Tài liệu kỹ thuật điện tử

Kỹ thuật điện tử

Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử CHNG 1: CHT BN DN 1.1. S lc v lch s phỏt trin ca ngh nh in t Vo nm 1947, ti phũng thớ nghim ca Bell, John Bardeen v Walter Brattain ó thnh cụng trong vi c phỏt minh Transistor l ng cc BJT(Bipolar Junction Transistor). õy l m t bc ngot ỏnh du s bt u ca thi i bỏn dn. Phỏt minh ny v mt chui phỏt trin ca cụng ngh vi in t ó tht s lm thay i cuc sng loi ngi. 1948 Transistor u tiờn ra i. õy l mt cuc Cỏch mng ca ng nh in t. 1950 Mch in t chuyn sang dựng transistor H mỏy tớnh dựng linh kin bỏn dn dng ri rc ra i (th h II) 1960 Mch tớch hp ra i (IC:Intergrated Circuit) H mỏy tớnh dựng IC ra i(th h III) 1970 Cỏc mch tớch hp mt cao h n ra i (MSI, LSI, VLSI) MSI: Medium Scale Intergrated Circuit LSI: Large Scale Intergrated Circuit VSI:Very Large Scale Intergrated Circuit 1980 n nay in t c ng dng rng r ói trong cỏc lónh vc nh y t, iu khin t ng, phỏt thanh, truyn h ỡnh 1.2. Linh kin in t: Ta xột hai loi linh kin c bn sau: Linh kin th ng: Cú cỏc thụng s khụng i di tỏc dng dũng in: in tr, t, cun cm Linh kin tớch cc: Cú cỏc thụng s thay i di tỏc dng dũng in: Diod, Transistor l ng cc BJT( Bipolar Junction Transistor): 1.3. Cht bỏn dn: 1.3.1.Cht bỏn dn thun: Hỡnh 1.1. Gin nng lng ca Si Vựng cm Vựng dn ca Si Nng lng Vựng hoỏ tr ca Si Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử Hai cht bỏn dn tiờu biu l: Silicon(Si) v Ge(Germanium). Si l cht bỏn dn m ti nhit phũng cú rt ớt e vựng dn trong mng tinh th. Vỡ dũng in t l vi s lng e nờn dũng in trong tinh th rt nh. nhit phũng, e vựng hoỏ tr nhy lờn vựng dn li l trng ti v trớ cha nú mang in tớch dng. Hin tng ny gi l s phỏt sinh in t -l trng. Hỡnh 1.2. S di chuyn ca in t v l trng trong Si khi cú ngun in Nu t ngun in nh hỡnh v thỡ e di chuyn v cc dng ca ngun. E vựng hoỏ tr cng cú th di chuyn v cc d ng ca ngun nu nú cú nng lng t mc nng l ng ca nú lờn mc nng lng ca l trng. Khi e n y nhp vo l trng thỡ nú li mt l trng phớa sau. V ỡ th lm l trng di chuyn v cc õm ca ngun. D ũng in trong cht bỏn dn l tng 2 thnh phn: dũng do e trong vựng d n v dũng do l trng trong vựng hoỏ tr. E di chuyn v cc dng nhanh hn l trng di chuyn v cc õm v ỡ kh nng e cú nng lng cn thit nhy l ờn vựng dn ln hn kh nng e cú nng l ng nhy n v trớ trng trong v ựng húa tr. Vỡ vy dũng e ln hn dũng l trng trong Si. Tuy nhiờn dũng ny v n nh nờn Si l cỏch in. 1.3.2 Cht bỏn dn tp: 1.3.2.1. Cht bỏn dn tp loi N Hỡnh 1.3. Gin nng lng ca cht bỏn dn tp loi N Nng lng Vựng hoỏ tr ca Si Mc nng lng ca tp cht donor Vựng dn ca Si V Vựng dn ca Si Vựng hoỏ tr ca Si E Si Nng lng Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử Cht bỏn dn tp loi N l cht bỏn dn cú c khi pha thờm mt cht thuc nhúm V trong bng h thng tun ho n Mendeleep vo cht bỏn dn thun. Ta xột trng hp pha tp P vo cht bỏn dn thun Si. iu n y tng ng lm xut hin mc nng l ng ca tp cht donor sỏt ỏy v ựng dn. Vỡ th nhit phũng cỏc e ca nguyờn t P nhy lờn vựng dn ca Si. Vỡ vy nguyờn t tp cht d b ion hoỏ thnh ion dng. Ngoi ra c ch phỏt