Cấu kiện điện tử

Trong chương này đã đưa rađịnh nghĩa và các cách phân loại của cấu kiện điện tử, các đặc tính và các tham số kỹ thuật của các loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện tử - viễn thông [r]

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

(Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

CÊu kiƯn ®iƯn tư

LỜI NĨI ĐẦU

Tập giáo trình "Cấu kiện điện tử " biên soạn để làm tài liệu giảng dạy học tập cho các sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử - Viễn thơng, đồng thời giáo trình sử dụng cho sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư chuyên ngành Điện tử - Viễn thơng

Giáo trình viết theo chương trình đề cương mơn học "Cấu kiện điện tử quang điện tử" Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng

Nội dung giáo trình trình bày cách rõ ràng, có hệ thống kiến thức và đại vật liệu cấu kiện điện tử - quang điện tử sử dụng ngành kỹ thuật điện tử kỹ thuật viễn thông

Giáo trình "Cấu kiện điện tử" gồm chương

+ Chương Giới thiệu chung cấu kiện điện tử vật liệu điện tử Trong chương đưa rađịnh nghĩa cách phân loại cấu kiện điện tử, đặc tính tham số kỹ thuật của loại vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử - viễn thông chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn vật liệu từ

+ Chương 2 trình bày cấu kiện điện tử thụ động điện trở, tụ điện, cuộn dây biến áp, đặc tính tham số cấu kiện này, cách nhận biết cách đọc tham số linh kiện thực tế

+ Chương 3 trình bày điốt bán dẫn Trong chương này, giáo trình nêu lên tính chất vật lý đặc biệt lớp tiếp xúc P - N, đồng thời trình bày chi tiết cấu tạo nguyên lý hoạt động cũng đặc tuyến, tham số kỹ thuật điốt bán dẫn Ngồi ra, chương cịn trình bày về chế độ làm việc ốt bán dẫn giới thiệu số loại ốt thông dụng đặc biệt

+ Chương 4 trình bày cấu tạo nguyờn lý hoạt động tranzito lưỡng cực (BJT) Đồng thời, chương trình bày cụ thể ba cách mắc tranzito sơ đồ mạch khuếch đại, đặc tính đặc điểm cách mắc Đồng thời chương trình bày cách phân cực mạch tương đương tranzito

+ Chương giới thiệu chung tranzito hiệu ứng trường (FET) phân loại tranzito trường Trong chương trình bày cụ thể cấu tạo nguyện lý hoạt động cách phân cực cho tranzito trường loại JFET MOSFET

+ Chương 6 giới thiệu cấu kiện thuộc họ thyristo chỉnh lưu silic có điều khiển, triac, diac; nờu cấu tạo nguyờn lý hoạt động ứng dụng chúng Đồng thời, chương cũng trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động tranzito đơn nối (UJT)

+ Chương 7 đề cập đến phát triển kỹ thuật điện tử vi mạch tích hợp Trong chương trình bày khái niệm, phân loại sơ lược công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn, loại vi mạch sản xuất sử dụng rộng rãi Ngồi ra, chương 4 cịn trình bày đặc tính tham số trình bày đặc điểm tham số hai loại vi mạch: vi mạch tuyến tính vi mạch số Trong giới thiệu chi tiết vi mạch khuếch đại thuật toán (OA), loại vi mạch vạn sử dụng rộng rãi nhiều chức khác

+ Chương 8 trình bày cấu kiện quang điện tử Chương trình bày tỉ mỉ hệ thống loại cấu kiện quang điện tử bán dẫn không bán dẫn sử dụng kỹ thuật điện tử kỹ thuật viễn thông Ở trình bày cấu kiện quang điện tử sử dụng kỹ thuật điện tử thông tin quang:

CÊu kiƯn ®iƯn tư

- Các linh kiện thu quang: điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, thyristo quang, tế bào quang điện pin mặt trời

Trong tập giáo trình tác giả sử dụng nhiều tài liệu tham khảo biên soạn theo trật tự logic định Tuy nhiên, tập giáo trình khơng tránh khỏi thiếu sót hạn chế Chúng tơi mong nhận góp ý nhà chuyên môn, bạn đồng nghiệp ai quan tâm đến chuyên ngành để bổ sung hồn chỉnh tập giáo trình "Cấu kiện điện tử" được tốt

Các ý kiến đóng góp xin gửi đến môn Kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật điện tử I, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, km 10 đường Nguyễn Trãi Hà Nội - Hà Đông

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

CHƯƠNG

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương giới thiệu khái niệm chung cấu kiện điện tử, giúp cho sinh viên chun ngành Điện tử Viễn thơng có khái niệm ban đầu bao quát linh kiện điện tửđược sử

dụng mạch điện tử Đồng thời chương giới thiệu đặc tính vật lý

điện vật liệu dùng kỹ thuật điện tử

Học xong chương 1, sinh viên phải nắm khái niệm chung cấu kiện điện tử, khái niệm sơ mạch điện điện tử Sinh viên phải hiểu đặc tính kỹ thuật loại vật liệu dùng lĩnh vực kỹ thuật điện tử, số loại vật liệu thông dụng thường dùng

ứng dụng chúng

NỘI DUNG

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cấu kiện điện tử môn học cấu tạo, nguyên lý hoạt động số ứng dụng linh kiện sử dụng mạch điện tửđể thực chức kỹ thuật phận thiết bịđiện tử chuyên dụng thiết bịđiện tử dân dụng

Cấu kiện điện tử có nhiều loại thực chức khác mạch điện tử Muốn tạo thiết bịđiện tử phải sử dụng nhiều linh kiện điện tử, từ linh kiện đơn giản nhưđiện trở, tụđiện, cuộn dây đến linh kiện thiếu điốt, tranzito linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp Chúng đấu nối với theo sơ đồ mạch thiết kế, tính tốn khoa học để thực chức thiết bị thơng thường máy radiocassettes, tivi, máy tính, thiết bịđiện tử y tế đến thiết bị thông tin liên lạc tổng đài điện thoại, trạm thu - phát thông tin hay thiết bị vệ tinh vũ trụ

v.v Nói chung cấu kiện điện tử loại linh kiện tạo thiết bị điện tử chúng quan trọng đời sống khoa học kỹ thuật muốn sử dụng chúng cách hiệu phải hiểu biết nắm đặc điểm chúng

1.2 PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

Có nhiều cách phân loại cấu kiện điện tử dựa theo tiêu chí khác Ởđây kểđến số cách phân loại thông thường:

1.2.1 Phân loại dựa đặc tính vật lý:

Dựa vào đặc tính vật lý cấu kiện điện tử chia làm loại:

- Các cấu kiện điện tử thông thường: Đây linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện -

điện tử thông thường Chúng hoạt động tác dụng sóng điện từ có tần số từ cực thấp (f = 1Khz÷10Khz) đến tần số siêu cao tần(f = 10Ghz ÷ 100Ghz) sóng milimet - Cấu kiện quang điện tử: Đây linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện – quang

Chúng hoạt động tác dụng sóng điện từ có tần số cao (f = 108đến 10 Ghz) 9 thường gọi ánh sáng

1.2.2 Phân loại dựa theo lịch sử phát triển công nghệ điện tử:

Người ta chia cấu kiện điện tử làm loại:

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử - Cấu kiện điện tử có khí: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy mơi trường khí

trơ

- Cấu kiện điện tử bán dẫn: cấu kiện điện tử mà dẫn điện xảy môi trường chất bán dẫn

- Cấu kiện vi mạch: chíp bán dẫn tích hợp từ cấu kiện bán dẫn theo sơ đồ

mạch thiết kế trước có chức định

- Cấu kiện nanơ: cấu kiện có kích thước nanomet chế tạo theo công nghệ

nanô nên có tính chất khả tiện ích vô đặc biệt, khác hẳn với cấu kiện có kích thước lớn thơng thường (từμm trở lên)

1.2.3 Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu:

Dựa theo chức xử lý tín hiệu người ta chia cấu kiện điện tử thành loại cấu kiện

điện tử tương tự (điện tử analoge) cấu kiện điện tử số (điện tử digital)

- Cấu kiện điện tử tương tự linh kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy liên tục theo thời gian

- Cấu kiện điện tử số linh kiện có chức xử lý tín hiệu điện xảy rời rạc, không liên tục theo thời gian

1.2.4 Phân loại dựa vào ứng dụng cấu kiện điện tử:

Dựa vào ứng dụng cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện điện tử làm loại cấu kiện điện tử thụđộng cấu kiện điện tử tích cực:

- Cấu kiện điện tử thụđộng linh kiện điện tử có khả xử lý tiêu thụ tín hiệu

điện

- Cấu kiện điện tử tích cực linh kiện điện tử có khả biến đổi tín hiệu điện, tạo khuếch đại tín hiệu điện

1.3 KHÁI NIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 1.3.1 Mạch điện:

Mạch điện tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp nguồn dòng) cấu kiện điện tử dây dẫn điện đấu nối với theo sơđồ mạch thiết kế nhằm thực chức thiết bịđiện tử hệ thống điện tử Ví dụ

mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị phân, mạch đếm xung, đơn giản mạch phân áp,

1.3.2 Hệ thống điện tử

Hệ thống điện tử tập hợp mạch điện tử đơn giản có chức kỹ thuật riêng thành thiết bị điện tử có chức kỹ thuật định hệ thống điện tử

phức tạp có chức kỹ thuật riêng máy thu hình, máy sóng, hệ thống phát truyền hình, trạm truyền dẫn vi ba, hệ thống thông tin quang Mạch điện tử hay hệ thống

điện tử có nguồn điện cung cấp chiều (DC) để phân cực cho cấu kiện

điện tử hoạt động chếđộ nguồn tín hiệu cần xử lý mạch

1.4 VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện tử đa dạng nhiều Chúng gọi chung vật liệu điện tửđể phân biệt với loại vật liệu sử dụng lĩnh vực khác Tuỳ

theo mục đích sử dụng yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn vật liệu cho thích hợp đảm bảo

các tiêu kỹ thuật, dễ gia công giá thành rẻ

- Dựa vào lý thuyết vùng lượng người ta chia vật chất làm ba loại chất cách

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử nguyên tử vật chất phân chia thành ba vùng lượng khác là: vùng hóa trị, vùng dẫn vùng cấm Mức lượng cao vùng hóa trị ký hiệu EV; mức lượng

thấp vùng dẫn ký hiệu EC độ rộng vùng cấm ký hiệu EG

+ Chất cách điện:

Cấu trúc vùng lượng chất cách điện mơ tả hình 1-1a Độ rộng vùng cấm EG có giá trịđến vài eV (EG ≥ 2eV)

+ Chất bán dẫn:

Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm nhỏ (EG < 2eV), xem hình 1-1b

+ Kim loại:

Cấu trúc vùng lượng tinh thể vùng cấm, vùng hóa trị hịa vào vùng dẫn (hình 1-1c) nên điện tử hóa trị điện tử tự

- Dựa vào ứng dụng, vật liệu điện tử thường phân chia thành loại chất cách

điện (hay chất điện môi), chất dẫn điện, chất bán dẫn vật liệu từ

1.4.1 Chất cách điện (hay chất điện môi) a Định nghĩa

Chất cách điện, hay cịn gọi chất điện mơi Chất cách điện có điện trở suất cao vào khoảng 107÷ 1017Ωm nhiệt độ phịng

Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu vô hữu Chúng có thểở thể khí, thể lỏng thể rắn

b Các tính chất chất điện môi

- Độ thẩm thấu điện tương đối (hay cịn gọi sốđiện mơi):

Hằng sốđiện mơi ký hiệu ε, biểu thị khả phân cực chất điện môi xác định biểu thức:

0 C Cd =

ε (1 1)

Trong đó: Cd điện dung tụđiện sử dụng chất điện môi; C0 điện dung tụđiện

sử dụng chất điện mơi chân khơng khơng khí

EG > eV

E EC

EV

EG < eV

E

EC

EV E G=

E

EC

EV

Dải hoá trị

Dải dẫn

Điện tử

Lỗ trống

Dải dẫn

Dải hoá trị

a/ b/ c/

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử - Độ tổn hao điện môi (Pa):

Độ tổn hao điện môi công suất điện chi phí để làm nóng chất điện mơi đặt

điện trường tính theo công thức tổng quát sau:

a

P =U ωCtgδ (1 2) Trong đó:

Pa độ tổn hao điện mơi đo ốt (w)

U điện áp đặt lên tụđiện đo vôn (V)

C điện dung tụđiện dùng chất điện môi đo Farad (F)

ω tần số góc đo rad/s tgδ góc tổn hao điện mơi - Độ bền vềđiện chất điện môi (Eđ.t.):

Nếu ta đặt chất điện mơi vào điện trường mà bị khả cách điện - ta gọi tượng đánh thủng chất điện môi Trị số điện áp xẩy tượng đánh thủng chất điện môi gọi điện áp đánh thủng Uđ.t thường đo KV, cường độ điện

trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi độ bền vềđiện

Độ bền vềđiện ký hiệu Eđ.t tính theo cơng thức:

U

E = ®.t [KV / mm;KV / cm]

®.t

d (1 3)

Trong đó: Uđ.t - điện áp đánh thủng chất điện môi

d - bề dày chất điện môi bịđánh thủng - Nhiệt độ chịu đựng:

Là nhiệt độ cao mà ởđó chất điện mơi giữđược tính chất lý hóa - Dịng điện chất điện mơi (I):

Dịng điện chất điện mơi gồm có thành phần dịng điện chuyển dịch dịng

điện rị

• Dịng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi dòng điện phân cực):

Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện mơi tạo nên dòng điện phân cực IC.M Khi điện áp xoay chiều dòng điện chuyển dịch tồn suốt

thời gian chất điện môi nằm điện trường Khi ởđiện áp chiều dòng điện chuyển dịch tồn thời điểm đóng ngắt điện áp

• Dịng điện rị Irị:

Dịng điện rị dịng điện tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển

động tác động điện trường

Dòng điện tổng qua chất điện môi là:

I = IC.M + Irò

- Điện trở cách điện chất điện môi:

Điện trở cách điện xác định theo trị số dòng điện rò:

CM

U R

I I

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử ΣIC.M - Tổng thành phần dòng điện phân cực

c.Phân loại ứng dụng chất điện môi

Chất điện môi chia làm loại chất điện môi thụđộng chất điện môi tích cực - Chất điện mơi thụ động cịn gọi vật liệu cách điện vật liệu tụđiện Bảng 1.1 giới thiệu số chất điện môi thông dụng đặc tính chúng

- Chất điện mơi tích cực vật liệu có thểđiều khiển như: + Vềđiện trường có gốm, thuỷ tinh,

+ Về học có chất áp điện thạch anh áp điện + Về ánh sáng có chất huỳnh quang

+ Electric hay châm điện vật chất có khả giữđược phân cực lớn lâu dài Bảng 1.1 Giới thiệu đặc tính số chất điện môi thụđộng thông dụng

Vật liệu Eđ.t KV/mm

ε tgδ ρ

(Ω.m)

Tỷ trọng KG/m3

Ứng dụng

Mi ca 50 ÷ 200 ÷ 0,0004 1015 2,8.103 Tụđiện, cách điện

Sứ 15 ÷ 30 6,3÷7,5 3.1014 Giá đỡ, tụ

điện

Gốm làm tụ 12÷900

1700÷4500

0,002÷0,025 0,0006

4.103 Tụ cao tần, tụ tần thấp Nhựa tổng

hợp

10 ÷ 40 ÷ 4,6 0,05 ÷ 0,12 1,2.103 Cách điện Bìa cáchđiện ÷ 12 ÷ 0,15 1,6.103 Cách điện

Giấy 30 ÷ Tụ điện,

cách điện Lụa ÷ 60 3,8 ÷ 4,5 0,04 ÷ 0,08 1,5.103 Cách điện

Sáp 20 ÷ 35 2,8 ÷ 2,9 Tẩm chống

ẩm Paraphin 20 ÷ 30 2,2 ÷ 2,3 0,0003÷

0,0007

1016 Tẩm chống

ẩm

Nhựa thơng 10 ÷15 3,5 0,01 Làm

mối hàn Polime 15 ÷20 2,3 ÷ 2,4 1.10-4÷5 10-4 1015

÷1017

0,9.103 Cách điện

cao tần Cao su 20÷30 3÷7 0,02÷0.1 1015 1,6.103 Vỏ dây dẫn Dầu tụđiện 20 2,2 0,002÷0.005 Tụ điện,

cáp điện

1.4.2 Chất dẫn điện a.Định nghĩa

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử b Các tính chất chất dẫn điện

- Điện trở suất:

S

R [ m] , [ mm] , [ m]

l

ρ = Ω Ω μΩ (1 5)

trong đó: S - tiết diện ngang dây dẫn [mm2; m2] l - chiều dài dây dẫn [mm; m]

R - trị sốđiện trở dây dẫn [Ω]

Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ:

ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến

ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm) - Hệ số nhiệt điện trở suất (α):

Hệ số nhiệt điện trở suất biểu thị thay đổi điện trở suất nhiệt độ thay đổi 10C Khi nhiệt độ tăng điện trở suất tăng lên theo quy luật:

t 0(1 t)

ρ = ρ + α (1 6) đó: ρt - điện trở suất nhiệt độ t (0C)

ρ0 - điện trở suất nhiệt độ 00C α - hệ số nhiệt điện trở suất [K-1]

Để cho kim loại nguyên chất hệ số nhiệt chúng hầu nhưđều bằng:

α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1 - Hệ số dẫn nhiệt : λ

Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S thời gian t là: T

Q St

l

Δ = λ

Δ (1 7)

Trong đó:

λ - hệ số dẫn nhiệt [w/ (m.K)]

ΔT/Δl - gradien nhiệt độ (ΔT lượng chênh lệch nhiệt độở hai điểm cách khoảng Δl)

S - diện tích bề mặt t - thời gian

- Cơng điện tử kim loại:

Năng lượng cần thiết cấp thêm cho điện tửđể khỏi bề mặt kim loại gọi cơng kim loại EW

- Điện tiếp xúc:

Nghiên cứu hai chất kim loại tiếp xúc với tiếp xúc C hình 1- A B

1

C

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Hiệu điện tiếp xúc hai kim loại xác định chênh lệch EAB

giữa điểm A B tính theo công thức:

EAB = EW2 - EW1 (1 8)

Tương ứng với EAB (đo eV) ta có điện tiếp xúc (đo Vơn), ký hiệu

là VAB có trị số EAB

Nếu kim loại giống nhau, điện tiếp xúc chúng Nếu hai kim loại khác kim loại có cơng thấp trở thành điện tích dương kim loại có cơng cao trở thành điện tích âm

b Một số loại vật liệu dẫn điện thường dùng

Chất dẫn điện chia làm loại chất dẫn điện có điện trở suất thấp chất dẫn điện có điện trở suất cao

- Chất dẫn điện có điện trở suất thấp:

Chất dẫn điện có điện trở suất thấp (hay độ dẫn điện cao) thường dùng làm vật liệu dẫn

điện Bảng 1.2 giới thiệu số chất dẫn điện có điện trở suất thấp tham số chúng

Bảng 1.2 Chất dẫn điện có điện trở suất thấp tính chất điện

Vật liệu ρ (μΩ.m) α (K-1

) tn.c. ( 0

C) Tỷ trọng

(103Kg/ m3)

Ứng dụng

Bạc (Ag) 0,0165 0,0038 960 10,8 Mạ công tắc, cực,

ống dẫn sóng…

Đồng đỏ (Cu) 0,0175 0,0043 1080 8,96 Dây dẫn, chân cực linh kiện, ống dẫn sóng…

Hợp kim đồng 0,030÷0,06 0,002 900 tiếp xúc,dây điện thoại, dây điện trở… Nhôm (Al) 0,0267 0,0045 660 2,7 Dây dẫn, điện cực, vỏ

tụ…

Thiếc (Sn) 0,115 0,0042 230 7,3 hàn

Chì (Pb) 0,21 0,004 330 11,4 Cầu chì, vỏ cáp, acqui axit

Vonfram (W) 0,055 2500 19,31 Sợi nung, công tắc,

điện cực…

Moliden (Mo) 0,057 1500 10.2 Sợi nung, công tắc,

điện cực…

Niken (Ni) 0,078 1450 8,9 Sợi nung, công tắc,

điện cực…

Vàng (Au) 0,024 19,31 Dây dẫn cao tần, chân

vi mạch, ống dẫn sóng…chống ăn mịn

Bạch kim (Pt) 0,105 Tiếp điểm, chất dẫn

điện, đồng hồ đo

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử - Chất dẫn điện có điện trở suất cao:

Các hợp kim có điện trở suất cao dùng để chế tạo dụng cụđo điện, điện trở, biến trở, dây may so, thiết bị nung nóng điện

Bảng 1.3 Một số hợp kim thơng thường tính chất điện chúng Vật liệu ρ (μΩ.m) α (K-1) tnc ( 0C) tỷ trọng

(103Kg/ m3)

