CHUONG 2-DAT-ok

TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ CHƯƠNG LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÁN DẪN RỜI RẠC VÀ ỨNG DỤNG 2.1 CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN: 2.1.1 Chất bán dẫn khiết: Chất bán dẫn ( Semiconductor) vật liệu có tính trung gian cách điện dẫn điện Chất bán dẫn loại vật liệu có điện trở cao điện trở dây dẫn tốt đồng sắt, thấp điện trở chất cách điện cao su thuỷ tinh Hai loại vật liệu bán dẫn sử dụng phổ biến Germani (Ge) Silic (Si).Tuy nhiên trạng thái tinh khiết chúng, chất khơng thích hợp với việc sử dụng thực tế chất bán dẫn.Vì lý chúng phải pha với chất phụ gia, lượng nhỏ tạp chất phải thêm vào để nâng cao cơng dụng thực tế chúng Các đặc tính chất bán dẫn: - Khi nhiệt độ tăng lên, điện trở giảm xuống - Tính dẫn điện tăng lên trộn với chất khác - Điện trở thay đổi có tác dụng ánh sáng, từ tính ứng suất học - Nó phát sáng đặt điện áp vào, v.v -Chất bán dẫn khiết gồm 02 loại bản: +Germani (Ge) +Silic (Si) 2.1.2 Chất bán dẫn tạp a Chất bán dẫn loại N: (Negative: âm) Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết lượng lớn chất có cấu tạo nguyên tử với electron lớp ( hóa trị 5) chất Asenic hay Phốtpho Các nguyên tử chất Phốtpho có electron electron liên kết với nguyên tử Si khác nhau, lại electron thừa không liên kết với lelectron chất bán dẫn trở thành electron tự GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hình 2.1 Chất bán dẫn loại N Như vậy, pha thêm nguyên tử phốt có electron tự do, pha thêm nhiều nguyên tử phốt có nhiều electron tự Chất bán dẫn có electron tự gọi chất bán dẫn loại N (loại âm) b Chất bán dẫn loại P: (Positive: dương) Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết lượng chất có cấu tạo nguyên tử với electron lớp chất Indium hay Bo Các nguyên tử chất Indium có electron nên liên kết với electron nguyên tử Si khác có mối nối thiếu electron, chỗ thiếu electron gọi lỗ trống Lỗ trống mối nối thiếu electron dễ dàng nhận electron tự Hình 2.2 Chất bán dẫn loại P Như vậy, pha thêm nguyên tử chất Indium có lỗ trống, pha thêm nhiều nguyên tử chất Indium có nhiều lỗ trống Chất bán dẫn có lỗ trống gọi chất bán dẫn loại P (loại dương) Chất bán dẫn loại N gọi chất bán dẫn loại âm, chất bán dẫn loại P gọi chất bán dẫn loại dương Tuy nhiên nói nghóa chất bán dẫn loại N hay P mang điện tích âm hay dương mà hai loại trạng thái bình thường trung hòa điện Gọi chất bán dẫn âm hay dương có ý nói khả cho electron tự chất N khả nhận electron tự chất P 2.2 MẶT GHÉP P-N 2.2.1 Mặt ghép P-N chưa có điện áp ngoaøi Khi cho hai đơn tinh thể chất bán dẫn tạp chất loại p chất bán dẫn tạp chất loại n tiếp xúc công nghệ với ta thu mặt ghép p-n Do có chênh lệch nồng độ điện tử tự miền bán dẫn tạp chất loại n miền bán dẫn tạp chất loại p nên nơi tiếp giáp hai miền xảy tượng chuyển động khuếch tán e tự từ miền bán dẫn n sang miền bán dẫn p Quá trình chuyển động GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ khuếch tán làm hình thành nên lớp Ion âm bên phía miền bán dẫn p lớp Ion dương bên phía miền bán dẫn vùng Ion nằm hai bên nơi tiếp giáp gọi vùng nghèo (vùng nghèo hạt mang điện tự có điện trở lớn nhiều cấp so với vùng cịn lại) Q trình khuếch tán tiếp diễn lớp Ion âm bên phía miền p đủ lớn để tạo lực đẩy đủ lớn ngăn trở không cho e khuếch tán từ miền n sang Bề rộng vùng nghèo chưa có điện áp lo điện áp vùng nghèo (điện áp lớp iôn dương lớp iôn âm) Vtx Vtx nguyên nhân việc ngăn trở chuyển động khuếch tán e tự từ miền n sang miền p (ngăn trở dòng điện chạy từ miền p sang miền n) Muốn có dịng