Bản sao giaotrinh Kỹ thuật điện tử và ứng dụng

MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình sử dụng cho học sinh ngành Điện công nghiệp dân dụng làm giáo trình học tập Giáo trình tài liệu cho giảng viên giảng dậy, học sinh dùng làm tài liệu tham khảo Học sinh học môn học phải đảm bảo có đầy đủ tài liệu học tập đê thuận tiện cho trình theo dõi Giáo trình gờm: Phần 1: Kỹ thuật điện tử Chương1 Chất bán dẫn linh kiện điện tử Chương Khuếch đại tín hiệu Phần 2: Điện tử cơng suất Chương Bộ chỉnh lưu Chương Nghịch lưu Nội dung của giáo trình Nội dung của phần 1: Trong phần đưa khái niệm chất bán dẫn nguyên chất, tạp chất, nội dung chương đề cập đến cấu tạo , nguyên lý làm việc, mạch ứng dụng điên hình của linh kiện điện tử chế tạo từ vật liệu bán dẫn ốt, tranzitor, thyristor, diac, triac… Đồng thời đề cập đến cấu tạo, nguyên tắc làm việc tính chất mạch ứng dụng của mạch khuếch đại tín hiệu Nội dung của phần 2: Nội dung đề cập đến kiến thức mạch chỉnh lưu ( Bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều) Đờng thời tìm hiêu mạch nghịch lưu dùng công nghiệp dân dụng Giáo trình viết dưới dạng kế thừa, nội dung của chương trước bổ xung kiến thức cho chương sau người đọc cần đọc theo trình tự PHẦN A: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Chương 1: CHẤT BÁN DẪN VÀ CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1 CHẤT BÁN DẪN 1.1.1 Chất bán dẫn nguyên chất Các nguyên tố thuộc nhóm IV bảng tuần hoàn Mendeleep Gecmani(Ge), Silic(Si) nguyên tố có điện tử lớp cùng Ở S S S điều kiện bình thường điện tử đó tham gia liên i i i kết hoá trị mạng tinh thê nên chúng khơng dẫn S S S điện Hình 1.1 trình bày cấu trúc phẳng của i i i mạng tinh thê Silic ,trong đó nguyên tử đem điện tử cùng của nó góp với điện tử của Hình:1.1 nguyên tử khác tạo thành cặp điện tử hoá trị ( ký hiệu dấu chấm đậm ) Khi kích thích lượng từ bên , số điện tử có thê bứt khỏi liên kết trở thành điện tử tự dẫn điện kim loại Như chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện Bán dẫn gọi bán dẫn thuần hay bán dẫn đơn chất 1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất Những bán dẫn thuần dẫn điện không tốt.Đê tăng khả dẫn điện của bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn thuần đê bán dẫn mới có nồng độ hạt dẫn cao gọi bán dẫn tạp.Bán dẫn tạp có loại loại n loại p a Bán dẫn loại cho n Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V của bảng hệ thống t̀n hồn Medeleep vào bán dẫn th̀n Si Si Si nguyên tử tạp chất với nguyên tử lớp cùng có điện tử tham gia liên kết với nguyên tử bán dẫn , cịn lại điện tử tự Ví dụ hình 1.2 as Si Si bán dẫn Silic (ký hiệu Si) trộn với asen (As) Tạp chất cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại Si “cho ”, ký hiệu n Hạt dẫn điện (hay gọi động Điện tử thứ tử)chính bán dẫn loại “cho ” n điện tử với mật độ Hình 1.2 nn b Bán dẫn loại lấy p Nếu ta trộn vào vào bán dẫn thuần chất Indi (In)thuộc nhóm III của bảng tuần hồn đê tạo cặp điện tử liên kết hố trị với ngun tử bán dẫn,ngồi điện tử của nguyên tử In có điện tử của nguyên tử Ge lân cận lấy vào Chỗ điện tử tạo thành lỗ “trống ” mang điện tích dương(hình 1.3).Các “lỗ trống ” tạo thành hàng loạt dẫn điện điện tích dương Bán dẫn loại có tạp chất lấy điện tử nên gọi bán dẫn loại “lấy” ký hiệu p Ở hạt dẫn “lỗ trống”với mật độ pp Cần nói thêm bán dẫn loại cho n Si Si Si có lẫn hạt dẫn phụ lỗ trống với nồng độ pn, bán dẫn loại “lấy”p có lẫn hạt dẫn phụ Si In Si điện tử với mật độ nP Nghĩa pP  nP nn >pn Lỗ trống 1.2 ĐI ỐT BÁN DẪN Si Hình:1.3 1.2.1 Cấu tạo, kí hiệu Etx Anot (A) Katot P N (K) ikt itr Hình 1.5: Cấu tạo ký hiệu ốt - Gồm khối bán dẫn P-N tiếp xúc theo công nghệ với lấy điện cực + Điện cực Anốt (A) lấy phiến bán dẫn loại P + Điện cực Katốt (K) lấy phiến bán dẫn loại N 1.2.2 Nguyên lý làm việc, đặc tuyến V-A a Khi chưa có điện áp ngồi đặt vào Điốt (UAK= 0) Do sự chênh lệch nồng độ hạt mang điện qua bề mặt tiếp giáp hình thành nên dòng điện khuếch tán(ikt) tạo nên sự chuyên dịch của hạt mang điện đa số, có chiều từ P  N Tại vùng lân cận l hai bên bề mặt tiếp xúc, xuất lớp điện tích khối iơn tạp chất tạo ra(vùng nghèo), đó nghèo hạt dẫn đa số có điện trở lớn, đó đồng thời xuất điện trường nội hướng từ vùng N sang vùng P gọi điện trường tiếp xúc Etx Người ta nói xuất hàng rào điện hay điện tiếp xúc (Utx) Etx= (0,2  0,3)v đối với vật liệu Ge Etx= (0,4  0,6)v đối với vật liệu Si Điện trường tiếp xúc cản trở sự chuyên dịch của hạt mang điện đa số gây nên chuyên động gia tốc (trôi) của hạt mang điện thiêu số qua miền tiếp xúc có chiều ngược lại với dòng khuếch tán Quá trình tiếp diễn dẫn tới trạng thái cân động: ikt= itr khơng có dịng điện qua bề mặt tiếp giáp P- N b Khi có điện áp ngồi đặt vào Điốt  Khi điơt phân cực thuận ( UAK> ): Etx Điện trường nội ngược chiều với điện trường En nên tổng điện trường vùng tiếp xúc + giảm làm cho vùng tiếp xúc bị thu hẹp lại, P N (K) hạt đa số dễ dàng di chuyên qua vùng tiếp (A) ikt xúc này, dòng khuếch tán có chiều từ A đến K tăng i tr mạnh, dịng trơi Etx gây không đáng kê Vậy điôt phân cực thuận có dịng điện chạy qua tiếp xúc p-n, nó quan hệ với điện áp hai đầu tiếp xúc nh sau: IA = IS (T) (1.1) + IS(T) : Dịng ngược bão hồ khơng phụ thuộc vào U AK mà phụ thuộc vào bản chất cấu tạo chất bán dẫn đó phụ thuộc vào nhiệt độ + UT : Điện nhiệt độ tiêu chuẩn UT  25.5 mV + m : Hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào cấu tạo của điốt (Tra sổ tay kỹ thuật) + U0: Điện áp mở điốt phụ thuộc vào vật liệu Si, Ge Đặc tính V- A có dạng vùng (1) hình (Hình :1.6) Vùng (1) gọi vùng làm việc của điốt (Khi điốt làm việc vùng điốt trạng thái mở) + Khi điốt mở sụt áp điốt có giá trị nhỏ(UĐ  0) Etx  Khi điốt phân cực ngược (UAK < ): Điện trường nội cùng chiều với điện trường nên tổng điện trường vùng tiếp xúc tăng làm cho (A vùng tiếp xúc mở rộng ra, dòng khuếch tán giảm )) + En P N ikt itr dịng trơi Etx gây tăng đến giá trị gọi dịng ngược bão hồ IS Dòng nhỏ Vậy phân cực nghịch tiếp xúc th ì khơng có dịng chạy qua (xem dịng bão hồ ngược khơng)  đặc tính V-A vùng (2), vùng (2) gọi vùng bão hoà Khi điốt làm việc vùng điốt trạng thái khố + Khi UAK có giá trị lớn điốt bị đánh thủng + Uđt: gọi điện áp đánh thủng + Ungmax : điện áp ngược lớn đặt lên điôt đê điôt không bị đánh thủng (Ungmax= 0.8Udt) (K) + Đặc tính V-A trường hợp vùng (3) (IA) U®tUngma x U0 UAK (V) Hình 1.9: Đặc tuyến Vơn- Ampe - Tồn hai dạng đánh thủng: + Đánh thủng nhiệt : Do tiếp xúc P-N bị nung nóng cục va chạm của hạt thiêu số gia tốc điện trường mạnh + Đánh thủng điện: Do iơn hố va chạm của hạt dẫn thiêu số với nguyên tử nút mạng tinh thê 1.2.3 Các tham số Khi sử dụng điôt người ta quan tâm đến thông số sau của điơt: * Dịng thuận cực đại Imax , đó dịng thuận mà điơt cịn chịu nó chưa bị thủng ( nhiệt ) * Công suất cực đại Pmax điôt điôt chưa bị thủng * Điện áp ngược cực đại Ung max - điện áp phân cực ngược cực đại của điot điôt chưa bị đánh thủng * Tần số giới hạn fmax của điôt - tần số lớn mà đó điơt chưa tính chất van(do điện dung ký sinh) * Điện dung mặt ghép : Lớp điện tích l tương đương với tụ điện gọi điện dung mặt ghép n-p Ở tần số cao lớp điện dung định tốc độ đóng mở của điơt nó làm việc khố điện, tức điện dung mặt ghép n-p định fmax * Điện áp mở của điôt : Là điện áp UD đê dịng thuận qua điơt đạt 0,1 Imax 1.2.4 ứng dụng: Trong thực tế Điot có nhiều ứng dụng : Dùng đê biến điện áp xoay chiều thành điện áp chiều, hạn chế biên độ, bảo vệ điện áp, ổn định điện áp, thay đổi điện dung…Ngồi cịn dùng đê thiết kế loại điôt quang dùng dân dụng công nghiệp, chế tạo cảm biến quang, cảm biến vị trí…dùng tự động hóa 1.3 TRANZITOR LƯỠNG CỰC 1.3.1 Cấu tạo Gồm ba phiến bán dẫn P- N xen kẽ Tuỳ theo trình tự xắp xếp mà ta (a): Tranzitor thuận (b): Tranzitor ngược Có hai loại Tranzito điên hình P- N- P(Tranzito thuận) N- P- N (Tranzito ngược) - Miền bán dẫn thứ miền Emitơ có nồng độ tạp chất lớn nhất, nó đóng vai trò phát xạ hạt dẫn,điện cực nối với miền gọi cực Emitơ(cực phát) - Miền thứ hai miền Bazơ có nồng độ tạp chất chiều dày nhỏ (cỡ µm), miền đóng vai trò truyền đạt hạt dẫn, điện cực nối với miền gọi cực Bazơ (cực gốc) -Miền thứ ba miền colector có nồng độ tạp chất trung bình, miền đóng vai trị thu gom hạt dẫn, điện cực nối với miền gọi cực Colector (cực góp) Với cấu trúc vậy, tranzito bao gồm hai tiếp giáp P-N, tiếp giáp emitơ bazơ gọi tiếp giáp emitơ(J E), tiếp giáp colectơ bazơ gọi tiếp giáp colectơ(JC) 1.3.2 Nguyên lý làm việc:(Lấy tranzito thuận làm ví dụ) a Chế độ khuếch đại tín hiệu Đê Tranzito làm việc chế độ khuếch đại tín hiệu ta đặt điện trường cho JE phân cực thuận, JC phân cực ngược E I E JE JC P UBE P N I B (B) I C UBC C Vì JE phân cực thuận nên hạt đa số (lỗ trống) khuếch tán qua tiếp giáp JE tới miền bazơ tạo nên dòng điện IE Tại miền bazơ hạt đa số lại chuyên thành hạt thiêu số, phần nhỏ (2  5)% tái hợp với hạt điện tử tạo thành dòng IB Do độ rộng của miền bazơ mỏng chuyên tiếp JC phân cực ngược nên lỗ trống miền bazơ bị sang miền colectơ tạo nên dòng IC Dòng IC tạo hai thành phần: dòng của hạt đa số từ miền E dòng của hạt thiêu số (lỗ trống miền bazơ chưa có sự khuếch tán từ miền E sang) Dòng của hạt thiêu số gọi dòng rò kí hiệu I Co có giá trị nhỏ cỡ nA tới vài µA Áp dụng định luật K1 ta có: IE= IB+ IC (1.2) Đê đánh giá mức độ hao hụt dòng điện cực gốc người ta đưa hệ số truyền đạt dòng: α= IC/IB