Sự di chuyển của cỏc điện tử hoỏ trị làm cho nguyờn tử mất cõn bằng về điện và trở thành tớch điện dương số proton lớn hơn số điện tử, quỏ trỡnh mất điện tử hoỏ trị gọi là sự ion húa và
Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội Trường……………………………… Khoa………………………………… GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1 Cấu trúc nguyên tử Nguyên tử hạt nhỏ nguyên tố mang đặc điểm nguyên tố Nguyên tử gồm có hạt nhân bao xung quanh quỹ đạo điện tử Hạt nhân gồm có hạt tích điện dương gọi proton hạt khơng tích điện gọi notron Điện tử hạt mang điện tích âm Số proton điện tử nguyên tử phụ thuộc vào nguyên tố Ví dụ, nguyên tử đơn giản hyđrơ có proton điện tử Nguyên tử khác helium có proton notron hạt nhân điện tử quay xung quanh 1.1.2 Trọng lượng số nguyên tử Các nguyên tố xếp bảng hệ thống tuần hoàn theo số nguyên tử chúng, tức số điện tử nguyên tử trạng thái trung hoà điện Các nguyên tố xếp theo trọng lượng nguyên tử chúng, trọng lượng nguyên tử xấp xỉ số proton cộng với số notronỉtong hạt nhân Ví dụ hidro có số ngun tử trọng lượng nguyên tử 1,0079 Số nguyên tử cảu helium trọng lượng nguyên tử 4,00260 Ở trạng thái trung hồ ngun tử có số điện tử số proton nên nguyên tử mang điện tích khơng 1.1.3 Quỹ đạo lớp điện tử Điện tử quay xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo định Các điện tử gần hạt nhân có lượng so với điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân Quỹ đạo điện tử quanh hạt nhân tương ứng với mức lượng khác Trong nguyên tử, quỹ đạo nhóm thành dải lượng gọi lớp Mỗi nguyên tử có số lớp định, lớp quy định số điện tử lớn quỹ đạo Sự chênh lệch mức lượng lớp thấp so với chênh lệch mức lượng lớp Các lớp gọi lớp K,L,M,N… với lớp K lớp gần hạt nhân 1.1.4 Các điện tử hoá trị Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Các điện tử có quỹ đạo xa hạt nhân có lượng cao liên kết yếu với hạt nhân so với quỹ đạo điện tử có quỹ đạo gần hạt nhân Các điện tử nằm lớp ngồi có mức lượng cao liên kết yếu với hạt nhân Lớp ngồi gọi lớp hố trị điện tử lớp gọi điện tử hố trị Các điện tử hố trị có ảnh hưởng tới tính chất liên kết cấu trúc xác định tích dẫn điện vật chất 1.1.5 Sự ion hoá Khi nguyên tử hấp thu lượng (nhiệt hay ánh sáng), làm tăng mức lượng điện tử Khi điện tử tăng lượng di chuyền quỹ đạo xa hạt nhân Do điện tử hố trị có lượng cao liên kết yếu với hạt nhân so với điện tử lớp trong, chúng nhảy lên quỹ đạo cao lớp hoá trị cách dễ dàng lượng hấp thu Nếu điện tử hố trị thu đủ lượng nhảy khỏi lớp Sự di chuyển điện tử hoá trị làm cho nguyên tử cân điện trở thành tích điện dương (số proton lớn số điện tử), trình điện tử hố trị gọi ion hóa kết nguyên tử tích điện dương gọi ion dương Các điện tử hoá trị trở thành điện tử tự Khi điện tử tự bị hút vào lớp ngồi ngun tử trở nên tích điện âm gọi ion âm 1.1.6 Số điện tử lớp Số điện tử lớn (Ne) có lớp nguyên tử tính theo cơng thức: N e = 2n n số lớp Lớp K có số 1, lớp L số 2, lớp M số 3,… Ví dụ số điện tử lớn có lớp K là: N e = n = 2.12 = Tất lớp nguyên tử phải điền đủ số điện tử trừ lớp 1.2 CHẤT BÁN DẪN, CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT ĐIỆN MÔI Chất dẫn điện chất dễ dàng dẫn dòng điện Chất dẫn điện tốt đơn chất ví dụ đồng, bạc, vàng, nhôm, chất mà nguyên tử Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội có điện tử hoá trị liên kết yếu với hạt nhân Điện tử hoá trị liên kết yếu với hạt nhân nên đễ dàng tách khỏi nguyên tử tạo thành điện tử tự Do chất dẫn điện có nhiều điện tử tự đặt điện trường tạo nên dịng điện Chất cách điện chất khơng dẫn dịng điện điều kiện thường Phần lớn chất cách điện tốt hợp chất có nhiều chất Các điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với hạt nhân, có điện tử tự chất cách điện Chất bán dẫn chất nằm chất dẫn điện chất cách điện khả dẫn dòng điện Chất bán dẫn đơn chất phổ biến Silicon, Germanium Carbon Chất bán dẫn phổ biến gali arsen sử dụng phổ biến Các chất bán dẫn đơn chất tạo thành từ nguyên tử có điện tử hoá trị 1.2.1 Các vùng lượng Lớp hoá trị nguyên tử thay vùng mức lượng điện tử hoá trị bị giới hạn vùng Nếu điện tử hấp thu đủ lượng ngồi rời khỏi lớp hoá trị trở thành điện tử tự tồn vùng gọi vùng dẫn Sự chênh lệch lượng vùng hoá trị vùng dẫn gọi vùng cấm Đây phần lượng mà điện tử hố trị phải có để nhảy từ vùng hố trị lên vùng dẫn Hình 1-1 cấu trúc vùng lượng chất bán dẫn, dẫn điện cách điện Đối với chất cách điện lớn, điện tử hố trị khơng nhảy lên vùng dẫn trừ trường hợp bị đánh thủng có điện áp vơ lớn đặt lên Đối với chất bán dẫn vùng cấm hẹp hơn, cho phép điện tử hoá trị nhảy lên vùng dẫn trở thành điện tử tự Đối với chất dẫn điện vùng lượng bị chồng lên nhau, ln ln có số lớn điện tử tự Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Mức lượng Mức lượng Mức lượng Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng cấm Vùng cấm Vùng dẫn Bị chồng Vùng hoá trị Vùng hoá trị 0 Chất cách điện Vùng hoá trị Chất bán dẫn Chất dẫn điện Hình 1.1 Cấu trúc vùng lượng chất cách điện , chất bán dẫn chất dẫn điện 1.2.2 Chất điện môi 1.2.2.1 Khái niệm Chất điện môi (hay cong gọi chất cách điện) chất dẫn điện Chất điện mơi chất có điện trở suất cao, khoảng 107 ÷ 1017Ωm nhiệt độ bình thường ( khoảng 25oC) Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu 1.2.2.2 Một số tính chất chất điện mơi • Hằng số điện mơi (cịn gọi độ thẩm thấu điện tương đối) Hằng số điện môi tham số biểu thị khă phân cực chất điện môi Trạng thái phân cực chất điện môi trường hợp số phần thể tích chất điện mơi có mô men điện khác không Mức độ phân cực chất điện môi đánh giá thay đổi điện dung tụ điện thay chân không khơng khí hai cực tụ vật liệu chất điện môi Trị số gọi độ thẩm thấu điện tương đối chất điện môi hay số điện mơi, kí hiệu ε xác định biểu thức: ε= Cd C0 Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội Trong : Cd : điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi C0: điện dung tụ điện sử dụng chất điện mơi khơng khí chân khơng Độ tổn hao điện mơi Pa Là cơng suất điện chi phí để làm nóng chất điện mơi đặt điện trường Độ tổn hao lượng nghiên cứu điện áp xoay chiểu điện áp mơộtchiều xuất dịng điện dị Độ tổn hao điện môi đặc trưng công toả đơn vị thể tích điện mơi gọi tổn hao điện môi Đế đặc trưng cho khả toả nhiệt chất điện mơi đặt điện trường người ta sử dụng tham số góc tổn hao