điện chạy qua tiếp giáp p-n cần đặt tới điện áp có chiều độ lớn thích hợp để tạo lực đủ lớn giúp e tự vượt qua cản trở Vtx Ở điều kiện tiêu chuẩn người ta đo Vtx = 0.7 V với điốt làm từ Si Vtx = 0.3 v với điốt làm từ Ge 2.2.2 Mặt ghép P-N có điện áp đặt vào a Phân cực thuận cho Diode Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anot điện áp âm (-) vào Catot, tác dụng tương tác điện áp, miền cách điện thu hẹp lại + Khi điện áp chênh lệch hai cực đạt 0,6V (với Diode loại Si) 0,2V (với Diode loại Ge) diện tích miền cách điện giảm không => Diode bắt đầu dẫn điện + Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn dòng qua Diode tăng nhanh chênh lệch điện áp hai cực Diode không tăng (vẫn giữ mức 0,6V) → Khi Diode (loại Si) phân cực thuận, điện áp phân cực thuận < 0,6V chưa có dịng qua Diode, áp phân cực thuận đạt 0,6V có dịng qua Diode sau dịng điện qua Diode tăng nhanh sụt áp thuận giữ giá trị 0,6V Hình 2.3 Phân cực thuận b Phân cực ngược cho Diode Khi phân cực ngược cho Diode tức cấp nguồn (+) vào Catot nguồn (-) vào Anot, tương tác điện áp ngược, miền cách điện rộng ngăn cản dòng điện qua mối tiếp giáp Diode chịu điện áp ngược khoảng 1000V diode bị đánh thủng GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hình 2.4 Phân cực ngược cho Diode 2.3 DIODE BÁN DẪN: 2.3.1 Cấu tạo, ký hiệu phân loại Diode a Cấu tạo Khi tinh thể bán dẫn Silicium hay Germanium pha chế để trở thành vùng bán dẫn loại N (pha Phosphor) vùng bán dẫn loại P (pha Indium) tinh thể bán dẫn hình thành mối nối P-N Ở mối nối P-N có nhạy cảm tác động điện, quang, nhiệt mối nối P N P N P lỗ trống N hàng rào điện áp electron Hình 2.5 Cấu tạo ký hiệu Diode Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, vùng bán dẫn loại N có nhiều electron thừa Khi hai vùng tiếp xúc có số electron vùng N qua mối nối tái hợp với lỗ trống vùng P Khi chất bán dẫn trung hòa điện mà vùng bán dẫn N bị electron (qua mặt nối sang vùng P) vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành có điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron (từ vùng N sang) vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích âm (ion âm) Hiện tượng tiếp diễn tới điện tích âm vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electron từ vùng N sang P Sự chênh lệch điện tích hai bên mối nối gọi hàng rào điện áp b Ký hiệu GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hình 2.6a ký hiệu Diode bán dẫn ký hiệu Diode Zenner Hình 2.6b Hình 2.6c ký hiệu Diode Phát quang (Led) Hình 2.6d ký hiệu Diode quang c Phân loại Diode + Diod Zener: - Cấu tạo: Diode Zener có cấu tạo giống Diode thường chất bán dẫn pha tạp chất với tỉ lệ cao Diode thường Diod zenerthường loại silicium P P P ID N Z 15 N N N SD 4.7 DZ 6.8 UZ N P UD U P Hình 2.7 Ký hiệu hình dáng đặc tinh diod Zener - Ứng dụng: mạch ổn áp Diode Zener dùng làm linh kiện ổn định điện áp mạch có điện áp nguồn thay đổi Trong mạch ổn áp đơn giản hình 5.10 điện áp tải UL = UZ trị số không đổi điện áp nguồn cung cấp UDC thay đổi Điều kiện : UDC = I R IZ UDC GV: TÀO MINH ĐẠT DZ IL RL UL = UZ TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hình 2.8 Mạch ổn áp đơn giản + Diod quang (photo Diod): - Cấu tạo: Diode quang có cấu tạo giống Diode thường vỏ bọc cách điện có phần kính hay thủy tinh suốt để nhận ánh sáng bên chiếu vào mối nối P – N - Đặc tính: Mối nối P – N phân cực ngịch chiếu sáng vào mạch tiếp giáp phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối dòng điện biến đổi cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào Trị số điện trở photo Diode