BG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VÀ ỨNG DỤNG Chương 1: Chất bán dẫn linh kiện điện tử 1.Chất bán dẫn Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) chất có độ dẫn điện mức trung gian chất dẫn điện chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phịng Gọi "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa nửa),vì chất dẫn điện điều kiện đó, điều kiện khác khơng dẫn điện Tính bán dẫn thay đổi có tạp chất, tạp chất khác tạo tính bán dẫn khác Cơng dụng : - Sử dụng tính chất điều khiển điện dẫn chất bán dẫn ta chế tạo nhiều loại linh kiện điện tử khác : nhiệt điện trở, điện trở quang, điện trở phi tuyến … - Sử dụng mối nối tiếp giáp điện tử - lỗ trống ( n-p) tạo bóng chỉnh lưu công suất, khuếch đại, phát xung Phân loại : - Trong thực tế vật liệu bán dẫn gồm : bán dẫn đơn giản, bán dẫn hợp chất hoá học, bán dẫn phức tạp ( bán dẫn gốm), bán dẫn thuỷ tinh bán dẫn lỏng Trong bán dẫn đơn giản ( Si, Selen, Ge ) chất bán dẫn có ý nghĩa quan trọng ứng dụng rộng rãi * Ưu điểm vật liệu bán dẫn : Thời gian làm việc dài, kích thước trọng lượng nhỏ, cấu trúc đơn giản chắn, độ bền tốt ( không rung, va đập ), công suất tiêu thụ ít, có tính kinh tế sản xuất hàng loạt… Bán dẫn thuần: chất chưa bị pha tạp chủ yếu nguyên tố thuộc nhóm bảng hệ thống tuần hồn, điển hình Si, Ge Bán dẫn tạp chất : - Độ dẫn điện bán dẫn tăng mạnh cách thêm tạp chất vào vật liệu bán dẫn ( tức làm tăng số hạt dẫn điện : điện tử lỗ trống ) , tăng độ dẫn điện Có hai chất bán dẫn tạp chất : bán dẫn loại N bán dẫn loại P Bán dẫn loại N : - Để tăng số e vùng dẫn tinh thể ( Si, Ge) thuần, người ta thêm ngun tử có hố trị V ( có điện tử hố trị ) Vd : As, P, Bi, Sb Bán dẫn loại P : - Nếu cho vào mạng tinh thể chất bán dẫn ( Si, Ge) tạp chất thuộc nhóm III ( có 3e hố trị ) Vd : Al, B (bo), In ( indi), Ga ( gali) Điôt bán dẫn Cấu tạo điôt bán dẫn Điôt bán dẫn đợc cấu tạo từ mặt ghép n-p với mục ®Ých sư dơng nã nh mét van ®iƯn T theo diện tích phần tiếp xúc hai lớp n p mà ngời ta gọi điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu nh điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh mặt ghép để điôt làm việc đợc tần số cao Điôt tiếp điểm đợc sử dụng mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện nh tách sóng, điều chế, biến tần Khác với điôt tiếp điểm, điôt tiếp mặt mặt tiếp xúc hai lớp n p có điện tích đủ lớn nhằm chịu đợc dòng ®iƯn lín ®Ĩ sư dơng chóng vµo mơc ®Ých chØnh lu Trong sơ đồ nguyên lý điôt thông thờng đợc ký hiệu nh hình 3.5a, hình 3.5b ký hiệu điôt ổn áp Trên ký hiệu A-anot- cực dơng ứng với lớp p, K-catot - cực âm ứng với bán dẫn loại n Đặc tính von - ampe (V/A) điôt Đặc tính V/A điôt quan hệ dòng điện qua điôt điện áp chiều đặt lên Khi điện áp phân cực thuận tăng dòng thuận tăng nhanh Nếu đổi chiều nguồn điôt phân cực ngợc Các thông số điôt : Khi sử dụng điôt ngời ta quan tâm đến thông số sau điôt: Dòng thuận cực đại Imax , dòng thuận mà điôt chịu đợc cha bị thủng ( nhiệt ) Công suất cực đại Pmax điôt điôt cha bị thủng Điện áp ngợc cực đại Ung max - điện áp phân cực ngợc cực đại điot điôt cha bị đánh thủng Tần số giới hạn fmax điôt - tần số lớn mà ®i«t cha mÊt tÝnh chÊt van(do ®iƯn dung ký sinh) Điện dung mặt ghép : Lớp điện tích l tơng đơng với tụ điện gọi điện dung mặt ghép n-p tần số cao lớp điện dung định tốc độ đóng mở điôt làm việc nh khoá điện, tức điện dung mặt ghép n-p định fmax Điện trở chiều R đợc xác định điểm đặc tuyến (hình 3.7-tại điểm M): R 0M = UM IM R0 M = cotg β (3.9) Điện trở xoay chiều R diôt đợc xác định điểm đặc tuyến: R= S= dU dI dI dU = cotgα = R (3.10) (3.11) S - điện dẫn điôt, S = tg Điện áp mở điôt : Là điện áp U D để dòng thuận qua điôt đạt 0,1 Imax Tranzisto lỡng cực Nếu đế bán dẫn ta tạo hai mặt ghép n-p liên tiếp th× ta cã mét tranzisto lìng cùc (bipolar ) hay đơn giản quen gọi tranzisto Tranzisto có khả khuếch đại tín hiệu giống nh đèn điện tử ba cực, Tranzisto đóng vai trò quan trọng mạch điện tử nên ta cần E p n p C E n p n C nghiªn cøu tØ mỉ nguyên lý làm việc thông số a) B B b) cña nã C E E CÊu tạo nguyên lý làm việc: B C B Hì nh 3.8 Cấu tạo ký hiệu Tranzisto có hai mỈt ghÐp a) Cđa tranzisto thn b) Cđa tranzisto ng ợ c n-p cấu tạo từ ba lớp bán dẫn tạp khác tính nên p-n-p n-p-n (hình 3.8) Loại tranzisto p-n-p có cấu trúc ký hiệu nh hình 3.8a gọi tranzisto thuận, loại n-p-n hình 3.8b gọi tranzisto ngợc Hai loại tranzisto có cấu tạo khác nhng nguyên lý làm việc tơng tự Sự khác phân cực nguồn cho hai loại tranzisto ngợc tính Vì cần xét nguyên lý làm việc loại suy loại Ví dụ ta xét cấu tạo nguyên lý làm việc cuả tranzisto thuận p-n-p Cấu tạo tranzisto trình bày hình 3.9a Miền bán dẫn p thứ gọi cực phát E - cực Emitơ , miền có nồng độ tạp chất lớn, tức nồng độ lỗ trống lớn để phát lỗ trống Miền thứ hai miền n gọi miền cực gốc B hay cực bazơ Miền vừa mỏng (cỡ vài àm) lại vừa nghèo ®iƯn tư (nång ®é t¹p chÊt nhá) MiỊn thø ba miền cực góp hay cực colectơ hay cực C có nồng độ tạp chất trung bình E p n p C E DE r DC B C b) a) B Hì nh 3.9 a)Cấu tạo b) mặ t ghép tranzisto Cả ba miền cực có chân để nối để hàn vào mạch Mặt ghép n-p E B gọi mặt ghép Emitơ, mặt ghép np C B - mặt ghép colectơ Nh mặt cấu trúc coi tranzisto lỡng cực nh hai điôt mắc nối tiÕp qua ®iƯn trë khèi rB cđa miỊncùc B Tuy nhiên dùng điôt mắc nối tiếp để đợc tranzisto tranzisto cấu tạo nh nên hai điôt (hai mặt ghép ) có tác dụng tơng hỗ với qua miền bazơ Hiệu ứng tranzit xảy khoảng cách hai mặt ghép nhỏ nhiều so với độ dài khuếch tán hạt dẫn C IC B IB _ +E B IE C _ EC B + _ IB +E B E IC _ + EC IE E Hì nh 3.10 Cấp nguồn(phâ n cực) cho tranzisto thuận Để cho tranzisto thuận làm việc ta phân cực(cấp nguồn) nh hình 3.10 Với cách đấu nguồn nh mặt ghép Emitơ đợc phân cực thuận(thông ),mặt ghép colectơ phân cực ngợc (đóng).Vì mặt ghép Emitơ phân cực thuận nên lỗ trống từ miền E phun vào miền Bazơ Các lỗ trống tạo nên dòng cực phát IE Các hạt vào miền bazơ trở thành hạt thiểu số ( hạt dẫn phụ bazơ) sâu vào miền bazơ hớng tới mặt ghép colectơ Trên đờng số tái hợp với điện tử (hạt đa số) tạo nên dòng bazơ IB lại đa số đạt tới mặt ghép