Ứng dụng

Manganhin 0,42 ÷ 0,48 0,00005 1200 8,4 Điện trở mẫu, dụng cụđo điện

Constantan 0,48 ÷ 0,52 0,00005 1270 8,9 Biến trở, sợi đốt Nicrơm ÷ 1,2 0,00015 1400 8,2 Sợi nung, mỏ hàn,

bếp điện, bàn là… Cacbon (C) 0,28 ÷ 3,5 0,00004 1400 Điện trở, chất bôi

trơn, micrôphôn…

1.4.3 Chất bán dẫn

a Định nghĩa đặc điểm chất bán dẫn

Chất bán dẫn vật chất có điện trở suất nằm trị sốđiện trở suất chất dẫn điện chất điện môi nhiệt độ phịng: ρ = 10-4÷ 107Ω.m

Trong kỹ thuật điện tử sử dụng số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng hai nguyên tố Gecmani Silic Thông thường Gecmani Silic dùng làm chất chính, cịn chất Bo, Indi (nhóm 3), phơtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho vật liệu bán dẫn Đặc điểm cấu trúc mạng tinh thể độ dẫn điện nhỏ

khi nhiệt độ thấp tăng theo lũy thừa với tăng nhiệt độ tăng gấp bội có trộn thêm tạp chất

b Chất bán dẫn nguyên tính

Chất bán dẫn mà nút mạng tinh thể có nguyên tử loại ngun tố chất gọi chất bán dẫn nguyên tính (hay chất bán dẫn thuần) ký hiệu số i (Intrinsic)

- Hạt tải điện chất bán dẫn thuần:

Hạt tải điện chất bán dẫn điện tử tự vùng dẫn lỗ trống vùng hóa trị

Xét cấu trúc tinh thể Gecmani Silic biểu diễn không gian hai chiều

trong hình (1- 3): Gecmani (Ge) Silic (Si) có điện tử hóa trịở lớp Trong mạng tinh thể nguyên tử Ge (hoặc Si) góp điện tử hóa trị vào liên kết cộng hóa trị với điện tử hóa trị nguyên tử kế cận để cho nguyên tửđều có hóa trị Hạt nhân bên nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4 Như điện tử hóa trị liên kết cộng hóa trị có liên kết chặt chẽ với hạt nhân Do vậy, có sẵn

điện tử hóa trị tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Tuy nhiên, nhiệt độ phịng số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ nhiệt làm cho chất bán dẫn dẫn điện Hiện tượng mơ tả hình 1- Ởđây, sốđiện tử bứt khỏi liên kết cộng hóa trị trở thành điện tử tự Năng lượng EG cần thiết để

phá vỡ liên kết cộng hóa trị khoảng 0,72eV cho Ge 1,1eV cho Si nhiệt độ phòng Chỗ thiếu điện tử liên kết cộng hóa trịđược gọi lỗ trống Lỗ trống mang điện tích dương có độ lớn với điện tích điện tử Điều quan trọng lỗ trống dẫn điện nhưđiện tử tự

Trong chất bán dẫn nguyên tính, số lượng lỗ trống số lượng điện tử tự

do

pi = ni

pi - nồng độ hạt dẫn lỗ trống bán dẫn nguyên tính

ni - nồng độ hạt dẫn điện tử bán dẫn ngun tính

Tiếp tục tăng nhiệt độ đôi điện tử - lỗ trống xuất hiện, ngược lại có tượng tái hợp đôi điện tử- lỗ trống

- Độ dẫn điện chất bán dẫn:

Mật độ dòng điện qua chất bán dẫn J là:

+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Hình 1- 3 : Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn không gian hai chiều

+4 +4 +4

+4 +4 +4

+4 +4 +4

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Ge

Điện tử

tự Lỗ

trống

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử (n p )qE E

J = μn + μp =σ (1 9) Trong đó: n- nồng độđiện tử tự (điện tích âm)

p- nồng độ lỗ trống (điện tích dương)

σ- độ dẫn điện

μn - độ linh động điện tử

μp.- độ linh động lỗ trống Do độ dẫn điện:

(nμn pμp)q

σ = + (1 10)

Bảng : Các đặc tính Ge Si

Các đặc tính Ge Si

Số nguyên tử - Nguyên tử lượng - Tỷ trọng (g/cm3) - Hằng sốđiện môi - Số nguyên tử/cm3 - EG0,eV, 00K (năng lượng vùng cấm) -

EG, eV, 3000K -

niở 3000K , cm-3 (nồng độ hạt dẫn điện tử) -

Điện trở suất nguyên tính 3000K [Ω.cm] -

μn , cm2/ V-sec - μp ,cm2/ V-sec - Dn , cm2/ sec = μn.VT -

Dp , cm2/ sec = μp.VT -

32 72,6 5,32 16 4,4.1022 0,785 0,72 2,5.1013 45 3800 1800 99 47 14 28,1 2,33 12 5,0.1022 1,21 1,1 1,5.1010 230 1300 500 34 13

Khi tăng nhiệt độ, mật độ đôi điện tử - lỗ trống tăng độ dẫn điện tăng Cho nên, nồng độđiện tử ni bán dẫn nguyên tính thay đổi theo nhiệt độ quan hệ:

G0 E / KT

2

i

n =A T e− (1 11)

Trong đó: A0 - sốđo A/(m2.0K2)

EG0 - độ rộng vùng cấm 00K

μn, μp nhiều đại lượng vật lý quan trọng Gecmani Silic cho bảng (1.4) Độ dẫn điện Gecmani Silic tính theo công thức (1-11) tăng xấp xỉ 6% 8% nhiệt độ tăng 10C (tương ứng)

b Chất bán dẫn tạp loại N (chất bán dẫn tạp loại cho)

Ta thêm tạp chất nguyên tố thuộc nhóm bảng tuần hồn Menđêlêép (thí dụ

Antimon - Sb) vào chất bán dẫn Gecmani (Ge) Silic (Si) nguyên chất Các nguyên tử tạp chất (Sb) thay số nguyên tử Ge (hoặc Si) mạng tinh thể sẽđưa

điện tử điện tử hóa trị tham gia vào liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Ge (hoặc Si) bên cạnh, điện tử thứ thừa nên liên kết mạng tinh thể yếu, xem hình (1-5) Muốn giải phóng điện tử thứ thành điện tử tự ta cần cấp lượng nhỏ khoảng 0,01eV cho gecmani 0,05eV cho silic Các tạp chất hóa trị

CÊu kiƯn ®iÖn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Hình 1- 5 : Mạng tinh thể Ge có thêm tạp chất Sb hóa trị (mạng tinh thể gecmani loại N)

Hình 1- 6 : Đồ thị vùng lượng bán dẫn Ge loại N

Mức lượng mà điện tử thứ chiếm đóng mức lượng cho phép hình thành khoảng cách nhỏ dải dẫn gọi mức cho, xem hình (1-6) Và đó, nhiệt

độ phòng, hầu hết điện tử thứ tạp chất cho nhảy lên dải dẫn, dải hóa trị khơng xuất thêm lỗ trống Các nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành ion dương cốđịnh

Ở chất bán dẫn tạp loại N: nồng độ hạt dẫn điện tử (nn) nhiều nhiều nồng độ lỗ trống

pn điện tửđược gọi hạt dẫn đa số, lỗ trống gọi hạt dẫn thiểu số

nn >> pn

trong đó: nn - nồng độ hạt dẫn điện tử bán dẫn tạp loại N

pn - nồng độ hạt dẫn lỗ trống bán dẫn tạp loại N c Chất bán dẫn tạp loại P (chất bán dẫn tạp loại nhận)

Khi ta đưa tạp chất nguyên tố thuộc nhóm bảng tuần hồn Menđêlêép (thí dụ Indi - In) vào chất bán dẫn nguyên tính Gecmani (hoặc Silic) Nguyên tử tạp chất đưa

điện tử hóa trị tạo liên kết cộng hóa trị với ngun tử Gecmani (hoặc Silic) bên cạnh mối liên kết thứ để trống Trạng thái mô tảở hình (1- 7) Điện tử mối liên kết gần nhảy sang để hồn chỉnh mối liên kết thứ để dở Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử trở thành ion âm ngược lại ngun tử chất vừa có

điện tử chuyển tạo lỗ trống dải hóa trị

Các tạp chất có hóa trị gọi tạp chất nhận điện tử (Acceptor) hay tạp chất loại P Mức lượng để trống tạp chất chất bán dẫn tạo mức lượng cho phép riêng nằm bên dải hóa trị gọi mức nhận, (xem hình 1- 8)

+4 +4 +4

+4 +5 +4

+4 +4 +4

Ge

Ge

Ge

Ge

Sb

Ge

Ge

Ge

Ge e5

E

EC

ED

EV

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Mức cho

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Hình 1- 7 : Mạng tinh thể gecmani với ngun tử In hóa trị

Hình 1- 8 : Biểu đồ vùng lượng bán dẫn loại P

Nếu tăng nồng độ tạp chất nhận nồng độ lỗ trống tăng lên dải hóa trị, nồng độđiện tử tự dải dẫn không tăng Vậy chất bán dẫn loại có lỗ trống hạt dẫn đa số điện tử hạt dẫn thiểu số gọi chất bán dẫn tạp loại P

PP >> NP

trong đó: PP - nồng độ hạt dẫn lỗ trống bán dẫn P

NP - nồng độ hạt dẫn điện tử bán dẫn P

Kết luận: Qua đây ta thấy, pha thêm tạp chất vào bán dẫn nguyên tính khơng tăng độ dẫn điện, mà cịn tạo chất dẫn điện có chất dẫn điện khác hẳn nhau: bán dẫn tạp loại N điện tử hạt dẫn điện chính, cịn bán dẫn tạp loại P, lỗ trống lại hạt dẫn điện

d Mật độ điện tích chất bán dẫn

Quan hệ nồng độ hạt dẫn điện tử n nồng độ hạt dẫn lỗ trống p chất bán dẫn theo công thức gọi luật khối lượng tích cực sau:

n.p = ni2 (1 12)

Gọi ND nồng độ nguyên tử chất cho chúng bị ion hóa Do mật độ tổng

các điện tích dương ND + p

Tương tự, NA nồng độ ion nhận tổng mật độđiện tích âm NA + n

Do tính trung hịa vềđiện chất bán dẫn mật độ điện tích dương mật độ

các điện tích âm, nên ta có:

D A

N + =p N +n (1 13)

Xét vật liệu bán dẫn loại N có NA = Số lượng điện tử bán dẫn N lớn

hơn nhiều so với số lỗ trống, cơng thức (1.13) đơn giản cịn:

D

n N≈ (1 14)

Như vậy, bán dẫn N nồng độ điện tử tự xấp xỉ mật độ nguyên tử tạp chất cho Do cơng thức (1.14) viết:

n D

n =N (1 15)

Nồng độ lỗ trống bán dẫn N viết theo công thức (1.12) ta có: E

EC

ED

EV

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Mức nhận 0,01 eV EG

+4 +4 +4

+4 +3 +4

+4 +4 +4

Ge

Ge

Ge

Ge

In

Ge

Ge

Ge

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

2

i i

n

n D

n n

p

n N

= = (1 16) nn >> pn

Tương tự, bán dẫn tạp loại P ta có: i

p A p

A n

p N v n

N

µ

= = (1 17) pp >> np

e Dòng điện chất bán dẫn

Trong chất bán dẫn có thành phần dịng điện dịng điện khuếch tán dịng điện trơi - Dịng điện khuếch tán:

Sự tồn gradient nồng độ hạt dẫn (dP/dx, dn/dx) dẫn đến tượng khuếch tán hạt dẫn từ nơi có nồng độ cao nơi có nồng độ thấp tạo dịng điện khuếch tán chất bán dẫn

Hiện tượng khuếch tán lỗ trống tạo nên mật độ dòng điện lỗ trống JP [ampe/m2]

tính theo cơng thức sau:

P P dP

J q.D

dx

= − (1 18) đó: DP [m2/sec] - hệ số khuếch tán lỗ trống

Tương tự, cơng thức tính mật độ dịng điện điện tử khuếch tán là: dx

dn D q

Jn = n (1 19) đó: Dn - hệ số khuếch tán điện tử

Cả hai tượng khuếch tán dịch chuyển (hiện tượng trôi) tượng nhiệt động học thống kê, D μ không độc lập, chúng quan hệ với theo công thức:

P n

T

P n

D D

V

= =

μ μ (1 20)

Trong

T KT T

V

q 11600

= = gọi điện nhiệt

Tại nhiệt độ phịng (3000K) μ = 39D Trong đó, giá trị D cho silic gecmani cho

bảng 1-4

Mật độ dòng điện khuếch tán là: Jk.t = Jp + Jn

- Dịng điện trơi:

Dịng điện trơi dịng chuyển động hạt dẫn tác dụng điện trường : J = σ.E = q(nμn + pμp).E (1 21)

f Đặc điểm vật liệu bán dẫn quang

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử hợp chất chất thuộc nhóm III nhóm V cho ta vật liệu có vùng cấm tái hợp trực tiếp Đây vật liệu tạo nên từ liên kết nguyên tố nhóm III (như Al, Ga, In) nguyên tố nhóm V (như P, As, Sb) Sự liên kết ba bốn thành phần khác hợp chất đôi nguyên tố vật liệu thích hợp cho nguồn ánh sáng

Để làm việc phổ từ 800 ÷ 900nm, vật liệu sử dụng thường hợp kim thành phần AlXGaAs Tỉ lệ x nhôm (Al) galium asenic (GaAs) xác định độ rộng vùng cấm

chất bán dẫn và, tương ứng, xác định bước sóng đỉnh phát xạ xạđỉnh Điều mơ tả

trong hình (1- 9)

Giá trị x vùng hoạt động vật liệu lựa chọn thường xuyên đạt bước sóng 800nm đến 850nm Ở bước sóng dài chất thành phần In1-XGaXAsYP1-Y

một vật liệu sử dụng Bằng thay đổi tỷ lượng phân tử gam x y vùng hoạt động, điốt phát quang (LED) tạo cơng suất đỉnh bước sóng 1,0 1,7μm Đểđơn giản ký hiệu GaAlAs InGaAsP cách tổng quát không cần nói rõ giá trị x y ký hiệu khác AlGaAs; (AlGa)As; (GaAl)As; GaInPAs; InXGa1-XAsYP1-Y

Các chất GaAlAs InGaAsP thường chọn để tạo chất bán dẫn sử dụng linh kiện nguồn sáng phù hợp với tham số mạng tinh thể giao diện cấu trúc dị thể việc sử dụng liên kết xác vật liệu 2, 3, thành phần Các yếu tố

này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất xạ tuổi thọ nguồn sáng Quan hệ học lượng tử lượng E tần sốν(f):

hc E h= ν =

λ

Bước sóng phát xạ đỉnh λ đo μm biểu diễn hàm lượng vùng cấm EGđo eV theo công thức:

2,2 2,0 1,8 1,6 1,4

λ (μm) 0,6 0,7 0,8 0,9 EG(eV

“Trực tiếp”

“Gián tiếp”

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tỉ lượng Al : x

AlXGa1-XAs

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

G 1,24 ( m)

E

λ μ = (1.22)

1.5 VẬT LIỆU TỪ 1.5.1 Định nghĩa

Vật liệu từ vật liệu đặt vào từ trường bị nhiễm từ

Q trình nhiễm từ vật liệu sắt từ tác dụng từ trường dẫn đến

tăng nguồn nhiễm từ quay vectơ mômen từ theo hướng từ trường ngồi

1.5.2 Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ a Từ trở từ thẩm:

Giống nhưđiện trở dây dẫn, mạch từ có từ trở Rm Từ trở đại lượng

đánh giá ngăn cản việc lập nên từ thông mạch từ Từ trởđược tính theo cơng thức sau:

m l

R

S

=

μ (1 23)

trong đó: l - độ dài mạch từ

S - tiết diện mạch từ

μ - độ từ thẩm vật liệu mạch từ

Số nghịch đảo μ tương ứng với điện trở suất ρ mạch điện Vậy 1/μ từ trở

suất 1m3 vật liệu từ

Độ từ thẩm số nghịch đảo từ trở

m m

1 l

R S F

Φ

μ = = (1 24) : μ độ từ thẩm vật liệu từ

Fm lực từđộng Φ từ thông

Thay giá trị Rm Fm thay cơng thức tính mật độ từ thông (độ cảm ứng từ) S

B=Φ/ (1 25)

ta có cơng thức tính độ từ thẩm: B

[H / m] H

μ = (1 26)

Vậy độ từ thẩm tỉ số cảm ứng từ B cường độ từ trường H có đơn vịđo Henry/met [H/m], H đo Ampe/met

Độ từ thẩm không gian tự μ0:

0 10− [H / m]

μ = π

b Độ từ thẩm tương đối (μr):

Sự gia tăng từ thông tổng hợp độ cảm ứng từ B cho sắt thép vào mạch

điện tính độ từ thẩm tương đối μr công thức (1-61) viết lại thành: r HB

μ μ = (1 27)

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử Tuỳ theo loại sắt thép mà μr = 400 ÷ 2500

Hình (1- 10) mô tả thay đổi độ cảm ứng từ B cường độ từ trường H thay đổi mẫu mạch sắt từ khép kín đường cong từ thẩm thép Đường từ hóa dùng để xác định độ cảm ứng từ B giá trị cường độ từ trường cho Từđó,

độ từ thẩm tương đối mẫu có thểđược tính vẽ đồ thịđường từ hóa

Đường đứt nét hình (1-10) mô tả độ từ thẩm tương đối μr thép Độ từ thẩm tương đối đại lượng khơng đổi, phụ thuộc vào cường độ từ trường H Đối với thép độ từ thẩm cực đại đạt cường độ từ trường xấp xỉ 250A/m

c Đường cong từ hóa:

Đặc trưng cho tính chất vật liệu từ ta có đường cong từ hóa B = f (H) biểu thị mối quan hệ độ cảm ứng từ B cường độ từ trường H (xem hình 1- 11)

Khi độ cảm ứng từ B cường độ từ trường H cuộn dây thay đổi với số gia ΔB ΔH số gia độ từ thẩm ΔB / ΔH trở nên quan trọng

1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 (103 H/A/m)

Thép

Thép Gang

μr(Thép lá) B (T)

μr 2500 2000 1500 1000 500

Hình 1- 10 : Đường cong từ hóa gang, thép lá, thép

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Điều cần biết ởđây ta muốn đạt giá trịđộ từ thẩm lớn độ cảm ứng từ B cực đại với cường độ từ trường H nhỏ Một quan hệ quan trọng khác giá trị thay đổi B H hình (1- 11) Độ nghiêng đường cong từ hóa điểm bất kỳđược gọi gia lượng từ thẩm Δμ

Δμ =ΔB/ΔH

Độ gia từ thẩm quan trọng ứng dụng mà yêu cầu thay đổi nhỏ cường độ từ trường H thay đổi lớn cảm ứng từ B

• Hiện tượng trễ: Hình (1- 12)

Đường cong từ hóa biểu thị quan hệ độ cảm ứng từ B cường độ từ trường H vật liệu từ ta đặt từ trường

Như biểu thị hình ta có: Bs - cảm ứng từ bão hịa

Bd - cảm ứng từ dư

Hc - lực kháng từ

Đường cong 0-a-b-c xảy vật liệu từ ban đầu không bị nhiễm từ cường độ từ

trường tăng từ lên Khi ta giảm cường độ từ trường từ Hmax xuống đến vật liệu từ

cịn giữ lại số từ thơng Độ cảm ứng từ cịn lại vật liệu từđã nhiễm từ cường độ

từ trường giảm xuống đến gọi độ cảm ứng từ dư (đoạn o-d): (Bd)

Để giảm độ cảm ứng từ dưđến 0, ta cần cung cấp cường độ từ trường âm Cường độ

từ trường cần thiết (o-e) để giảm độ cảm ứng từ dư đến gọi lực kháng từ (HC) Khi

tiếp tục tăng giá trị ngược cường độ từ trường H, độ cảm ứng từ B tăng theo chiều âm đến giá trị bão hòa, ta có đường cong từ hóa (đoạn e-f) Một lần nữa, cường độ từ

trường ngược lại giảm đến độ cảm ứng từ giảm đến giá trị cảm ứng từ dư (đoạn o-g) Và để giảm độ cảm ứng từđến 0, ta lại phải tăng cường độ từ trường theo chiều dương đến trị

số HC (đoạn o-h) lực kháng từ Tiếp tục tăng cường độ từ trường theo

chiều dương ta đoạn "h-c" đồ thị Như vậy, đồ thị B/H có dạng vịng khép kín Vòng đối xứng với độ lớn +Bmax = -Bmax, +Hmax = -Hmax

Vòng từ trễ chứng minh rằng, lượng hấp thụ vào vật liệu từ để

ΔH

ΔB

ΔB a

ΔH b

ΔB

c

ΔH

H B

0

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử thắng lực ma sát làm thay đổi xếp thẳng hàng đomen từ Năng lượng nguyên nhân làm nóng lõi cuộn dây, lượng lãng phí Diện tích phủ kín vịng từ trễ tỉ lệ thuận với lượng hao phí Hình (1- 13) biểu diễn vòng từ trễ tiêu biểu cho loại vật liệu sắt từ

