Kỹ thuật điện tử - Chương 2 ppt

Chương KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ 2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N 2.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất chất bán dẫn tạp chất a - Cấu trúc vùng lượng chất rắn tinh thể Ta biết cấu trúc lượng ngun tử đứng lập có dạng mức rời rạc Khi đưa nguyên tử lại gần nhau, tương tác, mức bị suy biến thành dải gốm nhiều mức sát gọi vùng lượng Đây dạng cấu trúc lượng điển hình vật rắn tinh thể Tùy theo tình trạng mức lượng vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay khơng, người ta phân biệt loại vùng lượng khác nhau: - Vùng hóa trị (hay cịn gọi vùng đầy), tất mức lượng bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) lượng tự - Vùng dẫn (vùng trống), mức lượng bỏ trống hay bị chiếm chỗ phần - Vùng cấm, khơng tồn mức lượng để điện tử chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt Tùy theo vị trí tương đổi loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện mình, chất rắn cấu trúc tinh thể chia thành loại (xét 00K) thể hình 2.1 Vùng dẫn Vùng cấm Eg Vùng hóa trị a) Vùng dẫn < Eg £ 2eV Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng hóa trị b) c) Hình 2.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng lượng al Chất cách điện Eg > 2eV ; b) Chất bán dẫn điện < Eg £ 2eV; c) Chất dẫn điện Chúng ta đẫ biết, muốn tạo dòng điện vật rắn cần hai trình đồng thời: trình tạo hạt dẫn tự nhờ kích thích lượng q trình chuyển động có hướng hạt dẫn điện tác dụng trường Dưới ta xét tới cách dẫn điện chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác chủ yếu liên quan tới trình sinh (tạo) hạt dẫn tự mạng tinh thể 16 b- Chất bán dẫn Hai chất bán dẫn điển hình Gemanium (Ge) Silicium (Si) có cấu trúc vùng lượng dạng hình 2.1b với Eg = 0,72eV Eg = 1,12eV, thuộc nhóm bốn bảng tuần hồn Mendeleep Mơ hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) chúng có dạng hình 2.2a với chất liên kết ghép đơi điện tử hóa trị vành ngồi Ở 0K chúng chất cách điện Khi nguồn lượng ngồi kích thích, xảy tượng ion hóa nguyên tử nút mạng sinh cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôi trở thành hạt tự để lại liên kết bị khuyết (lỗ trống) Trên đố thị vùng lượng hình 2.2b, điều tương ứng với chuyển điện tử từ mức lượng vùng hóa trị lên mức vùng dẫn để lại mức tự (trống) vùng hóa trị Các cặp hạt dẫn tự này, tác dụng trường hay Gradien nồng độ có khả dịch chuyển có hướng lịng tinh thể tạo nên dòng điện chất bán dẫn Si Si Si Si Si Si + Si a) Vïng dẫn ni 1,12eV Si Si pi Vùng hoá trị b) Hình 2.2: a) Mạng tinh thể chiều Si b) Cấu trúc vùng lượng Kết là: 1) Muốn tạo hạt dẫn tự chất bán dẫn cần có lượng kích thích đủ lớn Ekt ³ Eg 2) Dòng điện chất bán dẫn gồm hai thành phần tương đương qúa trình phát sinh cặp hạt dẫn tạo (ni = Pi) c - Chất bán dẫn tạp chất loại n Người ta tiến hành pha thêm nguyên tử thuộc nhóm bảng Mendeleep vào mạng tinh thể chất bán dẫn nguyên chất nhờ công nghệ đặc biệt, với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 Khi nguyên tử tạp chất thừa điện tử vành ngoài, liên kết yếu với hạt nhân, dễ dạng bị ion hóa nhờ nguồn lượng yếu tạo nên cặp ion dương tạp chất – điện tử tự Ngoài ra, tượng phát sinh hạt dẫn giống chế chất bán dẫn xẩy với mức độ yếu Trên đồ thị vùng lượng, mức lượng tạp chất loại (gọi tạp chất loại n hay loại cho điện tử - Donor) phân bố bên vùng cấm, nằm sát đáy vùng dẫn ( khoảng cách vài % eV) 17 Vïng dÉn Å Vïng dÉn Møc t¹p chÊt lo¹i n Å Møc t¹p chÊt lo¹i p - - Vùng hoá trị Vùng hoá trị b) a) Hỡnh 2.3: Đồ thị vùng lượng a) bán dẫn loại n; b) bán dẫn loại p Kết mạng tinh thể tồn nhiều ion dương tạp chất bất động dòng điện chất bán dẫn loại n gồm hai thành phần không tạo ra: điện tử gọi loại hạt dẫn đa số có nồng độ nn, lỗ trống - loại thiểu số có nồng độ Pn (chênh nhiều cấp: nn >>pn) d - Chất bán dân tạp chất loại p Nếu tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm bảng tuần hoàn