điện mơi(tgδ, δ góc tổn hao) Hình 1.6(trnag 25 sach linh kien bưu chính) sơ đồ tương đương tụ điện có tổn hao • tgδ = Ia Ua = Ic Uc Độ tổn hao điện mơi Pa=U2ωCtgδ Trong : Pa: cơng suất điện làm nóng chất điêện mơi U: điện áp dặt lên tụ điện C: điện dung tụ Ω: tần số góc (rad/s) Tgδ: góc tổn hao điện mơi Nhận xét: Chất điện mơi có tham số góc tổn hao điện mơi nhỏ độ tổn hao điện mơi thấp Khi tụ điện làm việc dải tần rộn, có dịng điện dị độ tổn hao điện mơi tính theo cơng thức: Pa =U2/R với R nội trở tụ điện Nếu tổn hao điện môi tụ điện điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp tổn hao điện mơi tăng tỉ lệ với bình phương tần số: Pa=U2ωC2R2 Trên thực tế tụ điện làm việc tần số cao thường có cực, dây dẫn, tiếp giáp tráng bạc để giảm nhỏ điện trở chúng • Độ bền nhiệt chất điện môi.Eđt Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Hiện tượng đánh thủng chất điện môi: Nếu đặt chất điện môi vào điện trường tăng cường độ điện trường lên giá trị giới hạn chất điện mơi khả cách điện, gọi tượng đánh thủng chất điện mơi Giá trị điện áp mà xảy hiênj tượng đánh thủng gọi điện áp đánh thủng, Udt E dt = U dt (KV/cm) d Udt: điện áp đánh thủng chất điện môi d: độ dày lớp điện mối bị đánh thủng 1.2.2.3 Dòng điện chất điện mơi Dịng điên jtrong chất điện mơi gồm có thành phần: dịng điện dịch dịng điện rị Dịng điện dịch(Dịng điện cảm ứng): Q trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện môi xảy đạt đến trang jthái cân tạo nên dòng điện phân cực dòng điện dịch Khi điện áp xoay chiều dòng điện dịch tồn suốt thời gian chất điện môi nằm điện trường Khi điện áp chiều dòng điện chuyển dịch tồn thời điểm đóng, ngắt điện áp Dịng điện rò: Là dòng điện tạo điện tíchtwj điện tử phát xạ chuyển động tác dụng điện trường Nếu dòng ro lớn làm tính chất cách điện chất điện mơi Vậy dịng điện chất điện mơi là: I=Idịch+Irị Sau trình phân cực kết thúc qua chất điện mơi cịn dịng điện rị 1.2.2.4 Độ dẫn điện chất điện môi Điện trở chất điện môi hai cực đặt điện áp chiều lên chúng giống điện trở cách điện chúng Điêệntrở cách điện đựpc tính thồng qua dòng điện rò: Rcd = U I − ∑ I CM Trong đó: ∑ I CM : tổng thành phần dòng điện phân cực I: Dòng điện nghiên cứu Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội Ngồi để đánh giá độ dẫn điện chất điện môi người ta sử dụng tham số điện trở suất khối: ρ = R S d Trong đó: R: điện trở khối thể tích chất điện mơi S: diện tích d: độ dày mẫu chất điện môi 1.2.2.5 Một số chất điện môi thường dùng Chất điện môi chia làm hai loại chất điện môi thụ động chất điện mơi tích cực • Chất điện mơi thụ động * Mica: Vật liệu có tinh chịu nhiệt cao, bền điện, Etđ=50 ÷ 200KV/mm, nhiệt độ chịu đừng cao đến 6000C, số điện mơi ε= ÷ 8; góc tổn hao nhỏ tgδ=0,0004; điện trở suất ρ=107 Ωm Mi ca thường dùng làm tụ mi ca, làm khuôn mẫu cho chi tiết linh kiện điện tử, làm cuộn cảm, ống đãn sóng, biến áp, làm chất cách điện dụng cụ thiết bị điện tử bị nung nóng * Sứ: độ bền điện, Etđ=15 ÷ 30KV/mm, số điện mơi ε= 6,3 ÷ 7,5, điện trở suất ρ=3 1014 Ωm Sứ dùng làm giá đỡ cách điện, làm tụ điện, làm đế đèn * Gốm: đất nung, chịu nhiệt tốt, dễ thay đổi hình dạng Gốm