Giáo trình môn cấu kiện điện tử doc

• B khi kết hợp với Ge sẽ tạo ra một lỗ trống trong mối liên kết và xem như điện tích dương và các điện tử lân cận dễ đên tái kết với lỗ trống của B và để lại đó một lỗ trống mới và hiệ

Trường cao đẳng điện tử điện lạnh Hà Nội

Chương 1: Linh kiện thụ động

1.1: Điện trở

1 Khái niệm

- Cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp

2 Cấu tạo của điện trở

- Dựa theo cấu tạo của điện trở thì điện trở gồm

b Cấu tạo

- Trở dây quấn và trở cầu chì dùng dây kim loại nằm trong vỏ thạch cao

Trở than gồm bột than và phụ gia ép lại

- Ở hai đầu điện trở có gim nối mạch và trên nó có các vạch màu để chỉ thị số Ohm

3.Cách đọc giá trị điện trở

• Giá trị điện trở được ghi trực tiếp trên điện trở hoặc được sơn bằng vạch màu hoặc chấm

màu( vạch màu phổ biến hơn chấm màu)

• Bảng vạch màu, ( chấm màu cung tương tự)

- Vạch màu 1 và 2 chỉ trực tiếp hai số đầu tiên của trị số.

- Vạch màu 3 chỉ số số không theo sau hai số đầu

- Vạch màu 4 là sai số của giá trị điện trở

Ví dụ:

4 Điện trở trên thực tế

a Dạng điện trở

b Ký hiệu

5.Triết áp và quang trở

a Triết áp

b Quang trở

1.2 Cuộn cảm và biến áp

1.Cuộn cảm

a Khái niệm

-Cuộn dây có khả năng tự cảm ứng.

- Linh kiện tích trữ năng lượng dưới dạng

từ trường.

b Cấu tạo

- Gồm những vòng dây quấn trên một khung

có lõi không khí hoặc lõi sắt

d Hệ số tự cảm

- Là trị số cho biết mức độ tự cảm của cuộn dây

- Đơn vị: Henry(H) ,thường gặp mH,

e Cuộn cảm thực tế

Gồm hai cuộn dây quấn trên một lõi sắt

- Cuộn đưa điện AC vào la cuộn sơ cấp

- Cuộn lấy điện AC ra dùng là cuộn thứ cấp

c Hệ số biến áp

- Điện thế AC ra ở cuộn thứ cấp tùy thuộc vào tỷ

số của số vòng dây thứ cấp đối với sơ cấp:

k =Số vòng dây thứ cấp/ Số vòng dây sơ cấp + k>1: Biến áp tăng thế( vào thấp, ra cao)

+ k<1:Biến thế giảm thế( vào cao ,ra thấp)

d Một số biến thế thông dụng

1.3 Tụ điện

•Ký hiệu

- Tụ không phân cực:

- Tụ phân cực

3.Tham số cơ bản của tụ

a Điện dung

- Chỉ khả năng tích trữ điện tích của tụ khi đặt lên

hai điện cực của tụ điện thế 1V

- Giá trị điên dung được ghi rõ trên tụ

- Đơn vị: Fara (F)

b Độ bền điện

- Chỉ khả năng của tụ chịu tác dụng của điện áp

xoay chiều

4.Một số tụ phổ biến

a Tụ hóa

- Chất điện môi trong tụ hóa là một hợp chất hóa học( thường là Al2O3 , Ta2O5)

- Tụ hóa phân cực và luôn có hình trụ

- Giá trị được ghi trực tiếp trên thân tụ

Vd:Trên thân tụ ghi 185uF320V có nghĩa: điện dung của tụ là 185uF, giá trị điện áp cực đại đưa vào tụ 320V

b.Tụ sứ

- Chất điện môi trong tụ sứ là vật liệu sứ

- Tụ không phân cực, thường có hình trụ

- Giá trị được ghi trực tiếp trên thân tụ

Vd: 474K220V = giá trị điện dung của tụ

47*10^4, điện áp cực đại đặt vào tụ là 220V

-Tính ổn định cao, không hút ẩm, điện dung ít thay đổi theo nhiệt độ, tần số.Tuy nhiên kích thước lớn, giá trị điên dung 1pF- 0.15microF

c Tụ xoay

- Là tụ điển hình trong nhóm tụ biến đổi

- Chất điện môi là chân không( hoặc các chất khí khác), mica, thạch anh, chất dẻo tổng hợp,dầu