Vòng từ trễ hình (1- 13a) sắt mềm Vịng từ trễ hình (1- 13b) mơ tả vịng từ trễ tiêu biểu chất thép cứng, diện tích lớn nguyên nhân dẫn đến tổn thất lõi lớn Tuy nhiên, độ cảm ứng từ dư chất thép cứng lớn nên thuận lợi cho nam châm vĩnh cửu

Vịng từ trễ hình (1- 13c) Ferit Đây lõi ceramic làm từ oxit sắt Vịng từ trễ có hình dạng có tổn thất trễ lớn Đặc tính độ cảm ứng B đạt tới trị số cảm ứng từ dư không đổi hướng cho phép sử dụng Ferit làm nhớ từ

• Dịng điện xốy lõi sắt từ:

Như ta biết, từ trường thay đổi cảm ứng sức điện động dây dẫn

đặt từ trường Do vậy, lõi sắt từđặt cuộn dây cảm ứng sức điện

động tạo dòng điện lưu thơng lõi sắt từđược gọi dịng điện xốy Dịng điện xốy làm nóng lõi sắt từ giữ vai trị quan trọng tổng tổn thất cuộn dây Để hạn chế dịng điện xốy, lõi sắt từ làm việc với dịng điện xoay chiều ln chế tạo từ mỏng Bề mặt mỏng quét vecni lớp sơn cách điện mỏng lên

hai mặt để tăng điện trở chúng dịng điện xốy Bằng cách tổn thất dòng

điện xốy khơng cịn đáng kể

+B +Bb

Bd

+Hmax

-Hmax

-H (A/m) HC

e

f

g

a b

h

c

Hình 1- 12 : Vịng từ trễ (Khi cường độ từ trường giảm từ Hmaxđến 0, độ cảm ứng

CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

1.5.3 Phân loại ứng dụng vật liệu từ

Dựa vào vòng từ trễ người ta chia vật liệu từ làm loại:

- Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ μ lớn)

- Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ lực kháng từ cao (Hc lớn μ nhỏ) a Vật liệu từ mềm:

• Vật liệu từ mềm dùng tần số thấp:

Vật liệu từ mềm làm việc tần số thấp thường dùng rộng rãi sắt, hợp kim sắt - silic, sắt - niken, thép kỹ thuật điện để làm lõi biến áp, nam châm điện

Hiện hợp kim sắt từ dùng rộng rãi sắt- silic Sắt- niken có độ từ thẩm cao Vật liệu sắt dùng cuộn dây biến áp thường dạng mỏng

Một cách khác, hợp kim sắt từđược tạo thành cách nung dính hỗn hợp bột kẽm nguyên chất, sau cán nguội ủ Khi cán nguội, nhờ tác động xếp lại trục tinh thể

nên tính chất từ theo hướng cán tốt gọi vật liệu từ có định hướng Để giảm

độ tiêu hao dịng điện xốy lõi biến áp người ta dùng vật liệu từ có điện trở suất cao Để thay đổi tính chất từ điện trở suất vật liệu sắt từ ta phải thay đổi tỉ lệ thành phần hợp kim Các tính chất vật liệu từ thường cho dạng đường cong từ hóa

đường cong độ từ thẩm Độ dễ từ hóa vật liệu từđược đo độ từ thẩm Với sắt- silic có độ từ thẩm cực đại khoảng 7500H/m, sắt -niken khoảng 60000H/m Các khoảng tần số làm việc vật liệu từ thơng dụng biểu diễn hình (1- 14)

Hình 1- 13: Hình dạng số vịng từ trễ vật liệu +B

+H

HC

Bd

+B

Hmax

HC

Bd

+B

+H

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

• Vật liệu từ mềm dùng tần số cao: (thường tần số vài trăm đến vài ngàn KHz)

+ Ferit vật liệu từđược dùng rộng rãi tần số cao

Ferit vật liệu từ có độ từ thẩm cao, tổn thất nhỏ Ferit hợp chất ôxit sắt (Fe2O3) kết

hợp với ơxit kẽm loại hóa trị hai (ZnO; Zn2O) Nguyên vật liệu sau xử lý

nghiền thành bột mịn, trộn lại ép định hình theo khn thành dạng hay ống, sau

được thiêu nhiệt độ cao môi trường thích hợp, Đây q trình gia cơng nhiệt đặc biệt

để hợp chất cho điện trở suất cao

Ferit có nhiều loại thơng dụng Ferit-Mangan- Kẽm Ferit -Niken- Kẽm Ferit có đặc điểm điện dẫn suất thấp, độ từ thẩm ban đầu cao giá trị cảm ứng từ bão hịa thích hợp Ferit dùng cuộn dây, có hệ số phẩm chất cao, biến áp có dải thơng tần rộng, cuộn dây trung tần, anten, cuộn làm lệch tia điện tử, biến áp xung, v.v

Ferit mangan kẽm (MnZn ferit) chế tạo thành nhiều loại khác tuỳ theo ứng dụng với cuộn dây có hệ số phẩm chất cao (Q cao) khoảng tần số từ đến 500KHz, có loại tổn thất nhỏ, có hệ số nhiệt độ từ thẩm thấp độổn định cao Dùng truyền hình có loại thích hợp làm việc với điện cảm ứng từ cao; có loại có độ từ thẩm thích hợp với biến áp thơng tin dải rộng biến áp xung

Ferit niken kẽm (NiZn ferit) có nhiều loại có thành phần oxit niken oxit kẽm khác nhau, đồng thời chúng có điện trở suất cao

+ Pecmaloi có độ từ thẩm cao (có thể tới hàng trăm ngàn H/m)

Pecmaloi hợp kim gồm có 50% ÷ 80% Niken, 18% ÷ 18,5% Fe cịn lại Mangan, Crơm, Đồng, Silic cịn lại Moliden

Pecmaloi thường dát mỏng Chúng thường dùng làm biến áp Micrơ, đầu từ, biến áp kích thước nhỏ, chất lượng cao Nhược điểm Pecmaloi dễ vỡ, dễ biến dạng nên

Hình 1- 14 : Khoảng tần số làm việc của vật liệu từ thông dụng f(Hz) 10 102 103 104 105 106 107

đặc

đặc 16 mile

5 mile mile mile

TSHD, Ni (công suất, xung) TSHD, Ni (công suất, xung) TSHD (âm tần, tổn thất nhỏ)

TSHD, Ni (công suất) TS.Ni (âm tần)

TS (công suất)

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử cẩn thận sử dụng gia công chế tạo

b Vật liệu từ cứng:

Theo ứng dụng chia vật liệu từ cứng thành loại: - Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu

- Vật liệu từđể ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v Theo công nghệ chế tạo, chia vật liệu từ cứng thành:

- Hợp kim thép thành Martenxit vật liệu đơn giản rẻ để chế tạo nam châm vĩnh cửu

- Hợp kim từ cứng - Nam châm từ bột

- Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng tần số cao

- Băng, sợi kim loại không kim loại dùng để ghi âm

• Đặc điểm nam châm vĩnh cửu là:

Năng lượng từ cực đại bao quanh khơng gian xung quanh chất sắt từđược tính Oat (W):

d d d B H W

2

= (1 28)

như vậy, lượng bao quanh khơng gian chất sắt từđược tính theo cơng thức: B.H

W

=

Nam châm trạng thái khép kín khơng truyền lượng không gian xung quanh Khi tồn khe khơng khí cực xuất truyền lượng vào không gian xung quanh, trị số phụ thuộc nhiều vào chiều dài khe khơng khí

Các đặc tính nam châm vĩnh cửu đại lượng: - Lực kháng từ HC

- Độ cảm ứng từ dư Bdư

- Năng lượng cực đại bao quanh không gian quanh chất sắt từ Wd

- Độ từ thẩm vật liệu từ cứng nhỏ vật liệu từ mềm với tăng HC

thì độ từ thẩm giảm

Đại lượng H.B/ tỉ lệ với lượng cực đại từ trường bao quanh chất sắt từ

1.4.5 Thạch anh áp điện (SiO2)

Thạch anh tinh thể Si02 tự nhiên không màu, suốt, thường gọi pha lê tự nhiên;

hoặc thạch anh màu (thạch anh khói, thạch anh tím) Tinh thể thạch anh áp điện có thểđược gia cơng phương pháp nhân tạo, tính chất gần giống tính chất tinh thể tự nhiên

Thạch anh áp điện thường dùng làm dao động thạch anh có tần số dao động ổn định

Bộ cộng hưởng thạch anh: Bề mặt thạch anh mài bột mịn chúng đặt điện cực kim loại tạo cộng hưởng thạch anh

CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

Bộ cộng hưởng thạch anh cần có hệ số nhiệt tần số thấp không tạo cộng hưởng ký sinh theo hai hướng kể từ tần số cộng hưởng dải tần cho

Điện tích xuất hiệu ứng áp điện xác định công thức: Q = dij F (1 29)

trong đó: F - lực gây biến dạng

dij - môdun điện tương ứng với loại tinh thể TÓM TẮT NỘI DUNG

Trong chương trình bày định nghĩa cấu kiện điện tử cách khái quát, đưa số cách phân loại cấu kiện điện tử thông dụng Thông thường ta chia cấu kiện điện tử dựa theo ứng dụng cấu kiện điện tử thụ động cấu kiện điện tử tích cực Ngồi cịn phân loại theo lịch sử phát triển công nghệ chế tạo cấu kiện mà quen gọi cấu kiện điện tử chân khơng, cấu kiện điện tử có khí, cấu kiện điện tử

bán dẫn, vi mạch cấu kiện điện tử nanô

Trong chương cho khái quát chung cấu trúc mạch điện tử

và hệ thống điện tử Từđây hình dung tầm quan trọng cấu kiện điện tử vị trí sử dụng chúng thiết bịđiện tử

Vật liệu điện tử phần quan trọng chương Chúng ta nghiên cứu đặc tính vật lý điện loại vật liệu sử dụng lĩnh vực điện tử phân làm loại theo ứng dụng

Chất cách điện hay gọi chất điện môi loại dẫn điện kém, điện trở suất cao (10 7 ÷ 1017) Ωm Khi sử dụng chất cách điện ta phải ý đến tính chất kỹ thuật sau: Hằng số điện mơi ε, biểu thị khả phân cực chất điện môi; Độ bền điện Eđ.t

biểu thị khả chịu điện áp cao chất điện mội; Độ tổn hao điện mơi P (hay góc tổn hao điện mơi tgδ) biểu thị chi phí lượng điện vơ ích chất điện mơi có dịng điện chạy qua Tuỳ theo mục đích sử dụng mà ý đến tính chất đặc trưng cách tối ưu để lựa chọn vật liệu thích hợp

Trong sử dụng, chất cách điện chia làm loại vật liệu cách điện thụđộng chất cách điện tích cực Chất cách điện thụđộng thường dùng làm vật liệu cách điện làm tụđiện Cịn chất cách điện tích cực có số đặc tính cơ-điện đặc biệt biến thành điện (gốm xét nhét, muối xét nhét), tính áp điện ( muối xét nhét, gốm xét nhét, thạch anh áp

điện) Êlectret (cái châm điện)

Chất dẫn điện vật liệu dẫn điện tốt, thông thường thể rắn chúng kim loại hợp kim, cịn thể lỏng chúng kim loại nóng cháy dung dịch điện phân Khi sử dụng chất

CM

A B

Hình 1-5 Ký hiệu sơđồ mạch tương đương thạch anh mạch

R L C

CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung vật liệu điện tử dẫn điện phải ý đến tính chất sau nó: Điện dẫn suất hay điện trở suất (σ = 1/ρ); Hệ số nhiệt điện trở suất (α); Nhiệt dẫn suất (λ); Hiệu điện tiếp xúc Giới hạn bền kéo

Trong sử dụng, chất dẫn điện chia làm loại: chất dẫn điện có điện trở suất thấp, thường dùng làm dây dẫn điện nhưđồng ngun chất, nhơm ngun chất chất dẫn điện có

điện trở suất cao thường dùng làm điện trở, sợi nung nóng Tuỳ theo mục đích sử

dụng mà lựa chọn vật liệu có tính chất thích hợp

Chất bán dẫn vật liệu mà điện trở suất có giá trị giá trị chất cách

điện chất dẫn điện Trong kỹ thuật điện tử người ta sử dụng chất bán dẫn có cấu trúc mạng tinh thể, quan trọng chất silic gecmani Đặc tính dẫn điện quan trọng chất bán dẫn độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nồng độ tạp chất có Chất bán dẫn chia làm loại chính: chất bán dẫn (nguyên tính), chất bán dân tạp loại N chất bán dẫn tạp loại P Chất bán dẫn ngun tính có nồng độ hạt tải điện điện tử hạt tải điện lỗ trống (pi = ni); chất bán dẫn tạp loại P có hạt tải điện đa số lỗ trống,

hạt tải điện điện tử thiểu số (pp >> np); chất bán dẫn tạp loại N có hạt tải điện đa số điện

tử, hạt tải điện thiểu số lỗ trống (nn >> pn)

Chất bán dẫn quang vật liệu bán dẫn có cấu trúc điện tử đặc biệt để xạ

quang từ trình tái hợp hạt dẫn (biến đổi điện sang quang) hấp thụ quang để

tạo hạt dẫn điện (biến đổi quang sang điện)

Vật liệu từ là vật liệu có khả nhiễm từ đặt từ trường Khi sử dụng vật liệu từ phải ý tính chất từ tính sau: Độ từ thẩm tương đối (μr), Từ trở (RM)

Tổn hao từ trễ Ngồi cịn quan tâm đến tính chất đường cong từ hố vòng từ trễ vật liệu từ Người ta thường chia vật liệu từ làm loại: Vật liệu từ mềm, vật liệu từ

cứng vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt

Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ tổn hao từ trễ nhỏ Vật liệu từ cứng loại có độ từ thẩm thấp, lực kháng từ cao

Vật liệu từ có cơng dụng đặc biệt

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Hãy cho biết số cách phân loại cấu kiện điện tử thơng thường? Hãy cho biết tính chất vật lý-điện chất cách điện?

3 Em cho biết thông thường chất cách điện chia làm loại? Là loại phạm vi sử dụng loại?

4 Hãy cho biết tính chất vật lý-điện chất dẫn điện?

5 Dựa vào tính dẫn điện, chất dẫn điện phân chia thành loại? Là loại nào? Cho ví dụ nêu ứng dụng chúng?

6 Hãy cho biết yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện chất bán dẫn?

7 Tại chất bán dẫn thuần, nồng độ hạt tải điện điện tử hạt tải điện lỗ trống lại nhau?

8 Thế chất bán dẫn tạp loại N? Đặc điểm dẫn điện gì? Thế chất bán dẫn tạp loại P? Đặc điểm dẫn điện gì?

10.Chất bán dẫn quang điện tử có đặc điểm khác với chất bán dẫn thơng thường? 11.Nêu tính chất vật liệu từ?

CÊu kiƯn ®iƯn Giới thiệu chung vật liệu điện tử

độ hạt dẫn miếng bán dẫn nhiệt độ3000K

14.Hãy cho biết tính chất đặc biệt thạch anh áp điện ứng dụng nó? 15.Dựa vào cấu trúc vùng lượng vật chất, chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm là:

a EG > 2eV b 0eV < EG < 2eV c EG = 0eV d 3eV < EG < 6eV 16.Hãy điền vào chỗ trống mệnh đề nhóm từ đây:

“Độ bền vềđiện chất điện môi giá trị …… ngồi đặt lên chất điện mơi mà làm cho khả cách điện”

a dịng điện; b điện áp; c công suất điện; d cường độđiện trường 17.Độ từ thẩm tương đối vật liệu từ µr đại lượng…

a khơng thay đổi

b thay đổi theo cường độ từ trường H c thay đổi theo tần số làm việc

d thay đổi theo điều kiện môi trường nhiệt độ, ánh sáng, độẩm…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử” Trần Thị Cầm, Học viện Công nghệ

BCVT, năm 2002

CÊu kiÖn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng CHƯƠNG

CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương giới thiệu cấu kiện điện tử thụđộng Đó cấu kiện điện trở, tụđiện, cuộn cảm biến áp Đây cấu kiện thiếu mạch điện Chúng ln giữ vai trị quan trọng hầu hết mạch điện Các cấu kiện trình bày cách cụ thể từđịnh nghĩa, cấu tạo, ký hiệu sơđồ mạch, cách phân loại thông dụng, tham số cách nhận biết chúng thực tế Ngoài ra, chương cịn cho biết đặc tính số cấu kiện điện tử thụđộng đặc biệt, sử dụng lĩnh vực khác

NỘI DUNG

2.1 ĐIỆN TRỞ

2.1.1 Định nghĩa ký hiệu của điện trở a Định nghĩa:

Điện trở cấu kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện mạch Trị số điện trở xác định theo định luật Ôm:

R = U

I [Ω] ( 1) Trong đó: U – hiệu điện điện trở [V]

I - dòng điện chạy qua điện trở [A] R - điện trở [Ω]

Trên điện trở, dòng điện điện áp ln pha điện trở dẫn dịng điện chiều xoay chiều

b Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch điện

Trong sơ đồ mạch điện, điện trở thường mô tả theo qui ước tiêu chuẩn hình 2-1

c Cấu trúc điện trở:

R12 R159

Điện trở thường 0,25W 1W

0,5W 10W Điện trở công suất

Biến trở

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Cấu trúc điện trở có nhiều dạng khác Một cách tổng quát ta có cấu trúc tiêu biểu điện trở mô tả hình 2-2

Mũ chụp chân điện trở

Vỏ bọc Lõi Vật liệu cản điện

Hình 2.2: Kết cấu đơn giản điện trở

2.1.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở a Trị số điện trở dung sai

+ Trị số điện trở tham số tính theo cơng thức: R = ρ l

S ( 2)

Trong đó: ρ - điện trở suất vật liệu dây dẫn cản điện l- chiều dài dây dẫn

S - tiết diện dây dẫn

+ Dung sai hay sai số điện trở biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế

điện trở so với trị số danh định tính theo % Dung sai tính theo cơng thức:

% 100 R

R R

d d

d d t t −

Dựa vào % dung sai, ta chia điện trởở cấp xác: Cấp 005: có sai số± 0,5 %

Cấp 01: có sai số± % Cấp I: có sai số± % Cấp II: có sai số± 10 % Cấp III: có sai số± 20 %

b Công suất tiêu tán danh định: (Pt.tmax)

Công suất tiêu tán danh định cho phép điện trở Pt.t.max công suất điện cao mà

điện trở chịu đựng điều kiện bình thường, làm việc thời gian dài khơng bị hỏng Nếu mức điện trở nóng cháy không dùng

Pt.t.max = RI2max =

R

U2

max [W] (2.3)

Với yêu cầu đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường Ptt< Pttmax c Hệ số nhiệt điện trở : TCR

⎩ ⎨ ⎧

d d

t t R

R Trị số thực tế điện trở

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Hệ số nhiệt điện trở biểu thị thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ mơi trường tính theo công thức sau:

TCR = R

R T Δ

Δ 10

6 [ppm/ 0C] (2.4)

Trong đó: R- trị số điện trở

ΔR- lượng thay đổi trị sốđiện trở nhiệt độ thay đổi lượng ΔT

TCR trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu điện trở 1°C (viết tắt ppm/°C)

Lưu ý: Điện trở than làm việc ổn định nhiệt độ 200C Khi nhiệt độ tăng lớn 200C giảm nhỏ 200C điện trở than tăng trị số

2.1.3 Cách ghi đọc tham số thân điện trở

Trên thân điện trở thường ghi tham số đặc trưng cho điện trở như: trị số điện trở % dung sai, công suất tiêu tán (thường từ vài phần mười Watt trở lên) Người ta

ghi trực tiếp ghi theo nhiều qui ước khác

a Cách ghi trực tiếp:

Cách ghi trực tiếp cách ghi đầy đủ tham số đơn vịđo chúng Cách ghi thường dùng điện trở có kích thước tương đối lớn nhưđiện trở dây quấn

b Ghi theo qui ước

Cách ghi theo quy ước có nhiều quy ước khác ta xem xét số

cách quy ước thông dụng:

+ Khơng ghi đơn vị Ơm: Đây cách ghi đơn giản qui ước sau: R (hoặc E) = Ω M = MΩ K = KΩ

+ Quy ước theo mã: Mã gồm chữ số chữ để % dung sai Trong chữ

số chữ số cuối số số cần thêm vào Các chữ % dung sai qui ước gồm: F = %, G = %, J = %, K = 10 %, M = 20 %

+ Quy ước màu:

Thông thường người ta sử dụng vịng màu, đơi dùng vịng màu (đối với loại có dung sai nhỏ khoảng 1%)

Loại vòng màu qui ước:

- Hai vòng màu số có nghĩa thực

- Vịng màu thứ số số cần thêm vào (hay gọi số nhân) - Vòng màu thứ phần trăm dung sai (%)

Loại vạch màu qui ước:

- Ba vòng màu đầu số có nghĩa thực

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Bảng 2.1 : Bảng qui ước màu

Vạch màu thứ Vạch màu thứ Vạch màu thứ Vạch màu thứ

Màu Hàng chục Đơn vị Số nhân Dung sai

Đen 0 20%

Nâu 1 10 1%

Đỏ 2 100 2%

Cam 3 1000 -

Vàng 4 10000 -

Lục 5 100000 -

Lam 6 1000000 -

Tím 7 10000000

Xám 8 100000000

Trắng 9 1000000000

Vàng kim - - 0,1 5%

Bạch kim - - 0,01 10%

Không màu - - - 20%

Thứ tự vòng màu qui ước sau:

2.1.4 Phân loại ứng dụng của điện trở a Phân loại:

Phân loại điện trở có nhiều cách Thơng dụng phân chia điện trở thành hai loại: điện trở có trị số cốđịnh điện trở có trị số thay đổi (hay biến trở) Trong loại lại phân chia theo tiêu khác thành loại nhỏ sau:

Điện trở có trị số cốđịnh

Điện trở có trị số cốđịnh thường phân loại theo vật liệu cản điện như: + Điện trở than tổng hợp (than nén)

+ Điện trở than nhiệt giải than màng (màng than tinh thể)

+ Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr manganin, constantan) quấn ống gốm ceramic phủ bên lớp sứ bảo vệ

+ Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại điện trở miếng: Điện trở miếng thuộc thành phần vi điện tử Dạng điện trở miếng thông dụng in ráp mạch + Điện trở cermet (gốm kim loại)

Dựa vào ứng dụng điện trởđược phân loại liệt kê bảng 2.2

1

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Bảng 2.2: Các đặc tính điện trở cốđịnh tiêu biểu

Loại điện trở Trị số R Pt.t.max [w]

t0làmviệc 0C

TCR ppm/0C Chính xác

Dây quấn Màng kim Bán xác Oxyt kim loại Cermet Than màng Đa dụng Than tổng hợp Cơng suất Dây quấn Hình ống Bắt sườn máy Chính xác Màng kim loại Điện trở miếng (màng vi điện tử)

0,1Ω÷ 1,2M 10Ω÷ 5M 10Ω÷ 1,5M 10Ω÷ 1,5M 10Ω÷ 5M 2,7Ω÷ 100M 0,1Ω÷ 180K 1,0Ω÷ 3,8K 0,1Ω÷ 40K 20Ω÷ 2M

1Ω÷ 22M

1/8 ÷3/4 ở1250C

1/20÷ 1/2 ở1250C 1/4 ÷ 700C 1/20÷1/2 ở1250C 1/8 ÷ 700C 1/8 ÷ 700C ÷ 21 250C ÷ 30 250C ÷ 10 250C ÷1000 250C

-55÷+145 -55÷+125 -55÷+150 -55÷+175 -55÷+165 -55÷+130 -55÷+275 -55÷+275 -55÷+275 -55÷+225

-55÷+125

± 10

± 25

± 200

± 200

± 200;

± 510

±1500

± 200

± 50

± 20

±500

±25đến ± 200

Điện trở có trị số thay đổi (hay cịn gọi biến trở)

Biến trở có hai dạng Dạng kiểm sốt dịng cơng suất lớn dùng dây quấn Loại gặp mạch điện trở Dạng thường dùng chiết áp Cấu tạo biến trở so với điện trở cốđịnh chủ yếu có thêm kết cấu chạy gắn với trục xoay đểđiều chỉnh trị số

Điện trở dây quấn xác Điện trở màng

Điện trở oxit im loại Loại than tổng hợp Loại dây quấn công suất

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

điện trở Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) theo kiểu trượt (chiết áp trượt) Chiết áp có đầu ra, đầu ứng với trượt hai đầu ứng với hai đầu điện trở

Theo ứng dụng chia chiết áp thành loại chính: loại đa dụng, loại xác loại điều chuẩn

Ngồi đặc tính tương tự điện trở cốđịnh, chiết áp cịn có tham số riêng, luật điện trở Luật điện trở cho biết trị số điện trở thay đổi ta thay đổi góc xoay α chạy (hình 2-7)

b Ứng dụng:

Ứng dụng điện trở đa dạng: để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, dùng để phân cực, làm gánh mạch, chia áp, định số thời gian, v.v

c Một số điện trở đặc biệt Điện trở nhiệt: Tecmixto

Đây linh kiện bán dẫn có trị sốđiện trở thay đổi theo nhiệt độ Khi nhiệt độ bình thường tecmixto điện trở, nhiệt độ tăng cao điện trở giảm

R 100%

100%

α

Hình 2.7: Ba luật điện trở thông dụng chiết áp

Đường 1: tuyến tính

Đường 2: logarit - điều chỉnh âm sắc

Đường 3: hàm mũ - điều chỉnh âm lượng

2

3

Hình 2-5: Ký hiệu biến trở mạch Chân điện trở

Dây điện trở

Trục xoay Con trượt

Chân điện trở

α

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Hệ số nhiệt TCR điện trở nhiệt tecmixto có giá trị âm lớn Điện trở nhiệt thường

được dùng để ổn định nhiệt cho mạch thiết bị điện tử, để đo điều chỉnh nhiệt độ

trong cảm biến

Điện trở Varixto:

Đây linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi ta thay đổi điện áp đặt lên

Điện áp danh định đặc tính varixto dịng điện qua varixto có trị số

danh định

Ứng dụng: Varixto dùng để chia áp lưới điều khiển để ổn định điện áp Đồng thời, cịn mắc song song với cuộn biến áp quét dòng, quét mành đểổn định

điện áp cuộn lái tia điện tử

Điện trở Mêgơm: có trị sốđiện trở từ 108÷ 1015Ω (khoảng từ 100 MΩđến 1000000 GΩ)

Điện trở Mêgôm dùng thiết bịđo thử, mạch tế bào quang điện

Điện trở cao áp: Là điện trở chịu điện áp cao từ KV đến 20 KV Điện trở cao áp có trị số từ 2000 ÷ 1000 MΩ, cơng suất tiêu tán cho phép từ W đến 20 W Điện trở cao áp thường dùng làm gánh mạch cao áp, chia áp

Điện trở chuẩn: Là điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độổn định cao Thí dụ, vật liệu có thay đổi giá trịđiện trở khoảng 10 ppm/năm, TCR = ppm/0C

Tecmixto t0

Hình 2-8: Ký hiệu tecmixto sơđồ mạch

VDR

Hình 2-9: Ký hiệu varixto sơđồ mạch R (KΩ)

3000 200 100 20 10

0 ………… 40 60 U(v)

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Mạng điện trở: Mạng điện trở loại vi mạch tích hợp có hàng chân

2.2 TỤ ĐIỆN

2.2.1 Định nghĩa ký hiệu của tụđiện a Định nghĩa:

Tụđiện dụng cụ dùng để chứa điện tích Một tụđiện lý tưởng có điện tích cực tỉ

lệ thuận với hiệu điện thếđặt ngang qua theo cơng thức:

Q = C U [culông] (2 5) đó: Q - điện tích cực tụđiện [C]

U – hiệu điện thếđặt tụđiện[v] C - điện dung tụđiện[F]

d S U

Q

C= = εε0

b Ký hiệu tụ điện sơ đồ mạch:

c Cấu tạo tụ điện:

Cấu tạo tụ điện bao gồm lớp vật liệu cách điện nằm hai cực kim loại có diện tích S

2.2.2 Các tham số cơ bản của tụđiện

a Mạng điện trở: chân hàng b Sắp xếp điện trở bên RN

Hình 2-11: Cấu trúc mạng điện trở

+ +

Tụ thường Tụđiện giải Tụ có điện dung thay đổi

Hình 2-12: Các ký hiệu tụđiện

Bản cực

Chất điện môi Vỏ bọc Chân tụ

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

35 a Trị số dung lượng dung sai:

+ Trị số dung lượng (C):

Trị số dung lượng tỉ lệ với tỉ số diện tích hữu dụng cực S với khoảng cách cực Dung lượng tính theo cơng thức:

d S

C= εrε0 [F] (2.6) Trong đó: εr - sốđiện môi chất điện môi

ε0 - sốđiện mơi khơng khí hay chân khơng

S - diện tích hữu dụng cực [m2] d - khoảng cách cực [m] C - dung lượng tụđiện [F]

Đơn vịđo dung lượng theo hệ SI Farad [F], thông thường ta dùng ước số Farad

+ Dung sai tụđiện: Đây tham số độ xác trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định Dung sai tụđiện tính theo công thức :

% 100 C

C C

d d

d d t

t − (2 7)

Dung sai điện dung tính theo % Dung sai từ± 5% đến ± 20% bình thường cho hầu hết tụđiện có trị số nhỏ, tụđiện xác dung sai phải nhỏ (Cấp 01: 1%, Cấp 02: 2%)

b Điện áp làm việc:

Điện áp cực đại cung cấp cho tụđiện thường thể thuật ngữ "điện áp làm việc chiều"

Mỗi tụ điện có điện áp làm việc định, điện áp lớp cách

điện bịđánh thủng làm hỏng tụ

c Hệ số nhiệt:

Để đánh giá thay đổi trị số điện dung nhiệt độ thay đổi người ta dùng hệ số

nhiệt TCC tính theo công thức sau: 10 T C C

1 TCC

Δ Δ

= [ppm/0C] (2 8) Trong đó: ΔC - lượng tăng giảm điện dung nhiệt độ thay đổi

lượng ΔT

C - trị sốđiện dung tụđiện

TCC thường tính đơn vị phần triệu 1°C (viết tắt ppm/°C) đánh giá

thay đổi cực đại trị sốđiện dung theo nhiệt độ

2.2.3 Tụđiện cao tần mạch tương đương:

Sơđồ mạch tương đương tụđiện mơ tảở hình 2-14

Trong sơđồ: L - điện cảm đầu nối, dây dẫn (ở tần số thấp L ≈ 0)

RS - điện trở đầu nối, dây dẫn cực (RS thường nhỏ)

RP - điện trở rò chất cách điện vỏ bọc

RL, RS - điện trở rò chất cách điện

C - tụđiện lý tưởng

RP RL

L RS RS C

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

Trong hình "a" cho tụ bình thường; hình "b" cho tụ có điện trở rị lớn hình "c" cho tụ có điện trở rị thấp

Hình 2-14 “c” sơđồ tương đương tụđiện tần số cao Khi tụ làm việc tần số

cao ta phải ý đến tổn hao công suất tụđược thể qua hệ số tổn hao DF: %

100 X R DF

C S

= (2 9)

Trong đó: RS - trị số hiệu dụng nối tiếp tụđiện (điện trở cực, dây dẫn )

XC - dung kháng tụđiện

DF nhỏ tụđiện mát, tức phẩm chất cao Khi làm việc tần số

cao cần tụ có phẩm chất cao Hệ số phẩm chất tụđiện tính: DF

1

Q= (2 10)

Đối với tụ điện làm việc tần số cao tổn hao điện mơi tăng tỉ lệ với bình phương tần số:

Pa = U2ω2C2R (2 11)

Do đó, thực tế tụđiện làm việc tần số cao cần phải có điện trở cực, dây dẫn tiếp giáp nhỏ tiết thường tráng bạc

2.2.3 Các cách ghi đọc tham số thân tụđiện

Hai tham số quan trọng thường ghi thân tụđiện trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) điện áp làm việc

a Cách ghi trực tiếp:

Ghi trực tiếp cách ghi đầy đủ tham số đơn vị đo chúng Cách dùng cho loại tụđiện có kích thước lớn

b Cách ghi gián qui ước:

Cách ghi gián tiếp cách ghi theo quy ước Tụđiện có tham số ghi theo qui ước thường có kích thước nhỏ điện dung ghi theo đơn vị pF

Có nhiều qui ước khác quy ước mã, quy ước màu, v.v Sau ta

nêu số quy ước thông dụng:

+ Ghi theo qui ước số: Cách ghi thường gặp tụ Pơlystylen

Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: có nghĩa tử số giá trịđiện dung tính pF, tức 47 pF, mẫu số điện áp làm việc chiều, tức 630 Vdc

+ Quy ước theo mã: Giống nhưđiện trở, mã gồm chữ số trị sốđiện dung chữ

% dung sai

CÊu kiÖn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Tụ Tantan tụ điện giải thường ghi theo đơn vị μF điện áp làm việc cực tính rõ ràng

+ Ghi theo quy ước màu: Tụđiện giống nhưđiện trởđược ghi theo qui ước màu Qui ước màu có nhiều loại: có loại vạch màu, loại vạch màu Nhìn chung vạch màu qui

ước gần giống nhưởđiện trở

Bảng 2.3: Bảng qui ước mã màu tụđiện

Vạch Vạch Vạch Vạch Vạch Vạch Màu Số có

nghĩa

Số có nghĩa

Số nhân (PF) Tantan(μF)

UDC (V)

Tụ Tantan

Dung sai

≤10PF >10PF

Polyster

Đen 0

- 10

2PF ±20% - Nâu 1 10

10

100 -

0,1PF ±1% -

Đỏ 2 100 100

250 - ±2% 250w Cam 3 1K - - - ±2,5% - Vàng 4 10K - 400

6,3

- - - Lục 5 100K - -

16

0,5PF ±5% - Lam 6 - - 630

20

- - - Tím 7 - - -

-

- - - Xám 8 0,01

0,01

- 25

0.25PF - - Trắng 9 0,1

0,1

-

1PF ±10% - Hồng - - - - -

35

-

2.2.4 Phân loại ứng dụng

TCC

+ Tụ hình ống Tụ hình kẹo Tụ Tantan

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Có nhiều cách phân loại tụđiện, thông thường người ta phân tụđiện làm loại là: - Tụđiện có trị sốđiện dung cốđịnh

- Tụđiện có trị sốđiện dung thay đổi a Tụ điện có trị số điện dung cố định:

Tụ điện có trị số điện dung cố định thường gọi tên theo vật liệu chất điện môi công dụng chúng bảng 2.4

Bảng 2.4: Bảng phân loại tụđiện dựa theo vật liệu công dụng Loại tụ Điện dung U làm việc

(Vdc)

t0 làm việc + Chính xác:

Mi ca Thuỷ tinh Gốm

Màng Polystylen + Bán xác: Màng chất dẻo Màng chất dẻo- giấy (tráng kim loại) + Đa dụng: Gốm Li- K

Ta2O3 (nung dính, chất điện

giải rắn có cực tính) Màng dính ướt có cực Al2O3 khơ, có cực tính

+ Triệt - nuôi Giấy

Mi ca (hình khuy) Gốm

+ Thốt Giấy

1 ÷ 91000 PF ÷ 10000 PF ÷ 1100 PF 1000 ÷ 220000 PF 1000PF ÷ 10 μF 4700PF ÷ 10 μF

10 ÷ 100000 PF ÷ 580 PF 5,6PF ÷ 560 μF 150PF ÷120000 μF 10000 PF ÷ μF ÷ 2400 PF 100 ÷ 1500 PF 10000 ÷ 35000 PF

100 ÷ 2500 300 ÷ 500 150 ÷ 500 200 ÷ 600 30 ÷ 1000 50 ÷ 400

50 ÷ 200 10 ÷ 300 ÷ 85 ÷ 450 100 ÷ 600 ≈ 500 500 ÷ 1500 100 ÷ 500

-55 ÷ 125 -55 ÷ 125 -55 ÷ 85 -55 ÷ 85 -55 ÷ 125 -55 ÷ 125

-55 ÷ 125 -55 ÷ 125 -55 ÷ 125 -40 ÷ 85 -55 ÷ 125 -55 ÷ 125 -55 ÷ 125 -55 ÷ 85 + Tụ điện giải nhơm: (Thường gọi tụ hóa) Tính chất quan trọng tụđiện giải nhơm chúng có trị số điện dung lớn "hộp" nhỏ Giá trị tiêu chuẩn tụ

hóa nằm khoảng từ μF đến 100000 μF

Các tụ điện giải nhôm thông dụng thường làm việc với điện áp chiều lớn 400 Vdc, trường hợp này, điện dung khơng q 100 μF Ngồi điện áp làm việc thấp phân cực tụđiện giải nhơm cịn nhược điểm dòng rò tương đối lớn

+ Tụ tantan: (chất điện giải Tantan)

Đây loại tụđiện giải Tụ tantan, giống tụđiện giải nhơm, thường có giá trịđiện dung lớn khối lượng nhỏ

CÊu kiƯn ®iƯn tö Cấu kiện điện tử thụđộng b Tụ điện có trị số điện dung thay đổi

Tụ điện có trị số điện dung thay đổi loại tụ trình làm việc ta điều chỉnh thay đổi trị sốđiện dung chúng Tụ có trị số điện dung thay đổi có nhiều loại, thơng dụng loại đa dụng loại điều chuẩn

- Loại đa dụng gọi tụ xoay: Tụ xoay dùng làm tụđiều chỉnh thu sóng máy thu thanh, v.v Tụ xoay có ngăn nhiều ngăn Mỗi ngăn có động xen kẽ, đối với tĩnh, chế tạo từ nhôm Chất điện mơi khơng khí, mi ca, màng chất dẻo, gốm, v.v

- Tụ vi điều chỉnh (thường gọi tắt Trimcap)

Loại tụ có nhiều kiểu Chất điện môi dùng nhiều loại khơng khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Để thay đổi trị số điện dung ta dùng tuốc-nơ-vit để thay đổi vị trí hai động tĩnh

c Ứng dụng:

+ Tụđiện dùng để tạo phần tử dung kháng mạch Dung kháng Xcđược tính

theo công thức:

C fC

1

Xc

ω = π

= [Ω] (2 12)

Trong : f - tần số dòng điện (Hz)

+

Tụ giấy

+ Tụ gốm Tụ hóa + Tụ mica 22UF +

Tụ tantan

Tụ xoay

Tụ dầu

Trimcap

103

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng C - trị sốđiện dung tụđiện (F)

+ Do tụ khơng cho dịng điện chiều qua lại dẫn dòng điện xoay chiều nên tụ

thường dùng qua tín hiệu xoay chiều đồng thời ngăn cách dòng chiều mạch với mạch khác, gọi tụ liên lạc

+ Tụ dùng để triệt bỏ tín hiệu khơng cần thiết từ điểm mạch xuống đất gọi tụ

thoát

+ Tụ dùng làm phần tử dung kháng mạch cộng hưởng LC gọi tụ cộng hưởng + Tụ dùng mạch lọc gọi tụ lọc

+ Do có tính nạp điện phóng điện, tụ dùng để tạo mạch định giờ, mạch phát sóng cưa, mạch vi phân tích phân…

2.3 CUỘN CẢM (hay CUỘN DÂY) 2.3.1 Định nghĩa ký hiệu của cuộn cảm

a Định nghĩa:

Cuộn dây, gọi cuộn tự cảm, cấu kiện điện tử dùng để tạo thành phần cảm kháng mạch Cảm kháng cuộn dây xác định theo công thức:

XL = π f L = ω L (Ω) (2 13)

Trong đó: L – điện cảm cuộn dây (đo Henry), phụ thuộc vào hình dạng, số vòng dây, cách xếp, cách quấn dây

f - tần số dòng điện chạy qua cuộn dây (Hz)

Các cuộn dây cấu trúc để có giá trị độ cảm ứng xác định Ngay đoạn dây dẫn ngắn có cảm ứng Như vậy, cuộn dây cho qua dòng điện chiều ngăn cản dòng điện xoay chiều Đồng thời, cuộn dây dòng điện điện áp lệch pha 900

Cuộn dây gồm vòng dây dẫn điện quấn cốt chất cách điện, có lõi khơng có lõi tùy theo tần số làm việc

b Ký hiệu cuộn cảm sơ đồ mạch điện:

Trong mạch điện, cuộn cảm ký hiệu chữ L

2.3.2 Các tham số của cuộn cảm

a Điện cảm cuộn dây (L):

Điện cảm cuộn dây tính theo cơng thức (2.14): l

S N

L

0 rμ

μ

= (2 14)

Trong : S - tiết diện cuộn dây (m2) N - số vòng dây

l - chiều dài cuộn dây (m)

μr , μ0 - độ từ thẩm vật liệu lõi sắt từ khơng khí (H/ m) L L L

a- Cuộn dây lõi Ferit b- Cuộn dây lõi sắt từ c- Cuộn dây không lõi

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Qua biểu thức (2.14) ta thấy độ cảm ứng lớn có cuộn dây ngắn với tiết diện lớn có số vịng dây lớn

b Hệ số phẩm chất cuộn cảm (Q):

Một cuộn cảm thực có dịng điện chạy qua ln có tổn thất, cơng suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây Các tổn thất biểu thị điện trở RS nối tiếp với cảm

kháng XL cuộn dây Hệ số phẩm chất Q cuộn dây tỷ số cảm kháng XL điện

trở RS Trị số Q cao tổn thất nhỏ ngược lại

S L R X

Q= (2.15)

2.3.3 Cuộn cảm cao tần số sơđồ mạch tương đương

Cuộn dây thực có tần số làm việc bị giới hạn điện dung riêng Ở tần số

thấp, điện dung bỏ qua dung kháng lớn Nhưng tần sốđủ cao cuộn dây trở thành mạch cộng hưởng song song Tần số cộng hưởng mạch cộng hưởng song song gọi tần số cộng hưởng riêng cuộn dây f0 Nếu cuộn dây làm việc tần số cao

hơn tần số cộng hưởng riêng cuộn dây mang dung tính nhiều Do tần số làm việc cao cuộn dây phải thấp tần số cộng hưởng riêng

Tần số cộng hưởng riêng cuộn dây: LC

2 f0

Π

= [Hz] (2.16)

Trong đó: L - điện cảm cuộn dây [H] C - điện dung riêng cuộn dây [F]

Tần số làm việc cao cuộn dây phải nhỏ tần số f0

fmax < f0 2.3.4 Phân loại ứng dụng của cuộn cảm

Dựa theo ứng dụng mà cuộn cảm có số loại sau:

- Cuộn cộng hưởng cuộn dây dùng mạch cộng hưởng LC

L

XL RS

Hình -18: Sơđồ mạch tương đương cuộn dây xét đến tổn thất

CÊu kiƯn ®iƯn tö Cấu kiện điện tử thụđộng - Cuộn lọc cuộn dây dùng lọc chiều

- Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v

Dựa vào loại lõi cuộn dây, chia cuộn dây số loại sau Chúng ta xem xét cụ thể loại một:

a Cuộn dây lõi khơng khí hay cuộn dây khơng có lõi:

Cuộn dây lõi khơng khí có nhiều ứng dụng, thường gặp cuộn cộng hưởng làm việc tần số cao siêu cao

Các yêu cầu cuộn dây khơng lõi là: - Điện cảm phải ổn định tần số làm việc

- Hệ số phẩm chất cao tần số làm việc - Điện dung riêng nhỏ

- Hệ số nhiệt điện cảm thấp - Kích thước giá thành phải hợp lý

Để có độ ổn định cao, cuộn dây thường quấn ống cốt bền bìa sứ Để giảm điện dung riêng chia cuộn dây thành nhiều cuộn nhỏ nối tiếp

Dây đồng nói chung dùng đến tần số khoảng 50 MHz Ở tần số cao hơn, cuộn dây thường thay ống đồng dải đồng tự đỡ (thường mạ bạc để có điện dẫn xuất bề mặt cao) để tránh tổn thất ống quấn

Các cuộn dây thường tẩm dung dịch paraphin để chống ẩm, tăng độ bền học, cuộn dây dùng sợi nhỏ chập lại cuộn dây quấn theo kiểu "tổ ong" Ở

tần số Radio, cuộn thường bọc kim (đặt vỏ nhôm ) để tránh nhiễu điện từ không mong muốn

Muốn tăng điện cảm cuộn dây mà khơng cần tăng số vịng dây, người ta dùng lõi sắt từ

b Cuộn dây lõi sắt bụi:

Cuộn dây lõi sắt bụi thường dùng tần số cao trung tần Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt tổn thất dòng điện xoáy ngược, độ từ thẩm thấp nhiều so với loại lõi sắt

c Cuộn dây lõi Ferit:

Cuộn dây lõi Ferit cuộn dây làm việc tần số cao trung tần

Lõi Ferit có nhiều hình dạng khác như: thanh, ống, hình chữ E, chữ C, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v Trong hình (2-20) mơ tả số loại cuộn dây cao tần trung tần

Lõi cuộn dây chế tạo để điều chỉnh vào khỏi cuộn dây Như điện cảm cuộn dây thay đổi

Tuỳ thuộc vào độ dày sợi dây sử dụng vào kích thước vật lý cuộn dây, dịng

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

d Cuộn dây lõi sắt từ:

Lõi cuộn dây thường sắt - silic sắt silic hạt định hướng, sắt- niken tuỳ theo mục đích ứng dụng Đây cuộn dây làm việc tần số thấp Dây quấn dây đồng tráng men cách điện, quấn thành nhiều lớp có cách điện lớp tẩm chống ẩm sau quấn

Các cuộn chặn tần số thấp dùng chủ yếu để lọc bỏđiện áp gợn cho nguồn cung cấp chiều qua chỉnh lưu, làm tải anôt tầng khuếch đại dùng đèn điện tử ghép LC, ứng dụng chiều khác

Giá trị cảm ứng cuộn dây nằm khoảng từ 50 mH đến 20 H với dòng

điện chiều đến 10 A điện áp cách điện đến 1000 V

Ký hiệu lõi Ferit cuộn dây: Ký hiệu lõi cuộn dây qui định theo nước sản xuất

Qui ước vòng màu cho cuộn dây kích thước nhỏ Nhìn ước màu giống ởđiện trở

b Cuộn dâylõi không khí c Cuộn dây hình khn Ferit

ống dây

Cuộn dây Lõi nồi

Ferit

a Cuộn dây cao tần d Cuộn RF lõi e Cuộn dây màng lõi nồi Ferit khơng khí mỏng

Hình -20: Một số loại cuộn dây cao tần

Kẹp nhôm

Lõi sắt từ

Cuộn dây

Hình -21: Cuộn dây lọc nguồn tiêu chuẩn

CÊu kiÖn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

Qui ước:

- Vòng màu thứ 1: số có nghĩa thứ chấm thập phân - Vịng màu thứ 2: số có nghĩa thứ hai chấm thập phân - Vòng màu thứ 3: số cần thêm vào

- Vòng màu thứ 4: dung sai %

Trong trường hợp này, đơn vịđo điện cảm μH Thứ tự vòng màu ngược với điện trở

Bảng 2.5: Mô tả ký hiệu màu cho cuộn dây

Màu Giá trị số Dung sai

Đen Nâu

Đỏ

Cam Vàng Xanh Xanh lam Tím Xám Trắng Bạch kim Vàng kim

Khơng vạch màu

0 -

Chấm thập phân -

- - - - - - - - - - 10%

5% 20%

2.4 BIẾN ÁP

2.4.1 Định nghĩa ký hiệu sơđồ mạch a Định nghĩa:

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

b Ký hiệu biến áp sơ đồ mạch điện:

2.4.2 Các tham số kỹ thuật của biến áp a Hệ số ghép biến áp K:

Số lượng từ thông liên kết từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp định nghĩa hệ

số ghép biến áp K:

Thông thường hệ số ghép biến áp tính theo cơng thức: K = M

L L1 2 (2 17)

Lõi sắt

U2 Rt

Cuộn sơ cấp

Cuộn thứ cấp ~ U1 Từ thơng

Hình -23: Cấu tạo biến áp

a Biến áp âm tần b Biến áp nguồn lõi sắt biến áp tự ngẫu

c Biến áp cao tần không lõi d Biến áp lõi Ferit

e Biến áp trung tần

Hình -24: Các ký hiệu biến áp sơđồ mạch điện

K= Từ thông liên kết hai cuộn sơ cấp cuộn thứ

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Trong đó: M - hệ số hỗ cảm biến áp

L1 L2 - hệ số tự cảm cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp tương ứng

Khi K = trường hợp ghép lý tưởng, tồn số từ thông sinh cuộn sơ cấp

được qua cuộn thứ cấp ngược lại

Trên thực tế sử dụng, K ≈ gọi hai cuộn ghép chặt K<<1 gọi hai cuộn ghép lỏng

b Điện áp cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp:

Điện áp cảm ứng cuộn sơ cấp thứ cấp quan hệ với theo tỉ số: U U N N 2 =

Do U2 = U1 N

N

(2 18) Trong U1 - điện áp cảm ứng cuộn dây sơ cấp

N N

- Hệ số biến áp tỉ số số vòng dây cuộn thứ cấp cuộn sơ cấp Do nếu: N1 = N2 U1 = U2 ta có biến áp :

N2 > N1 U2 > U1 ta có biến áp tăng áp

N2 < N1 U2 < U1 ta có biến áp hạ áp c Dòng điện sơ cấp dòng điện thứ cấp:

Quan hệ dòng điện cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp theo tỉ số: I I U U N N 2 = =

Và dòng điện cuộn thứ cấp bằng: I2 = I1 N

N

(2 19)

Ta thấy tỉ số dòng điện cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp tỉ số nghịch đảo điện áp cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp, nên biến áp tăng áp biến áp hạ dòng ngược lại

d Hiệu suất biến áp:

Các biến áp thực có tổn thất nên người ta đưa thông số hiệu suất biến áp Hiệu suất biến áp tỉ số công suất cơng suất vào tính theo %:

η = P P

100% = P

P P

2 + ton that

100% (2 20)

P1 - công suất đưa vào cuộn sơ cấp

P2 - công suất thu cuộn thứ cấp

Ptổn thất - Công suất điện mát tổn thất lõi

tổn thất dây đồng

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng 2.4.3 Phân loại ứng dụng của biến áp

Biến áp thiết bị làm việc với dòng điện xoay chiều, cịn làm việc với tín hiệu xung gọi biến áp xung

Ngồi cơng dụng biến đổi điện áp, biến áp dùng để cách điện mạch với mạch trường hợp hai cuộn dây sơ cấp thứ cấp cách điện với dùng để biến đổi tổng trở trường hợp biến áp ghép chặt

Biến áp cao tần dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc dùng loại ghép lỏng, biến áp cao tần dùng để biến đổi tổng trở dùng loại ghép chặt

Biến áp ghép chặt lý tưởng có η≈ 100%, khơng có tổn thất lõi dây (K ≈ 1) Sau số loại biến áp thông dụng

a Biến áp cộng hưởng:

Đây biến áp cao tần (dùng trung tần cao tần) có lõi khơng khí sắt bụi ferit Các biến áp ghép lỏng có tụđiện mắc cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn Thông thường tần số cộng hưởng thay đổi cách điều chỉnh vị trí lõi bao lõi

Nếu dùng hai tụ điện mắc hai cuộn hai bên ta có cộng hưởng kép cộng hưởng lệch

Để mở rộng dải thông tần, ta dùng điện trở đệm mắc song song với mạch cộng hưởng Lúc độ chọn lọc tần số mạch

Thiết kế biến áp cộng hưởng phải xét đến mạch cụ thể, đặc tính linh kiện tích cực phải liên hệđến điện cảm rò điện dung phân tán cuộn dây

b Biến áp cấp điện (biến áp nguồn):

Là biến áp làm việc với tần số 50 Hz, 60 Hz Biến áp nguồn có nhiệm vụ biến đổi điện áp vào thành điện áp dòng điện theo yêu cầu ngăn cách thiết bị khỏi khỏi nguồn điện

Các biến áp thường ghi giới hạn Vôn- Ampe Các yêu cầu thiết kế biến áp cấp điện tốt là:

- Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dòng điện không tải xuống giá trị nhỏ - Hệ số ghép K cao đểđiện áp thứ cấp sụt có tải

- Tổn thất lõi thấp tốt - Kích thước biến áp nhỏ tốt

c Biến áp âm tần:

Biến áp âm tần biến áp thiết kếđể làm việc dải tần số âm khoảng từ 20 Hz đến 20000 Hz Do biến áp dùng để biến đổi điện áp mà khơng gây méo dạng sóng suốt dải tần số âm thanh, dùng để ngăn cách điện chiều mạch với mạch khác, để biến đổi tổng trở, đểđảo pha, v.v

Các yếu tốảnh hưởng đến biến áp âm tần cần ý: - Đáp ứng tần số:

Ở tần số thấp, công suất bị giới hạn chủ yếu điện cảm cuộn sơ cấp

Đáp ứng tần số phẳng khoảng tần số từ 100 Hz đến 10 KHz Ở khoảng này,

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng

Ở tần số đủ cao, mát lượng lõi sắt tăng đến mức điện áp bị giảm xuống Như tần số làm việc cao, ảnh hưởng điện cảm rò điện dung phân tán vòng dây cao

- Khả truyền tải cơng suất:

Để truyền tải công suất cực đại phải chấp nhận lượng méo dạng sóng

định Lượng méo tuỳ thuộc vào người thiết kế

Biến áp âm tần dùng lõi sắt từ lõi ferit, biến áp có ghi cơng suất (tuỳ

thuộc vào kích thước ), tổng trở cuộn sơ cấp tổng trở thứ cấp, loại có điểm Lõi biến áp âm tần thường có khe khơng khí để chống bão hòa từ dòng điện chiều gây

d Biến áp xung:

Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu loại cơng suất

Biến áp xung có u cầu dải thông tần khắt khe so với biến áp âm tần Để hoạt

động tốt tần số thấp (đỉnh đáy xung) tần số cao (sườn xung), biến áp xung cần phải có điện cảm sơ cấp lớn, đồng thời điện cảm rò nhỏ điện dung cuộn dây nhỏ

Để khắc phục yêu cầu đối kháng vật liệu lõi cần có độ từ thẩm cao kết cấu hình học cuộn dây thích hợp Vật liệu lõi biến áp xung chọn tùy thuộc vào dải tần hoạt động sắt từ ferit

e Biến áp nhiều đầu ra:

Biến áp nhiều đầu gồm có cuộn sơ cấp nhiều cuộn thứ cấp Điện áp cuộn phụ thuộc vào số vòng dây cuộn phụ thuộc vào điện áp cuộn sơ cấp số

vòng dây cuộn sơ cấp

U2

100Hz 1kHz 10kHz 20kHz f

Hình -25: Đặc tính tần số biến áp âm tần

Rt1 ~

Rt2

CÊu kiƯn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng Một điều quan trọng cần ý tổng điện áp tính tổng điện áp thứ

cấp cuộn thứ cấp nối ghép theo kiểu trợ giúp tất điện áp cuộn dây

đều pha

Nếu cuộn dây ghép nối theo kiểu ngược lại, cho điện áp ngược pha với điện áp khác phải lấy điện áp khác trừđi điện áp

TÓM TẮT NỘI DUNG

Cấu kiện điện tử thụđộng thơng dụng gồm có điện trở, tụđiện, cuộn cảm biến áp

Điện trở (R) coi phần tử thông dụng mạch điện tử Đây cấu kiện

được chế tạo từ chất dẫn điện có điện trở suất cao Trị số điện trởđược tính theo định luật Ơm Điện trở dẫn dòng chiều xoay chiều Các tham số kỹ thuật

điện trở là:

- Trị số điện trở dung sai: Trị số điện trởđo đơn vị Ơm (Ω), cho biết khả cản điện nhiều hay điện trở; Dung sai điện trở phần trăm (%) sai số cho phép điện trở so với giá trị danh định

- Cơng suất tiêu tán cho phép công suất điện cao mà điện trở chịu đựng được, trị số điện trở bị nóng, cháy hỏng Tham số thường ý

điện trở làm việc mạch điện có dịng điện lớn

- Hệ số nhiệt điện trở (TCR) biểu thị ảnh hưởng nhiệt độ lên trị số điện trở

thường tính theo đơn vị phần nghìn độ bách phân (ppm/oC)

Điện trở chế tạo ghi tham số cần thiết thân để người sử dụng đọc dễ dàng Có số cách ghi thơng dụng nhà sản xuất qui định ghi trực tiếp, ghi gián qui ước mã, qui ước màu

Tụ điện (C) cấu kiện điện tử dùng làm phần tử tích điện tích mạch Tụđiện ngăn cản dòng điện chiều dẫn dòng điện xoay chiều Dòng điện điện áp tụđiện lệch pha 90 độ Các tham số kỹ thuật tụđiện là:

- Trị sốđiện dung dung sai: Trị sốđiện dung biểu thị khả tích điện tụđiện

được đo đơn vị Farad (F) Tuy nhiên đơn vị lớn nên kỹ thuật thường dùng ước số Micrô Farad (μF), nanô Farad (nF), picô Farad (pF) Dung sai điện dung sai số cho phép tính theo phần trăm (%) so với giá trịđiện dung danh định tụđiện

- Điện áp làm việc cho phép (Vdc) trị số điện áp cao đo vôn mà tụ điện chịu

đựng được, giá trị tụđiện bị “đánh thủng”

- Hệ số nhiệt tụ điện (TCC) biểu thị ảnh hưởng nhiệt độ lên trị số điện dung tính phần triệu độ bách phân (ppm/oC)

Cuộn cảm (L) cấu kiện điện tử dùng để tạo thành phần cảm kháng mạch Cuộn cảm dẫn dòng điện chiều tần số thấp dễ dàng, dịng xoay chiều có tần số cao qua khó Cảm kháng cuộn cảm tính theo cơng thức: XL = 2ΠfL Dịng điện điện

áp cuộn cảm lệch pha 90 độ Khi sử dụng cuộn cảm phải ý đến tham số

kỹ thuật sau:

- Điện cảm cuộn dây ( L) đo henry (H) Điện cảm phụ thuộc vào kích thước cuộn dây, số vòng dây cách quấn dây, vào lõi cuộn dây

CÊu kiÖn ®iƯn tư Cấu kiện điện tử thụđộng - Tần số làm việc giới hạn (fg.h.) tần số cao mà cuộn dây làm việc bình thường,

vẫn đảm bảo tham số kỹ thuật cuộn dây Chúng ta xem xét số loại cuộn cảm thông dụng:

+ Cuộn cảm lõi, cuộn cảm làm việc tần số cao siêu cao nên yêu cầu điện dung riêng cuộn cảm phải nhỏ, hệ số phẩm chất cao chúng thường cuộn cộng hưởng

+ Cuộn cảm lõi fe-rit: cuộn cảm làm việc tần số cao trung tần chúng thường cuộn cộng hưởng Cuộn cảm lõi fe rit điều chỉnh điện cảm có nhiều hình dạng khác

+ Cuộn cảm lõi sắt từ: cuộn cảm làm việc tần số thấp, thường cuộn chặn cao tần, cuộn lọc nguồn

Biến áp cấu kiện dùng để biến đổi điện áp nhờ vào tượng hỗ cảm cuộn dây

đặt gần Cấu tạo biến áp gồm có cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp có

đầu vào thường đấu với nguồn điện áp cần biến đổi, cuộn thứ cấp thường có đầu đấu với tải tiêu thụ Khi sử dụng biến áp cần ý tham số kỹ thuật chúng - Tỉ số điện áp cuôn thứ cấp cuộn sơ cấp: U2/U1 = N2/N1, N1 N2 số

vòng dây cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp, tương ứng

- Tỉ số dòng điện thứ cấp dòng điện sơ cấp: I2/I1 = N1/N2

- Tỉ số trở kháng vào trở kháng ra: Z2/Z1 = N1/N2

- Hệ số ghép biến áp K

Biến áp có nhiều loại, thơng thường phân chia theo mục đích sử dụng biến áp cộng hưởng, biến áp nguồn, biến áp âm tần biến áp xung Biến áp cộng hưởng làm việc tần số

cao trung tần, thường loại khơng có lõi lõi fe-rit Biến áp cộng hưởng dùng để biến

đổi tổng trở thuộc loại ghép chặt, cịn dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc thuộc loại ghép lỏng Biến áp nguồn dùng để biến đổi điện áp tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz) Biến áp nguồn thường dùng lõi sắt từ loại ghép chặt Biến áp âm tần làm việc dải tần số âm nên yêu cầu vềđáp ứng tần số phải tốt suốt dải tần công tác Biến áp xung loại biến áp làm việc chếđộ tín hiệu xung nên yêu cầu vềđáp ứng tần số cao biến áp âm tần phải làm việc tốt tần số cao nhưở tần số thấp Biến áp âm tần có lõi sắt từ

hoặc fe-rit tuỳ theo yêu cầu mạch điện

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Hãy cho biết tham số điện trở?

2 Trình bày cách phân loại điện trở nêu ứng dụng chúng? Cho biết tham số tụđiện?

4 Nêu cách phân loại tụđiện, cho vài ví dụ

5 Định nghĩa cuộn cảm nêu tham số

6 Trình bày vềđặc điểm cuộn cảm lõi khơng khí phạm vi sử dụng chúng? Trình bày đặc điểm cuộn cảm lõi fe-rit ứng dụng chúng?