Mendeleep vào tinh thể chất bán dẫn ta chất bán dẫn tạp chất loại p với đặc điểm chủ yếu nguyên tử tạp chất thiếu điện tử vành ngồi nên nên liên kết hóa trị (ghép đơi) bị khuyết, ta gọi lỗ trống liên kết, có khả nhận điện tử, nguyên tử tạp chất bị ion hóa sinh đồng thời cặp : ion âm tạp chất - lỗ trống tự Mức lượng tạp chất loại p nằm vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị (Hình 2.3b) cho phép giải thích cách sinh hạt dẫn chất bán dẫn loại Trong mạng tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p tồn nhiêu ion âm tạp chất có tính chất định xứ vùng dòng điện chật bán dẫn loại p gồm hai thành phần không tương đương nhau: lỗ trống gọi hạt dẫn đa số, điện tử hạt thiểu số, với nồng độ tương ứng pp np (pp >>np) e- Vài tượng vật lí thường gặp Cách sinh hạt dẫn tạo thành dòng điện chất bán dẫn thường liên quan trực tiếp tới tượng vật lí sau: Hiện tượng ion hóa nguyên tử (của chất tạp chất) tượng gắn liền với trình lượng hạt Rõ ràng số hạt sinh số mức lượng bị chiếm vùng dẫn hay số mức bị trống vùng hóa trị Kết vật lý thống kê lượng tử cho phép tính nồng độ hạt dựa vào hàm thống kê Fermi – Dirac: n= E max ò N(E)F(E)dE EC p= EV ò N(E)F(E)dE (2-1) Emin với n,p nòng độ điện tử vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị 18 Ec mức lượng đáy vùng dẫn, Ev mức lượng đỉnh vùng hóa trị, Emax trạng thái lượng cao có điện tử, Emin trạng thái lượng thấp lỗ trống, N(E) hàm mật đôn trạng thái theo lượng, F(E) hàm phân bố thống kê hạt theo lượng Theo người ta xác định được: n = Nc exp( - E c - EF ) KT p = NV exp( EF - E V ) KT (2-2) với Nc, Nv mật độ trạng thái hiệu dụng vùng tương ứng EF mức hóa học (mức Fermi) Kết phân tích cho phép có cát kết luận chủ yếu sau: · Ở trạng thái bằng, tích số nồng độ hai loại hạt dẫn số (trong chất bán dẫn loại nào) nn Pn = Ppnp = ni pi = ni2 = NCNVexp( - Eg/KT ) = const (2-3) nghĩa việc tăng nồng độ loại hạt kèm theo việc giảm nồng độ tương ứng loại hạt Trong chất bán dẫn loại n có nn > > ni >>pp số điện tử tự số lượng ion dương tạp chất: nn = ND+ Tương tự, chất bán dẫn loại p có pp >> ni >> np) số lỗ trống số lượng ion âm tạp chất: pp = NA- Hiện tượng tái hợp hạt dẫn Hiện tượng sinh hạt dẫn phá hủy trạng thái cân nhiệt động học hệ hạt (n.p¹ni2) Khi người ta thường quan tâm tới số gia tăng nồng độ hạt thiểu số chúng có vai trị định tới nhiều chế phát sinh dòng điện dụng cụ bán dẫn Hiện tượng tái hợp hạt dẫn trình ngược lại, liên quan tới chuyển dời điện tử từ mức lượng cao vùng dẫn mức thấp vùng hóa trị Hiện tượng tái hợp làm đồng thời cặp hạt dẫn đưa hệ hạt lại trạng thái cân Khi đó, chất bán dẫn loại n, tái hợp lỗ trống với điện tử điều kiện nồng độ điện tử cao: ỉ t Δp(t) = p(0)expỗ - ữ ỗ ữ ố pứ (2-4) đây: Dp(t) mức giảm lỗ trống theo thời gian Dp(0) số lượng lỗ trống lúc t = (có sau q trình sinh hạt) thời gian sống lố trống chất bán dẫn loại n (là khoảng thời gian nồng độ lỗ trống dư giảm e lần) 19 Dn(t) = Dn(o)exp(-t/tp ) (2-5) Các thông số tn định tới tính chất tần số (tác động nhanh) dụng cụ bán dẫn Dưới tác dụng điện trường, hạt dẫn tự chuyển động định hướng có gia tốc tạo nên dịng điện (gọi dịng trơi) với vận tốc trung bình tỉ /ệ với cường độ E trường: vtb =mE Suy vtbn = - nmnE (2-6) vtbp = mpE Trong mp, mn hệ số tỉ lệ gọi độ linh động hạt dẫn tương ứng (với chất bán dẫn tạp chất chế tạo từ Ge có ,mn = 3800 cm2 / V.s ; mp = 1800 cm2/V.s, từ Si có mn = 1300 cm2/V.s ; mp = 500cm2/V.s) Từ đó, mật động trơi gồm hai thành phần: Itrôin = - q n vtbn (2=7) với q điện tích hạt Itrơip = q p vtbp hay dịng trơi tồn phần Itrơi = Itrôin + Itrôip Itrôi = qE(mnn + mpp) (2-8) - Chuyển động khuếch tán hạt dẫn Do có chênh lệch vế nồng độ theo khơng gian, hạt dẫn thực chuyển động khuếch tán từ lớp có nồng độ cao tới lớp có nồng độ thấp Mật độ dòng khuếch tán theo phương giảm nồng độ có dạng: Iktn = q Dn ( - dn/dx ) = q Dn dn/dx (2-9) Iktp = q Dp ( - dp/dx ) = - q Dp dp/dx (2-10) với Dn Dp hệ số tỉ lệ gọi