1.4 Một số linh kiện khác:

1.4.1.Thạch anh, Rơle, Pin, Nam châm

1.Thạch anh

a Khái niệm:

- Khi chịu kích thích bởi 1 điện trường thì

bị biến dạng sinh ra dao động cơ học

ngược lại khi chịu kích thích dao động cơ học thì sinh ra điện trường (đó chính là hiệu ứng áp điện)

- Ký hiệu:

b Cấu tạo của thạch anh tương đương

- Lq ,Cq :phụ thuộc vào kích thước hình học của thạch anh cách cắt khối thạch anh.

- rq :tổn hao của miếng thạch anh.

- Cp :điện dung giá đỡ (C của hai miếng kim loại hoặc bao gồm cả C tạp tán của mạch ngoài) Do

đó tính ổn định của Cp kém

2 Rơle

a Khái niệm

- Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín

hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định

- Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch

điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực

- Lực phát sinh từ nam châm gọi là từ lực

1.4.2 Các loại vật liệu khác

1 Vật liệu dẫn điện

a Khái niệm

- Là khả năng của một môi trường cho phép sự

di chuyển của các hạt điện tích qua nó, khi có

lực tác động vào các hạt

- ví dụ :lực tĩnh điện của điện trường Sự di

chuyển có thể tạo thành dòng điện Cơ chế của chuyển động này tùy thuộc vào vật chất

b Ứng dụng

- Chế tạo thiết bị điện, thiết bị dẫn điện

2.Bán dẫn

a.Khái niệm

- Là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và

vật liệu dẫn điện:điện trở xuất: 10-6 – 103 Ωcm

vật liệu bán dẫn: điện trở xuất: 10-4 –1010 Ωcm

vật liệu cách điện: điện trở xuất: 109 1018 Ωcm

- Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt

độ cao

- Là các nguyên tố thuộc phân nhóm 4 bảng

HTTH: Ge, Si

b Ứng dụng

- Chế tạo các linh kiện điện tử bán dẫn, các phần tử nhiệt trong các thiết bị lạnh, các máy phát

- Ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với

người hoặc với các dòng điện khác

Chương 2: Linh kiện bán dẫn

2.1 Tiếp giáp P-N

2.1.1.Khái niệm chất bán dẫn thuần, bán dẫn tạp P

và N.

1 Chất bán dẫn thuần

- Các nguyên tử Si(14) và Ge(32) có 4 điện tử vòng

ngoài cùng nên tương đối bền.

- Ở nhiệt độ phòng là chất cách điện.

Mẫu nguyên tử Si 14 (theo Bohr)

+P

electron

n=3

n=1

Cấu tạo bán dẫn thuần

- Khi nhiệt độ tăng lên, một số electron bị bứt ra , tạo ra cặp điện tử - lỗ trống, lỗ trống đóng vai trò như một điện tích dương, di chuyển ngược

chiều với chiều điện tích Vì vậy có dòng điện

-

2 Chất bán dẫn loại N

- Nếu ta thêm vào Ge một lượng nhỏ chất có vị trị

ở phân nhóm 5 trong bảng HTTH, ví dụ như

Photpho(P) có 5 điện tử hóa trị

- Khi đó 4 điện tử của P sẽ liên kết với 4 điện tử

Ge, P thừa một điện tử, trở thành điện tử tự do nên dẫn điện

e-

- Càng nhiều tạp chất , dòng điện càng mạnh.

- Điện tử tự do là hạt tải đa số, lỗ trống là hạt tải thiểu số

3 Chất bán dẫn loại P

• Nếu đưa vào bán dẫn thuần các nguyên tố

thuộc nhóm 3 trong bảng HTTH, ví dụ như In,

Al, B có 3 điện tử hóa trị

• B khi kết hợp với Ge sẽ tạo ra một lỗ trống

trong mối liên kết và xem như điện tích dương

và các điện tử lân cận dễ đên tái kết với lỗ trống của B và để lại đó một lỗ trống mới và hiện

tượng trên cứ tiếp diễn: dẫn điện bằng lỗ trống

• Pha nhiều nguyên tử B, dồng điện càng mạnh

• Điện tử tự do là hạt tải thiểu số, lỗ trống là hạt tải đa số

2.1.2.Đặc điểm không phân cực và phân cực của tiếp giáp P-N

1 Tiếp giáp P- N

- Khi cho bán dẫn N và P tiếp giáp nhau( ghép

với nhau), do sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn cùng loại giữa hai khối bán dẫn:

+ Các điện tử từ bán dẫn N khuếch tán sang

bán dẫn P

+ Ngược lại các lỗ trống từ bán dẫn P

khuếch tán sang bán dẫn N

++++++++

-

-

-+ +

Etx

- Sau khi các điện tử khuếch tán sang bán dẫn P

để lại lớp Ion dương chất cho (donor) gần bề

mặt tiếp xúc bên bán dẫn N Tương tự, sau khi

lỗ trống khuếch tán sang bán dẫn N, chúng để lại lớp Ion âm chất nhận (acxeptor) gần bề mặt tiếp xúc bên bán dẫn P

- Quá trình này xẩy ra liên tục Khi đạt trạng thái cân bằng, ở hai bên mặt tiếp xúc đã hình thành

2 miền điện tích trái dấu

2 Không phân cực

thống tiếp xúc cân bằng động và không có

dòng điện qua nó

- Các Ion dương bên n và các Ion âm bên p tạo

nên một điện trường cục bộ Etx hướng từ n

sang p cân bằng giữa dòng điện khuếch

tán( của các hạt dẫn đa số) do chênh lệch

nồng độ và dòng gia tốc( của các hạt dẫn thiểu số) do điện trường nội bộ Etx gia tốc

3 Tiếp giáp P-N phân cực

a Phân cực thuận

• Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn

nối về phía anode và đầu âm nối về phía

cathode của diode thì gọi là phân cực thuận,

• Với sụt áp ở các vùng trung hoà và tiếp giáp kim

loại bán dẫn không đáng kể, điện áp V sẽ tạo ra

điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích

không gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp xúc nếu được phân cực thuận, nên sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu

quả Điện thế tiếp xúc sẽ giảm xuống

• Khi phân cực thuận: thế tiếp xúc giảm, tức E

giảm nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo hẹp

lại

b Phân cực ngược

• Nếu đảo ngược nguồn áp thì gọi là phân cực

nghịch (V < 0).

• Đối với trường hợp phân cực ngược hiệu thế

tiếp xúc sẽ tăng lên

• Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo tăng

lên

-

4 Đặc tuyến V/A của tiếp xúc p-n lý

U

Vz

I s

2.1.3 Điện dung và điện trở vùng tiếp giáp p-n

1 Điện dung

• Khi nối P-N được phân cực nghịch, vùng hiếm

được nới rộng do có sự gia tăng điện tích trong vùng này Với một sự biến thiên ΔV của hiệu V của hiệu

điện thế phân cực nghịch, điện tích trong vùng

hiếm tăng một lượng ΔV của hiệu Q Vùng hiếm có tác

dụng như một tụ điện gọi là điện dung chuyển

tiếp

• Khi nối P-N được phân cực thuận, lỗ trống được khuếch tán từ vùng P sang vùng N và điện tử

khuếch tán từ vùng N sang vùng P Sự phân bố các hạt tải điện thiểu số ở hai bên vùng hiếm tạo nên một điện dung gọi là điện dung khuếch tán

Khi nối P-N phân cực thuận càng mạnh,

dòng điện I càng lớn trong lúc điện thế V gần như đổi nên nội trở càng nhỏ

• Giả sử dòng dòng điện ngang qua nối P-N là IQtương ứng với một điện thế phân cực thuận một lượng ΔV của hiệu V từ trị số VQ thì I cũng biến thiên một lượng tương ứng ΔV của hiệu I từ trị số IQ Tỷ số: ΔV của hiệu I / ΔV của hiệu V

=1/rd, rd: điện trở động của khối nối p-n

2.2.Các loại Diot

2.2.1 Diot chỉnh lưu

1 Cấu tạo

- Điốt bán dẫn là cấu kiện gồm có một lớp tiếp

xúc P-N và hai chân cực là anốt (ký hiệu là A) và catốt (ký hiệu là K) Anốt được nối tới bán dẫn

P, catốt được nối với bán dẫn N được bọc trong

vỏ bảo vệ bằng kim loại hoặc nhựa tổng hợp

Lớp tiếp xúc P-N

3 Ứng dụng mạch chỉnh lưu

2.2.2 Điot ổn áp

1 Hiệu ứng Zener

- Nếu điện trường đặt vào một lực lớn vào điện

tử trong mối liên kết, thì điện tử có thể bị bứt khỏi mối liên kết đồng hóa trị, nên tạo ra một

số lượng cặp điện tử - lỗ trống hợp thành theo cấp số nhân Cơ chế đánh thủng như vậy

được gọi là đánh thủng zener.

