VẬT LIỆU và LINH KIỆN điện tử

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI TS Nguyễn Viết Nguyên (đồng chủ biên) TS Nguyễn Hoài Giang (đồng chủ biên) VT LIU V LINH KIN IN T Nhà xuất gi¸o dơc viƯt nam NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM LỜI NÓI ĐẦU Cuốn "Vật liệu linh kiện điện tử" biên soạn bao gồm kiến thức linh kiện vật liệu điện tử dùng làm giáo trình tài liệu tham khảo cho đối tượng lĩnh vực điện tử Sách dùng làm tài liệu tham khảo, học tập cho đối tượng có liên quan tới lĩnh vực khác điện, tự động hóa, đo lường, điều khiển Nội dung sách đề cập tới nhóm kiến thức linh kiện thụ động, linh kiện bán dẫn điện rời rạc, bán dẫn điện tổ hợp phân tích ứng dụng mang lại nhóm linh kiện Các nội dung phân bổ chương nhóm tác giả có kinh nghiệm giảng dạy lĩnh vực biên soạn hướng tới mục tiêu:    Trang bị kiến thức sở vật liệu linh kiện điện tử: cấu tạo, tính chất bản, đặc tính tham số; Giới thiệu phân tích ứng dụng quan trọng nhóm linh kiện, vật liệu điện tử công cụ đo; Đưa hệ thống câu hỏi, tập để người đọc tự đánh giá, kiểm tra sau chương Đây kiến thức làm tảng để người học tiếp cận đến môn học khác thuộc ngành điện tử, hỗ trợ cho người học kỹ sở để tiếp thu có hiệu mơn học chương trình đào tạo ngành Tuy nhiên, q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót tác giả mong muốn nhận ý kiến xây dựng từ bạn đọc gần xa, ý kiến đóng góp xin gửi địa chỉ: Khoa Công nghệ Điện tử thông tin - Viện Đại học Mở Hà Nội Xin chân thành cảm ơn! CÁC TÁC GIẢ MỞ ĐẦU ii MỤC LỤC Trang Chương MỞ ĐẦU 1.1 Tin tức tín hiệu 1.2 Các thông số trạng thái linh kiện điện tử 1.3 Kỹ thuật đo dùng máy sóng (Oxylo) Câu hỏi tập 14 Chương CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG 2.1 Điện trở tuyến tính điện trở phi tuyến 2.2 Tụ điện 2.3 Tụ điện mạch điện chiều 2.4 Tụ điện mạch điện xoay chiều 2.5 Mắc nối tiếp mắc song song tụ điện 2.6 Cuộn dây 2.7 Cuộn dây mạch điện chiều 2.8 Cuộn dây mạch điện xoay chiều 2.9 Mắc nối tiếp mắc song song cuộn dây 2.10 Mạng hai cực mạng bốn cực phụ thuộc tần số dạng RC RL 2.11 Mạch cộng hưởng RLC Câu hỏi tập 15 16 31 39 40 43 44 46 48 52 53 61 69 Chương DIOT BÁN DẪN 3.1 Vật liệu bán dẫn điện 3.2 Chất bán dẫn tạp chất 3.3 Chuyển tiếp pn 3.4 Nguyên lý hoạt động diot bán dẫn 3.5 Tính chất khố chuyển mạch diot bán dẫn 3.6 Tính chất nhiệt diot bán dẫn 3.7 Các dạng cấu tạo diot bán dẫn 3.8 Các diot có tính chất đặc biệt 3.9 Các ví dụ ứng dụng điển hình diot Câu hỏi tập Chương TRANZITO LƯỠNG CỰC (BJT) 4.1 Nguyên lý hoạt động tranzito loại pnp 74 75 77 79 82 86 87 88 90 105 110 113 114 MỞ ĐẦU iii 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 Nguyên lý hoạt động tranzito npn Điện áp dòng điện tranzito Các đặc tuyến tham số tranzito mắc Emitơ chung Chọn điểm làm việc cho tranzito Điều khiển tranzito (Chế độ cho BJT làm việc với tín hiệu xoay chiều) Dòng điện dư, điện áp ngược điện áp đánh thủng Trạng thái điều khiển q mức điện áp bão hòa Cơng suất tổn hao tranzito Ảnh hưởng nhiệt độ ổn định nhiệt điểm làm việc Tạp âm tranzito Các tham số tranzito Một vài ứng dụng tranzito Câu hỏi tập Chương TRANZITO ĐƠN CỰC (FET) 5.1 Tranzito hiệu ứng trường có cực cửa lớp khoá (JFET) 5.2 Tranzito hiệu ứng trường có cực cửa cách ly 5.3 MOSFET có hai cực cửa 5.4 Tranzito chuyển tiếp pn (UJT) Câu hỏi tập 116 117 118 122 124 126 128 129 131 132 135 137 142 144 145 151 159 160 162 Chương THYRISTOR 6.1 Diot lớp (thyristor diot) 6.2 Thyristor (SCR) 6.3 Thyristo bốn cực 6.4 GTO Thyristo 6.5 DIAC 6.6 TRIAC 6.7 Điều khiển dòng tải dùng Diac Triac Câu hỏi tập 164 165 168 177 178 181 183 187 189 Chương LINH KIỆN QUANG BÁN DẪN 7.1 Hiệu ứng quang điện 7.2 Quang điện trở 7.3 Tế bào quang điện pin mặt trời 7.4 Photo diot 7.5 Photo tranzito 7.6 Photo thyristo 191 192 192 194 199 200 201 MỞ ĐẦU iv 7.7 7.8 7.9 7.10 Diot phát quang LED