sử dụng chủ yếu làm tụ điện Gốm có số điện mơi ε= 1700 ÷ 4500; góc tổn hao nhỏ tgδ=0,02 ÷ 0,03, tỷ trọng 4Mg/m3 Gốm vừa chất điện môi thấp tần vừa chất điện môi cao tần * Chất dẻo, nhựa tổn hợp(Bakelit): thường có độ bền học cao, chịu nhiệt độ cao, 3000C, Etđ=10 ÷ 40KV/mm, số điện mơi ε= ÷ 4,6 , góc tổn hao điện mơi nhỏ tgδ=0,05÷0,12 Bakelit thường dùng làm khn mẫu để chế tạo linh kiện, chế tạo vỏ máy TV, thiết bị đo Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội * Giấy làm tụ điện: Tụ giấy thường dùng nơi có nhiệt độ cao(70÷100oC), giấy có độ bền điện caoE=30KV/mm, số điện mơi nhỏ ε=3÷ • Chất điện mơi tích cực * Thạch anh áp điện(SiO2):tồn dạng tinh thể, không màu, suốt, gọi phalê thiên nhiên thạch anh màu Tinh thể thạch anh áp điện kéo dài phương pháp nhân tạo, tính chất gần giống tính chất tinh thể thiên nhiên Trong thiết bị sử dụng thạch anh tạo cho tương tự đơn tinh thể không đẳng hướng tính chất hướng khác khác Thạch anh thường dùng để chế tạo dao động, cộng hưởng thạch anh * Xây nhét điện: Đây tượng phân cực tự phát muối xây nhet Khi đặt điện trường lên xây nhet bị phân cực Sau điện trường ngừng tác dụng xây nhét tiếp tục điễn tượng phân cực Độ thẩm thấu điện xây nhét điện diễn mạnh phụ thuộc vào cường độ điện trường tác dụng * Chất khí: khơng khí có độ thẩm thấu điện εo=8,85pF/m; nhiệt độ thấp điện trường thấp khơng khí không dẫn điện * CHất lỏng: Dầu: dầu thường dùng để tạo chất cách điện cách thay không số hệ thống dùng để tẩm chất cách điện xốp Độ bền điện dầu phuụthuộc vào độ thinh khiết 1.3 Chất dẫn điện 1.3.1 Khái niệm Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất thấp khoảng 10-8 đến 10-5Ωm Trong tự nhiên chất dẫn điện tồn thể rắn, lỏng khí (hoặc kim loại) Chất rắn: kim loại, chia thành loại: - Kim loại có độ dẫn điện cao, thường sử dụng để chế tạo dây dẫn, cáp, biến áp, ống dẫn sóng, chân linh kiện điện tử - Kim loại hợp chất kim loại có điện trở suất cao dùng để chế tạo dụng cụ nung nóng dây mayso, sợi tóc bóng đèn, điện trở Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Chất lỏng: gồm kim loại nóng chảy dung dịch điện phân, thông thường dung dịch kiềm, dung dịch axit dung dịch muối Trong chất điện phân hạt tích điện ion dương ion âm Khi có dịng điện chạy qua chất điện phân điện tích chuyển động dẫn đến thành phần chất điện phân thay đổi điện cực xuất kết trình điện phân Chất khí kim loại: Trong mơi trường có cường độ điện trường thấp chất kim loại không dẫn điện Khi cường độ điện trường cao đến mức xảy ion hoá va chạm quang học chất khí dẫn điện Độ dẫn điện ion điện tử tự định 1.3.2 Một số đặc tính chất dẫn điện 1.3.2.1 Điện trở suất l S ρ = R [Ω.mm][ μΩ.m] Trong đó: S: tiết diện dây dẫn L: chiều dài dây dẫn R: điện trở dây dẫn Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ 0,016μΩ.m (Ag) đến 10μΩ.m (hợp kim sắt- crôm- nhôm) Chất có điện trở suất thấp thường dùng làm dây dẫn như: Đồng đỏ (Cu) : ρ= 0, 017μΩ.m Nhôm(Al) : ρ= 0, 028μΩ.m Vàng (Au) : ρ= 0, 055μΩ.m Volfram(W) : ρ= 0, 024μΩ.m Molipden(Mo) : ρ= 0, 057μΩ.m 1.3.2.