colectơ miền bazơ mỏng(tức đà xẩy hiệu ứng "tranzit") Tới bị trờng gia tốc cực colectơ (do mặt ghép colectơ phân cực ngợc ) sang miền cực góp tạo thành dòng cực góp I C (*) Nh : IE = IB +IC (3.12) Để đánh giá tác dụng điều khiển dòng bazơ dòng colectơ ngời ta thờng dùng hệ số truyền (khuếch đại) dòng bazơ : = IC I (3.15) Tất kết luận cho tranzisto ngợc Phân cực cho tranzisto ngợc n-p-n có chiều ngợc với hình 3.10 Sự ảnh hởng nhiệt độ đến tham sè cđa tranzisto Nãi chung c¸c tham sè cđa tranzisto phụ thuộc vào nhiệt độ Tuy nhiên chế độ khuếch đại cần ý đến phụ thuộc dòng d (dòng ngợc) vào nhiệt độ chế độ khuếch đại dòng colectơ theo (3.13) có thành phần dòng d Ico dòng ngợc mặt ghép colectơ nhiệt độ bình thờng tranzisto Silic dòng cỡ vài nanoampe, tranzisto Gecmani dòng vài microampe Khi nhiệt độ tăng khoảng (8 ữ 10)0c dòng tăng gấp đôi Thực tế dòng tĩnh I c tranzisto chän > 0,1 mA th× cã thĨ bá qua I co Trong trờng hợp ngợc lại phải tính đến phụ thuộc dòng I c theo nhiệt độ Do mạch cần có biện pháp ổn định nhiệt độ cho tranzisto Thizisto Thizisto chế tạo từ lớp bán dẫn tạp tạo thành mặt ghép n-p liên tiếp nh hình 3.24a Lớp p ngoµi cïng lµ cùc Anèt- p1, líp n ngoµi cïng lµ katèt- n2, líp p2 lµ cùc khèng chÕ (cưa điều khiển)G Trong thiristo hình thành mặt ghép n-p xen kÏ J1, J2,J3 Nh vËy thizisto t¬ng đơng với hai tranzisto : thuận ngợc mắc nh hình 3.24b;còn ký hiệu có dạng nh hình 3.24c Nh Thizisto điôt có thêm cực cửa để điều khiển Đặc tuyến Von-Ampe thizisto có dạng hình 3.24d.Khi thizisto phân cực ngợc mặt ghép J2 phân cực thuận (là điôt thông) J1 J3 coi nh hai điôt mắc nối đợc tiếp phân cực ngợc nên đặc tuyến giông nh điôt Khi phân cực thuận cho thizisto : A đấu với + , Katôt đấu với a) A G p1 p1 n1 n1 p2 n2 K K p2 G Q1 n1 p2 n2 IHC IB1 UG=0 UG2 UG1 IRX IC1 IB2 Q2 G K ID c) IA A G b) A A K Ik H× nh3.24 Thiristo a)Ký hiệub,c) Cấu trúc d)Họ đặ c tuyến nguồn UG = , J1 J2 phân cực thuận, phân cực ngợc Khi UAK nhỏ dòng dòng ngợc J2 ( cỡ 100 A) gọi dòng dò ngợc IRX Đến giá trị U AK mặt ghép J2 bị đánh thủng (gọi điện áp đánh thủng thuận U BE) dòng đủ lớn để mở hai tranzisto T T2 (hình 3.24b) chúng nhanh chóng đạt trạng thái bÃo hoà, thizisto thông, nội trở giảm nên sụt áp giảm đến giá trị U E gọi điện áp dẫn thuận Nh cách tăng điện áp U AK ta kích mở thyzisto, gọi phơng pháp kÝch më thuËn NÕu IG ≠ (UG ≠ 0) IG với dòng ngợc J2 làm thizisto mở sớm IG lớn thzisto mở cứng với giá trị U AK nhỏ Phơng pháp kích mở dòng IG gọi kích mở dòng điều khiển Phần đặc tuyến thizisto cha mở gọi miền chắn thuận, miền mà thizisto ®· më gäi lµ miỊn dÉn thn Khi thizisto ®· mở, muốn trì trạng thái mở phải đảm bảo dòng thuận lớn giá trị định mức gọi dòng ghim (giá trị cực tiểu dòng thuận) Nếu thizisto mở mà dòng IG trì dòng ghim nhỏ I G tăng Trong sổ tay dòng ghim ký hiệu IHC IG = vµ IHX IG ≠ Các tham số quan trọng thizisto: dòng điện cực đại, điện áp thuận ngợc cực đại mà thizisto cha bị đánh thủng, công suất tiêu hao cực đại cho phép, điện áp cực đại khống chế cực G điện áp kích mở UAK = 6V Nếu làm việc