý thuyết miền năng lượng của chất rắn, ta thấy đồ thị năng lượng của một chất rắn có 3 miền (Hình 1.5abc):

Miền hóa trị (Valence band): Còn gọi là miền đầy, miền chứa đầy các

electron

Miền cấm (Forbidden band): Miền năng lượng không thể có electron chiếm

chổ Miền cấm ngăn cách giữa hai miền hóa trị và miền dẫn

Miền dẫn (Conduction band): Miền chưa có các electron chiếm chổ

Từ hình 1.5 ta có:

* Chất dẫn điện: Không có vùng cấm ngăn cách giữa hai miền hóa trị và

miền dẫn (Hình 1.5a) Do đó điện tử ở miền hóa trị sẵn sàng di chuyển dưới tác dụng của điện trường ngoài, ngay khi cả điện trường ngoài yếu để tham gia vào việc dẫn điện

Hình 1.5: Bố trí các mức năng lượng của chất dẫn điện, cách điện và bán dẫn

* Chất cách điện: Vùng cấm có độ rộng lớn (5eV ÷ 10 eV) Do đó các điện

tử ở miền hóa trị không thể nhảy mức lên vùng dẫn Chất cách điện hoàn toàn không dẫn điện dưới tác dụng của điện trường ngoài

* Chất bán dẫn: Vùng cấm của chất bán dẫn có độ rộng bé (0,2eV ÷ 1,5 eV) Electron có khả năng nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn Khi nhảy mức, nó tạo nên lỗ trống (hole) ở vúng hóa trị Ta thấy nồng độ n của điện tử trong miền dẫn bằng nồng độ p của lỗ trống ở miền hóa trị (n = p) Sự dẫn điện ở vùng hóa trị

Quá trình ngược lại gọi là quá trình kết hợp hoặc tái hợp (recombination) giữa lỗ trống và điện tử Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống Ứng với một nồng độ của điện tử và lỗ trống nhất định thì có sự cân bằng động giữa quá trình kích thích và quá trình tái hợp Lúc đó nồng độ được gọi là cân bằng đối với chất bán dẫn thuần Nồng độ này có thể được xác định theo công thức:

i 2

1 đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng

Tích số kT xác định cở của năng lượng chuyển động nhiệt của electron Ở nhiệt độ phòng 300oK khoảng 1,38.10-23 300

Chất bán dẫn thuần được đặt trưng bằng mức Fermi Wf nằm ở trung tâm miền cấm

Như vậy, nồng độ của electron và lỗ trống càng lớn khi miền cấm càng hẹp

và nhiệt độ của chất bán dẫn càng cao

2.2.Bán dẫn pha tạp chất (doping)

Việc dẫn điện của chất bán dẫn sẽ tăng lên rất đáng kể khi ta pha thêm tạp chất vào nó Người ta thường pha tạp chất thuộc nhóm 5 (As, P, Sb ) để có chất bán dẫn loại N Pha tạp chất thuộc nhóm 3 (In, B, Al ) để có bán dẫn loại P

2.2.1.Bán dẫn loại N (n – type semiconductor)

Giả sử ta đang dùng chất bán dẫn Silic (chất bán dẫn được sử dụng chủ yếu hiện nay để chế tạo các dụng cụ bán dẫn) Silic là nguyên tố thuộc nhóm 4 trong bảng phân hạng tuần hoàn, vòng ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị Cũng như chất khí, trong chất bán dẫn các nguyên tử trong phân tử liên kết nhau bằng mối nối đồng hóa trị Đó là mối liên kết hóa học của hai nguyên tử kề nhau bằng đôi điện

tử góp chung, chuyển động trên quỷ đạo chung cho hai nguyên tử Theo quy ước

người ta biểu diễn mối quan hệ này bằng hai vạch thẳng nối hai nguyên tử (Hình 1.6) Nếu Si hoàn toàn nguyên chất, tất cả các điện tử hóa trị dều ở trạng thái liên kểt trong mạng nên không có có điện tử tự do Khi đó nguyên tử Si hoàn toàn không dẫn điện

Hình 1.6: Mạng liên kết hóa học của Si

Nếu ta pha tạp chất thuộc nhóm 5 ví dụ Phosphor (Hình 1.7) vào Si thì 4 điện tử ở vòng ngoài của P sẽ liên kết đồng hóa trị với 4 điện tử vòng ngoài của Si

bằng 4 đôi điện tử góp chung Còn một điện tử thừa của Phosphor không tham gia

vào liên kết mạng Nó trở thành điện tử tự do Như vậy ngoài số lượng điện tử và

lỗ trống có sẵn trong chất bán dẫn thuần Silic, còn có thêm một số lượng điện tử

do tạp chất tạo ra

Hình 1.7: Mạng liên kết hóa học của bán dẫn loại N

Tạp chất nhóm 5 đã cho điện tử nên được gọi là tạp chất cho (donor) Bán dẫn được pha tạp chất nhóm 5 được gọi là bán dẫn loại N Số lượng điện tử tự do trong bán dẫn loại N rất nhiều hơn lỗ trống Điện tử là hạt dẫn điện đa số (majority carrier), lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số (minority carrier) Độ dẫn điện

trong bán dẫn loại N do điện tử của tạp chất quyết định Ngoài ra còn do điện tử

và lỗ trống của chất bán dẫn thuần

Theo lý thuyết miền năng lượng thì khi pha tạp chất nhóm 5 vào Si, trong miền cấm xuất hiện một miền hẹp gọi là miền tạp chất Wd Miền này phân bố rất gần miền dẫn, mức Fermi cũng dịch lên nằm gần miền dẫn Khi nhiệt độ tăng lên, điện tử trong miền này đã đủ năng lượng để nhảy lên miền dẫn, tham gia vào việc dẫn điện Hình 1.8 là phân bố của miền tạp chất và mức Fermi của bán dẫn loại N

Hình 1.8: Phân bố của miền tạp chất và mức Fermi của bán dẫn loại N

2.2.2.Bán dẫn loại P (p – type semiconductor)

Bây giờ nếu ta pha vào bán dẫn Si thuần tạp chất thuộc nhóm 3 (ví dụ In)

Ba điện tử ngoài cùng của In sẽ liên kết với ba điện tử của Si thành ba đôi điện tử góp chung (Hình 1.9), còn thiếu một điện tử cho liên kết thứ tư Do đó In dễ dàng nhận một nguyên tử của Si gần đó Nguyên tử Si này mất đi một điện tử biến thành lỗ trống Nguyên tử này lại có thể lấy điện tử của Si bên cạnh