LASER bán dẫn Sợi quang dẫn Bộ ghép quang Câu hỏi tập Chương CÁC CẤU KIỆN VI ĐIỆN TỬ (IC) 8.1 Khái niệm chung 8.2 Kỹ thuật tích hợp linh kiện 8.3 Vi điện tử số vi điện tử tương tự 8.4 Mức độ tích hợp mật độ đóng gói 8.5 Các ưu nhược điểm IC 8.6 IC khuếch đại thuật toán (OPV) 8.7 Một số lưu ý sử dụng lắp ráp IC Câu hỏi tập 202 204 206 208 210 211 212 212 226 220 221 221 225 226 Chương CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.1 Bộ phát sóng HALL 9.2 Từ trở 9.3 DIOT từ 9.4 Áp trở bán dẫn 9.5 Linh kiện tinh thể lỏng 9.6 Tranzito màng mỏng (TFT) - Màn hình LCD 9.7 Màn hình PLASMA 9.8 Các dụng cụ điện tử chân không 9.9 Ống tia điện tử 9.10 Dụng cụ ION 9.11 Tế bào quang điện chân không Câu hỏi tập Tài liệu tham khảo 227 228 231 233 234 235 237 239 240 247 250 253 256 257 CHƯƠNG MỞ ĐẦU Chương tóm tắt thuộc tính tin tức tín hiệu đối tượng tác động đến linh kiện điện tử đồng thời trình bày kĩ thuật đo lường thơng số tín hiệu sử dụng máy đo sóng MỤC TIÊU CHƯƠNG NỘI DUNG CHƯƠNG Hệ thống lại kiến thức tính chất tín hiệu điện Xác định trạng thái điện linh kiện thông qua thơng số trạng thái điện áp, dòng điện trở kháng 1.1 Tin tức tín hiệu 1.2 Các thơng số trạng thái linh kiện điện tử 1.3 Kỹ thuật đo dùng máy sóng Câu hỏi tập Cách sử dụng công cụ oxylo để đo thơng số tín hiệu THUẬT NGỮ QUAN TRỌNG TÀI LIỆU THAM KHẢO tin tức, tín hiệu, tín hiệu tương tự, tín hiệu xung số, độ dài tín hiệu, lượng tồn phần, cơng suất tín hiệu, trị hiệu dụng, trị trung bình, góc dịch pha, điện áp, dòng điện, trở kháng, điện trở suất, trạng thái ngắn mạch, trạng thái hở mạch, nội trở, nguồn sức điện động, vật liệu dẫn điện, bán dẫn điện, điện môi, máy sóng, độ nhạy lái tia, khuếch đại X khuếch đại Y, suy giảm, điện áp quét, đồng tần số, chế độ đồng trong, chế độ đồng ngoài, chế độ tự đồng bộ, độ sáng độ hội tụ tia điện tử, đường cong Lissajous, thời gian sở, gốc thời gian Xem mục tương đương sách sau: 1) Phương Xuân Nhàn, Lý thuyết mạch tín hiệu, NXB KHKTVN, 2008 2) Đỗ Xuân Thụ (CB), Kỹ thuật điện tử, NXBGDVN, 2013 (tái bản) 3) Nguyễn Viết Nguyên (dịch), Linh kiện điện tử, NXBGDVN, 2008, 2012 MỞ ĐẦU 1.1 TIN TỨC VÀ TÍN HIỆU  Đối tượng để linh kiện mạch điện tử thu thập, gia cơng, xử lý, truyền tải tin tức tín hiệu Tin tức hiểu nội dung chứa đựng hay nhiều kiện xảy đo xác suất xuất kiện (càng hoi nhiều tin, hỗn loạn nhiều tin) Trong tin tức đối tượng gián tiếp tín hiệu đối tượng trực tiếp Tín hiệu định nghĩa biểu vật lý hay biểu diễn toán học tin tức Khi biểu diễn tín hiệu (ký hiệu hàm s) theo biến thời gian ta có hàm s(t), theo biến tần số ta nhận hàm s(f) Nếu vào lúc t0 xuất s(t) đến lúc t0 + s(t) biến  gọi độ dài tín hiệu s(t)  Nếu hàm s(t) có tính liên tục  s(t) gọi tín hiệu tương tự hay tín hiệu analog Còn s(t) biến thiên gián đoạn  s(t) gọi tín hiệu xung số hay tín hiệu digital Theo linh kiện điện tử mạch điện tử có hai chế độ làm việc chế độ analog chế độ digital  Thường linh kiện hay mạch điện tử, tín hiệu tác động lối vào hay đáp ứng nhận lối thơng số trạng thái điện áp u hay dòng điện i Trong số trường hợp tín hiệu xuất dạng biểu diễn theo lượng (cơng suất)  Năng lượng tồn phần tín hiệu Es tính theo: Es   t  t0  s (t)dt   s (t)dt  (1.1) Cơng suất tín hiệu lượng tính đơn vị thời gian tồn tại: Ps  Es   s (t)dt    (1.2) Trị hiệu dụng tín hiệu (xoay chiều) tính bởi: s hd  Ps  Es  (1.3) Trị trung bình (thành phần chiều) tín hiệu xác định bởi: smét chiÒu  s(t )  t  s(t)dt  t (1.4)  Khi biểu diễn tín hiệu dạng số phức s(t) = a + jb = Aejφ (1.5) ta ln có lượng liên hợp phức s*(t) = a - jb = Ae-jφ (với j2 = -1), theo A  a  b2 b b gọi môđun (biên độ) tg  hay   arctg gọi góc pha (argument) a a Khi chọn A = (chuẩn hố) a  cosφ b  sinφ hay ejφ = cosφ + jsinφ e-jφ = cosφ - jsinφ (1.6) MỞ ĐẦU 1.2 CÁC THÔNG SỐ TRẠNG THÁI CỦA MỘT LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  