hệ số khuếch tán hạt tương ứng Người ta chứng minh tính chất sau: D = mKT/q = UT m (hệ thức Einstein) Trong UT nhiệt (UT » 25mv nhiệt phịng T = 296oK) Dn tn = Ln2 ; Dp = Lp2 Trong Ln’ Lp quãng đường khuếch tán hạt (là khoảng cách nồng độ hạt khuếch tán giảm e lần theo phương khuếch tán) qng đường trung bình hạt dịch chuyển khuếch tán thời gian sống 20 2.1.2 Mặt ghép p-n tính chỉnh lưu đốt bán dẫn a – Mặt ghép p-n chưa có điện áp ngồi Khi cho hai đơn tinh thể bán đẫn tạp chất loại n loại p tiếp cơng nghệ với nhau, hlện tượng vật lí xảy nơi tiếp xúc sở cho hầu hết dụng cụ bán dẫn điện đại Hình 2.4 biểu diễn mơ hình lí tưởng hóa mặt ghép p-n chưa có điện áp ngồi đặt vào Với giả thiết nhiệt độ phòng, nguyên tử tạp chất bị ion hóa hồn tồn (nn = N+D; pp = N -A) Các tượng xảy nơi tiếp xúc mơ tả tóm tắt sau: p n - p n Å Ikt Itr Etx utx Anèt K tèt Hình 2.24a: Mặt ghép p- n chưa có điện trường ngồi Do có chênh lệch lớn nồng độ (nn >>np pp >>pn) vùng tiếp xúc có tượng khuếch tán hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất lớp điện tích khối ion tạp chất tạo ra, nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với vùng cịn lại), đồng thời xuất điện trường nội hướng từ vùng N (lớp ion dương ND) sang vùng P (lớp ion âm NA ) gọi điện trường tiếp xúc Etx Người ta nói xuất hàng rào điện hay hiệu tiếp xúc Utx Bề dầy lớp nghèo l(0) phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, NA = ND) l(0) đối xứng qua mặt tiếp xúc : lon = lop; thường NA >>ND nên lon >>lop phần chủ yếu nằm bên loại bán dẫn pha tạp chất (có điện trở suất cao hơn) điện trường Etx cản trở chuyển động đòng khuếch tán gây chuyển động gia tốc (trôi) hạt thiểu số qua miền tiếp xúc, có chiều ngược lại với dịng khuếch tán Q trình tiếp diễn dẫn 21 tới trạng thái cân động: Ikt = Itr khơng có dịng điện qua tiếp xúc p-n Hiệu tiếp xúc có giá trị xác lập, xác định Utx = KT ổ pp KT ổ nn lnỗ ữ = lnỗ ữ q ỗ p n ữ q ỗ np ÷ è ø è ø (2-11) Với điều kiện tiêu chuẩn, nhiệt độ phịng, Utx có giá trị khoảng 0,3V với tiếp xúc p-n làm từ Ge 0,6V với loại làm từ Si, phụ thuộc vào tỉ số nồng độ hạt dẫn loại, vào nhiệt độ với hệ số nhiệt âm (-2mV/K) b – Mặt ghép p-n có điện trường ngồi Trạng thái cân động nêu bị phá vỡ đặt tới tiếp xúc p-n điện trường ngồi Có hai trường hợp xảy (h 2.5a b) p - Å n Et p - Et Å n Eng Ikt p - Å n Eng Ikt Hình 2.5: Mặt ghép p-n có điện áp phân cực Khi điện trườngnguài (Eng) ngược chiều với Etx (tức có cực tính dương đặt vào p, âm đặt vào n) Eng chủ yếu đặt lên vùng nghèo xếp chồng với Etx nên cường độ trường tổng cộng vùng lo giảm làm tăng chuyển động khuếch tán Ikt - người ta gọi tượng phun hạt đa số qua miền tiếp xúc p-n mở Dịng điện trơi Ext gây gần giảm không đáng kể nồng độ hạt thiểu số nhỏ Trường hợp ứng với hình 2.5a gọi phân cực thuận cho tiếp xúc pn Khi bề rộng vùng nghèo giảm so với lo Khi Eng chiều với Etx (nguồn ngồi có cực dương đặt vào n âm dặt vào p, tác dụng xếp chồng điện trường vùng nghèo,dòng I kt giảm tới khơng, dịng Itr có tăng chút nhanh đến giá trị bão hòa gọi dòng điện ngược bão hòa tiếp xúc p-n Bề rộng vùng nghèo tăng lên so với trạng thái cân Người ta gọi phân cực ngược cho tiến xúc pn Kết mặt ghép p-n đặt điện trường ngồi có tính chất van: dẫn điện không đối xứng theo chiều Người ta gọi hiệu ứng chỉnh lưu tiếp xúc p-n: theo chiều phân cực thuận (UAK > 0), dịng có giá trị lớn tạo dòng hạt đa số phun qua tiếp giáp p-n mở, theo chiều phân cực ngược (Usk< 0) dịng có giá trị nhỏ vài cấp hạt thiểu số trôi qua tiếp giáp p-n khối Đây kết trực tiếp hiệu ứng điều biến điện trở lớp nghèo mặt ghép p-n tác động trường 22 c – Đặc tuyến Von –Ampe tham số điốt bán dẫn Điốt bán dẫn có cấu tạo chuyển tiếp p-n với hai điện cực nối phía miền p anốt, phía miền n katốt ImA Ge Si UAK (V) mA Hình 2.6: Đặc tuyến Von – Ampe điôt bán dẫn Nối tiếp điốt bán dẫn với nguồn điện áp ngồi qua điện trở hạn chế dịng, biến đổi cường độ chiều điện áp ngoài, người ta thu đặc