Hình 1.9: Mạng liên kết hóa học của bán dẫn loại P

Nếu có điện trường ngoài E thì sự dịch chuyển có hướng tạo thành dòng điện Các tạp chất nhóm 3 đã nhận điện tử nên được gọi là tạp chất nhận (Acceptor) Bán dẫn được pha tạp chất nhóm 3 được gọi là bán dẫn loại P Số

lượng lỗ trống trong bán dẫn loại P rất nhiều hơn điện tử Lỗ trống là hạt dẫn điện

đa số, điện tử là hạt dẫn điện thiểu số Độ dẫn điện trong bán dẫn loại P do lỗ trống của tạp chất quyết định Ngoài ra còn do điện tử và lỗ trống của chất bán dẫn thuần

Theo lý thuyết miền năng lượng thì khi pha tạp chất nhóm 3 vào Si, trong miền cấm xuất hiện một miền hẹp gọi là miền tạp chất We (Hình 1.10).Miền này phân bố rất gần miền hóa trị, mức Fermi cũng dịch lên nằm gần miền dẫn Khi nhiệt độ tăng lên, điện tử trong miền đầy đã đủ năng lượng để nhảy lên miền dẫn, tạo nên sự dẫn điện bằng lỗ Ngoài ra các điện tử cũng có thể nhảy từ miền hóa trị lên miền dẫn tạo nên dòng điện của các hạt mang điện không cơ bản

Hình 1.10: Phân bố của miền tạp chất và mức Fermi của bán dẫn loại P

Bảng 1.1 cho ta một số chất trong bảng phân hạng tuần hoàn (phần tô đậm), thường được sử dụng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn

Bảng 1.1: Một số chất thường được sử dụng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn.

3.Tiếp giáp P-N (pn junction)

Tất cả các dụng cụ bán dẫn hoạt động được là nhờ vào lớp tiếp giáp hình thành ở chỗ tiếp xúc của hai loại bán dẫn khác loại (loại p và loại n) Hiện nay dụng cụ bán dẫn có ít tiếp giáp nhất chỉ có 1 tiếp giáp là diode, dụng cụ có nhiều tiếp giáp nhất là các loại diode điều khiển được như SCR, triac, diac

3.1.Tiếp giáp P-N cân bằng

Đây là trạng thái không có điện áp ngoài đặt vào tiếp giáp Trước khi tiếp xúc, mỗi loại bán dẫn nằm trong trạng thái cân bằng Giả sử nồng độ tạp chất cho, tạp chất nhận, nồng độ điện tử và lỗ trống phân bố đều trên toàn bộ chất bán dẫn Khi cho hai loại bán dẫn P và N tiếp xúc nhau (Hình1.11) Do sự chênh lệch

về nồng độ, tại bề mặt của lớp tiếp xúc S, lỗ trống sẽ khuếch tán từ P sang N, ngược lại điện tử sẽ khuếch tán từ N sang P

Hình 1.11: Tiếp giáp PN cân bằng

Trong đó: pP là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại P

nP là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại P

nN là nồng độ điện tử trong bán dẫn loại N

pN là nồng độ lỗ trống trong bán dẫn loại N

Chuyển động trên gọi là chuyển động khuếch tán, một trong những chuyển động cơ bản của các hạt tải điện trong môi trường bán dẫn Sự chuyển động khuếch tán này tạo ra dòng điện khuếch tán (diffusion curent) Ikt.

dx

dnqD

Ikt = Với: q : Điện tích của động tử (q = -e nếu là điện tử, q = +e nếu là lỗ trống)

Kết quả trong bán dẫn loại N tại phạm vi gần mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện một miền chủ yếu gồm những ion dương của tạp chất cho (miền thiếu điện tử) Tương

tự ở bán dẫn loại P gồm những ion âm của tạp chất nhận (miền thiếu lỗ trống)

Hình 1.12: Tiếp giáp PN cân bằng

Hai miền điện tích này có trị số bằng nhau nhưng ngược dấu Do thiếu các phần tử tải điện cơ bản (còn gọi là miền nghèo - depletion layer hoặc miền điện tích không gian - space charge region), điện trở của hai miền lớn hơn điện trở của phần còn lại, ta gọi là lớp chắn Trong phạm vi của lớp chắn, giữa hai miền điện tích khác dấu nhau sẽ có hiệu điện thế tiếp xúc Utx, tương ứng là điện trường tiếp xúc Etx chiều từ N sang P

Utx làm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được gọi là hàng rào thế (barrier potential)

Do có Etx các phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của các phần tử tải điện đa số, chuyển động này tạo thành dòng điện rò hoặc còn gọi là dòng điện trôi Itr, dòng điện ngược bảo hòa (reverse saturation current) Dòng này rất có hại, nó làm tăng nhiệt độ ở các tiếp giáp

Khi không có điện trường ngoài, dòng điện tổng cộng qua tiếp giáp PN bằng

không ΣI = Ikt + It = 0

3.2 Tiếp giáp P-N không cân bằng - Hiệu ứng chỉnh lưu

Khi ta đặt điện trường ngoài vào tiếp giáp PN thì trạng thái cân bằng trên

không còn nữa Tiếp giáp PN ở trạng thái không cân bằng, ta nói tiếp giáp PN

được phân cực Có hai cách phân cực:

3.2.1.Phân cực thuận (forward bias)

Khi đặt điện áp dương của điện áp ngoài vào P và điện áp âm vào N ta có

phân cực thuận (Hình 1.13a)

Hình 1.13 a,b: Phân cực thuận PN

Toàn bộ điện áp Uth sẽ đặt lên trên tiếp giáp, xếp chồng lên hiệu điện thế

tiếp xúc Utx Điện trường ngoài Eth ngược chiều với Etx.Các động tử đa số dưới tác

dụng của điện trường ngoài sẽ chuyển động về phía mặt tiếp xúc, làm giảm tình

trạng thiếu nồng độ động tử đa số ở lớp chắn, bề rộng của lớp chắn hẹp lại (d2 <

d1) Hàng rào điện thế (Utx - Uth) bé hơn Utx Các phần tử tải điện cơ bản dễ dàng

vượt qua hàng rào thế, dòng khuếch tán tăng nhanh, dòng trôi có trị số rất nhỏ

Dòng điện toàn phần chảy qua tiếp giáp Dòng thuận Ith tăng theo hàm số mũ

th

Kết luận 1: Khi phân cực thuận, dòng điện qua tiếp giáp lớn và tăng nhanh

theo điện áp, nó được xác định bằng dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ

bản.