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (α) Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 10C Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng theo quy luật: ρt=ρ0(1+αt) Trong : Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 10 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghip H Ni 7.5 Pin l-ợng mặt trời Pin l-ợng mặt trời đ-ợc sử dụng ứng dụng mặt đất lẫn không gian vũ trụ Pin l-ợng mặt trời cung cấp nguồn l-ợng lâu di cho vệ tinh Pin l-ợng mặt trêi cịng lμ mét lùa chän quan träng cã thĨ thay cho nguồn cung cấp l-ơng mặt đất chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thnh điện với hiệu suất chuyển đổi cao, cung cấp l-ợng gần nh- vĩnh cửu với giá thnh thấp, v hầu nh- không ô nhiễm 7.5.1 Bức xạ mặt trời Năng l-ợng xạ từ mặt trời đ-ợc phát sở phản ứng tổng hợp hạt nhân Trong 11 giây, khoảng 6x10 kg khí Hydro bị chuyển thnh khí Heli, với khối l-ợng mát tổng cộng khoảng 4x10 20 kg, t-ơng đ-ơng với 4x10 J thông quan mối quan hệ Einstein (E=mc ) Năng l-ợng ny đ-ợc phát chủ yếu d-ới dạng xạ điện từ vùng tử ngoại đến hồng ngoại (0,2 đến 3ìm) Khối l-ợng tổng cộng 30 mặt trời khoảng 2x10 kg, v thời gian tồn ổn định mặt trời để phát l-ợng xạ gần nh- không đổi -ớc tính l khoảng 10 tỷ năm 10 (10 ) Phm Th Thanh Huyn- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 133 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Ni Hình 38 Hai đ-ờng cong quan hệ với phổ ánh sáng mặt trời C-ờng độ xạ mặt trời không gian tự khoảng cách trung bình từ mặt trời đến trái đất đ-ợc gọi l số l-ợng mặt trời có giá trị 1353W/m Nhiệt độ nhận đ-ợc bề mặt trái đất ảnh h-ởng tầng khí tới ánh sáng mặt trời đ-ợc xác định khái niệm khối không khí Hình 38 biểu diễn hai đ-ờng cong quan hệ với phổ chiếu ánh sáng mặt trời (năng l-ợng đơn vị diện tích đơn vị b-ớc sóng) Đ-ờng cong phía mô tả phổ ánh sáng bên ngoi tầng khí trái đất, đ-ợc gọi l trạng thái khối không khí zero (AM0) Phổ AM0 l vấn đề liên quan đến vệ tinh v ứng dụng vận chuyển không gian Khối không khí thứ 7.5.2 Pin l-ợng mặt trời tiếp giáp p-n Một pin l-ợng mặt trời tiếp giáp p-n đ-ợc mô tả nh- hình 39 Nó gåm mét líp tiÕp gi¸p máng p-n form on the surface, a front ohmic contact stripe and fingers, líp tiÕp xóc ®iƯn trë sau bao Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 134 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội phủ ton mặt sau, v lớp chống phản xạ phủ bên ngoi mặt tr-ớc Hình 39 Sơ đồ pin mặt trời tiếp giáp p-n silic Khi pin đ-ợc phơi d-ới phổ ánh sáng mặt trời, photon mang l-ợng nhỏ l-ợng vùng trống tách động đến đầu pin Với photon mang l-ợng lớn Eg đóng góp phần l-ợng Eg cho pin, phần l-ợng lại tổn hao d-ới dạng nhiệt Để tìm hiệu suất biến đổi, xem xét giản đồ giải l-ợng tiếp giáp p-n d-ới xạ mặt trời nhHình 40a Sơ đồ mạch t-ơng đ-ơng đ-ợc biểu diễn Hình 40b, nguồn dòng không đổi đ-ợc nối song song với tiếp giáp Dòng nguồn IL l kết kích thích số l-ợng v-ợt trội hạt sóng xạ mặt trời, Is l dòng điện bÃo ho, v RL l điện trở tải Phm Th Thanh Huyn- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 135 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Ni Hình 40 (a)Giản đồ l-ợng pin mặt trời tiếp giáp p-n (b) mạch t-ơng đ-ơng lý t-ởng pin mặt trời Đặc tr-ng (lý t-ởng) I-V thiết bị ny đ-ợc biểu diễn: ( ) I = I S e qV / kT − − I L (32) vμ: JS = ⎛ IS = qN C N V ⎜ ⎜ NA A ⎝ Dn τn + ND D p ⎞ − E g / kT ⎟e τ p ⎟⎠ (32a) Trong ®ã A l diện tích thiết bị Đồ thị ph-ơng trình 32 đ-ợc biểu diễn Hình 41a với IL = 100mA, IS = 1nA, A = cm , vμ T = 300 K Đ-ờng cong qua góc phần t- thø 4, vμ vËy ta cã thÓ biÕt đ-ợc công suất thiết bị Đ-ờng cong I-V thông dụng đ-ợc biểu diễn Hình 41b, l đảo Hình 41a qua trục điện áp Bằng cách chọn tải thích hợp, gần 80% sản phẩm ta nhận biết đ-ợc IscVco, Isc dòng ngắn mạch IL v Voc l điện áp hở mạch pin Vùng hình chữ nhật đ-ợc gạch chéo hình l vùng công suất cực đại Điều ny đ-ợc mô tả Hình 41b, với Im v Vm lần l-ợt l dòng Phm Th Thanh Huyn- Phm Th Qunh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 136 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội vμ ®iƯn áp, t-ơng ứng với công suất lớn Pm(ImVm) Hình 41 (a) Đặt tuyến von-ampe pin mặt trời chiếu sáng (b) đảo (a) qua trục điện áp Từ ph-ơng trình (32), thu đ-ợc điện ¸p hë m¹ch (I=0): Voc = ⎤ ⎡I ⎤ kT ⎡ I L ln ⎢ + 1⎥ ≅ kT ln ⎢ L ⎥ q ⎣IS ⎦ ⎣IS ⎦ (33) Do đó, với dòng cho tr-ớc IL, Voc tăng loga giảm dòng bÃo hòa IS Ta có công suất nh- sau: ( ) P = IV = I S V e qV / kT − − I LV (34) C«ng st lín nhÊt dP/dV = 0, hay: Vm = kT ⎡ + (I L / I S ) ⎤ kT ⎡ qV m ⎤ ln ⎢ ln + ⎥ ≅ Voc − q ⎣1 + (qV m / kT )⎦ q ⎢⎣ kT ⎥⎦ ⎡ ⎤ ⎡ qV ⎤ I m = I S ⎢ m ⎥ e qVm / kT ≅ I L ⎢1 − ⎥ ⎣ kT ⎦ ⎣ qVm / kT ⎦ (35a) (35b) Khi ®ã: ⎡ kT ⎡ qV m ⎤ kT ⎤ Pm = I mV m ≅ I L ⎢Voc − − ln + ⎥ q ⎢⎣ kT ⎥⎦ q ⎦ ⎣ (36) Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 137 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội 7.5.3 HiƯu st chun ®ỉi HiƯu st chun ®ỉi công suất pin l-ợng mặt trời đ-ợc tính: ⎡ kT ⎡ qVm ⎤ kT ⎤ I L ⎢Voc − ln + − ⎥ q ⎢⎣ kT ⎥⎦ q ⎦ I mV m ⎣ η= = Pm Pm = FF I LVoc Pin (37) ®ã Pin lμ công suất tới v FF l hệ số điền đầy, đ-ợc định nghĩa: FF I mV m I LVoc (38) Để tăng hiệu suất, cần tăng tất thnh phần hệ số ph-ơng trình (37) Hiệu suất pin l-ợng mặt trời lý t-ởng nhiệt độ 300K đ-ợc biểu diễn Hình 42 nh- hm số l-ợng vùng cÊm HiƯu st lý t-ëng cã thĨ rót tõ đặc tr-ng I-V nh- ph-ơng trình (32) Với chất bán dẫn định, mật độ dòng bÃo hòa JS tìm đ-ợc qua ph-ơng trình (32a) Với vùng không khí (?) định, dòng ngắn mạch IL đ-ợc tạo điện tích v số l-ợng hạt photon có l-ợng hí # Eg phổ l-ợng mặt trời Công suất tới Pin l tổng hợp tất photon phổ l-ợng (Hình 38) Phm Th Thanh Huyn- Phm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 138 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Công Nghiệp Hà Nội Hình 42 Hiệu suất pin mặt trời lý t-ởng nhiệt độ 300K Đ-ờng cong với C = Hình 42 l điều kiện vùng AM1 L-u ý hiệu suất có nhiều cực đại v không phụ thuộc nhiều vo Eg Do đó, với chất bán dẫn với dải cấm nằm khoảng từ đến 2ev đ-ợc định vật liệu pin Hình 42 H×nh 42 cịng cho ta thÊy hiƯu st lý t-ëng víi mét bé tËp trung quang kho¶ng 1000 suns (t-ơng đ-ơng 925kW/m ?) Chi tiết tập trung quang đ-ợc đề cập đến phần 7.5.5 Có nhiều nhân tố lm giảm hiệu suất lý t-ởng Một nguyên nhân l điện trở nèi tiÕp tỉn hao trë ë líp bỊ mỈt Mạch t-ơng đ-ơng đ-ợc biểu diễn Hình 43 Nếu dòng điốt đ-ợc cho