Điện áp xác định hai đầu (hay hai chân khác nhau) linh kiện tính hiệu điện chúng Dòng điện xác định chân linh kiện (khi khép kín mạch ngồi) dòng chuyển động có hướng hạt mang điện  Cần ghi nhớ hai quy tắc quan trọng: Tổng điện áp đo theo vòng kín mạch điện ln tổng dòng điện chuyển qua điểm mạch điện Nghĩa đo điện áp hai điểm A B dù theo nhiều nhánh khác (trên có nhiều linh kiện mắc nối tiếp nhau) kết ln giống tổng dòng điện vào điểm ln tổng dòng khỏi điểm  Nếu coi điện áp u phần tử biến số tác động (tuỳ ý, chọn cách thích hợp) dòng điện i hàm số u : i = f(u) Đường đồ thị biểu diễn phương trình gọi đặc tuyến V - A phần tử, f gọi trở kháng (hay điện trở) phần tử, thể phản ứng linh kiện mặt dẫn điện tốt (nếu trở kháng nhỏ) hay xấu (nếu trở kháng lớn)  Cần lưu ý hai trạng thái tới hạn phần tử trạng thái dẫn điện (hở mạch), i = đo điện áp Uhm (là giá trị max) linh kiện xét Trạng thái tới hạn thứ hai lúc dẫn điện tốt gọi trạng thái ngắn mạch, đo điện áp linh kiện u = dòng có giá trị Ingm giá trị dòng lớn chảy qua linh kiện Như vậy, trạng thái khác tuân theo hệ thức (1.7):  i  Ingm ; Uhm  u  (1.7)  Một nguồn sức điện động đặc trưng hai thông số lý tưởng: Uhm giá trị điện áp tối đa nguồn cấp cho mạch ngồi (khi cho tải Rt → ) Ingm giá trị dòng điện tối đa nguồn cấp cho tải (khi Rt = 0) Nguồn thực tế tiêu hao phần lượng bên trước cấp cho tải đặc trưng nội trở Rnguồn Một nguồn điện áp tốt Rnguồn nhỏ nguồn dòng tốt Rnguồn lớn  Điện trở suất số vật liệu điện thường gặp cho bảng 1.1: MỞ ĐẦU Bảng 1.1 Điện trở suất vật liệu điện phổ biến đo nhiệt độ phòng 200C (vật liệu đẳng hướng) Vật liệu Hệ số nhiệt điện trở suất (K- 1)   0 T Giá trị điện trở suất  (Ω.m) Dẫn điện Bạc -8 1,62.10 4,1.10-3 Đồng 1,69.10-8 4,3.10-3 Nhôm 2,75.10-8 4,4.10-3 Tungsten 5,25.10-8 4,5.10-3 Sắt 9,68.10-8 6,9.10-3 Bạch kim 10,6.10-8 3,9.10-3 Manganin 48,12.10-8 0,002.10-3 (hợp kim chế tạo đặc biệt để có  nhỏ) Silic 2,5.103 Silic loại n 8,7.10-4 Silic loại p -3 Bán dẫn điện 2,8.10 -70.10-3 (Pha tạp photpho) (Pha tạp nhôm) nồng độ hạt tải điện 1023/m3 Điện môi Thuỷ tinh 1010 Thạch anh đúc đ 1014 ~1016 1.3 KỸ THUẬT ĐO DÙNG MÁY HIỆN SÓNG (OXYLO) 1.3.1 Khái niệm chung Máy sóng (oxylo) thiết bị thông dụng đa dùng để quan sát tiến hành đo lường dạng tín hiệu, lưu kết nhờ cấu nhớ Tên gọi "Oszillograph" bắt nguồn từ gốc La tinh "Oscillare - dao động" từ gốc Hy Lạp "grafein - ghi" Như vậy, Oxylograf dịch nghĩa ghi lại dao động gồm chức chính: giữ lại dao động, hiển thị ghi lại Ngồi ra, tên gọi Oxyloscop có ý nghĩa gồm chức quan sát dao động Nhờ Oxyloscop quan sát dao động điện áp biến thiên theo thời gian thơng qua đồ thị thời gian ảnh: U = f(t) MỞ ĐẦU Hình 1.1 Ví dụ đồ thị thời gian điện áp Tiếp theo hiển thị mối quan hệ hàm số hai điện áp U1 = f(U2) (hình 1.2) Với dòng điện I(t), khơng thể biểu diễn trực tiếp mà cho I chảy qua điện trở R để nhận điện áp UR tương đương (tỷ lệ) có quy luật với I(t) việc hiển thị I(t) thực gián tiếp qua UR(t) (hình 1.3) Hình 1.2 Đồ thị quan hệ phụ thuộc U1 vào U2 Hình 1.3 Biến đổi dòng điện I thành điện áp tương đương, đồ thị thời gian dòng điện Tương tự với việc biểu diễn đại lượng khác đường sức từ B(t), cường độ từ trường H(t) hay tần số f(t), trước tiên cần biến đổi chúng điện áp tương đương có quy luật biến thiên, sau hiển thị điện áp tương đương Mọi phép quan sát đo lường thực cách gián tiếp qua điện áp tương đương 1.