8 Hãy cho biết đặc tính cuộn cảm lõi sắt từ ứng dụng? Nêu định nghĩa, cấu trúc tham số biến áp?

10 Trình bày biến áp cộng hưởng?

CÊu kiƯn ®iƯn tö Cấu kiện điện tử thụđộng 13 Dựa vào % dung sai, điện trởđược phân chia làm…

a loại; b loại; c loại; d loại 14 Cấu trúc biến trở khác với điện trở cốđịnh chủ yếu … a vỏ bọc lõi b vật liệu cản điện

c số chân cấu kiện d có thêm chạy đểđiều chỉnh trị sốđiện trở 15 Biến áp âm tần thiết kếđể làm việc dải tần số…

a từ 0Hz đến 20.000Hz; b từ 20KHz đến 1MHz c từ 20Hz đến 20.000Hz; d từ 6MHz đến 1GHz

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

CHƯƠNG ĐIỐT BÁN DẪN GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương trình bày tính chất vật lý điện lớp tiếp xúc P-N Lớp tiếp xúc P-N phận cấu kiện bán dẫn Lớp tiếp xúc P-N bao gồm ion âm dương cốđịnh, chúng khơng dẫn điện nên lớp tiếp xúc P-N cịn gọi lớp điện tích khơng gian hay lớp nghèo hạt dẫn Trong chương trình bày tính chất dẫn điện lớp tiếp xúc P-N phân cực thuận phân cực ngược Cũng chương giới thiệu cấu kiện bán dẫn có lớp tiếp xúc P-N điốt bán dẫn Điốt bán dẫn có nguyên lý dẫn điện chiều ta nghiên cứu đặc tuyến vơn-ampe nó, tham số tĩnh điốt chếđộđộng Ngồi chương cịn giới thiệu số loại điơt thơng dụng

NỘI DUNG

3.1 LỚP TIẾP XÚC P-N

3.1.1 Sự tạo thành lớp tiếp xúc P-N tính chất điện

Nếu miếng bán dẫn đơn tinh thể (bán dẫn ngun tính), phương pháp cơng nghệ, ta tạo hai vùng có chất dẫn điện khác nhau: vùng bán dẫn tạp loại P vùng bán dẫn tạp loại N Như vậy, ranh giới tiếp xúc hai vùng bán dẫn P N xuất lớp có đặc tính vật lý khác hẳn với hai vùng bán dẫn P N, gọi lớp tiếp xúc P-N Trong lớp tiếp xúc P-N bao gồm hai khối điện tích trái dấu ion âm bên phía bán dẫn P ion dương bên phía bán dẫn N Đây ion cốđịnh,không dẫn điện, vậy, lớp tiếp xúc P-N gọi vùng điện tích khơng gian hay vùng nghèo hạt dẫn Độ dày lớp khoảng 10-4 cm = 10-6 m = micron

Hình 3.1 mơ tả tính chất điện tiếp xúc P-N Trong lớp tiếp xúc tồn điện trường tiếp xúc hay điện trường khuếch tán (Hình 3-1c) có cường độ E tính tích phân mật độđiện tích ρ (trong hình 3-1b) Điện trường tiếp xúc có chiều tác dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P

Sự thay đổi điện tĩnh vùng điện tích khơng gian hình (3-1d) Đó hàng rào ngăn cản khuếch tán lỗ trống qua lớp tiếp xúc

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

3.1.2 Điều kiện cân bằng động của lớp tiếp xúc P-N

Khi dòng điện hạt dẫn chuyển động khuếch tán hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N có giá trị ta nói tiếp xúc P-N trạng thái cân động, Do dòng điện ngược chiều nên chúng triệt tiêu lẫn dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc P-N khơng Lúc lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu RP/N, cường độđiện trường tiếp xúc ký hiệu E0 (hay gọi hàng rào năng)

tương ứng với có hiệu điện tiếp xúc ký hiệu V0 Các đại lượng ta tính qua Hình - 1 : Đồ thị tiếp xúc P-N gồm:

a- cấu trúc tiếp P-N ; b- mật độđiện tích c- cường độđiện trường

d, e- hàng rào tiếp xúc P-N

0,5 cm 0,5 cm

Vùng điện tích khơng gian

V =

V0

khoảng cách từ tiếp xúc P-N

khoảng cách từ tiếp xúc P-N Phía N

E = E0 - - - -+ -+ -+ -+ + + + + + + + + + + + + -+ -+ + + + + + +

Ion nhận

Lỗ trống

Ion cho

Điện tử tự

BD loại P BD loại N a/

b/ Mật độđiện tích ρ

e dX V d 2 ρ − = (e=2,73)

10-4cm

+ - c/ Cường độđiện

trường tiếp xúc E

∫ρ = − = dX e dX dV E

d/ Điện tĩnh V hàng rào lỗ trống

e/ Hàng rào điện tử

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn công thức Do lớp tiếp xúc P-N vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở lớn nhiều điện trở hai vùng bán dẫn P N (RP/N >>RN RP)

Điều kiện cân giúp ta tính độ cao hàng rào V0 phụ thuộc

vào nồng độ tạp chất cho tạp chất nhận Giá trị V0 khoảng từ vài phần mười vơn

Theo hình (3- 2) ta thấy mức lượng Fecmi hai phần bán dẫn P N nằm đường thẳng Mức lượng E0 - điện tử hay hàng rào điện tử

ở tiếp xúc P-N trạng thái cân là:

E0 = ECp - ECn = EVp - EVn (3 1)

Hiệu điện tiếp xúc V0ở tiếp xúc P-N trạng thái cân nhiệt động tính

theo cơng thức sau:

D A

0 n p T

i N N V V V V ln

n

= − = (3 2)

Tương ứng với V0 ta có cường độ điện trường tiếp xúc trạng thái cân nhiệt động

E0 là:

E0 = KT lnN N n D A

i

2 (3 3)

Trong E0đo [eV], V0đo [V]

Ngoài ra, hiệu điện tiếp xúc E0 cịn tính theo công thức sau:

E0 = KT lnP

P P0 n0

= KT lnn n n0 P0

(3 4)

Chỉ số công thức để biểu thị nồng độ hạt dẫn tính ởđiều kiện cân nhiệt động

3.1.3 Lớp tiếp xúc P-N phân cực thuận Ei

Hình - 2: Đồ thị vùng lượng tiếp xúc P-N hở mạch (trạng thái cân bằng)

Phác họa minh họa cho hình 3-1e biểu thị điện tử Bề rộng vùng cấm EG [eV]

Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N Tiếp xúc P-N

ECP Vùng dẫn Vùng dẫn

EVP

E0

EVn

Vùng hóa trị Vùng hóa trị Ei

EF

ECn

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn Tiếp xúc P-N phân cực thuận ta đặt nguồn điện áp bên lên lớp tiếp xúc P-N có chiều cực dương nối vào bán dẫn loại P cực âm nối vào bán dẫn N

Chiều tác dụng điện trường ngược lại với chiều tác dụng điện trường tiếp xúc lớp tiếp xúc P-N nên lúc lớp tiếp xúc P-N khơng cịn trạng thái cân động Điện trường lớp tiếp xúc giảm xuống, hàng rào giảm xuống lượng điện trường ngoài:

ET.X = E0 - Engoài (3 5)

Do phần lớn hạt dẫn đa số dễ dàng khuếch tán qua tiếp xúc P-N, kết dòng điện qua tiếp xúc P-N tăng lên Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc P-N phân cực thuận gọi dịng điện thuận Ith

Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc P-N phân cực thuận mạnh, hiệu điện tiếp xúc giảm, hàng rào thấp xuống, đồng thời điện trở lớp tiếp xúc giảm, bề dày lớp tiếp xúc giảm, hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc P-N nhiều nên dịng điện thuận tăng tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp

Khi điện áp thuận có giá trị xấp xỉ với V0, dòng điện chạy qua tiếp xúc P-N thực sẽđược

khống chế điện trở thuận tiếp xúc kim loại điện trở khối tinh thể Do đặc tuyến Vôn-Ampe gần giống đường thẳng

3.1.4 Lớp tiếp xúc P-N phân cực ngược

Lớp tiếp xúc P-N phân cực ngược ta đặt nguồn điện áp cho cực dương nối với phần bán dẫn N, cực âm nối với phần bán dẫn P Khi điện áp ngồi tạo điện trường chiều với điện trường tiếp xúc E0, làm cho điện trường

trong lớp tiếp xúc tăng lên:

ET.X = E0 + Engoài (3 6)

Tức hàng rào cao Các hạt dẫn đa số khó khuếch tán qua vùng điện tích khơng gian, làm cho dịng điện khuếch tán qua tiếp xúc P-N giảm xuống so với trạng thái cân

Hình - 3: Tiếp xúc P – N phân cực thuận đồ thị dải lượng Vngồi -

+ - -

- -

+ + + +

P N

E0

Engoài

ECp

Ei

EF

EVp

E0-Engoài

ECn

EF

Ei

EVn

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

Đồng thời, điện trường lớp tiếp xúc tăng lên thúc đẩy q trình chuyển động trơi hạt dẫn thiểu số tạo nên dịng điện trơi có chiều từ bán dẫn N sang bán dẫn P gọi dòng điện ngược Ingược

Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện tiếp xúc tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số có nên dịng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa gọi dòng điện ngược bão hịa I0 có giá trị nhỏ khoảng

từ vài nA đến vài chục µA

Dịng điện qua tiếp xúc P-N: a Dòng điện thuận:

Khi tiếp xúc P-N phân cực thuận, qua có dịng điện thuận Đó dịng điện hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc P-N Ta có:

Nồng độ Pn

Phần bán dẫn N Pn(0)

Các điện tích "phun" vào Pn(0)

Pn(x)

Pno

x=0 x khoảng cách x Tiếp xúc P-N

Hình - 5: Nồng độ lỗ trống bán dẫn N

tiếp xúc P-N phân cực thuận (Pn(0) >> Pno

Hình - 4: Tiếp xúc P – N phân cực ngược đồ thị dải lượng Vngồi +

- - - +

- -

- -

- -

+ + +

+ +

+ +

P N

E0

Engoài

ECp

Ei

EF

EVp

E0+Engoài

ECn

EF

Ei

cÊu kiƯn ®iƯn tö Điốt bán dẫn

+ Dòng điện lỗ trống IPn(0) qua tiếp xúc P-N phía bán dẫn N (khi x = 0)

IPn(0) =

S.q D P

L e

P no P

V VT − ⎛ ⎝⎜

⎞ ⎠⎟

1 (3 7) Trong đó: IPn(0) - dòng điện lỗ trống khuếch tán qua tiếp xúc P-N

S - diện tích mặt tiếp xúc q - điện tích điện tử

DP - Hệ số khuếch tán lỗ trống

LP - Độ dài khuếch tán lỗ trống

Pno - Nồng độ hạt dẫn lỗ trống bên bán dẫn N

V - Điện áp phân cực thuận VT - Điện nhiệt (VT = KT

q

T 11600

= ) e - số tự nhiên (= 2,73)

Ởđó Pno(e V

VT - 1) = P

n(0) gọi mật độ lỗ trống "phun" vào phía bán dẫn N

+ Dòng điện điện tử Inp(0) khuếch tán qua tiếp xúc P-N vào phía bán dẫn P là:

Inp(0) =

S.q.D n

L e

n po n

V VT − ⎛ ⎝

⎜⎜ (3 ⎞⎠⎟⎟ 8)

Dòng điện qua tiếp xúc P-N tổng thành phần dòng điện IPn(0) Inp(0), ta

có:

I = IPn(0) + Inp(0) = I0( e V

VT −1) (3 9)

Trong I0 gọi dịng điện ngược bão hịa có biểu thức:

I0 = S.q.D P

L S.q.D n L P no P n po n

+ (3 10)

b Dòng điện ngược bão hòa:

Thay giá trị Pno = Pn npo = np ta có cơng thức tính dịng điện I0 :

I0 = S.q D L N

D L N n P P D n n A i + ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠

⎟ (3 11)

Trong đó:

ni2 = A0 T3 e A T e -E KT -V V Go G0 T =

Ởđây có VGo điện áp có đại lượng với EGo (năng lượng vùng cấm 00K)

Do phụ thuộc vào nhiệt độ dòng I0 là:

I0 = K1 T2 e V V G0 T − (3 12) K1 hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ, dòng điện tổng tính gần là:

I = I0 (eVT V

− ) (3 13)

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

Đặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N biểu diễn mối quan hệ dòng điện chạy qua tiếp xúc điện áp đặt lên tiếp xúc:

I = f(Vngồi)

Dịng điện liên quan với điện áp theo công thức (3.13): I = I0 (eVT

V − )

VT -điện nhiệt bán dẫn Ở nhiệt độ phịng VT=0,026V= 26mV

Dạng đặc tuyến Vơn-Ampe tiếp xúc P-N mơ tảở hình (3-6):

Kết luận:

Qua đặc tuyến Vơn-Ampe dịng điện thuận đo mA, dòng điện ngược đo μA Điều cho thấy tiếp xúc P-N dẫn điện chiều tiếp xúc P-N phân cực thuận:

Ithuận >> Ingược = - I0 ( I0≈0)

và gọi hiệu ứng chỉnh lưu

3.2 ĐIỐT BÁN DẪN

3.2.1 Cấu tạo của điôt ký hiệu sơđồ mạch điện

Điốt bán dẫn cấu kiện gồm có lớp tiếp xúc P-N hai chân cực anốt (ký hiệu A) catốt (ký hiệu K) Anốt nối tới bán dẫn P, catốt nối với bán dẫn N bọc vỏ bảo vệ kim loại nhựa tổng hợp

Ithuận (mA)

I0

+Vngồi

Ingược (μA)

Hình - 6: Đặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N lý tưởng

A P N K A K Lớp tiếp xúc P-N

a/ Cấu tạo b/ Ký hiệu

cÊu kiƯn ®iƯn tö Điốt bán dẫn 3.2.2 Nguyên lý hoạt động của điôt

Hoạt động điốt dựa tính dẫn điện chiều tiếp xúc P-N Hình 3-8 mơ tả sơđồ ngun lý đấu điốt

Khi đưa điện áp ngồi có cực dương vào anốt, âm vào catốt (UAK > 0) điốt dẫn điện

và mạch có dịng điện chạy qua lúc tiếp xúc P-N phân cực thuận

Khi điện áp có cực âm đưa vào anốt, cực dương đưa vào catốt (UAK < 0) điốt

khóa tiếp xúc P-N phân cực ngược, dòng điện ngược nhỏ (I0≈ 0) chạy qua 3.2.3 Đặc tuyến vôn-ampe của điốt bán dẫn

Đặc tuyến vôn- ampe điốt biểu thị mối quan hệ dòng điện qua điốt với điện áp đặt hai chân cực anốt catốt (UAK) Đây đặc tuyến vơn-ampe lớp tiếp xúc

P-N, dòng điện chạy qua điơt tính theo cơng thức sau: I = I0 ( T

AK

V U e - 1)

Hình 3- mơ tảđặc tuyến Vơn-Ampe điốt thực Ta thấy: Phần thuận đặc tuyến (khi UAK > 0):

+

I

UAK R

-

Hình - 8: Sơđồ ngun lý điơt

Hình - 9: Đặc tuyến V-A điốt bán dẫn Ithuận (mA)

Ith.max

Uđ.t 0,1Ith.max

-

μA

+UAK

cÊu kiÖn ®iƯn tư Điốt bán dẫn Khi điốt phân cức thuận dịng điện thuận tăng nhanh Ta phải ý đến giá trị dòng điện thuận cực đại Ithuận max, điôt không làm việc với dòng điện cao trị số

này

Khi UAK >0 trị số nhỏ dịng điện thuận nhỏ nên ốt chưa coi phân

cực thuận Chỉ điện áp thuận UAK ≥ UD ốt tính phân cực thuận điốt

mới dẫn điện Điện áp UDđược gọi điện áp thuận ngưỡng điôt Khi UAK = UD dịng

điện thuận có trị số khoảng 0,1Ith.max UAK > UD dịng điện thuận tăng nhanh

tăng gần tuyến tính với điện áp UD có giá trị (0,1 ÷ 0,3)V điốt gecmani

bằng (0,4 ÷ 0,8)V điốt silic Phần ngược đặc tuyến Vôn-Ampe:

Khi ⎜UAK⎜lớn vài lần VT dịng điện ngược có giá trị I0 giữ nguyên giá trị

này Khi UAK < tăng lên đến trị số Uđ.t dịng điện tăng vọt, ta gọi tượng đánh

thủng tiếp xúc P-N Hiện tượng đánh thủng tiếp xúc P-N làm khả chỉnh lưu điôt thơng thường làm hỏng điốt, trừđiơt Zener điôt sử dụng tượng đánh thủng đểổn định điện áp Điện áp điểm đánh thủng ta gọi điện áp đánh thủng ký hiệu Uđ.t

Có hai tượng đánh thủng:

- Đánh thủng vềđiện (đường 1) - Đánh thủng nhiệt (đường 2)

+ Đánh thủng nhiệt xảy tác động nhiệt Hiện tượng đánh thủng nhiệt thường xảy điôt gecmani Lúc đôi điện tử lỗ trống sinh tác dụng nhiệt làm cho dòng điện tăng lên cịn sụt áp điơt giảm

+ Đánh thủng điện hay xảy điôt silic có ý nghĩa thực tế Hiện tượng đánh thủng vềđiện thường xảy theo chế sau:

- Đánh thủng đường hầm: sựđánh thủng xảy giá trịđiện trường gọi giá trị tới hạn Et.h đặt lên tiếp xúc P-N Điều kiện để xảy tượng đánh thủng

đường hầm là:

⎜E⎜max = Et.h

Thông thường Et.h = 3.107 V/m điôt gecmani Et.h = 8.107 V/m điôt silic

- Đánh thủng thác lũ: sự ion hóa nguyên tử mạng tinh thể va chạm với hạt tải điện mang lượng lớn

Điện áp đánh thủng: Tuỳ theo vật liệu mà điện áp đánh thủng từ vài vơn đến hàng chục ngàn vôn

3.2.4 Các tham số tĩnh của điôt

Để đánh giá, lựa chọn sử dụng điôt phải biết tham số kỹ thuật Các tham số điôt:

a Điện trở một chiều hay gọi điện trở tĩnh: R0

Là điện trở điôt làm việc chếđộ nguồn chiều chếđộ tĩnh R0 = U

I [ Ω] (3.14)

Điện trở chiều R0 nghịch đảo góc nghiêng đặc tuyến Vơn-Ampe

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

Thông thường, tính dẫn điện chiều điơt nên R0thuận << R0ngược b Điện trởđộng Ri :

Là tham số quan trọng Ri tỉ lệ với cotang góc nghiêng đường tiếp tuyến với

đặc tuyến Vôn-Ampe điểm làm việc tĩnh M điôt (cotg θ2) Ri =

dI dU

[Ω] (3 15) Do tính dẫn điện chiều nên I >> I0 ⎜

T V

U ⎜

>>1, đó: Ri =

I VT

(3 16) Ta thấy điểm làm việc R0 > Ri (vì có góc θ2 > θ1)

c Điện dung của điôt: Cd (hay điện dung tiếp xúc P- N)

Điện dung tiếp xúc P- N gồm có thành phần điện dung rào (ký hiệu C0)

điện dung khuếch tán (ký hiệu Ck.t.) Ta có:

Cd = C0 + Ck.t (3 17)

+ Điện dung rào C0 :

Sự tăng điện tích đặt điện áp ngược lên tiếp xúc P-N gọi hiệu ứng điện dung Độ gia tăng điện dung là:

C0 = ⎜ dU dQ ⎜

(3 18)

Trong dQ gia tăng điện tích sư thay đổi dU điện áp

Tham số C0 trị số cốđịnh, phụ thuộc vào trị sốđiện áp ngược đặt

vào tiếp xúc P-N xác định theo cơng thức (3.18)

Ngồi ra, mật độđiện tích hàm bề dày lớp tiếp xúc, điện dung C0

tính theo cơng thức:

C0 = ε εr 0S

d (3 19)

Trong S : diện tích mặt tiếp xúc

I (mA)

I M

θ1 θ2

U UAK (V)

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn d : bề dày lớp tiếp xúc

εr : sốđiện môi tương đối chất bán dẫn

ε0 : độ thẩm thấu điện khơng khí

Khi tăng điện áp ngược, bề dày lớp tiếp xúc tăng nên trị số C0 giảm xuống

+ Điện dung khuếch tán: Ck.t

Điện dung khuếch tán xuất có tượng khuếch tán xảy Do điốt phân cực thuận Ck.t >> C0 , cịn điốt phân cực ngược Ck.t = Cd = C0

Đối với ốt bán dẫn, điện dung tiếp xúc P-N gây nhiều ảnh hưởng xấu cho điốt làm việc tần số cao Do đó, đểđảm bảo cho điốt làm việc cao tần siêu cao tần trị sốđiện dung phải nhỏ điốt phải điốt tiếp điểm để diện tích mặt tiếp xúc nhỏ tần số làm việc giới hạn khoảng 300 ÷ 600 MHz, có loại tới hàng chục GHz

d Điện áp ngược cực đại cho phép: Ungược max

Là giá trị điện áp ngược lớn đặt lên điơt mà làm việc bình thường Thơng thường trị số chọn khoảng 0,8Uđ.t [V]; Điện áp ngược cực đại Ung ma xđược

xác định kết cấu điốt nằm khoảng vài vơn đến 10 ngànVôn

e Khoảng nhiệt độ làm việc:

Là khoảng nhiệt độđảm bảo điơt làm việc bình thường Tham số quan hệ với công suất tiêu tán cho phép điôt

Pttmax = ImaxUAKmax (3 20)

Khoảng nhiệt độ làm việc điôt gecmani khoảng từ - 600C đến +850C , cho điôt silic khoảng từ - 600C đến +1500C

3.2.5 Sự phụ thuộc của đặc tuyến Vôn-Ampe vào nhiệt độ

Như cơng thức tính dịng điện qua tiếp xúc P-N: I = I0 (eVT

U − )

Ta thấy phụ thuộc dịng điện vào nhiệt độ thơng qua tham sốđiện nhiệt VT dòng

điện ngược bão hòa I0 Dòng điện ngược bão hòa phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức

viết gần là:

I0 = K Tm T G0

V V

-e (3 21)

Trong K - số

VGo - lượng vùng cấm đo Jun

Qua thực nghiệm người ta thấy rằng, hai loại điôt Ge Si, dòng điện ngược bão hòa tăng xấp xỉ gấp lần tăng nhiệt độ lên 100C

Để cho dịng điện khơng đổi nhiệt độ thay đổi điện áp đặt lên điốt phải giảm với tốc độ là:

dT dU

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

63

Trong điều kiện điơt làm việc nhiệt độ phịng điện áp ngưỡng UD=0,2V cho điôt Ge

và UD = 0,6 V cho điôt Si 3.2.6 Chếđộđộng của điôt

Khi điôt làm việc chế độ tín hiệu biến đổi ta gọi chế độ động điơt Đối với điơt có sơđồ tương đương phân cực thuận phân cực ngược