tần số cao cần phải quan tâm đến thời gian đóng mở : t m thời gian chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, t đ - thời gian chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái đóng 5.Triac Triac có cấu tạo tơng tự nh hai thyzisto đấu song song ngợc (hình 3.25a,b; chung mét cùc ®iỊu khiĨn G, cã ký hiƯu nh ë h×nh 3.25c Thizisto thø nhÊt cã A Anôt, A2 katôt, thizisto thứ hai có A2 Anôt, A1 katôt, chúng chung cực điều khiển G Hai thizisto đấu song song, ta coi A Anôt, A2 katôt Khi A1 G phân cực dơng so với A2 T1 T2 đợc kích thông, ứng với đặc tính nửa phải trục toạ độ hình 3.25d, T1 T2 ngắt ứng với nửa trái trục toạ độ hình 3.25d Nếu A2 G phân cực dơng so với Hìn A1 T1 T2 đợc kích h 3.26 thông, T1 T2 ngắt Nh Triac ký dẫn điện theo hai chiều có đặc tính nh hình 3.25d hiệuđặc tính hai thiristo ghÐp song song ngỵc cđa Diac Diac: diac hoàn toàn giống Triac nhng cực điều khiển G Diac đợc kích mở cách nâng cao điện áp thuận đặt vào hai cực Ký hiệu đặc tuyến có dạng nh hình 3.26 Các dụng cụ quang điện bán dẫn Trong kỹ thuật điện tử đại nhiều tín hiệu điện phải biến thành tín hiệu quang ngợc lại để tiện cho a) ánh sáng b) I àA + Etạo-của điện trở quang:1.Đ ếđiện Hì nh 3.27a)Cấu môi 2.lớ p bán dẫn 3.điện cực kim loại b)Ký hiệu điện trở quang trình xử lý Ta xét sơ lợc phần tử xử lý tín hiệu quang điện Điện trở quang(photoresisto) Điện trở có trị số biến thiên theo cờng độ ánh sáng chiếu vào gọi điện trở quang Nó cấu tạo ký hiệu trình bày nh hình 3.27a,b Trên đế cách điện ngời ta phủ màng khối bán dẫn có hai cực đa để hàn vào mạch Toàn kết cấu đợc bọc vỏ cách điện cho ánh sáng chiếu xuyên qua vỏ để tác động vào lớp bán dẫn Khi ánh sáng chiếu vào khối bán dẫn có số hạt dẫn định nên ®iƯn trë cđa khèi cịng cã mét trÞ sè nhÊt định Khi có ánh sáng chiếu hạt dẫn tăng tỷ lệ với cờng độ ánh sáng, tức độ dẫn điện tỷ lệ với cờng độ ánh sáng Điôt quang điện - Fotodiôt Điôt quang phần tử có mặt ghép n-p, dới tác động ánh sáng không thay đổi độ dẫn mà xuất hiệu điện đoạn khác điôt Hình 3.28a trình bày cấu trúc đơn giản điôt quang Một mặt ghép n-p đợc đặt đế cách điện Tất đặt hộp nhựa suốt, có điện cực đa Dới tác động ánh sáng, số điện tử lớp chuyển sang vùng dẫn, làm tăng hạt dẫn hai loại bán dẫn Dới tác dụng hiệu điện tiếp xúc hạt dẫn phô sÏ a) b) c) Hì nh3.28 a)Cấu tạo photodiot1.vỏ bảo vệ(trong suốt)2.lớ p bán dẫn p 3.lớ p bán dẫn n4.điện cực b)ký hiệu photodiot c)mặ c diot vào mạch r - E + ... mở cách nâng cao điện áp thuận đặt vào hai cực Ký hiệu đặc tuyến có dạng nh hình 3.26 Các dụng cụ quang điện bán dẫn Trong kỹ thuật điện tử đại nhiều tín hiệu điện phải biến thành tín hiệu quang... không vợt phạm vi cho phép Lý tởng Kcm= ,thực tế KCm nhỏ K0 - Điện trở vào hiệu, điện trở vào đồng pha: Điện trở vào hiệu rh điện trở vào đồng pha rcm đợc định nghĩa theo (5.23) (5.24):  ΔU p U... quan trọng kỹ thuật mạch điện tử Trớc cha có khuếch đại thuật toán đà tồn vô số mạch chức khác Ngày nay, nhờ đời khuếch đại thuật toán số lợng đà giảm xuống cách đáng kể dùng khuếch đại thuật toán