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động máy sóng Nhờ chùm tia điện tử tạo từ "súng điện tử" ống tia điện tử, dạng điện áp U = f(t) hay U1 = f(U2) hiển thị ảnh ống tia (hình 1.4) Các tia điện tử gia tốc chuyển động nhanh dọc theo trục ống tia lái lệch quỹ đạo tạo thành đường quét phát sáng hình từ xuống từ trái qua phải nhờ hệ thống lái tia đặt lòng ống tia (loại điều khiển lái tia điện trường - hình 1.5 hình 1.6) Đ iểm sá ng Súng điện tử Hỡnh 1.4 Cấu tạo ống tia điện tử Hình 1.5 Nguyên lý làm lệch (lái) tia điện tử theo chiều dọc Hình 1.6 Nguyên lý lái tia theo chiều ngang 243 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT b) Ảnh hưởng hồi tiếp anot Ảnh hưởng ngược (hồi tiếp) anot tới lưới điều khiển nhược điểm triot Hình 9.40 đưa mạch điện khảo sát ảnh hưởng Hình 9.40 Mạch giải thích ảnh hưởng anot Với Ra = 20k; UB = 200V; Ug1 = –6V điện áp khoá triot Ia = Ua = UB = 200V Khi giảm dần điện áp anot, điện áp khố dịch dần gốc (hình 9.42) Ta có bảng số liệu hình 9.41 giải thích ảnh hưởng ngược điện áp anot tới việc điều khiển dòng Ia Ug – 6V Ua 200V U2 0V Ia –4V 175V 25V 1,25mA – 2V 134V 66V 3,3 mA – 0V 90V 110V 5,5mA Hình 9.41 Bảng số liệu ảnh hưởng ngược điện áp anot tới việc điều khiển dòng I a Khi làm việc điện áp anot Ua triot thay đổi theo tín hiệu đặt vào lưới điều hiệu ứng ghép ngược hệ số S giảm theo đặc tuyến làm việc gọi đặc tuyến tải động (hình 9.42) triot Hỗ dẫn động SD xác định theo điểm làm việc đặc tuyến tải động: SD  S Ri Ri  Ra Đặc tuyến tải động (9.7) S: hỗ dẫn tĩnh Ri: điện trở triot Ra: điện trở mắc anot c) Hệ số khuếch đại điện áp Hình 9.42 Đặc tuyến làm việc (đặc tuyến động) triot Khi chọn điểm làm việc chiều A (xem hình 9.44) giá trị Uao, Iao Ugo xác định (chế độ chưa có tín hiệu xoay chiều tác động) Hình 9.43 thể mạch dùng triot khuếch đại điện áp xoay chiều Quá trình điều khiển điện áp Ug tới dòng Ia thể qua đồ thị hình 9.44 244 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT Theo định nghĩa, hệ số khuếch đại điện áp V xác định theo: V  V  Lối vào ûa ûg Ra  SD Ra , (có giá trị thường gặp từ 20 đến 60) Ri  Ra (9.8) Lối Hình 9.43 Mạch khuếch đại dùng triot Hình 9.44 Giải thích tác dụng điều khiển Ug tới Ia d) Công suất tổn hao anot PVmax công suất tổn hao cho phép anot Tại điểm làm việc A, công suất tổn hao chiều P V = Ia0.Ua0 PVmax đường cong Hyperbol đồ thị Ia – Ua (hình 9.44) 9.8.4 Đèn cực chân khơng (Tetrot) Hình 9.45 Ký hiệu tetrot (đèn cực chân khơng) Hình 9.46 Đặc tuyến Ia - Ua đèn cực chân khơng Điện cực thứ có dạng lưới hình trụ nằm lưới thứ anot bổ sung vào để hạn chế ảnh hưởng hiệu ứng ghép ngược triot Lưới cấp điện áp gia tốc Ug2 khoảng 50% đến 60% Ua nhờ làm tăng trường gia tốc cho dòng Ia Khi ảnh hưởng Ua tới dòng Ia giảm tới mức nhỏ (lưới có tác dụng chắn ngăn ảnh hưởng Ua tới Ug) Ua chưa đủ lớn thấp Ug2, xảy hiệu ứng phát xạ điện tử thứ cấp làm dòng Ia giảm (đoạn (1) tới (2) đặc tuyến hình 9.46) Ua tăng từ U1 tới U2, nhược điểm Tetrot mức Ua chưa đủ lớn, nguyên nhân có phận điện tử rơi vào lưới (do Ug2 > Ua) làm dòng Ia giảm, tượng gọi hiệu ứng Dinatron CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 245 9.8.5 Đèn cực chân không (Pentot) Nếu đặt lưới anot điện cực lưới thứ có điện 0V thực tế loại bỏ hiệu ứng Dinatron đèn cực (hình 9.47) Đặc tuyến Von Ampe Ia – Ua Ia – Ug1 Pentot cho hình 9.48 (được đo với giá trị cố định Ug2 Ug3) Điện áp anot Ua thực tế pentot khơng ảnh hưởng tới dòng anot Ia nghĩa đặc tính Ia – Ug1 ứng với nhiều mức Ua khác gần trùng Đặc tính truyền đạt Ia – Ug1 thực tế đường cong (hình 9.48) Hình 9.48 Đặc tuyến truyền đạt đặc tuyến pentot  Các tham số quan trọng: I a , (Ua = 0) U g1 Hỗ dẫn đặc tuyến Ia – Ug1: S Hỗ dẫn động: SD  S Điện trở pentot: Ri  U a , (Ug1 = 0) I a (9.9) (9.10) (9.11) Ua phụ thuộc vào Ia vùng Ua đủ lớn nên Ri pentot có giá trị lớn vùng U g1 D 0 (9.12) U a Do hệ thức (R i.S.D  1) khơng dùng cho pentot Hình 9.49 Xác định hỗ dẫn đến S pentot Hình 9.50 Xác định điện trở Ri pentot 246 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT Hình 9.49 9.50 cho cách xác định tham số S R i đặc tuyến pentot  Một khuếch đại điện áp dùng pentot cho hình 9.51 Điểm làm việc chiều A tác động điện áp xoay chiều thể đặc tuyến điều khiển pentot loại EF86 Ra Vào