3.2.2.Phân cực nghịch (reverse bias)

Khi ta đặt điện áp âm của điện áp ngoài vào P và điện áp dương vào N ta có

Điện trường Eng do điện áp Ung

gây nên trong lớp chắn sẽ làm cho các động tử đa số rời xa khỏi mặt tiếp xúc đi về

hai phía Kết quả làm cho lớp tiếp xúc càng thiếu động tử đa số hơn trước, do đó

điện trở và bề dày của nó tăng lên Hàng rào điện thế Utx+ Ung lớn hơn Utx, bề

rộng của tiếp giáp rộng ra d2 > d1, dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ bản

giảm Dòng trôi của phần tử tải điện không cơ bản không đổi vì nó chỉ phụ thuộc

vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất Do hàng rào thế tăng lên, nó đẩy lùi điện tử

trong N và lỗ trống trong P ra xa tiếp giáp Ở một nhiệt độ nhất định, dòng I trôi

không đổi gọi là dòng điện bão hòa I0. Dòng điện toàn phần qua tiếp giáp PN:

ng

I

q là điện tích của điện tử

Ở nhiệt độ phòng, khi Ung khoảng vài phần mười Volt thì qUng đã lớn hơn

kT rất nhiều, do đó ta có thể bỏ qua ⎥

⎤

⎢

⎡ − kT

qUng

e ở biểu thức trên Lúc đó Ing = - I0 Khi tăng Ung dòng Ing nhanh chóng đạt giá trị I0 và trong một giới hạn rộng, dòng

Ing không phụ thuộc vào Ung. (Hình 1.8b)

Kết luận 2: Khi phân cực nghịch, dòng điện qua tiếp giáp rất nhỏ và hầu

như không đổi, nó được xác định bằng dòng trôi của các phần tử tải điện không

cơ bản.

Từ hai kết luận trên, ta có một kết luận rất cơ bản:

Tiếp giáp PN chỉ dẫn điện theo một chiều đó là chiều thuận, chiều ngược lại thì không

Ta gọi đây là hiệu ứng chỉnh lưu, được ứng dụng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều Hình 1.15a mô tả đặc tuyến VA của tiếp giáp PN khi được phân cực thuận và nghịch Hình 1.15b cho ta biết điện áp thuận phụ thuộc vào chất liệu của tiếp giáp

Hình 1.15: Đặc tuyến VA của tiếp giáp PN, Điện áp thuận phụ thuộc vào chất

liệu của tiếp giáp

4 Ưu và khuyết điểm của dụng cụ bán dẫn

So với dụng cụ điện tử bằng chân không (đèn điện tử), dụng cụ bán dẫn có nhiều ưu điểm vượt trội:

-Kích thước rất nhỏ, trọng lượng rất bé

-Tiêu thụ rất ít năng lượng, nguồn điện áp cung cấp rất thấp

-Tuổi thọ rất cao (hàng vạn giờ)

- Sức bền cơ học rất lớn

- Hoạt động ngay vì không cần nung nóng cathode

Tuy nhiên dụng cụ bán dẫn vẫn còn một số khuyết điểm sau:

- Hoạt động phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiệt độ tiếp giáp cao có thể hỏng ngay

- Đấu ngược cực tính của nguồn cung cấp sẽ hỏng ngay tiếp giáp PN

- Tham số và đặc tuyến sai khác nhau nhiều (cùng một tên dụng cụ bán dẫn

miền hóa trị (n = p) Điện tử và lỗ trống đều tham gia vào thành phần dẫn điện

được gọi chung là các hạt tải điện

Sự nhảy mức của electron từ miền hóa trị lên miền dẫn sẽ tạo thành cặp điện

tử - lỗ trống Quá trình ngược lại là quá trình tái hợp (recombination) giữa lỗ trống và điện tử Mỗi một kết hợp lại mất đi một cặp điện tử - lỗ trống Nồng độ này có thể được xác định theo công thức:

= = = ⎜⎛ −KT⎟

ΛW 3 2

i 2

2 p n AT en

Người ta pha tạp chất thuộc nhóm 5 (As, P, Sb ) để có chất bán dẫn loại N Pha tạp chất nhóm 3 (In, B, Al ) để có bán dẫn loại P

Tất cả các dụng cụ bán dẫn hoạt động được là nhờ vào lớp tiếp giáp hình thành ở chỗ tiếp xúc của hai loại bán dẫn khác loại Dụng cụ bán dẫn chỉ có 1 tiếp giáp là diode, dụng cụ có nhiều tiếp giáp nhất là các loại diode điều khiển được Khi cho hai loại bán dẫn P và N tiếp xúc nhau (xem hình1.11) Do sự chênh lệch

về nồng độ, tại bề mặt của lớp tiếp xúc S, lỗ trống sẽ khuếch tán từ P sang N, ngược lại điện tử sẽ khuếch tán từ N sang P Sự chuyển động khuếch tán này tạo

ra dòng điện khuếch tán (diffusion curent) Ikt.

Utx làm cản trở sự chuyển động của các phần tử tải điện cơ bản nên nó được gọi là hàng rào thế (barrier potential)

Do có Etx các phần tử tải điện thiểu số sẽ chuyển động qua mặt tiếp xúc theo chiều ngược với chiều chuyển động khuếch tán của các phần tử tải điện đa số, chuyển động này tạo thành dòng điện rò hoặc còn gọi là dòng điện trôi Itr, dòng điện ngược bảo hòa (reverse saturation current) Dòng này rất có hại, nó làm tăng nhiệt độ ở các tiếp giáp

Khi không có điện trường ngoài, dòng điện tổng cộng qua tiếp giáp PN bằng không ΣI = Ikt + It = 0

Khi đặt điện áp dương của điện áp ngoài vào P và điện áp âm vào N ta có phân cực thuận (xem hình 1.13a)

Toàn bộ điện áp Uth sẽ đặt lên trên tiếp giáp, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Utx Điện trường ngoài Eth ngược chiều với Etx.Các động tử đa số dưới tác dụng của điện trường ngoài sẽ chuyển động về phía mặt tiếp xúc, làm giảm tình trạng thiếu nồng độ động tử đa số ở lớp chắn, bề rộng của lớp chắn hẹp lại (d2 <

d1) Hàng rào điện thế (Utx - Uth) bé hơn Utx Các phần tử tải điện cơ bản dễ dàng vượt qua hàng rào thế, dòng khuếch tán tăng nhanh, dòng trôi có trị số rất nhỏ Dòng điện toàn phần chảy qua tiếp giáp Dòng thuận Ith tăng theo hàm số mũ (Hình 1.7b)

th

Kết luận 1: Khi phân cực thuận, dòng điện qua tiếp giáp lớn và tăng nhanh

theo điện áp, nó được xác định bằng dòng khuếch tán của các phần tử tải điện cơ bản