trường hợp chiếu sáng bị che tối - Khi bị che tối : Rnghịch = vô cực ôm ; Rthuận = lớn - Khi chiếu sáng : Rnghịch = 10 k  100k ; Rthuận = vài trăm ôm Diode quang sử dụng rộng rãi hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng, báo động Mặt nhận ánh sáng UDC ID R lux cháy… Hình 2.9 Ký hiệu, hình dáng đặc tính diod quang + Diode phát quang: Led (Light Emitting Diod) Thông thường dòng điện qua vật dẫn điện sinh lượng dạng nhiệt Ở số chất bán dẫn đặc biệt (GaAs) có dòng điện qua có tượng xạ quang (phát ánh sáng) Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát có màu khác Dựa vào tính chất người ta chế tạo loại Led có màu khác Led có điện áp phân cực thuận cao Diode nắn điện điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao - Phân cực thuận : UD = 1,4V  1,8V (Led đỏ) GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ UD = 2V  2,5V (Led vaøng) UD = 2V  2,8V (Led xanh laù) ID = 5mA  20mA (thường chọn 10mA) Led thường đựơc dùng mạch báo hiệu, thị trạng thái mạch báo nguồn, trạng thái thuận 10mA P N 1k 12V UD  2V hay ngược Hình 2.10 Ký hiệu, hình dáng ứng dụng led + Diode tách sóng: Diode tách sóng loại Diode làm việc với dòng điện xoay chiều có tần số cao, có dòng điện chịu đựng nhỏ(IDmax = vài chục mA) điện áp ngược cực đại thấp (URmax = vài chục V) Để làm việc tần số cao Diode tách sóng phải có điện dung ký sinh thật nhỏ nên mối nối P – N có điện tích tiếp giáp nhỏ Diode tách sóng thường loại Ge Diode tách sóng ký Diode thường vỏ cách điện bên thường thủy tinh suốt P N P N thân thủy tinh vòng màu đen Hình 2.11 Ký hiệu, hình dáng diode tách sóng + Diode biến dung: Diode biến dung loại Diode có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực Trong phần II mục nói cấu tạo Diode mối nối P – N có hàng rào điện áp làm cho electron vùng N không sang vùng P Khoảng cách coi lớp cách điện có tác dụng điện môi tụ điện hình thành tụ điện ký sinh ký hiệu C D Điện dung CD có trị số tính theo công thức: CD =  GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Trong d bề dày điện môi thay đổi theo điện áp UD Ký hiệu:  : số điện môi CD S : tiết diện mối nối d : bề dày lớp cách điện Khi Diode phân cực thuận lỗ trống electron hai lớp bán dẫn bị đẩy lại gần làm thu hẹp bề dày cách điện d nên điện dung C D tăng lên Khi Diode phân cực ngược lỗ trống electron bị kéo xa làm tăng bề dày cách điện d nên điện dung C D bị giảm xuống Diode biến dung sử dụng biến đổi (bằng cách thay đổi điện áp phân cực) để thay đổi tần số mạch cộng hưởng 2.3.2 Đặc tuyến Volt-Ampere thông số Diode a Đặc tuyến Volt-Ampere Đặc tuyến Volt-Ampere Diode đồ thị mơ tả quan hệ dịng điện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào Có thể chia đặc tuyến thành hai giai đoạn:  Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > mô tả quan hệ dòng áp điốt phân cực thuận  Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< mô tả quan hệ dòng áp điốt phân cực nghịch (UAK lấy giá trị 0,7V với điốt Si, với điốt Ge thông số khác) Khi điốt phân cực thuận dẫn điện dịng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở mạch (được mắc nối tiếp với điốt) Dịng điện phụ thuộc vào điện trở thuận điốt điện trở thuận nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở mạch điện GV: TÀO MINH ĐẠT TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hình 2.12 Đặc tuyến Volt-Ampere điốt bán dẫn lý tưởng 2.3.3 Ứng dụng Diode a Mạch nắn điện bán kỳ: Tạo mạch điện sơ đồ hình 2.13 Biến t giảm áp đổi nguồn xoay chiều 220V xuống trị số thích U2 D 220V U1 U2 t RL IL UL UL t IL t hợp Hình 2.13 Khi cuộn thứ cấp cho bán kỳ dương Diode D phân cực thuận nên dẫn điện, dòng điện I L qua điện trở tải RL có trị số biến thiên theo bán kỳ dương nguồn U2 cho điện áp tải U L dạng bán kỳ dương gần U2 Khi cuộn thứ cấp cho bán kỳ âm Diode D phân cực ngược nên không dẫn điện Lúc đó, dòng điện chạy qua Diode IL = UL = Như vậy, dòng điện qua tải IL điện áp tải UL lại có bán kỳ dương, đó, mạch điện gọi mạch nắn điện bán kỳ Hình 2.13 sơ đồ mạch đường biểu diễn điện áp U2 dòng tải IL điện áp tải UL theo thời gian b Mạch nắn điện chu kỳ hay toàn kỳ có điểm giữa: Trong mạch sơ đồ hình 2.14, biến áp có cuộn thứ cấp ba điểm, điểm chia cuộn thứ cấp hai phần Khi điểm nối xuống điểm chung 0V (mass) UA t A DA UB U~ B GV: TÀO MINH ĐẠT DB IL t RL U L IL UL DA DB DA DB t t TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ điện áp hai điểm A B hai điện áp đảo pha Hình 2.14 Khi A có bán kỳ dương, Diode D A phân cực thuận nên dẫn điện cho tải dòng điện I L tăng theo bán kỳ dương Lúc đó, B có bán kỳ âm, Diode D B phân cực ngược nên ngưng dẫn Khi A có bán kỳ âm, Diode D A phân cực ngược nên ngưng dẫn Lúc đó, B có bán kỳ dương Diode D B phân cực thuận nên dẫn điện cho tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương Như vậy, hai điện áp A B hai điện áp đảo pha nên hai Diode D A DB luân phiên dẫn điện cho tải bán kỳ dương liên tục Hình 2.14 sơ đồ mạch, đường biển diễn điện áp U A – UB, dòng điện tải IL điện áp tải UL theo thời gian c Mạch nắn điện cầu – mạch cầu: Tạo mạch điện sơ đồ hình 2.15 Biến t giảm áp đổi nguồn xoay chiều 220V xuống trị số thích hợp Khi A có bán kỳ dương, Diode D D2 phân cực thuận nên dẫn điện cho dòng điện I L tải tăng theo bán kỳ dương Lúc đó, B có bán kỳ âm, Diode D2 D3 phân cực ngược nên ngưng dẫn Khi A có bán kỳ âm, Diode D D2 phân cực ngược nên ngưng dẫn Lúc đó, B có bán kỳ dương Diode D3 D2 phân cực thuận nên dẫn điện cho dòng điện IL tải tăng theo bán kỳ âm Như vậy, hai điện áp A B hai điện áp đảo pha nên bốn Diode D1, D2, D3, D4 luân phiên dẫn điện đôi cho tải bán kỳ dương liên tục Hình 2.15 sơ đồ mạch, đường biển diễn UA t UB D1 U~ D3 A D2 D4 GV: TÀO MINH ĐẠT B IL RL UL t IL UL DA DB DA DB t 10 t TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ định thiên sử dụng R1 R2 cầu phân áp mắc vào nguồn Ecc, phần sụt áp điện trở R2 đưa vào phân cực cho cực B transistor Hình 2.29: Mạch định thiên định áp Bazơ Điện áp định thiên cho tiếp giáp BE transistor: UBE = IR2.R2 mà IR2 = IP - IB ; dòng IB tạo dòng ID mạch cực máng Hình 2.33 Ta xét JFET kênh N: GV: TÀO MINH ĐẠT 24 TRƯỜNG TCN THỚI LAI GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Điện áp VGG đặt tới cực G S để phân cực ngược cho tiếp giáp P-N Điện áp VDD đặt tới D S để tạo dòng điện chay kênh dẫn Điện áp phân cực ngược đặt tới G S làm cho vùng nghèo dọc theo tiếp giáp P-N mở rộng chủ yếu phía kênh dẫn, điều làm kênh hẹp lại điện trở kênh dẫn tăng lên dòng qua kênh dẫn giảm Với cách phân cực điện áp phân cực G D lớn điện áp phân cực ngược G S làm cho vùng nghèo mở rộng khơng Hình 2.34 + Đặc tuyến JFET • Đặc tuyến ra: Xét trường hợp JFET phân cực với điện áp VGG=0 Tăng dần VDD VDS tăng ID tăng tuyến tính theo Khi tăng VDD vùng nghèo có xu hướng rộng ra, nhiên V DD chưa đủ lớn bề rộng vùng nghèo chưa đủ rộng để gây ảnh hưởng tới I D => ID & VDS có mối quan hệ tuyến tính VDD đủ nhỏ Mối quan hệ thể đặc tuyến A → B (Miền OHM) VDD đủ lớn, VDS đủ lớn, lúc bề rộng vùng nghèo bắt đầu gây ảnh hưởng dòng ID Nó kiềm hãm tăng dịng ID trước tăng VDS Mối quan hệ thể đặc tuyến B → C (Miền không đổi) Hình 2.35 GV: TÀO MINH ĐẠT 25