Hình 9.51 Mạch khuếch đại dùng pentot Hệ số khuếch đại điện áp: điện áp cần khuếch đại có biên độ ûg đặt vào cực g1, anot nhận điện áp ûa hệ số khuếch đại điện áp định nghĩa V  ûa , ûg V  SRa Thường dải tín hiệu âm V = 100  150, dải sóng cao tần (tới 40 MHz), V = 15  40 lần  Ưu điểm pentot cho hệ số khuếch đại V lớn, ảnh hưởng điện áp Ua tới điện áp lưới Ug gần 0, pentot có điện trở lớn tụ điện (cấu tạo lưới anot) nhỏ Nhược điểm tạp âm lớn điện dung lưới làm xấu tính chất làm việc tần số cao 247 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.8.6 Các dụng cụ đặc biệt Khi yêu cầu điều khiển dòng anot nhờ hai cực lưới độc lập nhau, cấu tạo đèn bổ sung thêm lưới điều khiển (loại đèn cực cực) thể hình 9.52 Hình 9.53 cấu tạo loại đèn thị hình 9.54 cho ký hiệu loại đèn kép gồm đèn cực cực cấu tạo chung vỏ thuỷ tinh làm việc độc lập Katot (hệ triot) Màn phát sáng Cực điều khiển Lưới hạn chế dòng Đèn cực Atot (hệ triot) Lưới (hệ triot) Đèn cực Hình 9.52 Ký hiệu cực cực Hình 9.53 Cấu tạo đèn thị Hình 9.54 Ký hiệu đèn kép cực cực 9.9 ỐNG TIA ĐIỆN TỬ (CRT) Cấu tạo ống tia điện tử cho hình 9.55 bao gồm phận sau:     Hệ thống tạo tia điện tử Hệ thống hội tụ tia Hệ thống lái tia Vỏ thuỷ tinh kín hình phát quang Hệ thống điều khiển tia hội tụ Hệ thống tạo tia điện tử Hệ thống lái tia Hình 9.55 Cấu tạo khối ống tia điện tử 9.9.1 Hệ thống tạo tia hội tụ tia điện tử (súng điện tử) Đám mây điện tích khơng gian Anot Điện trường Thấu kính "quang tĩnh điện" để hội tụ tia điện tử Katot Cực điều khiển hình trụ Wehnelt Hình 9.56 Cấu tạo hệ thống tạo tia điện tử Hình 9.57 Hội tụ tia điện tử dùng A3 A4 Hình 9.58 Cấu tạo thấu kính quang điện Hệ thống tạo tia điện tử gồm katot ống kim loại hình trụ bọc ngồi (hình 9.56) gọi cực điều khiển W để điều khiển cường độ tia điện tử Cực điều khiển có cấu tạo dạng đặc biệt với lỗ hẹp hướng tâm hình cho phép dòng tia điện tử chui qua gia tốc (được gọi tên trụ Wehnelt) Điện tử phát xạ nhiệt bứt khỏi katot tạo thành đám mây điện tử bao quanh katot chịu điều khiển điện áp âm cực điều khiển Điện tử gia tốc nhờ điện áp anot có độ lớn vài trăm V đến 2000V tác động tới đám mây nhiệt điện tử thông qua lỗ cực điều khiển trụ (hình 9.56) Điện trường 248 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT cực A1, W tạo thấu kính tĩnh điện có nhiệm vụ hội tụ tia thành tia mảnh chuyển động với tốc độ cao dọc theo trục ống hướng tới tâm hình Hệ thống gọi chung sung điện tử (còn hội tụ tia nhờ từ trường dòng điện chảy qua cuộn dây tạo ra) Hình 9.57 mơ tả trình hội tụ tia nhờ anot A3 (400V) A4 (4kV) Hệ thống mô tả thấu kính quang điện tử thường có anot gia tốc hội tụ tia Hình 9.58 cho ví dụ cấu tạo hệ thống thấu kính quang điện tử hình thành súng điện tử (K, W, A1, A2, A3 A4) Một số ống tia đặc biệt có cấu tạo hai hay nhiều súng điện tử độc lập vỏ thuỷ tinh 9.9.2 Hệ thống lái tia Có thể dùng điện trường hay từ trường để làm thay đổi quỹ đạo tia điện tử, qua thay đổi điểm đến tia hình nhờ hệ thống phiến làm lệch theo hai chiều nằm ngang thẳng đứng (hình 9.59 cho loại điều khiển lái tia phương pháp tĩnh điện, hình 9.60 mơ tả ký hiệu cấu tạo loại ống tia điều khiển điện trường hình 9.61 – từ trường Nhờ hệ thống lái tia, tia điện tử súng tạo qt hình tới điểm (thường theo quy luật từ xuống dưới, từ phải qua trái với tốc độ xác định tần số tín hiệu đưa tới phiến làm lệch định) Cực trụ Wehnelt Cặp phiến làm lệch ngang Màn phát quang Anot Cặp phiến làm lệch đứng Lớp phủ graphit phía Cặp phiến làm lệch đứng Cặp phiến tạo lệch ngang cho tia Hình 9.59 Cấu tạo hệ thống lái tia Ký hiệu ống Hình 9.60 Cấu tạo ký hiệu ống tia máy sóng Trong máy sóng, việc điều khiển tia (hội tụ làm lệch) thường chủ yếu điện trường Còn máy thu truyền hình hay Camera truyền hình (thế hệ ống tia CRT) việc hội tụ làm lệnh tia chủ yếu từ trường Khi điều khiển lái tia từ trường cần cặp cuộn dây làm lệch đứng, làm lệch ngang khoảng cách từ katot tới hình phải thoả mãn bội số nguyên lần bước sóng quỹ đạo Xycloit tia điện tử Loại ống tia CRT điều khiển từ trường có góc mở tia tới 1100 hay 1350 rộng nhiều so với loại điều khiển điện trường nhờ mở rộng kích thước hình 249 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.9.3 Màn hình hiển thị Bề mặt bên ống hình phía (bia) phủ lớp vật liệu phát quang tia điện tử đập tới Lớp cảm quang thường hợp chất hố học Oxyde hay Sunfat kẽm, Cadimi hay nhóm ngun tố phụ gia thêm đồng, Niken hay Mangan Các vật liệu cảm quang màu phát quang khác nhau, có độ sáng khác thời gian lưu ảnh khác Lớp cảm quang cần phủ lớp bảo vệ tránh bị tia điện tử tác động trực tiếp làm hư hại Độ lưu ảnh cần thiết cỡ 0,5s đến 0,1s Núm cực cao áp Màn hình Điện cực nhơm đặt sau lớp phát quang Các cuộn lệch Súng điện tử Ký hiệu Hình 9.61 Cấu tạo ống thu máy thu hình 9.9.4 Mạch điện dòng tia điện tử Hình 9.62 cho sơ đồ dòng điện tạo tia điện tử hoạt động Một điện cực thu điện tử phát xạ thứ cấp từ bia hình tạo thành mạch vòng khép kín dòng điện tử từ katot hướng tới (xem mũi tên hình 9.62 hướng chuyển động electron) Loại ống tia hệ sau có lớp nhơm phía sau lớp phát Hình 9.62 Mạch dòng điện khép quang làm nhiệm vụ tương tự lớp nhơm mỏng kín tia điện tử ống gương suốt ánh sáng phát có tia tác động Nguyên lý khép mạch dòng tia điện tử dùng camera để chuyển đổi từ ảnh tĩnh điện hình thành dòng tín hiệu điện video 250 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.10 DỤNG CỤ ION 9.10.1 Đèn cực có khí Khi bơm khí trơ vào khơng gian katot anot đèn cực chân không, ta đèn cực có khí Dòng điện gồm phần: phần thứ điện tử phát xạ nhiệt điện tử điện tử tự q trình ion hố va chạm nhiệt điện tử với ngun tử khí q trình chuyển động tới anot Phần thứ hai ion dương chất khí q trình ion hố chất khí (hay gọi q trình phóng điện khí trơ) gây (hình 9.63 ký hiệu Gazotron hình 9.64) Đặc tuyến Von Ampe thể q trình phóng điện diot có khí (gazotron) cho hình 9.65 Dòng điện giới hạn Điện áp mồi Điện áp trì Hình 9.63 Ion hố va chạm đèn có khí Hình 9.64 Ký hiệu diot có khí (gasdiot) Hình 9.65 Đặc tính Von Ampe diot khí Khi lấy đặc tuyến Von Ampe sử dụng, luôn cần dùng điện trở mạch anot để giới hạn dòng điện qua đèn q trình ion hố có tính chất thác lũ với cường độ mạnh đặc biệt vùng phía đặc tuyến Khi xảy phóng điện, áp lực đèn tăng có khả xảy phá vỡ vỏ đèn Các giá trị tham số cần ý đặc tuyến phóng điện hình 9.65 giá trị điện áp trì (phóng điện); giá trị điện áp mồi U az dụng cụ có khí làm việc chuyển mạch với hai trạng thái: Trạng thái chưa mồi: điện trở lớn, thực tế hở mạch Trạng thái mồi: cho dòng điện lớn chảy qua với điện trở thấp Các giá trị tham số đặc trưng diot có khí (dùng cho mạch chỉnh lưu dòng lớn) Điện áp mồi cỡ 20V Điện áp trì cỡ 16V Dòng điện làm việc đến 400A 251 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.10.2 Đèn cực có khí (Thyratron) Tương tự triot, bổ sung thêm lưới trụ kim loại katot anot đèn cực có khí nhận loại cực có khí hay thyratron (hình 9.66).Điện âm đặt tới cực lưới có khả điều khiển dòng điện tử phát xạ từ katot Khi muốn mồi đèn cần có điện tử với vận tốc lớn hay điện áp anot cần cao Hình 9.66 Ký hiệu thyration Hình 9.67 Quan hệ Uaz – Ug Uaz Điện áp lưới âm điện áp mồi Uaz lớn (hình 9.67) Điểm mồi đèn lựa chọn theo điện áp đặt tới cực lưới Thyratron Gazotron cần điện trở hạn chế dòng điện mạch anot Sau mồi đèn phóng điện, ion dương tạo dòng điện cực lưới (điện âm), thyratron cần có điện trở hạn chế dòng điện cực lưới, cực lưới khơng tác dụng ảnh hưởng tới đèn sau thyratron mồi  Điền khiển điện áp mồi nhờ điện áp cực lưới: Việc điều khiển thyratron mồi thời điểm (những giá trị Uaz) khác thực nhờ thay đổi điện áp cực lưới Khi cực lưới âm, điện áp mồi thyratron cao, tức thời điểm mồi muộn