ph-ơng trình (32 ) đặc tr-ng I-V đ-ợc biểu diễn: I + IL ⎤ q (V − IR S ) ln ⎢ + = IS kT (39) Đồ thị ph-ơng trình (39) đ-ợc biểu diễn Hình 43, với RS = v 5# v thông số IS, IL v T t-ơng tự nh- Hình 41 Có thÓ nhËn thÊy Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 139 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội r»ng, víi điện trở nối tiếp 5# công suất sẵn có giảm 30% so với công suất cực đại RS = Ta có dòng v công suất ra: ⎧ ⎡ q(V − IR S ) ⎤ ⎫ I = I S ⎨exp ⎢ ⎥ − 1⎬ − I L kT ⎦ ⎭ ⎩ ⎣ (40) ⎧⎪ kT ⎡ I + I L ⎫⎪ ⎤ P = I ⎨ ln ⎢ + 1⎥ + IRS ⎬ ⎪⎩ q ⎣ I S (41) Hình 43 Đặc tuyến Von-Ampe pin mặt trời với điện trở nối tiếp v sơ đồ t-ơng đ-ơng Điện trở nối tiếp phụ thuộc vo độ rộng tiếp giáp, độ tạp chất bán dẫn loại p v loại n, v xếp lớp tiếp xúc trở kháng bề mặt Đối với pin l-ợng mặt trời Silic thông th-ờng với cấu tạo nh- Hình 39, điện trở nối tiếp vo + + khoảng 0,7# pin n -p v 0,4# p -n Một thnh phần trở kháng khác l điện trở suất thấp lớp loại n Một hệ số khác l dòng tái hợp vùng nghèo hạt dẫn For single-level centers (?), dòng tái hợp đ-ợc biểu diễn: qV I rec = I s' ⎢exp ⎢ ⎥ − 1⎥ ⎣ ⎣ 2kT ⎦ ⎦ (42) víi: Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 140 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội I s' qni W = A τ pτ n I s l dòng bÃo hòa Ph-ơng trình chuyển đổi l-ợng sử dụng ph-ơng trình đóng t-ơng tự nh- từ ph-ơng trình (33) ®Õn (36), víi viƯc ’ thay Is bëi Is vμ hƯ sè mị chia cho HiƯu st tr-ờng hợp dòng tái hợp nhỏ nhiều so với tr-ờng hợp dòng lý t-ởng suy giảm Voc v hệ số điền đầy Đối với pin silic 300K, dòng tái hợp lm giảm 25% hiệu suất ch-ơng vi điện tử 8.1 Khái quát vi điện tử Nhờ công nghệ plana epitaxi, đơn tinh Phm Th Thanh Huyn- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 141 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội thĨ b¸n dÉn ng-êi ta cÊy c¸c tranzito , điốt, điện trở ghép nối với theo sơ đồ hon chỉnh nhằm thực chức định Mạch electron đ-ợc chế tạo đơn tinh thể bán dẫn đ-ợc gọi l mạch tổ hợp IC (Intergrate circuit) Trên đơn tinh thể diện tích 1mm ng-ời ta chế tạo đ-ợc mạch điện gồm hng trăm linh kiện khác Ưu điểm: Mạch vi điện tử có -u điểm bản: kích th-ớc nhỏ, độ bền chắc, độ tin cậy cao, tiêu thụ l-ợng điện Sự đời vi điện tử đà đ-a công nghiệp electron phát triển nh- vũ bÃo Ng-ời ta chế tạo thiết bị electron phức tạp dễ dng Để chế tạo đ-ợc IC ng-ời ta phải tinh chế đ-ợc bán dẫn có độ siêu sạch, nuôi cấy đ-ợc đơn tinh thể bán dẫn có kích th-ớc lớn, dây truyền công nghệ sản xuất IC hon ton tự động hoá Công nghệ plana epitaxi: hình 2.8.1 l hình ảnh minh hoạ công đoạn chế tạo tranzito theo công nghệ plana epitaxi Hình 2.8.1 a/ Trên đế bán dẫn loại p t-ơng đối mỏng, ®iÖn trë Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 142 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội st lín, ng-êi ta tạo lớp epitaxi silic loại n, sau nung nóng nhiệt độ cao tạo lớp SiO2 bảo vệ Dùng ph-ơng pháp quang khắc tạo cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn loại p vo lớp epitaxi loại n để tạo nên miền bazơ b/ Nung nóng lần thứ để tạo lớp SiO2, quang khắc tạo cửa sổ khuếch tán bán dẫn loại n tạo miền emitơ c/ Quang khắc tạo cửa sổ để lm cực emitơ, bazơ, colectơ d/ Phủ nhôm tạo cực C, B, E Để chế tạo đ-ơc tranzito phải qua nhiều công đoạn phức tạp nh- vậy, nh-ng tranzito nhcác điện trở có đơn tinh thể IC đ-ợc chế tạo đồng loạt nh- theo b-ớc quy trình công nghệ dây truyền sản xuất hon ton tự động hoá nhờ vậyđộ đồng chất l-ợng sản phẩm ngy cng tốt giá thnh vi mạch ngy cng hạ 8.2 Phân loại vi điện tử Vi điện tử đ-ợc phân thnh loại: Vi điện tử lôgíc: mạch ny thực hm lôgíc Ngy ng-ời ta đà chế tạo đ-ợc mạch lôgíc tổ hợp cỡ vừa MSI v cỡ lớn LSI đ-ợc câý hng chục vạn linh kiện electron đảm đ-ơng đ-ợc nhiều chức chúng đ-ợc dùng kĩ thuật điện tử số, máy tính Vi điện tử tuyến tính: vi mạch dùng kĩ thuật điện tử t-ơng tự, tất vi điện tử không thuộc vo vi điện tử lôgic ng-ời ta xếp vo loại vi điên tử tuyến tính Ngy hầu hết khối chức khác kĩ thuật điện tử t-ơng tự đ-ợc chế tạo d-ới dạng vi mạch nên vi điện tử tuyến tinh phong phú v đa rạng, nhiều sơ đồ electron lắp ráp linh kiện rời khó nh-ng dùng vi mạch lại dễ dng Các mạch khuếch đại vi sai, khuếch đại thuật toán, so sánh vi sai, phát, điều chế, mạch giải mà âm giải mà mầu dùng hệ vô tuyến truyền hình mầu, mạch nguồn nuôi ổn áp v v., đ-ợc xếp vo loại vi điện tử tuyến tinh Một số loại vi mạch tuyến tính khảo sát Phần III đề cập đến mạch electron kĩ thuật điện tử t-¬ng tù Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 143 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội 8.3 C¸c vi điện tử lôgíc Các mạch vi điện tử lôgíc đ-ợc dùng để thực phép tính lôgíc Đặc điểm loại mạch ny l điện áp lối vo v lối chØ cã hai møc lμ cao vμ thÊp t-¬ng øng với hai giá trị v Có phép tính lôgíc sau: - Phép cộng lôgíc: y = x1 + x2 Hμm l«gÝc thùc hiƯn phÐp céng lôgíc gọi l hm OR(hoặc), kĩ thuật điên tử đựơc ký hiệu ký hiệu lôgíc: - Phép nhân lôgíc: y = x1 x2 Hm lôgíc thực phép nhân l hm AND(v) Ký hiệu lôgíc mạch AND: - Phép phủ định: y = x Hm lôgíc thực chức phủ định gọi l hm NOT Ký hiệu lôgíc mạch NOT: Kết hợp phép nhân với phép phủ định ta có mạch NAND y = x1 x Ký hiệu lôgíc mạch NAND: Kết hợp phép cộng với phép phủ định ta cã m¹ch NOR y = x1 + x Ký hiệu lôgíc mạch NOR: Các mạch lôgíc đ-ợc chế tạo từ các tranzito l-ỡng cực, tranzito tr-ờng Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 144 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại hc Cụng Nghip H Ni Trên hình 2.8.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý vi mạch lôgíc lm từ tranzito l-ỡng cực thuộc họ lôgic TTL Hình 2.8.2d lμ minh ho¹ cÊu tróc cđa tranzito cã hai emitơ có hai lớp tiếp giáp emitơ E1, E2 v lớp tiếp giáp colếctơ C Các tranzito có nhiều emitơ ta th-ờng thấy sơ đồ vi m¹ch Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 145 Giáo trình Linh kiện Điện T i hc Cụng Nghip H Ni Hình 2.8.2 Sơ đồ nguyên lí vi mạch lôgíc NOR, NAND, NOT thuéc hä CMOS lμm tõ hai lo¹i tranzito tr-êng MOSFET kênh p phối hợp với kênh n đ-ợc trình by hình 2.8.3 Hình 2.8.3 Phm Th Thanh Huyn- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 146 Giáo trình Linh kiện Điện Tử Đại học Cơng Nghiệp Hà Nội Phạm Thị Thanh Huyền- Phạm Thị Quỳnh Trang- Nguyễn Thị Kim Ngân 147