Kỹ thuật điện tử ( GV Nguyễn Văn Hân ) - Phần 2 pps

Chương 2: 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 Phân biệt độ dẫn điện chất phương pháp cổ điển Dẫn điện Bán dẫn điện Cách điện R() a Cấu trúc vùng lượng chất rắn tinh thể Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng hoá trị 0Eg  2eV Vùng hoá trị c) b) Vùng dẫn Vùng cấm Eg Vùng hoá trị a) b Chất bán dẫn Hai chất bán dẫn điển hình Gemanium (Ge) Silicium (Si) thuộc nhóm Bảng tuần hồn Si có Eg=1,12eV Ge có Eg=0,72eV Si Si Lỗ trống Si Si Si + Si Si Điện tử Vùng dẫn ni Si Si 1,12eV pi Vùng hố trị Muốn có hạt dẫn tự phải có lượng kích thích Ekt > Eg làm phát sinh cặp hạt dẫn nên ni = pi c Chất bán dẫn tạp chất loại n Pha tạp chất thuộc nhóm BTH (Như P, As…) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại n Mức lượng tạp chất loại n nằm phía vùng cấm gần đáy vùng dẫn Các điện tử dễ dàng nhận Vùng dẫn lượng kích thích bên ngồi để Mức tạp nhảy lên vùng dẫn tham gia   chất loại n vào trình dẫn điện Hạt dẫn đa số điện tử Hạt dẫn thiểu số lỗ trống: nn >> pn Vùng hoá trị d Chất bán dẫn tạp chất loại p Pha tạp chất thuộc nhóm BTH (Al, B…) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại p Mức lượng tạp chất loại p nằm phía vùng cấm gần đỉnh vùng hoá trị Các điện tử dễ dàng nhận lượng kích thích bên ngồi để nhảy từ vùng hố trị lên mức tạp chất loại p tạo nên điện tích tham gia vào q trình dẫn điện Vùng dẫn Hạt dẫn đa số lỗ trống mang đt + Hạt dẫn thiểu số điện tử mang đt pp >> np Vùng hoá trị   Mức tạp chất loại p e Vài tượng vật lý thường gặp • Hiện tượng ion hố ngun tử Ở nhiệt độ thường, bán dẫn nguyên chất hay tạp chất bị ion hố có số hạt dẫn n hay p xác định dựa vào hàm Fermi -Dirac  EC  E F   E F  EV  n  N C exp   KT   p  NV exp   KT   trạng thái cân tích số nồng độ hai loại hạt dẫn  Eg  số: nn n p  p p pn  ni pi  N C NV exp   KT     + Bán dẫn n có nn >> ni >> pn Và: nn=N D Bán dẫn p có pp >> pi >> np Và: np=N-A nn, pp: Là hạt dẫn đa số (điện tử bd loại n, lỗ trống bd loại p) np, pn: Là hạt dẫn thiểu số (điện tử bd loại p, lỗ trống bd loại n) N+D, N-A: Là ion dương, âm tạp chất Ec, Ev: Mức lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị • Hiện tượng tái hợp hạt dẫn Tái hợp trình chuyển dời điện tử từ mức cao xuống thấp làm cặp hạt dẫn Sự tái hợp có liên quan đến thời gian sống điện tích sinh có quan hệ với tần số tác động nhanh linh kiện điện tử • Chuyển động có gia tốc trơi hạt dẫn điện trường Khi có điện trường hạt dẫn chuyển động có hướng để tạo nên dịng điện Dịng trơi tồn phần tổng dịng trơi: I troi  qE n n  p p  n ;  p Độ linh động hạt dẫn tương ứng E: Cường độ điện trường q: Điện tích hạt • Chuyển động khuếch tán Nếu khối bán dẫn có chênh lệch nồng độ điện tích khơng gian có tượng khuếch tán làm cân nồng độ I ktn I ktp dn  dn   qDn     qDn dx  dx  dp  dp   qD p     qD p dx  dx  Với: Dn Dp hệ số khuếch tán hạt tương ứng Dn , p KT   n, p  U T  n, p q Dn n  L2 ; n D p p  L2p Ln, Lp: Là quãng đường khuếch tán  n ; p Là thời gian sống hạt 2.1.2 Mặt ghép p-n tính chất chỉnh lưu Điốt bán dẫn a Mặt ghép p-n chưa có Engồi • • • • p n Khi hai khối bán dẫn p n tiếp xúc xẩy tượng khuếch tán có chênh lệch p   n 17 ,n 1010; n 1015, nồng độ hạt dẫn.(PP 10 P n 11) pn 10 Ikt Hiện tượng khuếch tán sinh dịng điện Itr khuếch tán Ikt có chiều từ bd p sang bd n Etx UtxSi=0,6V Các ion tạp chất tạo điện trường tiếp xúc sinh dịng trơi Itr ngược chiều Ikt Khi cân động Itr=-Ikt utx KT  p p  KT  nn  UtxGe=0,3V U tx  ln   ln  p  n  q  n q  p Anốt Katốt Mặt ghép p-n ứng dụng làm ốt bán dẫn b Mặt ghép p-n có điện trường p Etx p     n Eng Ikt • Khi điện trường ngồi điện trường tiếp xúc ngược chúng có xu hướng triệt tiêu làm vùng chuyển tiếp (vùng nghèo điện tích) hẹp lại, hàng rào giảm nên khuếch tán xẩy mạnh > có dịng điện chạy qua lớp tiếp giáp -> ta nói ốt phân cực thuận n Etx p   n Eng Ikt • Khi điện trường điện trường tiếp xúc chiều chúng có xu hướng cộng lại với làm vùng chuyển tiếp (vùng nghèo điện tích) rộng ra, hàng rào tăng nên khuếch tán xẩy yếu -> khơng có dịng điện chạy qua lớp tiếp giáp -> ta nói ốt phân cực ngược c Đặc tuyến Von-Ampe tham số điốt bán dẫn • Đặc tuyến điốt đường cong phức tạp • Mỗi đường chia làm vùng • Vùng  điốt phân cực thuận Đặc tuyến Ge gần trục I Cùng giá trị I ? Cùng giá trị U ? • Đường Ge cắt trục hồnh 0,2V • Đường Si cắt trục hồnh 0,4 V ImA Ge Si  UAK (V)   A • Vùng   điốt phân cực ngược Dịng điện ngược điốt Ge lớn • Vùng  điốt bị đánh thủng Ge bị đánh thủng sớm • Ngun nhân đánh thủng: nhịêt, điện 10 MẶT SAU BẢNG MẠCH THÍ NGHIỆM • Biến áp nguồn có sơ cấp nối vào điện lưới 220VAC • Thứ cấp nối qua ckuyển mạch K1 dẫn vào hai phần thí nghiệm khác 23 MẠCH CHỈNH LƯU VÀ ỔN ÁP (THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ) • Những linh kiện làm nhiện vụ chỉnh lưu? • Số ốt mạch chỉnh lưu? • Tụ lọc sau ốt chỉnh lưu? Số tụ lọc cách mắc? • Mạch điện tiếp theo? 24 I IDz IRt æn áp dùng điốt zener 25 KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH 26 SO SÁNH SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA U vào U Dz Uvào=15V UDz=12,24V I=? Uvào=17V UDz=12,35V I=? 27 2.2 PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N 2.2.1a Cấu tạo tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) Ba lớp bán dẫn xếp xen kẽ pnp hay npn Miền emitơ (E) có nồng độ tạp chất cao Miền bazơ (B) xen mỏng vài m, nồng độ tạp chất nhỏ Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất thấp trung bình Diện tích tiếp xúc BC (tiếp giáp JC ) lớn EB (tiếp giáp JE ) E p n JE p JC B C E n p JE n C JC B 28 MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ • Ký hiệu linh kiện theo quy định nước sản xuất • Nhật: A ; B ; C ; D • Mỹ: 2N • Châu Âu 2SA , 2SB…, 2SC…, 2SD… Đóng vỏ kim loại để tăng khả tản nhiệt Cực C nối trưc tiếp vỏ Đóng vỏ nhựa chịu nhiệt Phần kim loại nối với cực C 29 Cách xác định cực Transistor Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn Sử dụng đồng hồ vạn năng??? 30 MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ Tran zito siêu cao tần 31 2.2.1b Nguyên lý làm việc tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) • Để