Khi ta đặt điện áp âm của điện áp ngoài vào P và điện áp dương vào N ta có phân cực nghịch (xem hình 1.14a) Điện trường ngoài Erng

cùng chiều với Ertx

Điện trường Eng do điện áp Ung gây nên trong lớp chắn sẽ làm cho các động tử đa

số rời xa khỏi mặt tiếp xúc đi về hai phía Do hàng rào thế tăng lên, nó đẩy lùi điện tử trong N và lỗ trống trong P ra xa tiếp giáp Ở một nhiệt độ nhất định, dòng

I trôi không đổi gọi là dòng điện bão hòa I0. Dòng điện toàn phần qua tiếp giáp PN:

ng

I

Kết luận 2: Khi phân cực nghịch, dòng điện qua tiếp giáp rất nhỏ và hầu

như không đổi, nó được xác định bằng dòng trôi của các phần tử tải điện không

cơ bản.

Từ hai kết luận trên, ta có một kết luận rất cơ bản:

Tiếp giáp PN chỉ dẫn điện theo một chiều đó là chiều thuận, chiều nghịch lại thì không

Bài tập ôn tập chương

1/ Trình bày quá trình phát triển của dụng cụ điện tử

2/ Nghiên cứu chất bán dẫn ở những vấn đề sau:

5/ Phân tích tiếp giáp PN khi cân bằng

6/ Phân tích tiếp giáp PN khi phân cực thuận

7/ Phân tích tiếp giáp PN khi phân cực nghịch

8/ Cho kết luận khi tiếp giáp PN được phân cực và ứng dụng trong thực tế 9/Tại sao nói rằng đèn điện tử đã làm cuộc cách mạng lần thứ nhất của kỹ thuật điện tử

10/ Hãy xác định giá trị của ni của Si ở nhiệt độ phòng (300oK)

Các nhiệm vụ học tập

- Sinh viên nắm vững các hiện tượng, các tính chất vật lý có liên quan đến chất bán dẫn như bán dẫn thuần, bán dẫn pha tạp chất, bán dẫn loại N, bán dẫn loại P Tính chất của tiếp giáp PN cân bằng, khi được phân cực tthuận và nghịch

- Tra cứu các tài liệu hoặc khai thác internet về cấu tạo và hoạt động của đèn điện tử hai cực, ba cực chân không

Các đề tài sinh viên

Đề tài 1: Nghiên cứu dòng điện trong chân không Áp dụng để phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của diode chân không

Đề tài 2: Nghiên cứu dòng điện trong chân không Áp dụng để phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của triode chân không

Đề tài 3: Nghiên cúu việc hình thành tiếp giáp PN và các tính chất của chúng Áp dụng các tính chất này trong thực tế,

Các câu hỏi đánh giá

Câu 1: Người ta nói đèn điện tử 3 cực đã làm một cuộc cách mạng lần thứ nhất vì

những ưu điểm sau của nó:

a/ Kích thước nhỏ, trọng lượng bé, tiêu thụ ít năng lượng b/ Khuếch đại được tín hiệu

c/ Hiệu suất cao d/ Câu a và c đúng

Câu 2: Tiếp giáp PN dẫn điện khi :

a/ Phân cực thuận

b/ Phân cực nghịch

c/ Phân cực thuận hoặc nghịch

d/ Có điện áp đặt vào hai đầu P và N

Câu 3: Muốn có bán dẫn loại P ta pha vào bán dẫn thuần:

Câu 5/ Trong chất bán dẫn thuần thì:

a/ Số lượng điện tử lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều

b/ Số lượng lỗ trống lớn hơn số lượng điện tử rất nhiều

c/ Số lượng lỗ trống và điện tử bằng nhau

d/Không có lỗ trống trong ban dẫn thuần

CHƯƠNG 2 CÁC LINH KIỆN RCL

Mở đầu

Trong kỹ thuật điện tử, linh kiện RCL được gọi là linh kiện thụ động, đây là

các phần tử tuyến tính vì quan hệ giữa điện áp và dòng điện của chúng là tuyến

tính: Dòng điện, điện áp phụ thuộc tuyến tính vào nhau

Trên R: U = RI

Trên C:

dt

dqdt

duC

i= =

Trên L:

dt

diL

u=Như vậy i, u phụ thuộc tuyến tính vào nhau, không có bậc 2,3, của i, u, dt

Mục tiêu của chương này là tạo điều kiện cho sinh viên:

- Nắm được cấu tạo, các tham số của các linh kiện RCL

- Bảng mã màu (color code)

-Xác định các công thức tính toán các tham số của các linh kiện RCL Sau khi học xong chương này, sinh viên có khả năng:

- Sử dụng tốt các các linh kiện RCL

- Nắm vững và khai thác được các công thức tính toán các tham số của các linh kiện RCL trong từng trường hợp ứng dụng cụ thể

- Nắm vững và khai thác được bảng mã màu khi sử dụng các linh kiện RCL

- Biết rõ các ứng dụng các linh kiện trong các thiết bị điện, điện tử

Chương 2 mở đầu cho sinh viên làm quen với các linh kiện thụ động trong các mạch điện tử trước khi nghiên cứu các linh kiện tích cực

1 Điện trở

1.1 Điện trở cố định R (Resistor)

Điện trở là các linh kiện điện tử mắc trong mạch điện để hạn chế hoặc điều chỉnh dòng điện Khi dòng điện đi qua điện trở nó sẽ gây sụt áp, nhờ đó ta có thể

dễ dàng xác định mức dòng và mức áp cung cấp cho các linh kiện khác theo đúng yêu cầu Ngoài ra nó còn dùng làm tải cho các linh kiện tích cực như Transistor chảng hạn

1.1.1.Ký hiệu, phân loại, hình dạng của điện trở

Điện trở cố định được viết tắt là R (Resistor) và có ký hiệu trên các sơ đồ như hình 2.1

Hình 2.2: Hình dạng điện trở than nhồi (a) Cấu tạo điện trở than nhồi (b)

Điện trở than nhồi được sản xuất với rất nhiều trị số danh định khác nhau, từ vài ohm đến hàng Megohm, có công suất từ 1/8W đến hàng chục Watt

b/Điện trở màn mỏng (film resistor) có hình dạng như hình 2.3a bao gồm điện trở màn carbon (carbon film resistor) và điện trở màn kim loại (metal film resistor) Trên một ống trụ bằng gốm, sành hoặc thuỷ tinh, người ta phủ một lớp dẫn điện như bán dẫn, carbon hoặc tungsten mỏng Sau đó phủ ngoài bằng một lớp cách điện Các lớp dẫn điện này được cắt thành một băng có bề rộng xác định,

tuỳ huộc vào trị số của điện trở Ở hai đầu ống có hai cái chốp kẹp dính liền với đầu dây ra (Hình 2.3b)