tuyến Von-Ampe đốt có dạng hình 2.6 Đay đường cong có dạng phức tạp, chia làm vùng rõ rệt: Vùng (1) ứng với trường hợp phân cực thuận vùng (2) tương ứng với trường hợp phân cực ngược vùng (3) gọi vùng đánh thủng tiếp xúc p-n Qua việc phân tích đặc tính Von-Ampe lí thuyết thực tế người ta rút kết luận chủ yếu sau: Trong vùng (1) (2) phương trình mơ tả đường cong cú dng: ộ ổU ự ỗ IA = IS(T)ờexp AK ữ -1ỳ ỗ ữ T ố m.U ø û (2-12) ỉ D n D p ỗ IS = q.s n po + p n ữ ỗ L Lp ữ ố n ứ gi l dịng điện ngược bão hịa có giá trị gần không phụ thuộc vào UAK, phụ 23 thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài hệ số khuếch tán tức vào chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại n p phụ thuộc vào nhiệt độ UT = KT/q gọi nhiệt; T= 300 0K với q = 1,6.10 – 19 C, k = 1,38.10-23 J/K UT có giá xấp xỉ 25,5mV; m = (1 ¸ 2) hệ số hiệu chỉnh lí thuyết thực tế - Tại vùng mở (phân cực thuận): UT Is có phụ thuộc vào nhiệt độ nên dạng đường cong phụ thuộc vào nhiệt độ với hệ số nhiệt xác định đạo hàm riêng UAK theo nhiệt độ ¶UAK ¶T IA =const » -2 mV K nghĩa giữ cho đòng điện thuận qua van không đổi, điện áp thuận giảm tỉ lệ theo nhiệt độ với tốc độ -2mV/K - Tại vùng khóa (phân cực ngược) giá trị dịng bão hịa Is nhỏ (10- 12 A/cm2 với Si 10-6 A/cm2 với Ge phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức độ +10% giá trị/0k: DIs (DT = 100K) = Is tức địng điện ngược tăng gấp đơi gia số nhiệt độ tăng IOOC - Các kết luận vừa nêu Is UAK rõ hoạt động điôt bán dẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệ độ thực tế mạch điện tử có sử dụng tới điốt bán dẫn tranzito sau này, người ta cần có nhiều biện pháp nghiêm ngặt để trì ổn định chúng làm việc, chống (bù) lại nguyên nhân kể nhiệt độ gây - Tại vùng đánh thủng (khi UAK < có trị số đủ lớn) dịng điện ngược tăng đột ngột điện áp anốt katốt khơng tăng Tính chất van điốt bị phá hoại Tồn hai đánh thủng chính: · Đánh thủng nhiệt tiếp xúc p-n bị nung nóng cục bộ, va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh Điều dẫn tới q trình sinh hạt ạt (ion hóa ngun tử chất bán dẫn thuần, có tính chất thác lũ) làm nhiệt độ nơi tiếp xúc tiếp tục tăng Dòng điện ngược tăng đột biến mặt ghép p-n bị phá hỏng · Đánh thủng điện hai hiệu ứng: ion hóa va chạm hạt thiểu số gia tốc trường mạnh cỡ 105V/cm với nguyên tử chất bán dẫn thường xảy mặt ghép p-n rộng (hiệu ứng Zener) hiệu ứng xuyên hầm (Tuner) xảy tiếp xúc p-n hẹp pha tạp chất với nồng độ cao liên quan tới tượng nhảy mức trực tiếp điện tử hóa trị bên bán dẫn p xuyên qua rào tiếp xúc sang vùng dẫn bên bán dẫn n Khi phân tích hoạt động điốt mạch điện cụ thể, người ta thường sử dụng đại lượng (tham số) đặc trưng cho Có hai nhóm tham số với điốt bán dẫn nhóm tham số giới hạn đặc trưng cho chế độ làm việc giới hạn điốt nhóm tham số định mức đặc trưng cho chế độ làm việc thông thường - Các tham số giới hạn là: · Điện áp ngược cực điốt thể tính chất van (chưa bị đánh thủng): Ungcmax (thường giá trị Ungcmax chọn khoảng 80% giá trị điện áp đánh thủng Uđt) · Dòng cho phép cực đại qua van lúc mở: IAcf · Công suất tiêu hao cực đại cho phép van để chưa bị hỏng nhiệt: PAcf 24 · · Tần số giới hạn điện áp (dịng điện) đặt lên van để cịn tính chất van: fmax Các tham số định mức chủ yếu là: Điện trở chiều điốt: Rd = Ã UAK UT ổ IA = lnỗ + 1ữ ữ ỗI IA IA ố S ứ (2-13) in tr vi phân (xoay chiều) điốt: rđ = ¶UAK UT = ¶IA IA + IS (2-14) UT » rdth IA lớn nên giá trị rd nhỏ giảm nhanh theo mức tăng IA U IA; với nhánh ngược T » rdngc lớn phụ thuộc vào dịng giá trị rđth rđngc IS chênh lệch nhiều tính chất van thể rõ · Điện dung tiếp giáp p-n: lớp điện tích khối l0 tương đương tụ điện gọi điện dung mặt ghép p-n: Cpn = Ckt + Crào Trong Crào thành phần điện dung phụ thuộc vào điện áp ngược (vài phần chục pF) Ckt thành phần phụ thuộc vào điện áp thuận (vài pF) Với nhánh thuận Hình 2.6a: Kí hiệu dạng đóng gói thực tế điốt Ở tần số làm việc cao, người ta phải để ý tới ảnh hưởng Cpn tới