sinh cp ht dn in t l trng xy ra ging nh c ch cht bỏn dn thun vi mc yu h n vỡ mc nng lng ca tp cht donor sỏt ỏyv ựng dn. Gi n n : mt in t trong vựng dn, p n : mt l trng trong v ựng hoỏ tr, thỡ n n >>p n .Vy dũng in trong cht bỏn dn loi N ch yu do in t to n ờn gi l ht dn a s, cũn l trng gi l ht thiu s. 1.3.2.2. Cht bỏn dn tp loi P: Cht bỏn dn tp loi P l cht bỏn dn cú c khi pha thờm mt cht thuc nhúm III trong bng h thng tun ho n Mendeleep vo ch t bỏn dn thun. Ta xột trng hp pha tp cỏc nguy ờn t As vo cht bỏn dn thun Si. iu n y tng ng lm xut hin mc nng lng gi l mc tp cht acceptor sỏt nh vựng hoỏ tr. Vỡ vy nguyờn t tp cht d b ion hoỏ th nh ion õm . Ngoi ra c ch phỏt sinh cp ht dn in t l trng xy ra ging nh c ch cht bỏn dn thun vi mc yu h n vỡ mc tp cht loi P sỏt nh v ựng hoỏ tr. Gi n p : mt in t trong vựng dn. Gi p p : mt l trng trong v ựng hoỏ tr., thỡ n p >>p p Vy dũng in trong cht bỏn dn loi P ch yu do l trng to n ờn gi l ht dn a s, cũn in t gi l ht thiu s. Hỡnh 1.4. Gin nng lng ca cht bỏn dn tp loi P 1.4.Tip xỳc p-n: Vựng hoỏ tr ca Si Mc tp cht acceptor Nng lng Vựng dn ca Si Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử Cho lp bỏn dn p, n tip xỳc nhau, ta cú tip xỳc p -n. 1.4.1. Nguyờn lý lm vi c: 1.4.1.1. Khi tip xỳc p-n cha c phõn cc: Do cú s chờnh lch ln v nng (n n >>n p , p p >>p n ) nờn cú hin tng khuch tỏn cỏc ht dn a s qua n i tip xỳc, to nờn dũng khuch tỏn I kt hng t min P sang min N. Ti vựng lõn cn hai bờn mt tip xỳc xut hin in tr ng ni E tx hng t vựng N sang vựng P (do ion t p cht to ra). Nú cn tr chuyn ng ca d ũng khuch tỏn v gõy ra dũng trụi I tr ca cỏc ht thiu s cú chiu t N sang P qua mt tip xỳc lm I tr tng, I kt gim. Quỏ trỡnh ny tip din cho n khi t n trng thỏi cõn bng ng. Lỳc ú I kt =I tr. , dũng qua tip xỳc bng 0, hiu th tip xỳc l 0.1V i vi Ge v 0.4 V i vi Si 1.4.1.2. Khi tip xỳc p-n c phõn cc nghch : Hỡnh 1.5. Tip xỳc p-n b phõn cc nghch in trng ni cựng chiu vi in trng ngoi nờn tng in trng ti vựng tip xỳc tng lm cho vựng tip xỳc m rng ra, d ũng khuch tỏn gim v 0, E tx K + A _ - E ng P N V + + + - - - in trng Vựng nghốo p n Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử dũng trụi do E tx gõy ra tng n mt giỏ tr gi l dũng ngc bóo ho I S . Dũng ny rt nh. Vy khi phõn cc nghch tip xỳc th ỡ khụng cú dũng chy qua (xem dũng bóo ho ngc bng khụng). 1.4.1.3. Khi tip xỳc c phõn cc thun : Hỡnh 1.6. Tip xỳc p-n c phõn cc nghch in trng ni ngc chiu vi in tr ng ngoi nờn tng in trng ti vựng tip xỳc gim lm cho vựng tip xỳc b thu hp li, cỏc ht a s d dng di chuyn qua vựng tip xỳc ny, dũng khuch tỏn cú chiu t A n K tng mnh, dũng trụi do E tx gõy ra khụng ỏng k . Vy khi phõn cc thun tip xỳc th ỡ cú dũng chy qua tip xỳc p -n, nú quan h vi in ỏp gia hai u tip xỳc nh sau: 11 T D D V v S v kT q SD eIeIi Trong ú: v D : in ỏp hai u tip xỳc. I S : dũng bóo ho ngc. k: hng s Boltman k =1,38.10 -23 J/ 0 K. q : in tớch ca ht dn, q=1,6.10 -19 C V T : th nhit nhit phũng V T = 25,5mV. K _ A + - E ng E tx P N V Chương 1: Chất bán dẫn Bi giảng môn Kỹ thuật điện tử 1.4.1.4. Kt lun: Tip xỳc p-n ch cho dũng in chy qua theo mt chiu t p n n. ú chớnh l tớnh cht chnh lu ca tip xỳc p-n. 1.5. c tuyn V- A c tuyn V-A ca tip xỳcp-n mụ t mi quan h gia d ũng v in ỏp trờn hai u tiộp xỳc. Hỡnh 1.7. c tuyn V-A ca tip xỳc p-n. V BR : in th ỏnh thng l in ỏp ngc ti a m tip xỳc p-n cú th chu ng khi phõn cc ng c m khụng b hng. Lỳc ny, tip xỳc p-n dn in c theo c chiu nghch. 