dòng điện nhỏ Có thể đặc trưng q trình nhờ đại lượng góc mồi z (z lớn thời điểm mồi chậm) thể hình 9.68 Mạch chỉnh lưu điện áp chiều dùng thyratron có khả thay đổi góc mồi từ 00 đến 900 để điều khiển giá trị trung bình điện áp tải Đặc tuyến điều khiển độ góc độ góc -Ua Đặc tuyến mồi Hình 9.68 Đường cong Ua, Ia (t) thyratron jz = 450 252 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT  Điều khiển thyratron dùng xung điều khiển Mạch tạo xung Hình 9.69 Mạch điều khiển cắt Io dùng chung Phương pháp xung thay đổi góc mồi từ 00 đến 1800 (hình 9.69) Điện áp âm đặt vào lưới đủ lớn để suốt chu kỳ vào thyratron không mồi khơng có xung điều khiển Tại thời điểm điều khiển, xuất xung điện áp cực tính dương dịch pha so với tín hiệu vào (điện áp cần chỉnh lưu) góc từ 00 đến 1800 qua thay đổi dòng điện cơng suất trung bình (1 chiều) tải Ngày chức hoạt động thyratron thay hầu hết thyristo 9.10.3 Ignitron Để có dòng điện lớn, dùng khả phát xạ nhiệt katot bị hạn chế, dùng loại katot thuỷ ngân với dòng điện nhận tải lớn Hình 9.70 cho ký hiệu quy ước đèn Ignitron mạch chỉnh lưu dùng Ignitron hình 9.71 Ignitron có lớp vỏ kim loại có khả cho dòng điện chỉnh lưu cường độ lớn tới 20.000A Để hạn chế dòng mạch (anot) điện cực mồi cần dùng điện trở hạn dòng hình 9.71 Lối Hình 9.70 Ký hiệu Ignitron Hình 9.71 Mạch chỉnh lưu dùng Ignitron 253 CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 9.10.4 Đèn thị số có khí Đèn số có khí (hình 9.76) có ký hiệu quy ước (hình 9.72) đặc tuyến Von Ampe (hình 9.73) thuộc nhóm đèn katot lạnh điện áp mồi để xảy phóng điện cao loại katot nóng Các thơng số thường gặp đèn thị loại là:  Điện áp mồi (từ 80V đến 150V)  Điện áp trì (từ 70V đến 140V)  Dòng katot (từ 2mA đến 10mA) Uduy trì UaZ Hình 9.72 Ký hiệu đèn ổn áp có khí (Stabilitron) Hình 9.73 Đặc tuyến Stabilitron Hình 9.74 Mạch bảo vệ dùng Stabilitron Đèn số có khí dùng để thị (hiện số) số thập phân, chế tạo katot đèn có dạng số thập phân phát sáng chế độ làm việc (chọn 10 điện cực dạng số làm việc) hay loại Gazotron dùng để ổn định điện áp chiều thể hình 9.75 Hình 9.75 Mạch ổn áp dùng Stabilitron Hình 9.76 Đèn thị số có khí 9.11 TẾ BÀO QUANG ĐIỆN CHÂN KHƠNG 9.11.1 Hiệu ứng phát xạ quang điện Kali đa tinh thể Katot hợp chất Katot canxioxyt Chân không Ánh sáng tới Hình 9.77 Độ nhậy phổ vật liệu làm katot quang điện Anot Katot quang điện Ký hiệu tế bào quang điện chân khơng Hình 9.78 Cấu tạo tế bào quang điện chân khơng Khi kích thích chùm phơtơn (với bước sóng xác định) số loại CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 254 vật liệu có tính hấp thụ photon tạo điện tử tự dạng phát xạ khỏi bề mặt vật liệu gọi trình phát xạ quang điện hay hiệu ứng quang điện Thường vật liệu phát xạ chế tạo dạng điện cực katot quang, có chùm ánh sáng thích hợp tác động, điện tử phát xạ tạo tế bào quang điện chân khơng (hình 9.78) dòng điện có điện áp dương đặt vào anot Hình 9.77 đưa đồ thị nhậy phổ số vật liệu làm katot quang điện Kali đa tinh thể, số hỗn hợp Oxyde Sesi, Bari hay Antimoan 9.11.2 Cấu tạo hoạt động tế bào quang điện chân không Katot quang điện tế bào có dạng bán trụ phủ lớp vật liệu có hiệu ứng quang điện ngồi mạnh Anot đũa kim loại nằm bán trụ katot (hình 9.78) Quan hệ dòng quang điện IF phụ thuộc cường độ sáng hay quang thông  cho hình 9.79 thể quan hệ tuyến tính IF = K. Ở  IF đo A (10–6A)  đo lumen Hình9.79 Quan hệ IF vào cường độ Điện áp anot cung cấp khoảng 80V đến 100V sáng  tế bào quang điện (hình 9.80) Mối quan hệ IF Ua ứng với mức  khác cho hình 9.81 Hệ số tỷ lệ K (IF = K) gọi độ nhậy quang tế bào (đo A/lm có giá trị thông thường từ 30A/ℓm đến 50A/lm Lối Hình 9.80 Mạch điện dùng tế bào quang điện chân khơng (hoạt động chế độ bão hồ) Hình 9.81 Đặc tuyến IF (Ua) tế bào quang điện chân không (với cường độ sáng  tham số) CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 