Hình 2.3: Điện trở màn mỏng (a) Cấu tạo của điện trở màn mỏng (b)

Điện trở loại này do có lớp cản điện rất nhuyển, nên ít tạo ra tiếng ồn khi có dòng điện đi qua

c/Điện trở dây quấn có hình dạng như hình 24a Trên một ống hình trụ bằng gốm cách điện, người ta quấn một lớp dây điện trở, có bọc một lớp verni cách điện Một lớp ciment chịu nóng được bọc ngoài cùng để bảo vệ và để chống ẩm Dây điện trở thuộc loại hợp kim gồm nickel và chrom, nickel và sắt hoặc nickel

và đồng (Hình 2.4b)

Hình 2.5: Hình dạng điện trở dây quấn (a) Cấu tạo điện trở dây quấn (b)

Điện trở dây quấn có công suất chịu đựng rất lớn nhưng trị số danh định bé, tối đa là vài kΩ

1.1.2.Các tham số của một điện trở

Muốn sử dụng tốt một điện trở, ta cần biết rõ một số tham số sau:

a/ Trị số danh định: Do nhà sản xuất ghi trực tiếp trên thân điện trở Điện trở dây quấn có trị số nhỏ được ghi trực tiếp, các loại điện trở khác được ghi bằng màu (xem bảng mã màu) Trị số của các điện trở loại này thường được sản xuất theo tiêu chuẩn riêng (xem bảng tiêu chuẩn)

b/ Sai số:Trị số danh định ghi trên điện trở và trị số thực tế của chúng thường không giống nhau Số sai biệt này gọi là sai số Điện trở thường được sản xuất với các sai số: ± 5%, ±10% và ±20% Những điện trở đặc biệt dùng trong các máy đo hoặc trong phòng thí nghiệm thường có sai số rất bé chỉ ±1%

c/Công suất chịu đựng: Khi dòng điện chảy qua một điện trở sẽ làm điện trở nóng lên Công suất chịu đựng của một điện trở là công suất tiêu thụ thường xuyên mà điện trở không bị phá huỷ Công suất này được tính bằng Watt, nó phụ thuộc vào chất cản điện tạo nên điện trở, hình thức và thể tích của điện trở Hình dạng điện trở càng lớn công suất chịu đựng càng cao Người ta thường chế tạo các điện trở 1/8W,1/4W, 1/2W, 1W, 2W

d/ Hệ số nhiệt độ: Nhiệt độ luôn ảnh hưởng đến trị số của điện trở và hệ số

nhiệt độ tùy thuộc loại điện trở Khi nhiệt độ tăng, loại dây quấn và loại than nhồi

sẽ tăng trị số, loại tô mỏng bằng bán dẫn sẽ giảm trị số Ta nói loại dây quấn và loại than nhồi có hệ số nhiệt độ dương, loại tô mỏng bằng bán dẫn có hệ số nhiệt

độ âm

1.1.3.Bảng mã màu (colour code)

Trị số điện trở ít khi được ghi trực tiếp lên thân điện trở mà thường được ghi theo bảng mã màu Trong mã này, mỗi chữ số được thay bằng một màu tương ứng

và mã hóa theo bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1: Mã màu của điện trở

Mỗi điện trở được ghi bằng 3,4 hoặc 5 vòng màu Trong đó vòng màu thứ nhất (first band) là số thứ nhất (1st digit); vòng thứ hai (second band) là số thứ hai

(2nd digit); vòng thứ ba là nhân với (multiplier), vòng thừ tư là sai số (tolerance) nếu không có vòng màu này (no band) thì sai số là 20%

Ví dụ 1: Hãy đọc trị số điện trở sau:

Ví dụ 2: Hãy đọc trị số điện trở sau:

Ví dụ 3: Hãy đọc trị số điện trở sau:

Điện trở mẫu, điện trở có độ chính xác cao dùng trong các máy đo, dùng trong phòng thí nghiệm thường được ghi trực tiếp bằng số, lúc đó sai số được ghi bằng mẫu tự với quy ước như sau: E: ±1%; J: ±5%; K: ±10%; M: ±20%

Ví dụ: Điện trở được ghi: 470 ΩJ có trị số kèm sai số: 470,0 Ω ± 23,5 Ω

1.1.4.Tiêu chuẩn quy định trị số điện trở

Điện trở được sản xuất có trị số tuỳ thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau, chủ yếu là tiêu chuẩn của hội chế tạo Vô tuyến RMA (Radio Manufactures Association) Bảng 2.1 cho ta tiêu chuẩn RMA sai số +- 5% gồm 114 trị số:

11 k Ω

110 k Ω 1,1MΩ

12Ω 120Ω 1,2 kΩ 12k Ω

120 kΩ 1,2MΩ

13Ω 130Ω 1,3 k Ω

13 k Ω

130 kΩ 1,3MΩ

15Ω 150Ω 1,5KΩ 15KΩ 150KΩ 1,5MΩ

16Ω 160Ω 1,6 kΩ

16 kΩ

160 kΩ 1,6MΩ 18Ω

2 kΩ

20 kΩ

200 kΩ 1,8MΩ

22Ω 220Ω 2,2 kΩ

22 kΩ

220 kΩ 2,2MΩ

24Ω 240Ω 2,4 kΩ

24 kΩ

240 kΩ 2,4MΩ

27Ω 270Ω 2,7 kΩ

27 kΩ

270 kΩ 2,7MΩ

30Ω 300Ω

3 kΩ

30 kΩ

300 kΩ 3MΩ 33Ω

36 kΩ

360 kΩ 3,6 MΩ

39Ω 390Ω 3,9 kΩ

39 kΩ

390 kΩ 3,9 MΩ

43Ω 430Ω 4,3 kΩ

43 kΩ

430 kΩ 4,3 MΩ

47Ω 470Ω 4,7 kΩ

47 kΩ

470 kΩ 4,7 MΩ

51Ω 510Ω 5,1 kΩ

51 kΩ

510 kΩ 5,1 MΩ 56Ω

62 kΩ

620 kΩ 6,2 MΩ

68Ω 680Ω 6,8 kΩ

68 kΩ

680 kΩ 6,8 MΩ

75Ω 750Ω 7,5 kΩ

75 kΩ

750 kΩ 7,5 MΩ

82Ω 820Ω 8,2 kΩ

82 kΩ

820 kΩ 8,2 MΩ

91Ω 910Ω 9,1 kΩ

91 kΩ

910 kΩ 9,1 MΩ

Bảng 2.1: Tiêu chuẩn RMA sai số + - 5% gồm 114 trị số

Khi sử dụng, nếu không có các điện trở có trị số cần thiết, ta kết nối các điện trở lại để có trị số theo yêu cầu Khi nối tiếp ta chỉ cần cộng trị số các điện trở lai, Khi nối song song ta tính điện trở tương đương