- Ký hiệu

3 Ứng dụng ổn áp

2.2.3 Diot Tunen và diot ngược

1 Hiệu ứng Tunen

- Hiệu ứng tunen là hiện tượng các hạt dẫn

chuyển động qua tiếp xúc P-N mà không bị tổn hao năng lượng

- Ký hiệu:

2 Đặc tuyến V/A

Uth

I

Imax Imin

1

2 0

3

2.2.4 Diot biến dung

1.Đặc tuyến C/V

20 40 80 100 200

đột biến

Mặt ghép đột biến

2.2.5 Diot hai đáy - UJT

1 Cấu tạo

• UJT là linh kiện bán dẫn có một tiếp xúc P-N

và 3 chân cực Nó gồm một thanh bán dẫn

Silic loại N có gắn thêm 1 miếng bán dẫn Silic

loại P để tạo thành một tiếp xúc P-N

• Chân cực nối với mẩu bán dẫn P gọi là cực

phát E Hai đầu còn lại của thanh Silic loại N được đưa ra 2 chân cực gọi là Nền 1 ( ký hiệu

B1) và Nền 2 (ký hiệu B2)

Cấu tạo UJT kênh n

• Trong sơ đồ tương đương, điốt được thay thế cho tiếp xúc P-N; R B1 là điện trở của phần bán dẫn nền 1; R B2 là điện trở của phần bán dẫn nền 2.

• Khi chưa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thỏi bán dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, được ký hiệu RBB và gọi là điện trở liên nền (thường có trị số từ 4 KΩ - 10KΩ)

từ chân E).

Kết luận:

• Khi điện áp đặt lên cực phát phải bằng hoặc lớn hơn giá trị điện áp đỉnh (UP) thì UJT mới dẫn điện, nhưng sụt áp trên nó giảm và đặc tuyến Vôn-

Ampe có đoạn điện trở âm.

• Điện áp đỉnh U P = ηU U BB +0,7V; trong đó ηU là hệ

số thuần khiết, U BB là điện áp giữa Nền2 và Nền1 Khi dòng điện đạt đến giá trị I V –dòng điện trũng thì sụt áp trên UJT giảm đến trị số điện áp trũng

U V Từ giá trị này UJT chuyển sang vùng điện trở dương của đặc tuyến Người ta sử dụng đoạn

điện trở âm để lắp các mạch tạo xung phóng nạp.

- Trong mạch định thời các mạch báo động

- Quan trọng nhất là dùng để kích khởi cho đèn chỉnh lưu Silic có điều khiển hoạt động

2.3 Transistor lưỡng cực (BJT) (Bipolar Junction transisitor)

2.3.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của

transistor

2.3.1 Cấu tạo

• Gồm 2 nối tiếp xúc ghép xen kẽ nhau.

• Có 2 loại Transistor nối: npn và pnp (h 1)

- Để cấu tạo ra các cấu trúc này, áp dụng những phương pháp công nghệ như: phương pháp

hợp kim, khuếch tán, epitaxi…

- Cực E ( cực phát): có nồng độ tạp chất lớn nhất

Có nhiệm vụ tạo ra dòng điện trong dụng cụ

- Cực B( Cực gốc): Nồng độ tạp chất nhỏ nhất, có nhiệm vụ điều khiển số điện tích từ E tới C

- Cực C( cực góp): nồng độ tạp chất trung bình, tạo điện tích từ E tới C

• Trong ứng dụng thông thường (khuếch đại):

- Nối phát nền phải được phân cực thuận: vùng hiếm hẹp lại

- Nối thu nền phải được phân cực nghịch: vùng hiếm rộng ra

• Khi tiếp xúc phát phân cực thuận, các hạt dẫn

đa số là lỗ trống sẽ khuếch tán từ phần phát sang phần gốc, còn các điện tử từ phần gốc khuếch tán sang phần phát tạo nên dòng điện