255 9.11.3 Tế bào quang điện có khí Nếu ống cấu tạo tế bào chân khơng có bơm khí trơ với nồng độ thấp nhận loại tế bào quang điện loại có khí với độ nhậy quang cao loại chân không (đến 200A/lm) Quan hệ IF() loại tế bào quang điện có khí dạng tuyến tính cường độ IF tăng cường độ sáng  tăng Đặc tuyến Von Ampe IF – Ua cho hình 9.83 Anot Katot Hình 9.82 Ký hiệu tế bào quang điện khí Hình 9.83 Đặc tuyến IF (Ua) tế bào quang điện có khí (với  làm tham số) CHƯƠNG CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ĐẶC BIỆT 256 CÂU HỎI ÔN TẬP – BÀI TẬP CHƯƠNG 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Hãy mô tả hiệu ứng Hall Điện áp Hall xuất máy phát Hall nào? Hãy mơ tả sơ lược q trình hình thành sức điện động Hall Một phát Hall có RH = 230.10–6m3/As với bề dày 0,2mm Dòng điện làm việc I = 80mA; mật độ từ trường B = 0,9T Tính điện áp Hall Hãy vẽ ký hiệu quy ước phát Hall Giải thích cấu tạo hoạt động từ trở – Sự thay đổi điện trở phần tử từ trở từ trường thay đổi xảy nào? Giải thích chức diot từ Hiệu ứng áp điện tạo điện áp vài kV, giải thích? Tinh thể lỏng gì? Khi đặt tinh thể lỏng điện trường có tượng gì? Nguyên lý cấu tạo phần tử thị dùng tinh thể lỏng? Ảnh hưởng nhiệt độ tới thị tinh thể lỏng nào? Số lượng điện tử phát xạ nhiệt ống tia điện tử chân khơng (tính đơn vị thời gian) phụ thuộc vào yếu tố nào? Cấu tạo hoạt động diot chân không? Hãy mô tả đặc tuyến Von Ampe Ia–Ua diot chân không giải thích ý nghĩa Giải thích cấu tạo hoạt động triot Dòng anot triot điều khiển nào? Giải thích ý nghĩa tham số: hỗ dẫn S, điện trở R i hệ số trôi D triot Vẽ mạch khuếch đại điện áp dùng triot Cấu tạo Pentot? Trình bày nguyên tắc tạo tia điện tử ống tia Giải thích khái niệm "súng điện tử" ống tia Trình bày nguyên lý làm lệch tia điện tử Tại ống thu truyền hình lại dùng từ trường để hội tụ lái tia ? Phân biệt loại dụng cụ điện tử chân khơng dụng cụ có khí Hiện tượng ion hố va chạm chất khí? Hãy vẽ đặc tuyến phóng điện chất khí trơ Cấu tạo hoạt động thyratron Nguyên lý hoạt động tế bào quang điện chân không ? Hiệu ứng quang điện ngồi gì? Tế bào quang điện có khí có đặc điểm gì? 257 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1) Nguyễn Viết Nguyên (dịch), Linh kiện điện tử, NXB Giáo dục Việt Nam, 2008, 2012 2) Nguyễn Viết Nguyên (Chủ biên) – Phan Thị Thanh Huyền – Nguyễn Kim Ngân – Phạm Thị Quỳnh Trang, Giáo trình linh kiện điện tử, NXB Giáo dục Việt Nam, 2009 3) Nguyễn Viết Nguyên, Giáo trình linh kiện điện tử ứng dụng (tái lần thứ bảy), NXB Giáo dục Việt Nam, 2009 4) Đỗ Xuân Thụ (CB), Kỹ thuật điện tử, NXB Giáo dục Việt Nam, 2013 (tái bản) 5) Phương Xuân Nhàn, Lý thuyết mạch, NXB KHKTVN, 2008 6) Hồ Văn Sung, Linh kiện bán dẫn vi mạch, NXB Giáo dục Việt Nam, 2011 7) Dương Minh Trí, Linh kiện quang điện tử, NXB Khoa học kỹ thuật, 2004 8) Klaus Beuth, Bauelemente Elektronik,Vogel Buchverlag, 2006 9) Thomas L Floyd, Electronic Devices, Merrill Publishing Company, 1998 10) Mitchel E Schutz, Electronic Devices, Macmillan McGraw-Hill, 1994 11) Jasprit Singh, Semiconductor Devives, McGraw-Hill Inc, 1994 12) IC-Manual Microprocessors and IC Families, Data Handbook ECA Intel Corporation, 1993 ... ĐẦU Cuốn "Vật liệu linh kiện điện tử" biên soạn bao gồm kiến thức linh kiện vật liệu điện tử dùng làm giáo trình tài liệu tham khảo cho đối tượng lĩnh vực điện tử Sách dùng làm tài liệu tham... 1.10) gì? CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG 15 CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG Chương đề cập đến số kiến thức chung nhóm linh kiện điện tử thụ động điện trở, tụ điện cuộn dây sử dụng... Nguyên (dịch), Linh kiện điện tử, NXBGDVN, 2008, 2012 3) Nguyễn Viết Nguyên, Linh kiện điện tử ứng dụng, NXBGDVN, 2009 16 CHƯƠNG CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG 2.1 Điện trở tuyến tính điện trở phi