1.6. Hin tng ỏnh thng: Khi in ỏp ngc ln, dũng ln lm cỏc e va chm vo cỏc e c nh khỏc lm tng s e nờn dũng in tng vt, ngha l tip xỳc p-n dn in c theo c chiu nghch, phỏ v c tớnh chnh l u ca nú, gi l hin tng ỏnh thng. Nguyờn nhõn ỏnh th ng cú th do in hoc do nhit, v ỡ vy cú ba loi ỏnh thng c bn: ỏnh thng v in, ỏnh thng v nhit, v ỏnh thng nhit -in. Trong ú s ỏnh thng v nhit do s tớch lu nhit trong v ựng nghốo. Khi cú in ỏp ngc ln, dũng in ngc tng lm núng cht bỏn dn, khin nng ht dn thiu s tng v lm dũng in ngc tng. Quỏ trỡnh c nh th lm cho nhit vựng nghốo v dũng ng c tng nhanh, dn ti ỏnh thng. i D 0.2 v Si I D Nghch Thun V BR R 0.7 v v D Ge Chương 2: Diod chỉnh lưu và các mạch ứng dụng Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử CHƯƠNG 2: DIOD CHỉNH LƯU và các mạch ứng dụng 2.1. Cấu tạo: Diod gồm 1 tiếp xúc p -n và 2 điện cực đưa ra từ 2 miền. Điện cực đưa ra từ miền bán dẫn loại p, n lần lượt gọi là cực Anod( A), cực Katod(K). Ký hiệu: Đặc tuyến V-A của Diod chỉnh lưu và nguyên lý làm việc giống như của tiếp xúc p-n. 2.2. Các tham số cơ bản của Diod chỉnh lưu Điện trở 1 chiều: Điện trở một chiều tại điểm phân cực là tỷ số giữa điện áp trên dòng điện của diod tại điểm phân cực. R DC = U AK / I A Điện trở động (điện trở vi phân): Điện trở động tại điểm khảo sát là tỷ số giữa biến thiên của điện áp trên biến thiên của dòng điện tại điểm đó. Khi Diod phân cực thuận, đặc tuyến của Diod có dạng dốc đứng nên r d nhỏ. r d =v d /i d = v D / i D =dV D /dI D =26mV/I D 2.3. Mạch chỉnh lưu: Mạch chỉnh lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều thành một chiều để cấp cho tải. 2.3.1. Mạch chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ(1 bán kỳ): Sơ đồ mạch và dạng sóng: Q v V t t v T A K R Hình 2.1. Dạng sóng và sơ đồ mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Chương 2: Diod chỉnh lưu và các mạch ứng dụng Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử Tác dụng linh kiện: Biến áp T: biến đổi điện áp lưới v v xoay chiều thành điện áp xoay chiều v s theo yêu cầu. D: Diod chỉnh lưu; R t : điện trở tải Nguyên lý làm việc: ở bán kỳ (+): D được phân cực thuận, nên D dẫn, có dòng qua tải. ở bán kỳ (-) : D được phân cực nghịch, nên D tắt, không có dòng qua tải. Vậy ứng với một chu kỳ của điện áp xoay chiều, Diod chỉ dẫn trong 1/2 chu kỳ. Điện áp trung bình trên tải: P Ptb V dVdvV sin 2 1 )( 2 1 0 0 2.3.2. Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ : Sơ đồ mạch và dạng sóng: Hình 2.2. Dạng sóng va sơ đồ mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ Tác dụng linh kiện: Biến áp T 3 dây: tạo ra hai điện áp xoay chiều ngược pha nhau từ điện áp lưới. D 1 , D 2 : Diod chỉnh lưu.; R T : điện trở tải Nguyên lý làm việc: Giả sử v 1 cùng pha với v V , thì v 2 ngược pha với v V . ở bán kỳ (+) của U V : D 1 được phân cực thuận, D 2 được phân cực nghịch, nên D 1 dẫn, D 2 tắt, suy ra có dòng qua tải. ở bán kỳ (-) của U V : D 1 được phân cực nghịch, D 2 được phân cực thuận nên D 1 tắt, D 2 dẫn, suy ra có dòng qua tải. Vậy ứng với một chu kỳ của điện áp vào xoay chiều thì Diod dẫn điện với cả 2 nửa chu kỳ. Điện áp trung bình trên tải: P Ptb V dVdvV 2 sin 2 21 )( 2 2 0 0 v V t t v Rt D2 R DI Chương 2: Diod chỉnh lưu và các mạch ứng dụng Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử 2.3.3. Mạch chỉnh lưu cầu: Sơ đồ mạch và dạng sóng: Hình 2.3. Dạng sóng và sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu chu kỳ Tác dụng linh kiện: Biến áp T: biến đổi điện áp lưới xoay chiều v V thành điện áp xoay chiều v S theo yêu cầu D 1 , D 2 , D 3 , D 4 : cầu Diod. R T : điện trở tải Nguyên lý làm việc: ở bán kỳ (+) của v V , D 1 , D 3 được phân cực thuận( D 2 , D 4 được phân cực nghịch), nên D 1 , D 3 dẫn, có dòng I 1 từ điểm A qua D 1 , R T , D 3 về điểm B. ở bán kỳ (-) của U V , D 2 , D 4 được phân cực thuận (D 1 , D 3 được phân cực nghịch), D 2 , D 4 dẫn có dòng I 2 từ B qua D 2 , R T , D 4 . Ta chọn: D 1 , D 2 , D 3 , D 4 giống nhau nên I 1 = I 2 =I T . Mạch chỉnh lưu cầu gồm 2 nhánh, mỗi nhánh gồm 2 Diod, mắc nối tiếp nhau. Mỗi Diod chỉ chịu 1/2 điện áp ngược khi phân cực nghịch, tăng tuổi thọ Diod. Đây chính là ưu điểm của mạch chỉnh lưu cầu. v V t t v Rt T D 2 D 3 D 4 D 1 B A R Chương 2: Diod chỉnh lưu và các mạch ứng dụng Bài giảng môn Kỹ thuật điện tử Điện áp trung bình trên tải: P Ptb V dVdvV 2 sin 2 21 )( 2 2 0 0 2.4. Mạch lọc điện: Điện áp hay dòng điện sau chỉnh lưu tuy có cực tính không đổi nhưng dạng sóng của nó vẫn còn thay đổi một cách có chu kỳ Nhiệm vụ của mach lọc là cách lọc các sóng có hài bậc cao để điện áp ra bằng phẳng Các loại mạch lọc: Mạch lọc dùng tụ C dùng cho các bộ chỉnh lưu có dòng tải bé thường mắc C song song với điện trở tải. Mạch lọc dùng LC cho các bộ chỉnh lưu có dòng tải lớn, thay đổi nhiều. Khi L có giá trị bé, C nạp nhanh đến giá trị đỉnh V p . Khi tăng L, dòng nạp cho C tăng chậm, kéo dài thời gian nạp với biên độ thấp hơn. Khi tăng L đến 1 giá trị tới hạn thì 1 trong 2 diod dẫn liên tục (mạch chỉnh lưu toàn sóng) nên dòng tải được cấp liên tục C hầu nh ư không xả hoặc nạp và giữ giá trị không đổi là 2V p /pi. Xét mạch lọc dùng tụ C trong mạ ch chỉnh lưu một nửa chu kỳ ở bán kỳ dương của v v , D được phân cực thuận, nên D dẫn, có dòng qua R và đồng thời tụ C được nạp điện. Đến lúc v v đạt giá trị cực đạ i thì điện áp trên tụ C cũng đạt giá trị lớn nhất. Sau đó đ iện áp v v bắt đầu giảm, nên cực A của D có điện áp âm hơn cực K nên D bị phân cực nghịch, D tắt. Tụ C xả điện qua R. ở bán kỳ dương tiếp theo, quá trình cứ tiếp diễn như vậy, ta có dạng sóng ra như hình 2.4. Hình 2.4. Sơ đồ mạch và dạng sóng mạch chỉnh lưu một nửa chu kỳ có dùng mạch lọc bằng tụ C C R v V t t v T