Nối song song R1 và R2

2 1

2 1 tđ

RR

RR

3 2 1 tđ

RRRRRR

RRRR

++

=

Nối song song R1, R2 , R3 và R4

3 2 1 4 2 1 4 3 1 4 3 2

4 3 2 1 tđ

RRRRRRRRRRRR

RRRRR

++

+

=

Tổng quát với n điện trở nối song song

1 - n 2 1 n 2 1 n 3 1 n 3 2

n 3 2 1 tđ

RRR RRR RRR RRR

RRRRR

++

1.2.Điện trở biến đổi VR(Variable Resistor)

1.2.1 Ký hiệu và phân loại

Biến trở là loại điện trở có thể điều chỉnh được trị số Được viết tắt trên sơ

đồ là VR (Variable Resistor) và có ký hiệu như hình 2.6

Hình 2.6: Ký hiệu biến trở

Biến trở có hai loại:

Biến trở dây điện trở: Có hình dạng và cấu tạo như hình 2.7

Hình 2.7: Hình dạng và cấu tạo của biến trở dây điện trở

Trên một ống tròn bằng gốm cách điện, người ta quấn một lớp dây điện trở như nicrom, fecrala có bọc một lớp verni cách điện Dọc theo ống ta bóc đi lớp verni cách điện tạo thành một rãnh tiếp xúc với con chạy (Hình 2.8)

Hình 2.8: Rãnh tiếp xúc giữa con chạy và dây điện trở

Biến trở có hai cực ra cố định và một cực ra nối với con chạy Khi ta di chuyển con chạy thì điện trở giữa hai cực sẽ biến đổi nghịch chiều nhau (một tăng, một giảm) Nhờ thế ta thay đổi dễ dàng trị số của điện trở theo yêu cầu sử dụng

Biến trở than chì (grafit): Có hình dạng và cấu tạo như hình 2.9 Lớp điện trở là than chì (grafit) phủ trên vòng đệm cách điện Hai đầu của lớp than chì này

là hai đầu vào 1,2 Chổi quét tì lên lớp grafit và nối tới đầu ra 3 Khi xoay trục xoay điện trở giữa các cực 3-1 và 3-2 sẽ biến thiên nghịch nhau Vòng cách điện

có phủ lớp grafit được đặt trong một hộp bằng sắt để tránh bụi

Hình 2.9: Hình dạng và cấu tạo biến trở than chì

Căn cứ theo cách thay đổi trị số điện trở, biến trở được chia làm hai loại: Loại biên đổi tuyến tính và loại biên đổi theo logarit thập phân Loại tuyến tính có điện trở thay đổi đều đều khi ta xoay con chạy Loại biến đổi theo logarit có trị số thay đổi nhanh ở một đầu và chậm ở một đầu khác, hoặc chậm ở hai đầu và nhanh

ở điểm giũa Loại biến trở này thường được dùng ở mạch điều chỉnh âm thanh để cho hợp với độ nhạy thính giác của tai người

Biến trở than chì còn được chế tạo dưới dạng biến trở vi chỉnh (trimmer), Loại này có kích thước nhỏ, trục xoay có hình dạng con vít nên phải sử dụng cái văn vít để xoay (hình 2.10) Tỷ lệ điều chỉnh của loại biến trở này thường là logarit

Hình 2.10: Các loại Trimmer

1.2.2 Cách mắc biến trở

Biến trở có hai phương pháp mắc

a/Phân áp: Khi vặn con chạy, điện áp ở trong mạch thay đổi liên tục từ 0V

đến điện áp cực đại đưa vào hai đầu biến trở (Hình 2.10) Kiểu mắc này còn gọi là

chiết áp Đây là cách mắc thông dụng nhất của biến trở

Hình 2.10: Biến trở mắc theo kiểu phân áp

b/Phân dòng: Khi vặn con chạy, dòng điện trong mạch bị thay đổi (Hình 2.11)

Hình 2.11: Biến trở mắc theo kiểu phân dong

1.3 Điện trở đặc biệt

1.3.1.Điện trở cầu chì

Do nhu cầu an toàn cho hoạt động của các thiết bị điện tử, người ta dùng

loại điện trở cầu chì Loại điện trở này thường có trị số bé và hoạt động như một

cầu chì Khi dòng điện trong mạch tăng cao, điện trở sẽ bị đứt để tách rời mạch

điện khỏi nguồn cung cấp Điện trở cầu chì có ký hiệu như hình 2.12

Hình 2.12: Ký hiệu điện trở cầu chì

1.3.2.Điện trở nhiệt (thermistor)

Còn gọi là điện trở bù trừ nhiệt độ Gồm hai loại là NTC (Negative

Temperature Coefficient) có hệ số nhiệt độ âm, trị số điện trở giảm khi nhiệt độ

tăng và PTC (Positive Temperature Coeficient) có hệ số nhiệt độ dương, trị số điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Có hình dạng và ký hiệu như hình (Hình 2.13)

Hình 2.13: Hình dạng và ký hiệu của nhiệt điện trở

1.3.3.Điện trở quang LDR(Light Dependendent Resistor)

Còn gọi là quang trở Trị số của quang trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào Nó có hình dạng và ký hiệu như hình (Hình 1.12)

Hình 2.14: Hình dạng và ký hiệu của quang trở

1.4.Phương pháp đo và xác định chất lượng

Để đo trị số của điện trở ta dùng ohm kế của máy đo vạn năng (Hình 2.15) Đưa hai đầu que đo của ohm kế vào hai đầu điện trở và đọc trị số tương ứng

Hình 2.15: Đo điện trở bằng Ohm kế

Điện trở hư hỏng do tăng trị số, không bao giờ gặp trường hợp giảm trị số Quan sát bên ngoài một điện trở ta thấy phần lớn điện trở hỏng thường nám đen Đối với biến trở, ta đo điểm giữa của biến trở với lần lượt một trong hai chân còn lại Khi vặn trục xoay, trị số của biến trở còn tốt sẽ biến thiên đều đặn từ

0Ω đến trị số đỉnh của nó Điện trở đo được tại điểm giữa của biến trở và hai chân còn lại biến thiên nghịch chiều nhau