tranzito làm việc chế độ khuếch đại cần đưa điện áp chiều vào cực (gọi phân cực) theo nguyên tắc: JE phân cực thuận, JC phân cực ngược • Các hệ thức bản: IE = IB + IC  = IC / IE đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán vùng bazơ  = IC / IB đánh giá tác dụng điều khiển dịng IB tới dịng IC Từ ta có: IE = IB (1 + )  =  / (1+ ) 32 2.2.1c Cách mắc tranzito tham số chế độ tín hiệu nhỏ • Mỗi tranzito có điện cực mà mạch điện xử lý tín hiệu có điện cực nên phải có cực nối chung U1 (vao) U2 (ra) U1 (vao) E T U1 (vao) U2 (ra) U2 (ra) B U2 (ra) U1 (vao) C Mạch EC Mạch BC Mạch CC • Từ ba cách mắc coi cách mắc tứ cực ta viết cặp phương trình mơ tả quan hệ tín hiệu vào tín hiệu để xác định tham số tranzito (Tham khảo SGK) 33 2.2.1d Phương trình h ng c tuyn ca tranzito Tổng quát Đặc tuyến vào U1=f(I1)| U =const Đặc tuyến phản hồi U =f(U )| I =const EC BC CC UBE=f(IB)| UCE UEB=f(IE)|UCE UBC=f(IB)|UEC UBE=f(UCE)|IB UEB=f(UCB)| IE UBC=f(UEC)|IB Đặc tuyến truyền I =f(I )| U2 =const đạt IC=f(IB)| UCE Đặc tuyến I2=f(U2)| I IC=f(UCE)| IB IC=f(UCB)| IE IE=f(UEC)| IB =const IC=f(IE)| UCB IE=f(IB)| UEC 34 2.2.2a Họ đặc tuyến dạng mắc mạch EC dùng tranzito I I• Avào = IB ; I B UCE = 2V 100 = Ic UCE (ra) UBE (vao) UCE = 6V E UCE = 6V IC mA UBE V IB =60A UCE = 2V • Đặc tuyến vào giống miền thuận điốt IB =40A IB =20A IB A 100 -5 UCE V • Đặc tuyến ra: Miền có độ dốc lớn -> thay đổi nhỏ UCE -> thay đổi lớn IC Miền có độ dốc nhỏ -> thay đổi nhỏ IB -> thay đổi lớn IC • Đặc tuyến truyền đạt: ứng với giá trị UCE cố định quan hệ IB với IC đường thẳng Khi tăng UCE lên giá trị khác đường đặc tuyến dốc 35 2.2.2b Họ đặc tuyến cách mắc mạch BC dùng tranzito • Ivào = IE ; I = Ic Đặc tuyến vào giống miền thuận điốt IE mA UEB (vao) UCB(ra) UCB = 6V UCB = 1V UCB = 6V IC mA B IE =3mA UCB = 2V IE =2mA UEB V IE =1mA IE mA -5 UCB V • Khi IE cố định IC  IE Tăng UCB IC tăng không đáng kể IC luôn nhỏ IE Khi UCB = IC  điệp áp tiếp xúc JC điện tích vượt qua miền bazơ mỏng • Đặc tuyến truyền đạt suy từ đặc tuyến Vì dịng IB nhỏ nên đồ thị gần đường thẳng 36 2.2.2c Họ đặc tuyến cách mắc mạch CC dùng tranzito • Ivào = IB ; I = IE Đặc tuyến vào có dạng khác hẳn UCB phụ thuộc nhiều vào UCE UCE(ra) Nếu UCB tăng UBE giảm nên IB giảm UCB(vao) IB A 100 C UCE = 21V UCE = 6V IE mA UCE =41V IB =60A IB =40A UCE = 2V UCB V -4 IB =20A IB A 100 -5 UCE V • Trong thực tế IC  IE nên đặc tuyến đặc tuyến truyền đạt mạch EC mạch CC gần tương tự 37 ... UBC=f(IB)|UEC UBE=f(UCE)|IB UEB=f(UCB)| IE UBC=f(UEC)|IB Đặc tuyến truyền I =f(I )| U2 =const đạt IC=f(IB)| UCE Đặc tuyến I2=f(U 2) | I IC=f(UCE)| IB IC=f(UCB)| IE IE=f(UEC)| IB =const IC=f(IE)|... lý tín hiệu có điện cực nên phải có cực nối chung U1 (vao) U2 (ra) U1 (vao) E T U1 (vao) U2 (ra) U2 (ra) B U2 (ra) U1 (vao) C Mạch EC Mạch BC Mạch CC • Từ ba cách mắc coi cách mắc tứ cực ta viết... IB (1 + ? ?)  =  / (1 + ? ?) 32 2 .2. 1c Cách mắc tranzito tham số chế độ tín hiệu nhỏ • Mỗi tranzito có điện cực mà mạch điện xử lý tín hiệu có điện cực nên phải có cực nối chung U1 (vao) U2 (ra)