IE = I Ep (I Ep >> IEn)

• Các lỗ trống khuếch tán sang phần gốc, một

phần nhỏ tái hợp với các điện tử, còn phần lớn chúng tiếp tục khuếch tán qua phần gốc về phía tiếp xúc góp Đến tiếp xúc góp, các lỗ trống sẽ chuyển động trôi qua lớp tiếp xúc và tạo nên

dòng điện cực góp ICp

• Đồng thời, qua tiếp xúc góp còn có dòng điện

ngược ICBo (còn gọi là dòng điện rò) Nên ta có công thức tính dòng điện cực góp tổng là:

IC = ICp + ICBo = ICp

- Ngoài ra còn có một số phần tử mang điện cực

B khuếch tán về cực nguồn Theo định luật

Kichoft ta có:

•IE = IC +IB

2.3.2.Tham số và Đặc tuyến V-A

• Có 3 cách ráp: CB, CE, CC : cực chung là cực được nối đất và được dùng chung cho cả hai ngõ vào và ngõ ra

vo

+ - vi

1.a Đặc tuyến ngõ vào

V CB = 0V

1V 10V 20V

IE (mV)

VBE (V) 0.7

O

2.b Đặc tuyến ngõ ra

Vùng ngưng Vùng

bão hòa

Vùng tác động

IC (mA)

VBC ( v) 1mA

I E =2mA 3mA

2.Cách ráp cực phát chung ( CE)

Do:

- Tín hiệu vào nền – phát :BE

- Tín hiệu ra thu – phát :CE

Cả 2 ngõ vào và ra có cực phát chung

Vo +

vi

-Q RB

RC Ci

Co

RL +

Đặc tuyến cách ráp CE

• Gồm có 3 dặc tuyến thông dụng sau:

2.a Đặc tuyến vào IB = f ( VBE) VCE chọn làm thông số

IB( mA)

1V 2V 3V

4 Q

0 0,7 VBE ( V)

Vùng ngưng Vùng tác động

(0.5- 0.8V)

Vùng bão hòa

BBE (V)

IC ( mA)

ICES = ICBO

3 Cách ráp thu chung (CC hay EF)

• Mạch điện

• Hoặc:

Vo +

vi

-Q RB

RE

Ci

Co

+ VBB

+ VCC

Vo +

vi

VBB

+ VCC

• Trên thực tế, sơ đồ mắc góp chung ít được

dùng, người ta chỉ sử dụng mạch này để phối hợp trở kháng giữa một mạch có trở kháng ra cao với mạch có trở kháng vào thấp

• Các đặc tuyến và tham số của sơ đồ mắc cực góp chung cũng tương tự như ở sơ đồ mắc cực phát chung

3.3.3 Phân cực cho trassistor

• Phân cực cho tranzito là việc cung cấp nguồn

điện một chiều vào các chân cực sao cho

tranzito làm việc đúng chế độ (ngắt, bão hòa hay tích cực) và các tham số của tranzito không

vượt quá các giá trị giới hạn (ICmax, UCEmax, UCBmax,

UEBmax, P ttmax,tần số giới hạn)

• Ở chế độ ngắt, ta chỉ cần cấp nguồn điện sao

cho hai tiếp xúc P-N của tranzito đều phân cực ngược

• Ở chế độ bão hòa, cấp điện sao cho hai tiếp xúc P-N đều phân cực thuận hoặc sao cho điện áp

UCE = (0,2÷0,4)V

• Ở chế độ tích cực:

- TE phân cực thuận

- TC phân cực ngược

2.3.3 Phân cực cho Transistor

• Mạch phân cực bằng 2 nguồn cấp điện riêng:

RC

+ VBB

+ VCC IB

IC



2.3.4 Ứng dụng Transistor khuyếch đại trong trường hợp tín hiệu nhỏ

• Khuếch đại: Tranzito được dùng trong các mạch

khuếch đại một chiều (dc), khuếch đại tín hiệu (ac), mạch khuếch đại vi sai, các mạch khuếch đại đặc biệt, mạch ổn áp…

• Mạch tạo dao động sóng hình sin