Giả sử ta đo biến trở 100 kΩ như hình 2.16 Gọi O là điểm giữa, hai chân còn lại lần lượt là A và B Ta đo được: OA = 100kΩ, OB = 0Ω, AB là 100 kΩ

Hình 2.16: Đo biến trở bằng Ohm kế

1

Xc = thay đổi theo tần số nên được dùng để ngăn dòng điện một chiều dẫn dòng điện xoay chiều, để lọc điện, để tạo thành khung dao động Nếu trị số không điều chỉnh được gọi là tụ điện cố định C (Capacitor), còn nếu trị

số điều chỉnh được gọi là tụ điện biến đổi CV(Variable Capacitor)

2.1.1.Ký hiệu, cấu tạo và phân loại

Tụ điện được ký hiệu trên các sơ đồ như hình 2.17

Hình 2.17: Ký hiệu các loại tụ điện

Tụ điện được cấu tạo gồm 2 tấm dẫn điện gọi là bản cực, được cách điện với nhau bằng một lớp điện môi (Hình 2.18) Điện dung của chúng phụ thuộc vào

chất điện môi, diện tích bản cực và khoảng cách hai bản cực theo công thức đã học:

d

S

ε

C=

Hình 2.18: Cấu tạo của một tụ điện

Trong đó C: Điện dung tụ điện (F)

ɛ: Hằng số điện môi của lớp cách điện

d : Chiều dày của lớp cách điện (m)

S : Diện tích bản cực của tụ điện (m2)

Tụ điện trong thực tế sử dụng chỉ có từ vài chục pF (tụ giấy, tụ mica) Cho đến vài ngàn µF (tụ hóa học)

Tụ điện có nhiều loại khác nhau được phân loại tùy thuộc vào lớp điện môi giữa hai bản cực gồm tụ giấy (paper capacitor), tụ mica (mica capacitor), tụ tantan (tantalum capacitor), Tụ gốm (ceramic capacitor), tụ hoá (electrolytic capacitor)

Ta có thể nhận biết nhờ vào hình dạng của chúng (Hình 2.18)

Hình 2.18: Hình dạng một số tụ điện thông dụng

2.1.2.Các tham số của một tụ điện

Muốn sử dụng tốt một tụ điện, ta cần biết rõ một số tham số sau:

a/ Trị số danh định: Trị số này do nhà sản xuất ghi trực tiếp trên thân tụ

điện Tụ hoá học có trị số lớn thường ghi trực tiếp, các loại khác được ghi theo quy ước ba số như sau:

Hai số đầu tiên là hai số của hàng lón nhất, số thứ ba là số lượng số 0 thêm vào Đơn vị là pF

Sai số của tụ điện được ghi bằng mã ký tự với quy ước:

F có sai số 1%; J có sai số 5%; K có sai số 10%; M có sai số 20%

Ví dụ tụ mica sau có trị số kèm theo sai số: 221J đọc là 220pF ± 11pF

c/Điện áp hoạt động: Còn gọi là điện áp làm việc (Working Volt), là điện

áp tối đa mà ta có thể đặt thường xuyên lên hai đầu tụ mà không phá huỷ điện môi của chúng Điện áp này có thể là một chiều DCV (tụ một chiều), hoặc điện xoay chiều ACV (tụ xoay chiều) Hình 2.19 cho ta hình dạng hai loại tụ điện đó

Hình 2.19: Hình dạng tụ ACV và tụ DCV

Đối với tụ hóa, khi sử dụng ta cần cung cấp điện áp một chiều đúng cực tính

đã ghi trên thân tụ điện, nếu không điện môi sẽ bị đánh thủng

2.2.Tụ điện biến đổi CV (capacitor variable)

Tụ điện biến đổi là tụ điện có thể điều chỉnh được trị số Nó được viết tắt trên sơ đồ là CV Tụ biến đổi có ký hiệu và hình dạng như hình 2.20

Hình 2.20: Ký hiệu và hình dạng của tụ biến đổi

Tụ biến đổi thường là tụ xoay có điện môi bằng không khí, nó được cấu tạo

từ các lá nhôm, các lá nhôm này tập hợp thành nhóm lá tĩnh và nhóm lá động Khi xoay trục xoay, các lá động dịch chuyển làm thay đổi diện tích S hiệu dụng giữa chúng làm cho điện dung C thay đổi theo (Hình 2.21)

Hình 2.21: Cấu tạo tụ biến đổi

Do nhu cầu sử dụng, tụ xoay còn có loại 2 ngăn, 3 ngăn Đây là loại tụ xoay được kết hợp bởi nhiều tụ xoay và được đồng chỉnh bằng một trục xoay duy nhất (Hình 2.22);

Hình 2.22: Tụ xoay hai ngăn và tụ tinh chỉnh

Tụ biến đổi còn được chế tạo dưới dạng có kích thước nhỏ gọi là tụ vi chỉnh (trimcap), trục xoay có hình dạng con vít nên phải sử dụng cái vặn vít để xoay khi cần tinh chỉnh giá trị (Hình 2.22) Chúng có khoảng điều chỉnh khá nhỏ chỉ từ vài

pF đến vài chục pF và dùng để điều chuẩn chính xác các thông số mạch điện

2.3.Phương pháp đo thử và xác định chất lượng tụ điện

Với ohm kế không thể nào đo được điện dung của tụ điện Muốn đo điện dung ta dùng cầu Sauty hoặc bằng phương pháp cộng hưởng Dùng ohm kế chỉ xác định chất lượng của tụ mà thôi

Tiến hành đo thử bằng cách đưa hai đầu que đo của ohm kế vào hai đầu tụ điện như hình 2.23

Hình 2.23: Đo thử chất lượng của tụ bằng Ohm kế Quan sát kim đồng hồ đo ta thấy tụ điện có 3 trường hợp hư hỏng như sau: Nối tắt: Kim ohm kế lên chỉ 0 Ω và nằm yên tại vị trí này

Đứt: Kim ohm kế không lên (chỉ ∞ )

Rò: Kim ohm kế lên một vị trí nào đó rồi đứng yên

Tụ tốt là tụ có hiện tượng nạp và phóng điện rõ ràng Kim lên đến một vị trí nào đó rồi từ từ trở về ∞.Tuỳ theo điện dung của tụ ta để ohm kế ở các vị trí thích hợp, tụ có điện dung càng lớn ta để mức của omh kế càng thấp (x1 hoặc x10) Những tụ quá nhỏ < 1μF ta phải dùng ở mức cao (x10k) Nếu tụ có điện dung vài chục pF phải dùng thêm một nguồn điên cở 12 VDC để hỗ trợ việc đo Khi đo tụ hoá học, ta cần chú ý đúng cực tính, nếu không kết quả không chính xác