Sơđồ tương đương vật lý điôt bán dẫn:

Điôt coi mạng hai cực sơđồ tương đương mơ tả hình 3-11 Trong hình có:

RS - điện trở nối tiếp,là điện trở tiếp xúc kim loại, chân cực hai phần bán dẫn N

P

CP - điện dung song song, điện dung chân cực hai phần bán dẫn N P

LS - điện cảm nối tiếp, điện cảm chân cực điôt

RP/N - điện trở tiếp xúc P – N

C0 - điện dung rào tiếp xúc P – N

Ck.t - điện dung khuếch tán tiếp xúc P – N

I0 – nguồn dòng

3.2.6.1 Các sơđồ tương đương điôt phân cực thuận a Sơđồ một khóa điện tửở trạng thái đóng:

Khi phân cực thuận, điện áp phân cực UD = 0,6V cho điôt Si, UD = 0,2V cho điôt Ge

là nhỏ so với điện áp khác nên bỏ qua Điốt lúc coi ngắn mạch

I I I

A K A K U = UD VD≈

U

Hình - 11: Sơđồ tương đương vật lý tổng quát điôt bán dẫn I0

>>

A RS RP/N LS K

C0

CP Ck.t

cÊu kiƯn ®iƯn tö Điốt bán dẫn

64

b Sơđồ một nguồn áp lý tưởng:

Sơđồ với nguồn điện áp VD = 0,6V điôt Si VD = 0,2V điôt

Ge

c Sơđồ một nguồn điện áp thực:

Trong trường hợp điôt coi nguồn điện áp thực gồm có nguồn điện áp nội trở Ri

Ri =

M T

M I

V qI

KT dI

dV = =

(3 22)

d Sơđồ một điện trở Ri ở chếđộ tín hiệu nhỏ tần số thấp:

Ở chếđộ điôt coi phần tử tuyến tính I I + -

A K A K UD = 0,6V

U = UD UD = 0,6V UAK

Hình -13: Điơt nguồn điện áp lý tưởng

I

I A Ri K IM M

A K

U = UD UD

UD UM UAK

Hình -14: Điôt nguồn điện áp thực

E/R K

e ~

R IM+i

A K A

M T i

I V

R =

I

M M2

i

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

65

Chếđộđộng chếđộđiôt làm việc với nguồn xoay chiều e

Ở chế độ động điểm làm việc M nằm đoạn thẳng M1M2, điôt coi

một phần tử tuyến tính (điện trở Ri) xung quanh điểm M ta sử dụng định luật Ơm

sau:

u = Ri i = Ri e

R + Ri (3 23)

e Sơđồ tương đương ở chếđộ tín hiệu nhỏ tần số cao:

Ở chếđộ điôt coi điện trở thuận Ri mắc song song với điện dung

khuếch tán Ck.t

Điện dung Ck.t xuất khoảng thời gian τ khoảng thời gian lệch pha i

u Điện dung Ck.t.được xác định:

Ck.t = τ

Ri

trong τ có giá trị khoảng vài ns đến μs

3.2.6.2 Sơđồ tương đương của điôt phân cực ngược a Sơđồ một khóa ở trạng thái hở:

i = S

A K A K

i = I i E/R

A K M2 (t=0)

IM M t

M1

A Ri K

UAK

Ck,t, UM

u t

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

b Sơđồ một nguồn dòng lý tưởng:

c Sơđồ một điện dung chuyển tiếp ở chếđộ tín hiệu nhỏ:

Ct.x - Đây điện dung có trị số biến thiên với biến thiên điện áp ngược đặt

lên theo qui luật:

Ct.x = C V

0 nguoc n

1 Với n = ÷

So với điện dung thuận Ck.t điện dung Ct.x nhỏ từ 100 đến 1000 lần 3.2.7 Ứng dụng phân loại điôt

Có nhiều cách phân loại điốt: dựa vào vật liệu chế tạo, vào ứng dụng, vào công nghệ chế tạo, v.v có loại điốt tiếp mặt, điốt tiếp điểm, điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp, điốt tách sóng, điốt âm tần, điốt cao tần, v.v Sau ta nói đến số loại điốt thường sử dụng

a Điốt chỉnh lưu:

Điốt chỉnh lưu sử dụng tính dẫn điện chiều để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành chiều

Đặc tính điốt chỉnh lưu đại lượng dòng điện thuận cực đại Imax cho phép xác

định dòng chỉnh lưu cực đại điện áp ngược tối đa cho phép Ung.Max xác định điện áp

chỉnh lưu lớn Thông thường ta chọn trị số điện áp ngược cho phép Ung.Max = 0,8 Uđ.t

Ct.x

A K A K Ungược Ungược

Hình -19: Điơt tụđiện

Hình -18: Điơt nguồn dịng lý tưởng i = -I0 i = -I0

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

Hiện điốt chỉnh lưu phổ biến điốt Silic có nhiệt độ làm việc cao Điốt chỉnh lưu Gemani dùng cho chỉnh lưu cơng suất nhỏ Dịng điện chỉnh lưu điện áp ngược cho phép phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường nên điốt công suất thường gắn tỏa nhiệt

Hình 3-20: Giới thiệu số mạch chỉnh lưu

Điốt chỉnh lưu Gecmani: Là điốt chế tạo từ chất bán dẫn Ge

Điốt chỉnh lưu gecmani có dịng điện ngược bão hịa nhỏ khoảng vài trăm micrôampe Điện áp ngược tối đa cho phép không vượt 400 V Đặc tuyến phần ngược có đoạn bão hịa tượng đánh thủng xẩy thường đánh thủng nhiệt nên đặc tuyến có đoạn điện trở âm

Nhiệt độ làm việc giới hạn điốt chỉnh lưu Ge 75°C Các điốt chỉnh lưu Ge công suất lớn thường phải dùng phương pháp tỏa nhiệt tốt

Điện dung điốt lớn (hàng chục pF) nên điốt Ge thường dùng tần số thấp Điốt chỉnh lưu Silic: Là điốt chế tạo từ chất bán dẫn Si

Phần ngược đặc tuyến V-A điốt Si khơng có đoạn bão hịa rõ rệt Điện áp ngược tối đa cho phép cao nhiều so với điốt Ge chưa bị đánh thủng làm việc ổn định Nhiệt độ làm việc giới hạn điốt Silic 125°C

Điốt Silic có điện áp đánh thủng lên tới 2500 V tượng đánh thủng vềđiện chủ yếu

Điốt chỉnh lưu đa tinh thể

Là loại điốt dùng rộng rãi Thông thường điốt lắp ghép sẵn theo sơđồ định tạo thành cột chỉnh lưu

Điốt chỉnh lưu đa tinh thể thường gặp điốt Sêlen, điốt ôxit đồng

b Điốt ổn áp (Zêne):

Hình -20 : a Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ dạng điện áp tải b Mạch chỉnh lưu toàn sóng (cả chu kỳ) dạng điện tải a/ D U~

U~ Rt t

b/ UR

D3 D1

U~

t D2 D4 Rt UR

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn Người ta sử dụng chế độ đánh thủng điện chuyển tiếp P-N để ổn định điện áp Điện áp đánh thủng điốt phụ thuộc vào bề dày lớp tiếp xúc P-N, nghĩa phụ thuộc vào nồng độ tạp chất đưa vào bán dẫn

Trong hình -21a mạch ổn áp dùng điốt Zêne: E0 - điện áp chiều cần ổn định

r - điện trở hạn chếđể hạn chế dòng điện mạch D - điốt ổn áp

Rt - tải tiêu thụđiện áp ổn áp

Độổn áp mạch tính theo công thức:

ΔUôđ = ΔE

1 + r R

r R

t i

+

Các tham số chủ yếu điốt ổn áp - Điện áp ổn định Uô.đ = Uđánh thủng

- Điện trở Ri = Δ Δ

U

I (Ri nhỏ chất lượng ổn định cao) - Imin - trị số dòng điện điểm mà tượng đánh thủng ổn định

- Imax - trị số dòng điện cực đại qua điốt xác định công suất tiêu tán cực đại

điốt (nếu I > Imaxđiốt bị cháy) b Điốt xung:

Ở chếđộ xung, điốt sử dụng khóa điện tử gồm có hai trạng thái: "dẫn" điện trở điốt nhỏ "khóa" điện trở lớn

Điốt xung có thơng số sau:

- Giá trị dịng điện thuận dòng điện ngược: giá trị dòng điện thuận cực đại điôt làm việc chếđộ xung lớn chếđộ liên tục nhiều

- Thời gian ổn định điện áp thuận t0: khoảng thời gian kể từ thời điểm cấp xung dương vào

điốt đạt giá trị 1,1 lần giá trịđiện áp thuận ổn định

- Thời gian phục hồi khả ngắt : khoảng thời gian kể từ thời điểm điốt dẫn dòng

điện ngược dòng ngược đạt giá trị 0,1 lần giá trị dòng ngược cực đại Theo trị số người ta chia điốt xung làm loại chính:

+ Loại tốc độ cao có : < 10 nsec

Hình -21: Mạch điện ổn áp đặc tuyến V-A I I0

Uô.đ.±ΔUô.đ Uô.đ

UAK

Id IR Imin

E0 ±ΔE0 D R

Pttmax Imax

a/ b/

r

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

69

+ Loại tốc độ trung bình có : 10 nsec < < 100 nsec

+ Loại tốc độ thấp có : > 100 nsec d Đi ốt Sốtky (Schottky)

Các điốt xung có loại điốt hợp kim, điốt mêza, điốt Sơtky Trong điốt Sốtky dùng rộng rãi Điốt Sốtky sử dụng tiếp xúc bán dẫn - kim loại Thời gian phục hồi chức ngắt điốt Sốtky có thểđạt tới 100psec Điện áp phân cực thuận cho điôt Sôtky khoảng UD = 0,4V, tần số làm việc cao đến 100 GHz

Ký hiệu điôt Sotky sơđồ mạch điện:

e Điốt biến dung (varicap):

Là loại điốt bán dẫn sử dụng tụ điện có trị sốđiện dung điều khiển điện áp

Nguyên lý làm việc điốt biến dung dựa vào phụ thuộc điện dung rào tiếp xúc P-N với điện áp ngược đặt vào

Trị số điện dung cực đại điốt biến dung phụ thuộc vào loại điốt có trị số vào khoảng từ (5 ÷ 300) pF

Varicap thường dùng mạch dao động cần điều khiển tần số cộng hưởng điện áp lĩnh vực siêu cao tần

f Điốt tunen (hay điốt xuyên hầm):

Điốt chế tạo từ chất bán dẫn có nồng độ tạp chất cao, thơng thường n = (1019÷

1023)/cm3

Loại điốt có khả dẫn điện chiều thuận chiều ngược

Hiệu ứng tunen tượng hạt dẫn chuyển động qua tiếp xúc P-N mà không bị tổn hao lượng

Ký hiệu điôt tunen đặc tuyến Vôn-Ampe K

A

C (PF) A K

a/

- +UAK

b/

Hình -22: a- Ký hiệu điôt biến dung sơđồ mạch b- Sự phụ thuộc điện dung chuyển tiếp P-N theo điện áp ngược đặt lên

I (mA) IMax A

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn

Đặc tuyến V-A điốt tunen phần thuận có đoạn điện trở âm AB Người ta sử dụng đoạn đặc tuyến AB để tạo mạch dao động phóng nạp Điốt tunen có kích thước nhỏ, độ ổn định cao tần số làm việc lên tới hàng nghìn MHz

g. Điốt cao tần:

Các điốt cao tần thường loại điốt tiếp điểm thường dùng để xử lý tín hiệu cao tần như:

Điốt tách sóng dùng để tách tín hiệu tần thấp từ dao động điều biên Điốt trộn sóng dùng để thay đổi tần số sóng mang dao động điều biên

Điốt điều biến dùng để điều biến dao động cao tần (sóng mang) theo tín hiệu âm tần

TÓM TẮT NỘI DUNG

Trong chương trình bày hình thành lớp tiếp xúc P-N, tính chất đặc biệt vềđiện lớp tiếp xúc P-N quan trọng tính dẫn điện chiều nó: tiếp

Hình -24: a- Mạch tách sóng AM; b- tín hiệu âm tần

và sóng mang q trình tách sóng

Sóng mang A K

t IC i R

C L1 L2 C Tín hiệu

âm tần

a/ t UT.B

t

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn xúc P-N phân cực thuận dẫn điện Dịng điện chạy qua tiếp xúc P-N tạo nên hai loại hạt dẫn hạt dẫn điện tử hạt dẫn lỗ trống

I = IPn(0) + Inp(0) = I0(e V VT −1)

Trong Ipn(0) Inp(0) dịng điện lỗ trống dòng điện điện tử, tương ứng, qua

tiếp xúc P-N; I0 dòng điện ngược bão hịa; V – trị sốđiện áp ngồi đặt lên tiếp xúc P-N

VT điện nhiệt bán dẫn (ở nhiệt độ phòng VT≈ 0,026V)

Đặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N biểu diễn mối quan hệ dòng điện chay qua tiếp xúc điện áp ngồi đặt lên Qua thấy rằng: dòng điện tiếp xúc P-N phân cực thuận lớn nhiều lần dòng điện tiếp xúc phân cực ngược Thực tế, dòng điện ngược I0 nhỏ khoảng từ vài nA bán dẫn silic đến vài chục µA

bán dẫn gecmany, nên coi I0≈

Trong chương nghiên cứu vềđiốt bán dẫn Đây cấu kiện bán dẫn có lớp tiếp xúc P-N Nguyên lý hoạt động điốt dựa vào tính dẫn điện chiều tiếp xúc P-N: điốt dẫn điện phân cực thuận (UAK>0)

Đặc tuyến Vôn-Ampe đi-ốt giống nhưđặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N, đặc tuyến Vôn-Ampe cấu kiện thực tế nên có số điểm cần lưu ý Về phần thuận đặc tuyến, ta thấy UAK≥UD đi-ốt tính phân cực thuận

Trong UD gọi điện áp thuận ngưỡng: đi-ốt gecmany UD = 0,1V ÷ 0,3V; đ

i-ốt silic UD = 0,4V ÷0,8V Ngồi ra, dịng điện thuận tăng nhanh, gần tuyến tính, với điện

áp đặt lên ốt nên ta phải ý giá trị dòng điện thuận cực đại Đây giá trị lớn cho phép ốt làm việc, giá trị đioots bị nóng hỏng Về phần ngược, dịng điện ngược gần không thay đổi tăng điện áp ngược đặt lên ốt Nhưng điện áp ngược đạt giá trị Uđ.t (gọi điện áp đánh thủng) ốt tính chỉnh lưu – khả dẫn điện

chiều, dịng điện ngược tăng vọt tượng đánh thủng ốt Hiện tượng đánh thủng dẫn đến làm hỏng ốt trừđi ốt zener sử dụng chếđộđánh thủng đểổn định điện áp

Khi sử dụng ốt ta phải dựa vào tham số tĩnh để lựa chọn Các tham số tĩnh ốt gồm có:

+ Điện trởđộng Ri điện trở ốt thành phần xoay chiều tín hiệu

+ Điện dung ốt Cd điện dung tiếp xúc P-N

+ Điện áp ngược cho phép + Dòng điện thuận cực đại + Khoảng nhiệt độ làm việc

Một điều quan trọng sử dụng cấu kiện bán dẫn ta phải ý đến sựảnh hưởng nhiệt độ lên hoạt động ốt Sựảnh hưởng nhiệt độ lên hoạt động ốt thông qua phụ thuộc dòng điện ngược bão hòa vào nhiệt độ theo hàm mũ diện nhiệt chất bán dãn chịu ảnh hưởng nhiệt độ Theo tính tốn gần giá trị dịng điện ngược tăng gấp lần tăng nhiệt độ lên 10 C 0

Chương giới thiệu chế độ động ốt, khả sử dụng ốt mạch điện tử số loại ốt bán dẫn thông dụng Chúng ta nghiên cứu sơ đồ mạch tương dương ốt chế độ làm việc động Ngoài phần cuối chương giới thiệu số mạch ứng dụng ốt thực tế

cÊu kiƯn ®iƯn tư Điốt bán dẫn Hãy nêu tham số tiếp xúc P-N trạng thái cân bằng?

2 Trình bày tượng vật lý xảy tiếp xúc P-N phân cực thuận phân cực ngược?

3 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động điốt bán dẫn? Hãy giải thích vềđặc tuyến Vơn-Ampe điốt bán dẫn? Nêu tham số tĩnh điốt bán dẫn?

6 Trình bày chếđộđộng ốt bán dẫn?

7 Trình bày đặc tính điốt xung cho biết ý nghĩa vật lý tham số thời gian phục hồi chức ngắt điốt (tp)?

8 Hãy tính độ cao hàng rào điốt silic phân cực thuận nhiệt độ 1000C? (biết 250Cđiốt được phân cực 0,7V)

9 Trong tiếp xúc P-N, nồng độ tạp chất hai phần bán dẫn P N là:

18

10 −

= cm

NA N =1015cm−3

A

a.Hãy tính nồng độ hạt dẫn thiểu số biên lớp nghèo hạt dẫn phân cực U=0,52V b Tính tỉ số dịng điện trơi điện tử lỗ trống bên vùng N Giả thiết tiếp xúc P-N làm việc nhiệt độ phòng ni = 1,5.1010cm−3

10 Điền vào chỗ trống mệnh đề nhóm từ sau: “Lớp tiếp xúc P-N … phân cực thuận”

a dẫn điện; b không dẫn điện; c tụđiện; d điện trở

11 Dòng điện qua lớp tiếp xúc P-N liên quan với điện áp ngồi đặt lên theo cơng thức sau: a I = I0(eUng/VT −1); b I = I0(eUng/VT +1); c I = I0( )

2 /

1

− T ng V

U

e ; d I = I0( )

2 /

1

+ T ng V

U

e

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”- Trần Thị Cầm Học viện công nghệ BCVT, năm 2002

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) CHƯƠNG

TRANZITO LƯỠNG CỰC (BJT) GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương giới thiệu tranzito lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor – BJT) Đây cấu kiện bán dẫn quan trọng có lớp tiếp xúc P-N chân điện cực Trong chương

trình bày nguyên lý hoạt động tranzito lưỡng cực chếđộ cấp điện phân cực cho chếđộ tích cực, chếđộ ngắt chếđộ bão hịa Chương trình bày cách mắc tranzito lưỡng cực sơđồ mạch khuếch đại cách mắc cực gốc chung, cực phát chung cực góp chung, đặc điểm cách mắc Trong chương đề cập đến phương pháp phân cực cho tranzito phân cực dòng cực gốc, phân cực phân áp phân cực hối tiếp Đồng thời chương trình bày sơ đồ tương

đương tranzito chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ trình bày chế độ chuyển mạch tranzito

NỘI DUNG

4.1 CẤU TẠO VÀ KÝ HIỆU CỦA BJT TRONG SƠ ĐỒ MẠCH 4.1.1 Cấu tạo của BJT loại P-N-P N-P-N

Tranzito lưỡng cực gồm có hai tiếp xúc P-N tạo nên miền bán dẫn loại P N xếp xen kẽ Nếu miền bán dẫn bán dẫn loại N ta có tranzito lưỡng cực loại P-N-P Nếu miền bán dẫn bán dẫn loại P ta có tranzito lưỡng cực loại N-P-N

Tranzito có chân cực là:

- Cực Phát ký hiệu chữ E (Emitter) nguồn phát hạt tải điện tranzito - Cực Gốc ký hiệu chữ B (Base) cực điều khiển dòng điện

TE TC TE TC

E C E C P N P N P N

B B C C B B

E E

a- Tranzito loại P-N-P b- Tranzito loại N-P-N

Hình - 1 : a Tranzito lưỡng cực loại P-N-P (hay tranzito thuận) cấu tạo ký hiệu sơđồ mạch

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) - Cực Góp ký hiệu chữ C (Collector) có nhiệm vụ thu nhận tất hạt dẫn từ phần phát

E qua phần gốc B tới

- Hai tiếp xúc P-N tiếp xúc phát-gốc ký hiệu TE (gọi tắt tiếp xúc phát), tiếp xúc

góp-gốc ký hiệu TC (gọi tắt tiếp xúc góp) 4.1.2 Nguyên lý làm việc của tranzito

Khi chưa cung cấp điện áp lên chân cực tranzito hai tiếp xúc phát TE

góp TCđều trạng thái cân dịng điện tổng chạy qua chân cực tranzito

Muốn cho tranzito làm việc ta phải cung cấp cho chân cực điện áp chiều thích hợp Có ba chế độ làm việc tranzito là: chế độ tích cực (hay chế độ khuếch

đại), chếđộ ngắt chếđộ dẫn bão hòa Cả hai loại tranzito P-N-P N-P-N có nguyên lý làm việc giống nhau, có chiều nguồn điện cung cấp vào chân cực ngược dấu + Chế độ ngắt: Cung cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược Tranzito có điện trở lớn có dịng điện nhỏ chạy qua nên tranzito coi không dẫn