tính chất mạch điện Đặc biệt sử dụng điốt chế độ khóa điện tử đóng mở với 25 Hình 2.151: Sơ đồ nguồn ổn áp dùng IC loại 7805 (họ IC78xx) Seri 79xx tương tự Seri 78xx cho điện áp âm b - Loại IC ổn áp bốn chân nối: (h 2.152): Loại có thêm đầu dùng để điều chỉnh (đầu Y) Loại lc ổn áp thường dùng trường hợp yêu cầu điện áp đầu thay đổi được, cần tinh chỉnh cho thật xác Hình 2.152: Sơ đồ nguồn ồn áp chân nối (loại ,mA 78G) c - Loại IC ổn áp chân nối có điều chỉnh (h 2.153) 182 Hình 2.153a: IC ổn áp có điều chỉnh Loại cần dùng điện áp điều chỉnh Loại IC thí dụ LM 317 khơng có chân nối đất, mà thay vào đố chân Y Nhờ có phân áp R1, R2.Dòng đầu Adj nhỏ (50 – 100mA) Điện áp R1 1,25V tức dòng qua R1 5mA Điện áp điều chỉnh khoảng Hình 2.153b: IC ổn áp iu chnh 183 ổ R Ura = 1.25ỗ1+ ữ V ỗ R ữ ứ ố (2-281) ( mức điện áp chuẩn Uch = 1.25V ống ổn áp kiểu nguồn gương dòng điện tạo ra, nằm bên cấu trúc LM317 có dạng tương tự LM113) Trong trường hợp cụ thể điện áp cố thể điều chỉnh phạm vi từ 1,25V đến 25V d – Để tăng dòng tải đầu người ta mắc thêm tranzito điều chỉnh phối hợp với IC ổn áp (h.2.154a) nâng cao điện áp đầu cách đấu thêm Đz (h.2.154b) khì : Ura = Uổn + U2 Hình 2.154: IC ổn áp dùng thêm tranzito bổ trợ để tăng dịng sử dụng (a) hay dùng điơt zener để nâng mức Ura (b) e - Cấu trúc điển hình bên IC ồn áp cho hình 2.155 (loại mA7800, mA 78G) · Với loại cấu trúc chân (khơng có chân số 4) điện trở hồi tiếp R1, R2 chế tạo bên vỏ IC (mA7800) Cịn với loại có cấu trúc chân, cực bazơ T2 để ngỏ để đưa đấu R1, R2 từ ngồi, chọn (hoặc điều chỉnh) mức điện áp lấy tạii chân :' ỉ R Ura = Uch ỗ1+ ữ (2-282) ỗ R ữ ứ è · Để chống tượng tảii (ngắn mạch tải hay tăng mức điện áp vào) người ta đưa vào khâu mạch bảo vệ áp (dùng R5 ĐZ2) bảo vệ dòng (dùng R3, R4) kết hợp với tranzito T3 184 Hình 2.155 : Sơ đồ cấu trúc điển hình IC ổn áp Dịng cực bazơ Cặp tranzito điều chỉnh Darìingtơn T’4 T4 trì khơng vượt q giới hạn IBmax (cỡ vàì mA) nhờ tác dụng phân dòng T3 lúc áp hay q dịng Từ dịng điện lối : Ira £ Iramax = b’b4.Imax · Bình thường T3 trạng thái khóa nhờ việc chọn R3 R4 thích hợp Khi sụt áp R3 tăng lên dòng đạt tới giá trị UR3 ³ 0,6v, T3 chuyển sang mở, ngăn ngừa gia tăng tiếp tục dịng I’B4.Từ mức hạn chế dịng xác định : Iramax = 0.6V R3 (2 - 283) (chú ý mức hạn dịng thích hợp Ura nhỏ, cịn Ura lớn giảm ảnh hưởng R4 R5) · Công suất nhiệt tiêu tán cực đại T’4 T4 xác định từ hệ thức Pt = Iramax (Uvào- - Ura¯ ) Vì nguyên nhân không mong muôn, mạch bị chập ( Ura »0) Ira - hay điện áp lối vào tăng cao dẫn tới khả bị nhiệt gây hư hỏng cho T’4 T4 Mạch dùng ĐZ2 R5 có tác dụng bảo vệ T4 khỏi nguyên nhân - Nếu Uvào - Ura < Uz (Uz giá trị điện áp đánh thủng Zener ĐZ2), khơng có dịng qua R5 mạch hạn chế R3R4T3 hoạt động lúc dòng 185 - Nếu Uvào - Ura ³ Uz nhánh ĐZ2, R5 dẫn dòng, qua phân áp R4.T5 đặt điện áp dương lên T3 làm mở dịng R3 chưa đạt tới trị Iramax (và nhờ làm giảm dòng kể điều kiện Ira ³ Iramax không thỏa mãn) 2.7 PHẦN TỬ NHIỀU MẶT GHÉP P-N Một ứng dụng quan trọng khác mạch chỉnh lưu có khống chế cấu tạo từ dụng cụ nhiều mặt ghép p-n Các dụng cụ chỉnh lưu có khống chế có cấu trúc dạng bốn lớp bán dẫn công nghệ p-n-p-n xếp liên tiếp 2.7.1 Nguyên lí làm việc, đặc tuyến tham số tiristo a - Tiristo chế tạo từ bốn lớp bán dẫn p1-n1-p2-n2 đặt xen kẽ (trên đế N1 điện trở cao, tạo lớp P1++ P2+, sau tiếp N2++ ) Giữa lớp bán dẫn hình thành chuyển tiếp p-n J1, J2,J3 lấy cực anôt (A), katôt (K) cực khống chế G (h.2.156a) Để tiện cho việc phân tích nguyên lí làm việc tiristo tưởng tượng lớp bán dẫn tiristo chia thành hai cấu trúc tranzito p1n1p2 n1p2n2 hình 2.156b với thơng miền N1 P2 chúng Từ vẽ sơ đồ tương đương hình 2.156c Kí hiệu quy ước tiristo cho hình 2.156d Hình 2.156: Cấu trúc lớp p-n tiristo (a, b); Sơ đồ tương đương (c) kí hiệu quy ước tiristo (d) b – Đặc tuyến Vơn-Ampe tiristo có hình 2.157 chia thành vùng rõ rệt Trước tiên xiết trường hợp phân cực ngược tiristo với UAK < Đặc