3 Cuộn cảm L(Inductor L)

Cuộn cảm, cuộn từ, cuộn tự cảm là linh kiện điện tử thụ động, có thể lưu trữ năng lượng từ trường khi cho dòng điện biến thiên chảy qua Thông thường cuộn cảm có cấu tạo là các ống dây (dạng trụ hoặc xuyến) vì hình dạng này cho phép việc lưu giữ năng lượng từ là lớn nhất Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng

ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện đi qua) Khả năng này của cuộn cảm được đo bằng độ tự cảm (L) của nó, đơn vị là Henry (H).Cuộn cảm có độ tự cảm càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng.Từ công thức tính cảm kháng XL = 2ΠfL ta thấy cuộn cảm

là một linh kiện điện tử lệ thuộc vào tần số

Khi có dòng điện biến thiên đi qua, cuộn cảm sẽ phát sinh ra hiện tượng tự cảm, lúc này do từ thông thay đổi nên một sức điện từ sẽ cảm ứng ngay trong cuộn cảm, sức điện từ cũng có thể cảm ứng sang cuộn cảm ở gần bên

3.1.Ký hiệu

Cuộn cảm được ký hiệu như hình 2.24

Hình 2.24: Ký hiệu các loại cuộn cảm

3.2 cấu tạo và phân loại

Cuộn cảm đơn giản nhất là một cuộn dây có bọc verni cách diện, còn gọi là dây emay Đây chính là cuộn cảm không có lõi, cuộn cảm lõi không khí Để tăng thêm hệ số tự cảm, ta quấn cuộn dây emay lên một lõi từ (Hính 2.25) Nếu hoạt động ở âm tần lõi này là sắt từ băng tole silic, Nếu hoạt động ở tần số cao lõi này

là ferit hạt nén

Hình 2.25: Cấu tạo các cuộn cảm

Để có cuộn cảm biến đổi điện cảm thì lõi này được thiết kế để có thể di chuyển vào ra trong ống dây Nhờ thế ta có thể điều chỉnh chính xác các tham số của mạch điện

Cuộn cảm có thể chế tạo với hình thức như điện trở và cũng được ghi trị số bằng bảng mã màu như điện trở

Về cấu tạo cuộn cảm có thể chia làm các loại sau: cuộn cảm không có lõi, cuộn cảm có lõi bằng bột từ ép, cuộn cảm có lõi bằng sắt từ và cuộn cảm có biến đổi điện cảm

Có một số loại cuộn cảm có hình dạng tương tự như điện trở Quy định màu

và cách đọc màu đều tương tự như đối với các điện trở Khi dùng cuộn cảm ta còn chú ý đến hệ số phẩm chất của cuộn cảm

Hình 2.26 cho ta hình dạng của các loại cuộn cảm cao tần

Hình 2.26: Hình dạng của các loại cuộn cảm cao tần

Tóm tắt chương

RCL được gọi là linh kiện thụ động, dòng điện, điện áp phụ thuộc tuyến tính vào nhau Các linh kiện RCL hỗ trợ cho các linh kiện tích cực làm việc Điện trở là các linh kiện điện tử mắc trong mạch điện để hạn chế hoặc điều chỉnh dòng điện Khi dòng điện đi qua điện trở nó sẽ gây sụt áp, nhờ đó ta có thể

dễ dàng xác định mức dòng và mức áp cung cấp cho các linh kiện khác theo đúng yêu cầu Ngoài ra nó còn dùng làm tải cho các linh kiện tích cực như Transistor chảng hạn Điện trở viết tắt là R (Resistor) ký hiệu trên các sơ đồ xem hình 2.1

Điện trở than nhồi được sản xuất với rị số từ vài ohm đến hàng megohm, có công suất từ 1/8W đến hàng chục Watt Điện trở màn mỏng gồm điện trở màn carbon và điện trở màn kim loại Điện trở dây quấn có công suất chịu đựng rất lớn nhưng trị số danh định bé, tối đa là vài kΩ Điện trở có một số tham số sau: Trị số danh định được ghi bằng màu (xem bảng mã màu) Sai số: Các sai số: ± 5%,

±10% và ±20% Công suất chịu đựng 1/8W,1/4W, 1/2W, 1W, 2W Hệ số nhiệt độ: có hệ số nhiệt độ dương, và hệ số nhiệt độ âm Mỗi điện trở được ghi bằng 3,4 hoặc 5 vòng màu Trong đó vòng màu thứ nhất là số thứ nhất; vòng thứ hai là số thứ hai; vòng thứ ba là nhân với, vòng thừ tư là sai số

Biến trở là loại điện trở có thể điều chỉnh được trị số Được viết tắt trên sơ

đồ là VR (Variable Resistor), ký hiệu xem hình 2.6 Được dùng làm cầu phân áp

và phân dòng

Tụ điện là linh kiện mắc trong mạch điện để tích trữ điện năng Được dùng

để ngăn dòng điện một chiều dẫn dòng điện xoay chiều, để lọc điện, để tạo thành khung dao động Tụ điện cố định C có trị số không điều chỉnh được.Ký hiệu của

tụ điện xem hình 2.17 Tụ điện được cấu tạo gồm 2 tấm dẫn điện gọi là bản cực, được cách điện với nhau bằng một lớp điện môi Điện dung của chúng phụ thuộc vào chất điện môi, diện tích bản cực và khoảng cách hai bản cực theo công thức

dung, sai số, điện áp làm việc, điện áp này có thể là một chiều, hoặc điện xoay

chiều.Tụ điện biến đổi là tụ điện có thể điều chỉnh được trị số Nó được viết tắt trên sơ đồ là CV Ký hiệu và hình dạng xem hình 2.20 Tụ biến đổi thường là tụ xoay có điện môi bằng không

Cuộn cảm, cuộn từ, cuộn tự cảm là linh kiện điện tử thụ động, có thể lưu trữ năng lượng từ trường khi cho dòng điện biến thiên chảy qua Ký hiệu và hình dạng xem hình 2.24 Để tăng thêm hệ số tự cảm, ta quấn cuộn dây emay lên một lõi từ Nếu hoạt động ở âm tần lõi này là sắt từ băng tole silic, Nếu hoạt động ở tần số cao lõi này là ferit hạt nén Cuộn cảm biến đổi lõi được thiết kế để có thể di chuyển vào ra trong ống dây

Bài tập ôn tập chương

1/ Trình bày tính chất chung của các linh kiện RCL