tính đoạn coi điơt phân cực ngược mắc nối tiếp (J1 J3) Dịng qua tiristo dịng dị ngược điơt (giống hệt dịng ngược bão hịa điơt) Nếu tăng điện áp ngược dần đến giá trị định chuyển tiếp J1 J3 bị đánh thủng theo chế thác lũ chế Zener, dòng ngược qua tiristo tăng 186 lên đột ngột (dòng chế đánh thũng J3 định) Nếu biện pháp ngăn chặn dịng ngược làm hỏng tiristo Vùng đặc tuyến ngược tiristo trước bị đánh thủng gọi vùng chắn ngược Hình 2.157: Đặc tuyến von-ampe tiristo Khi phân cực thuận tiristo (với UAK > 0), xét trường hợp cực G hở mạch (IG = 0), chuyển tiếp J1 J3 lúc phân cực thuận J2 phân cực ngược Khi UAK nhỏ, dòng qua tiristo định chủ yếu dòng ngược J2 Xét chung cho tiristo dịng điện chảy qua tiristo lúc dòng dò thuận Ifx Giá trị điển hình dịng dị ngược (IRx) dị thuận (Ifx) khoảng 100mA Nếu IG= dịng dị thuận giữ nguyên giá tri ban đầu Khi tăng UAK tới giá trị xấp xỉ điện áp đánh thủng chuyển tiếp J2 Điện áp thuận ứng với giá trị gọi điện áp đánh thủng thuận UBE Nói cách khác, điện áp thuận tăng đến giá trị này, dòng Ico tiristo đủ lớn dẫn tới làm cho Q1 Q2 sơ đồ tương đương (h.2.156c) mở chuyển sang trạng thái bảo hòa Tiristo chuyển sang trạng thái mở Nội trở đột ngột giảm đi, điện áp sụt lên cực A K giảm xuống đến giá trị UE gọi điện áp dẫn thuận Phương pháp chuyển tiristo từ khóa sang mở cách tăng dần UAK gọi kích mở điện áp thuận 187 Nếu IG khác 0, dòng IG UGK cung cấp với dịng ngược vốn có tiristo Ico làm cho Q2 mở điện áp UAK nhỏ nhiều giá trị kích mở lúc IG=0 Dịng IG lớn UGK cần thiết tương ứng để tiristo nhỏ (Ở cần nói thêm cho dù từ đầu điện áp UGK cung cấp dòng IG lớn dòng mở cực tiểu Q2 điện áp UAK chưa đủ lớn để phân cực thuận Q1 Q2 tiristo chưa mở) Như hình 2.157 mức dịng khống chế IG tăng từ IG1 đến IG4 tương ứng với mức điện áp UAK giảm xuống từ U1 tới U4 Đây phương pháp kích mở tiristo dịng cực điều khiển Điện áp dẫn thuận UF viết UF = UBE1 + UBE2 = UBE2 + UCE1 Đối với vật liệu silic điện áp bão hịa tranzito silic vào cỡ 0,2v UBE biết vào cỡ 0,7v ; suy UF = 0.9V Trên phần đặc tuyến thuận, phần mà tiristo chưa mở gọi miền chắn thuận, miền tiristo đă mở gọi miền dẫn thuận (h.2.157) Quan sát miền chắn thuận miền chắn ngược tiristo thấy có dạng giống đặc tuyến ngược điôt chỉnh thông thường Sau điều kiện kích thích mở kết thúc, muốn trì tiristo ln mở phải đảm bảo cho dòng thuận IE lớn giá trị định gọi dòng ghim I4 (là giá trị cực tiểu dịng thuận IE) Nếu q trình tiristo mở; IG trì giá trị dòng ghim tương ứng giảm dòng lG tăng (h.2.157) Trong sổ tay thuyết minh nhà sản xuất cịn kí hiệu IHC để dịng ghim cực G hở mạch IHX để dòng ghim đặc biệt cực G K nối điện trở phân cực đặc biệt c - Hai cặp tham số quan trọng cần ý chọn tiristo, tới dòng điện điện áp cực đại mà tiristo làm việc khơng bị đánh thủng ngược đánh thủng thuận trình bày Điện áp dẫn thuận cực đại đảm bảo cho tiristo chưa mở theo chiều thuận điện áp thuận, điện áp thường , kí hiệu UOM UFxM trường hợp G nối với điện trở phân cực Với nghĩa tương tự, người ta định nghĩa điện áp chắn ngược cực đại VRoM VRxM dịng điện thuận cực đại Cơng suất tổn hao cực đại FaM công suất lớn cho phép tiristo làm việc, điện áp cực khống chế UG mức điện áp ngưỡng cần để mở tiristo UAK =6v Những tham số vừa nêu thuờng cho sổ tay nhiệt độ 250C Với tiristo làm việc chế độ xung tần số cao phải quan tâm đến thời gian đóng mở tiristo tm thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở td thời gian chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng tiristo 2.7.2 Các mạch khống chế điển hình dùng tiristo a - Mạch chỉnh lưu có khống chề kiểu pha xung Mạch khống chế xung đơn giản trình bày hình 2.158 Nếu cực G tiristo mạch kể phân cực tiristo thơng vai trị tiristo giống van chỉnh lưu thông thường Khi đặt vào cực G chuỗi xung kích thích làm tiristo mở thời điểm định (cùng với chu kì dương điện áp nguồn đặt vào anơt) dạng điện áp tải tiristo toàn nửa chu kỳ dương mạch chlnh lưu thông thường mà tùy theo quan hệ pha xung kích điện áp nguồn, có phần nửa chu kì dương hình 2.158 188 Hình 2.158 : Mạch khống chế xung đơn giản a) Sơ đồ nguyên lí; b) Dạng điện áp Để minh họa hoạt động xét: Ví dụ : mạch chỉnh lưu có khống chế hình 2.158a với biên độ điện áp xoay chiều đầu vào 30V, điện trở tải 15W, R1=1kW Hãy xác định loại tiristo cần thiết cho sơ đồ, tính dịng điện điện áp mở tiristo đặt vào cực G xác định điện áp kích mở đặt vào anơt tiristo Giải : ĐỂ xác định tiristo thích hợp cho mạch, trước hết cần lưu ý tiristo phải đảm bảo đóng chưa có xung kích thích đặt vào cực G Nghĩa điện áp chắn thuận (UFxM) phải lớn biên độ cực đại điện áp nguồn (UFxM >30V); chọn tiristo có UFxM = 50V Bây xét tới điều kiện dòng tải cực đại (Ip) Ứng với điện áp vào cực đại, điện áp tải là: UK = ev - UAK Ip = E v - U AK Rt tiristo mở, điện áp cực anôt katôt tiristo UAK điển hình 1V, tính : Ip = (30V – 1V)/15W = 1,93A 189 Giá trị hiệu dụng cực đại cho phép dòng thuận tiristo C6F 1,6a Như dùng tiristo C6F trường hợp thích hợp Để xác định điện áp dòng cực G, cần sử dụng đặc tuyến Vơn-Ampe nguồn kích thích cực G ứng với độ xung tiristo C6F vào sổ tay tra cứu biết ứng với độ rộng xung 20ms UG = 0,5v IG = 0,1A Dịng kích mở cực G vào sơ đồ nguyên lí IT = IG + IRL IRL = UG/R1 Do IT = IG + (UG/R1) = 001mA + (0,5V/kW = 0,51mA Vậy điện áp kích mở cực G UG 0,5V dịng kích mở cực G IT : 0,51mA Như biết tiristo đóng dịng tải IT nhỏ dòng IH theo sổ tay tra cứu C6F IH = lmA Từ sơ đồ mạch khống chế biết ev = UAK + IHR1 =1v + (1mA.15W) = 1,015V Như tiristo đóng ev hạ xuống nhỏ 1,015V b - Mạch khống chế pha 900 (h.2.159) Hình 2.159: Mạch khống chế pha 900 · Dịng kích mở cực G lấy từ nguồn cung cấp qua điện trở R1 Nếu R1 điều chỉnh đến giá trị điện trở nhỏ tiristo mở đồng thời với nửa chu kì dương đặt vào anơt Nếu R1 điều chỉnh đến giá trị lớn thích hợp tiristo mở nửa chu kì dương lúc ev đến giá trị cực đại Điều chỉnh điện trở R1 khoảng giá trị tiristo mở với góc pha từ – 900 Nếu góc pha 900 mà IG khơng mở tiristo khơng thể mở góc pha góc pha 900 dịng IG có cường độ lớn Điơt Đ1 để bảo vệ tiristo nửa chu kì âm nguồn điện đặt vào cực G Từ hình 2.159 thấy khoảng thời gian tiristo mở, dòng IG chảy qua R1, D1 Rt Bởi tiristo mở viết: ev = IGR1 + UD1 + UG + IGR1 ; IGR1 = ev - UD1 - IGR1- UG 190 R1 = (e v - UD1 - UG - IGR t ) IG (2-284) · Ví dụ với sơ đồ nguyên lí mạch khống phế pha hình 2-159, điện áp nguồn xoay chiều có biên độ 30V, điện trở tải 15W Xác định khoảng điều chỉnh R1 để mở tiristo góc khoảng 5-900 Biết dòng mở cực G 100mA, điện áp cực G 0,5V Giải : 50 ev = 30sin50 = 30 0,0872 = 2,6V áp dụng biểu thức (2-370) tính : Rt = (2,6v - 0,7v - 0,5v - 100mA 15)/1OOmA R1= R1min = 1,4V/100mA =14kW 0 90 ev = 30 , sin900 = 30V tương tự tính R1 = R1max = 288kW Như để góc mở tiristo mở từ 50 – 900 điện trở R1 phải điều chỉnh từ 14kW đến 288kW c - Mạch khống chế pha 1800 Hình 2.160: Mạch khống chế pha 1800 Mạch khống chế pha 1800 điển hình trình bày hình 2.160 Mạch tương tự mạch khống chế pha 900 biết hình 2.15e khác thêm vào điôt Đ2 tụ điện C1 Khoảng nửa chu kì âm điện áp đặt vào, tụ C1 nạp theo chiều âm dạng điện áp trình bày hình 2.160: Quá trình nạp tiếp diễn tới giá trị cực đại nửa chu kì âm Khi điểm cực đại nửa chu kì âm qua điơt Đ2 phân cực âm (vì anơt nối với tụ điện C1 có điện âm so với katơt) Sau tụ C1 phóng điện qua điện trở R1 Tùy theo giá trị R1 mà C1 phóng hết (điện áp hai cực tụ 0), bắt đấu nửa chu kì dương nguồn đặt vào tiristo, trì điện áp âm định cực cho tới góc pha 1800 chu kì dương tiếp sau đặt vào tiristo Khi tụ C1 tích điện theo chiều âm 191 D1 bị phân cực ngược xung dương đưa vào để kích mở cho tiristo Như cách điểu chỉnh R1 C1 hai làm tiristo mở góc khoảng từ -1800 nửa chu kì dương nguồn điện áp đặt vào tiristo Hình 2.161: Mạch khống chế pha với điôt chỉnh lưu Trên sộ sơ đồ ngun lí đơn giản hình 2.160 thay đổi đôi chút kết cấu mạch để dạng điện áp tải theo ý mong muốn (h.2.161) Điôt D3 mắc thêm vào làm cho tải xuất nửa chu kì âm điện áp nguồn cung cấp Bự khống chế thực nửa chu kỳ dương nguồn Hình 2162 : Mạch khống chế đảo mắc song song Trên hình 2.162 trình bày sơ đồ hai chỉnh lưu có khống chế dòng tiristo mắc song song ngược chiều Bằng cách mắc mạch thực khống chế nửa chu kì dương lẫn chu kì âm Trên nêu ví đụ đơn giản ứng dụng tiristo mạch chỉnh lưu có khống chế 192 2.7.3 Vài dụng cụ chỉnh lưu có cấu trúc lớp a – Triac A2 A2 P1 N1 N2 G P2 N3 N2 P2 N3 N4 P3 P1 N1 N4 P3 a) A1 b) A1 c) Hình 2.163: Cấu trúc (a) sơ đồ tương đương (b) đặc tuyến (c) TRIAC Cấu tạo, sơ đồ tương dương đặc tuyến Vơn -Ampe triac trình bày hình 2.163 Từ thấy triac tương dương với hai tiristo mắc song song ngược chiều Các cực gọi A1, A2 G.A2 đóng vai trị anơt, A1 đóng vai trị catơt Khi cực G A1 có điện (+) so với A2 tiristo tương đương Q1 Q2 mở, A1 đóng vai trị anơt cịn A2 đóng vai trị catốt Từ thấy TRIAC có khả dẫn điện theo hai chiều 193 Hình 2.164: Khảo sát mạch khống chế dùng TRIAC qua mô Sơ đồ khống chế dùng TRIAC trình bày hình 2.164 Chú ý kí hiệu quy ước TRIAC tổ hợp hai kí hiệu tiristo Trong khoảng nửa chu kì dương điện áp đặt vào, điôt Đ1 phần cực thuận, điôt D2 phân cực ngược cực G dương so với A1 Điều chỉnh R1 khống chế điểm bắt đầu mở TRIAC b- Về mặt cấu tạo ĐIAC hồn tồn giống TRIAC khơng có cực khống chế G.ĐIAC kích mở cách nâng cao điện áp đặt vào hại cực Kí hiệu mạch đặc tuyển Vơn -Ampe ĐIAC trình bày hình 2.165 194 Hình 2.165: Kí hiệu dạng đóng vỏ ĐIAC; TRIAC c – Điốt bốn lớp Điốt bốn lớp gọi điơt SOV-lay, có cấu tạo tương tự tiristo khơng có cực khống chế G, kích mở cách nâng điện áp hai cực điôt (vượt điện áp mở thuận) Kí hiệu mạch đặc tuyển Vơn -Ampe điơt bốn lớp trình bày hình 2.166 ; điện áp mở thuận điôt lớp tương ứng vôi điện áp đánh thủng thuận tinsto Dông cực tiều chày qua để điơt mở gọi dịng mở (Is) Hình 2.166: Kí hiệu mạch đặc tuyến điốt bốn lớp Hình 2.167: Mạch dao động dùng điơt bốn lớp 195 Dòng ghim (IH) điện áp dẫn thuận UF điôt bốn lớp tương tự tiristo Một ứng dụng phổ biến điôt lớp tạo dao động cưa (sơ đồ ngun lí mạch hình 2.167) Trong tụ C1 nạp điện trở R1 từ nguồn E Quá trình nạp tiếp điện điện áp hai tụ điện C1 vượt giá trị điện áp kích mở cho điơt lớp làm điơt mở, tụ phóng điện nhanh qua nội trở nhỏ điôt làm điện áp tụ C1 giảm xuống Điện áp đặt hai cực điôt giảm Khi đạt mức làm dịng qua điơt nhỏ dịng ghim I H điơt lại khóa tụ C lại bắt đầu nạp Điện áp có dạng cưa hình 2.167 Điện trở R1 sơ đồ phải chọn để điơt mở dịng chạy mạch phải có cường độ dịng mở điơt Is (Nếu nhỏ Is điơt khơng mở) Nhưng R1 phải đủ lớn để ngăn khơng cho dịng qua điơt giảm xuống giá trị dòng IH tụ C1 phóng điện Nghĩa ngăn ngừa khả điơt đóng sau tụ phóng điện Ví đụ : Sơ đồ nguyên lí tạo mạch dao động cưa (h.2.167) điơt bốn lớp có tham số sau : Us = 10V ; Us = 1v, Is = 500mA IH = 1,5mA nguồn E =30V Hãy tính giá trị cực đại cực tiểu R1 để mạch làm việc bình thường Giải: Căn vào mạch viết : E = (IR1) + Uc R1 = E - Uc I Tại điện áp mở mở điôt có : Uc = Us Imin = Is ta suy : R1max = E - Us 30V - 10V = 40kΩ = 500.10 A Is Điôt mở hồn tồn ta có Uc = U1 Umax =IH Vậy: Nếu có điơt lớp ghép song song ngược chiều sau đặt chúng vào vỏ bọc ta điơt bốn lớp hai chiều Ngun lí làm việc loại tương tự điôt lớp chiều vừa kể 196 ... khuếch đại h21e1 Ic2 ứng với h21e2) tính : Ic1 = h21e1 UB UBE RB + (h21e1 + 1)RE ( 2- 9 2) Ic2 = h21e2 UB UBE RB + (h21e1 + 1)RE ( 2- 9 3) Lấy hiệu số ( 2- 9 2) ( 2- 9 3), được: IC = (UB UBE )(h21e h21e1 )(RB... tranzito Ví dụ : r 22 = ∂ U2 ∂I2 g 22 = ∂I ∂U r11 = ∂U1 ∂I1 h21 = ∂I ∂I2 I1 = const U2 = I2 gọi điện trở vi phân h 22 ( 2- 4 2) = = S gọi hỗ dẫn truyền đạt r 12 ( 2- 4 3) const =const U2 = = h11 điện trở vào... + IB)Rt + UBE ( 2- 6 5) Từ 2- 6 4 2- 6 6 cô thể suy ra: UcE » IBRB ( 2- 6 7) Thay Ic = h21e.IB vào biểu thức ( 2- 6 6) ta tìm Ecc = (h21e + 1)IB.Rt + IBRB ( 2- 6 8) E cc (h21e + 1)R t + RB ( 2- 6 9) rút ra: IBQ