điện

+ Chế độ dẫn bão hòa: Cung cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực thuận Tranzito có điện trở nhỏ dịng điện qua lớn

Ở chế độ ngắt chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc phần tử tuyến tính mạch điện Ở chế độ tranzito khóa điện tử sử dụng mạch xung, mạch số

+ Chếđộ tích cực: Ta cấp nguồn điện cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận, tiếp xúc góp

TC phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tranzito làm việc với q trình biến đổi tín hiệu dịng điện, điện áp, hay cơng suất có khả tạo dao động, khuếch đại tín hiệu, Đây chế độ thơng dụng tranzito mạch điện tử tương tự

4.2 CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA TRANZITO BJT 4.2.1 Chếđộ tích cực (hay chếđộ khuếch đại):

+ Nguyên lý hoạt động:

Ở chế độ tích cực ta phải cung cấp nguồn điện chiều lên chân cực cho tiếp xúc phát TE phân cực thuận tiếp xúc góp TC phân cực ngược (xem hình 4-2 a,b,c,d)

Ví dụ: Ta xét nguyên lý làm việc tranzito loại P-N-P tranzito loại N-P-N suy dựa vào nguyên lý hoạt động tranzito loại P-N-P

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Khi tiếp xúc phát phân cực thuận, hạt dẫn đa số lỗ trống khuếch tán từ phần phát sang phần gốc, điện tử từ phần gốc khuếch tán sang phần phát tạo nên dòng điện cực phát IE, ta có:

IE = IEn + IEp (4 1)

Trong đó: IEn - thành phần dòng điện điện tử cực phát

IEp - thành phần dòng điện lỗ trống cực phát

Các hạt dẫn gặp tái hợp Đểđảm bảo nồng độ lỗ trống phát lớn, người ta chế tạo phần phát có nồng độ tạp chất lớn nhiều so với phần gốc Như ta có:

IEp >> IEn

Ở người ta đưa tham số gọi hiệu suất cực phát, ký hiệu γ tính theo cơng thức sau:

995 , 98 , I I I I I En Ep Ep E

Ep ≈ ÷

+ = =

γ (4 2)

Tham số

E Ep I I

=

γ có lỗ trống (hay điện tử) chuyển dời từ cực phát E sang cực gốc B

Các lỗ trống khuếch tán sang phần gốc, phần nhỏ tái hợp với điện tử, phần lớn chúng tiếp tục khuếch tán qua phần gốc phía tiếp xúc góp Đến tiếp xúc góp, lỗ

TE TC TE TC

E P N P C N P N

E C B B

EE EC EE EC

a/ b/

V0+UCB

V0-UEB

P

P N P N P

ECp EVp ECp EVp EVp ECp V0 V=0

Phát Gốc Góp UCB

UEB

c/ d/

Hình - 2:a b: Chiều nguồn điện cung cấp cho chân cực tranzito loại P-N-P nvaf N-P-N để làm việc chếđộ tích cực

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) trống chuyển động trơi qua lớp tiếp xúc tạo nên dịng điện cực góp ICp Đồng thời, qua

tiếp xúc góp cịn có dịng điện ngược ICBo (cịn gọi dịng điện rị) Nên ta có cơng thức tính

dịng điện cực góp tổng là:

IC = ICp + ICBo (4 3)

Để số lỗ trống bị tái hợp phần gốc, ta chế tạo phần gốc thật mỏng cho bề dày WB << LPn - độ dài khuếch tán Ở người ta đưa tham số gọi hệ số chuyển dời

dòng điện IE ký hiệu β* Tham số số lỗ trống đến cực góp mà khơng bị tái

hợp phần gốc

+ Hệ số chuyển dời β*được xác định:

Do đó, trường hợp tranzito loại P-N-P ta có:

β* = 0,98 0,995

I I

Ep

Cp = ÷

(4 4)

+ Hệ số khuếch đại dòng điện cực phát α hay gọi hệ số truyền đạt dịng điện cực phát được tính theo cơng thức sau:

γ β

α *

E Ep Ep Cp E Cp

I I I I I I

= =

= (4 5)

α có giá trị khoảng 0,90 ÷ 0,995

Dịng điện tượng tái hợp lớp tiếp xúc phát phần gốc trừđi dịng

điện ngược tiếp xúc góp gọi dòng điện cực gốc (IB):

IB = IEp - ICp - ICBo

Quan hệ thành phần dòng điện tranzito là: IC = αIE + ICBo

IB = (1 - α)IE - ICBo (4 6)

IE = IC + IB

4.2.2 Chếđộ ngắt:

Ở chế độ này, ta cung cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược nên điện trở tranzito lớn qua có dịng điện ngược nhỏ tiếp xúc góp ICBo Do dịng điện ngược tiếp xúc phát IEBo nhỏ nhiều so với ICBo nên mạch cực

*

β = Dòng điện hạt dẫn trích vào đến tiếp xúc TC

Dịng điện hạt dẫn trích vào tiếp xúc TE

UCE

IE IE IC IC E + - C

E C IE IC

ICBo IB

UEB UCB

IB B - +

B

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) E coi hở Dịng điện mạch cực gốc B có giá trị dòng ICBo ngược dấu (IB =−ICBo) Ta có sơđồ mạch tương đương đây:

Trong nhiều trường hợp, chếđộ ngắt trazito sử dụng mà không cần nguồn điện áp cực B E (EB) mơ tảở hình 4-5

Như vậy, hai trường hợp hình 4-5, điện áp cực góp cực phát UCE

sẽđược xác định:

UCE = EC - RC.ICEo≈ EC

và UCE = EC - RC.ICEs≈ EC (4 7) 4.2.3 Chếđộ dẫn bão hòa:

Ở chế độ ta cung cấp nguồn điện chiều cho hai tiếp xúc P- N phân cực thuận (hình 4-6) Điện trở hai tiếp xúc TE TC nhỏ nên coi hai cực phát E

và cực góp C nối tắt Dịng điện qua tranzito IC lớn khơng phụ thuộc vào hoạt động tranzito Như vậy, điện áp cực góp cực phát ln xấp xỉ (UCE ≈ 0),

còn dòng điện chạy qua tranzito tính bằng:

C C CS

R E

I =

Sơđồ mạch tương đương chếđộ bão hịa mơ tả hình (4-6b) Thực tế điện áp UCE khoảng 0,2V÷0,4V

Như vậy, hai chế độ ngắt chế độ dẫn bão hòa, tranzito làm việc chuyển mạch điện tử Khóa đóng tranzito dẫn bão hịa, khóa hở tranzito chếđộ ngắt

UCE RC EC

EB + - -

+ E

B

C ICBo

a/ Sơđồ mạch điện tranzito chếđộ ngắt

ICBo C

B

E

b/ Sơđồ tương đương tranzito

Hình - 4: Sơđồ mạch điện tranzito chếđộ ngắt

+

-Hình - 5: Các sơđồ tranzito làm việc chếđộ ngắt UCE

RC

EC

UCE

EC + -

RC

ICEo ICEo

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

78

Đặc tuyến truyền đạt tranzito chếđộ làm việc mô tả hình 4-7

4.3 ĐẶC TÍNH Q ĐỘ CỦA BJT (chế độ chuyển mạch tranzito) 4.3.1 Nguyên lý làm việc.

Ở chế độ chuyển mạch tranzito làm việc khóa điện tử, nghĩa làm việc

chế độ ngắt chế độ bão hòa Sơ đồ nguyên lý chuyển mạch dùng tranzito mơ tả hình 4-8

Dịng điện ICS (bão hồ) tính theo cơng thức:

( )

C R

hòa bão

CEs C

CS

U E

I = − (4 8)

Hình - 7: Đặc tuyến truyền đạt tranzito

URa Vùng Vùng Vùng

Ngắt Tích Bão hịa cực

UVào

0,2 ÷ 0,4 V EC

EC

IC RC EC IC RC

C

B C UCE B

EB UBE

E E

a/ b/

Hình - 6 : Chếđộ dẫn bão hòa tranzito a Sơđồ mạch b Sơđồ mạch tương đương

IC Dẫn

C R

1 IB

RC

IC

E + IB

IB1

0 IB2

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Đối với tranzito, UCEs(bãohịa)=0,2V÷0,4V nên biểu thức (4 8) bỏ qua Do đó, dịng điện cực gốc nhỏ IB1 cần thiết đểđiều khiển cho tranzito dẫn bão hoà là:

C dc

C dc

CS B

R E i

I

β ≈ β

≥ (4 9)

4.3.2 Các tham số của BJT chuyển mạch

Tham số quan trọng BJT chuyển mạch thời gian chuyển từ trạng thái “Dẫn” sang trạng thái “Khóa” gọi thời gian chuyển mạch Thời gian chuyển mạch xác định yếu tố sau:

- Thời gian trễ (td): khoảng thời gian từ tác động lên đầu vào xung

dòng điện đầu đạt 10% giá trị dịng điện bão hồ Nghĩa (IC=0,1 ICS)

- Thời gian lên (tr) thời gian xuống (tf):

+ Thời gian lên (tr): khoảng thời gian để dòng điện IC tăng từ 10% đến 90% dịng điện bão hồ (ICS)

+ Dòng điện xuống (tf): khoảng thời gian để dòng điện IC giảm từ 90% đến 10%

dịng điện bão hồ (ICS)

- Thời gian tồn đọng: (hay thời gian phục hồi chức ngắt) tp: khoảng thời gian kể từ

khi cấp dòng điện âm IB dòng điện IC giảm xuống 90% dòng điện

bão hoà ICS Thời gian tham số quan trọng việc giới hạn tốc độ chuyển

mạch tranzito Nó thời gian cần thiết để giải toả hạt dẫn thiểu số phần gốc phần góp

Gọi dịng IBA dịng điện cực gốc đưa tranzito sang trạng thái bão hồ, ta có:

C dc

C BA

R E I

β

= (4 10)

và thời gian tồn đọng tính:

2 B BA

2 B B S S

I I

I I ln t

− − τ

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) đó: τS- thời gian sống hạt thiểu số phần gốc thường cho

từng loại tranzito chuyển mạch

4.4 CÁC CÁCH MẮC CỦA TRANZITO BJT TRONG SƠ ĐỒ KHUẾCH ĐẠI

Trong mạch điện, tranzito xem mạng cực: tín hiệu đưa vào hai chân cực tín hiệu lấy hai chân cực (xem hình 4-9)

Tranzito linh kiện bán dẫn có chân cực nên sử dụng ta phải đặt chân cực lên dây chung mạch vào mạch Ta chọn chân cực để làm cực chung cho mạch vào mạch Do đó, tranzito có cách mắc mạch cực phát chung (CE), mạch cực gốc chung (CB), mạch cực góp chung (CC)

4.4.1 Sơđồ mắc gốc chung:

Sơđồ mạch mắc cực gốc chung mơ tả hình 4-10 Trong sơđồ mạch có: + EE , EC nguồn cung cấp chiều cho tranzito loại P-N-P mạch

+ RE - điện trở định thiên cho tranzito RE có nhiệm vụ làm sụt bớt phần điện áp

nguồn EE đểđảm bảo cho tiếp xúc phát phân cực thuận với điện áp phân cực UEB ≈ 0,6

V cho tranzito Silic, UEB≈ 0,2V cho tranzito Gecmani Đồng thời tín hiệu vào hạ RE đểđưa vào tranzito

+ RC - điện trở gánh có nhiệm vụ tạo sụt áp thành phần dịng xoay chiều tín hiệu để đưa mạch sau đưa điện áp từ âm nguồn EC lên cực góp đảm bảo cho tiếp xúc góp

phân cực ngược

+ Tụđiện C1 , C2 gọi tụ liên lạc có nhiệm vụ dẫn tín hiệu vào mạch dẫn tín hiệu

mạch sau

Mạng cực

uvào ura

ira

ivào

E C

B

Hình - 9: Tranzito mạng cực

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Cực gốc B tranzito sơđồđược nối đất Như vậy, tín hiệu đưa vào cực phát cực gốc Tín hiệu lấy cực góp cực gốc nên cực gốc B chân cực chung mạch vào mạch - Ta gọi sơđồ mắc cực gốc chung Trong mạch có thành phần dịng điện điện áp sau:

IE gọi dòng điện mạch vào

IC gọi dòng điện mạch

UEB gọi điện áp mạch vào

UCB gọi điện áp mạch

Mối quan hệ dòng điện điện áp chân cực mô tả thông qua họđặc tuyến tĩnh Có hai họđặc tuyến :

Họđặc tuyến vào: UEB = f1(UCB, IE)

Họđặc tuyến ra: IC = f2 (UCB, IE)

Họđặc tuyến vào:

Đặc tuyến vào mô tả mối quan hệ điện áp vào dòng điện vào sau: UEB = f1(IE) UCB = const

Xét trường hợp tranzito lưỡng cực Gecmani loại P-N-P Khi cực góp hở đặc tuyến vào đặc tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N phân cực thuận nên ta có:

IE = I0(e T 1) EB

V U

−

Ta có đường đặc tuyến vào mơ tả hình 4-11 RC

C1 E IE IC C2

Mạch C Mạch vào UCB

UVào UEB URa

RE

B IB

EE EC

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Khi UCB ≤ 0, đặc tuyến xê dịch chứng tỏ điện áp cực góp ảnh hưởng đến

dịng điện qua tiếp xúc phát Họđặc tuyến ra:

Đặc tuyến biểu thị mối quan hệ dòng điện mạch cực góp với điện áp mạch cực góp Ta có mối quan hệ sau:

IC = f2(UCB) IE = const

Biểu thức tính dịng điện cực góp IC sau:

IC = αIE + ICBo

+ Khi IE1 = (khi cực phát hở mạch): đặc tuyến đặc tuyến Vơn-Ampe

tiếp xúc góp phân cực ngược Do vậy, dịng điện cực góp IC = ICBo

+ Khi IE2 > : tiếp xúc phát phân cực thuận dịng điện cực góp là:

IC = α IE2 + ICBo

UEB (V)

0,6 UCB hở

0,4

UCB = 0V

UCB= -10V

0,2 UCB= - 20V

10 20 30 40 IE (mA)

Hình - 11: Họđặc tuyến vào tranzito gecmani loại P-N-P

Hình - 12: Họđặc tuyến tranzito gecmani loại P-N-P sơđồ mắc cực gốc chung

IC (mA)

Vùng tích cực

40 IE5 = 40mA

30 IE4 = 30mA

Vùng

dẫn

bão 20 IE3 = 20mA

hòa α(IE3 - IE2)

10

IE2 = 10mA

IE1=

-2 -4 -6 -8 UCB (V)

Vùng ngắt

2 E I

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) Khi UCB > UEB > tranzito làm việc chế độ bão hịa nên có dịng điện

thuận tiếp xúc góp chạy ngược chiều với thành phần dòng điện thuận từ cực phát sang (αIE2), vậy, dịng điện tổng qua tiếp xúc góp giảm nhanh đến sau tăng nhanh

UCB > tăng tiếp tục

Các đặc điểm sơđồ mắc cực gốc chung: - Tín hiệu vào tín hiệu đồng pha

- Trở kháng vào ZV nhỏ khoảng vài chục đến vài trăm Ôm

ZVào =

S ≈ 30 ÷ 300 Ω - Trở kháng lớn

Zra = RC = 100 KΩ÷ MΩ

- Hệ số khuếch đại dòng điện cực phát

α = I I C E

< (α≈ 0,95 ÷ 0,999)

Như vậy, tranzito sơđồ mắc cực gốc chung khơng có khuếch đại dịng điện - Hệ số khuếch đại điện áp:

Ku = vao

ra U

U

Δ Δ

=

vao E

ganh C

Z I

Z I

Δ Δ

≈ vao ganh Z Z

(4 11) Hệ số khuếch đại điện áp phụ thuộc vào điện trở gánh

Khi Zgánh≈ Zra Ku có trị số khoảng từ vài trăm ÷ vài nghìn lần

- Hệ số khuếch đại cơng suất có thểđạt tới trị số hàng trăm lần

- Dòng điện rò ICBo nhỏ (khoảng từ vài chục nA đến vài μA tranzito Silic, đến vài

chục μA tranzito Gecmani)

- Tần số làm việc giới hạn cao có điện dung thơng đường nhỏ

Sơđồ mạch mắc cực gốc chung có độổn định nhiệt độ cao tần số làm việc giới hạn cao Mạch thường dùng dải tần số làm việc cao tầng dao động nội máy thu thanh, tầng tiền khuếch đại âm tần máy tăng âm, tầng khuếch đại công suất đẩy kéo

4.4.2 Sơđồ mắc cực phát chung:

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Trong sơđồ mạch gồm có phần tử sau:

+/ EE , EC - Nguồn điện cung cấp chiều cho tranzito loại P-N-P

+/ RB - Điện trởđịnh thiên

+/ RC - điện trở tải

+/ Tụđiện C1 C2 tụ liên lạc

Các cấu kiện có nhiệm vụ mạch điện tương tự sơ đồ mắc cực gốc chung

Như vậy, tín hiệu đưa vào cực gốc cực phát, tín hiệu lấy từ cực góp cực phát Do đó, cực phát chân cực chung mạch vào mạch ta có sơđồ mắc cực phát chung Chiều thành phần dòng điện điện áp chân cực cuả tranzito

được mơ tảở hình 4-13

Trong sơđồ mắc phát chung có dịng vào IB, dòng IC, điện áp vào UBE, điện áp

ra UCE

Đặc điểm sơđồ mắc cực phát chung: - Tín hiệu vào tín hiệu ngược pha

- Trở kháng vào nhỏ lớn so với trở kháng vào sơđồ mắc cực gốc chung: Zvào = rBE = 200 ÷ 2000Ω

- Trở kháng lớn nhỏ so với trở kháng sơđồ mắc cực gốc chung: Zra = RC // rCE = 20KΩ÷ 100KΩ

- Hệ số khuếch đại dịng điện cực gốc tỉ số dòng điện với dịng điện vào, ta có:

β = B C I I

=

α α α

α

− =

1 )I -(1

I E

E (4 12)

β có trị số từ vài chục ÷ vài trăm lần (còn ký hiệu hFE)

- Hệ số khuếch đại điện áp: Ku =

vao U

U

Δ Δ

= - S (RC// rCE) (4 13)

Ku có thểđạt tới trị số từ hàng ngàn ÷ chục ngàn lần

IC RC

C2

C Ura

C1 B

UCE

IB Mạch

Mạch UBE

vào RB

E IE

EB EC + +

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) - Hệ số khuếch đại công suất:

Kp = vao

ra P

P

Ku có trị số từ vài ngàn lần đến chục ngàn lần

- Dịng điện rị cực góp ICEo nhỏ lớn sơđồ mắc cực gốc chung

- Tần số làm việc giới hạn tương đối cao thấp so với sơđồ mắc cực gốc chung

điện dung thơng đường lớn

- Sơđồ mạch mắc cực phát chung sử dụng rộng rãi có hệ số khuếch đại β, Ku, Kp

lớn Đồng thời mạch ổn định nhiệt độ có tần số làm việc giới hạn cao Ngồi ra, mạch có trở kháng vào trở kháng không chênh lệch nhiều nên việc ghép mạch với nhau, ta dùng kiểu ghép điện trở tụ điện (ghép RC) đơn giản tính tốn lại đơn giản lắp ráp giá thành rẻ

Các đặc trưng tĩnh tham số chếđộ tín hiệu nhỏ:

Để nghiên cứu mối quan hệ dòng điện điện áp điện cực tranzito sơđồ mắc cực phát chung, ta có họđặc tuyến sau:

Họđặc tuyến vào: UBE = f1(UCE, IB)

Họđặc tuyến ra: IC = f2 (UCE, IB)

Họđặc tuyến vào tĩnh:

Đặc tuyến vào tĩnh mô tả mối quan hệ điện áp vào UBE với dòng điện vào IB

UBE = f1(IB) UCE = const

Ta có cơng thức tính dịng điện vào IB bằng:

IB = (1- α)IE - ICBo

và họđặc tuyến vào mơ tả hình (4 - 14)

Do dòng điện IE tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp UBE nên dòng điện cực gốc IB

cũng tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp UBE Trên họđặc tuyến vào ta thấy điện áp

UCE ảnh hưởng lên dịng điện IB

Họđặc tuyến tĩnh:

Đặc tuyến biểu thị mối quan hệ dòng điện mạch IC điện áp mạch

UCE Ta có hàm biểu thị quan hệ này:

IC = f (UCE) dòng điện vào IB =const

Và cơng thức tính dịng điện cực góp là: UBE (V)

UCE = -10V

UCE = -5V

UCE = -2V

-0,3 UCE = - 0,1V

-0,2

-0,1 UCE = 0V

0,1 0,2 0,3 0,4 IB (mA)

-0,6

-0,5 -0,4

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) IC = αIE + ICBo

Thay giá trị IE = IC + IB , biến đổi biểu thức trên, ta có:

IC = B ICBo

1 I

1 ⎟⎠

⎞ ⎜ ⎝ ⎛

− + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

−α α α

(4 14)

Thay β =

α −

α

1 , 1−α

1

= β + ta có cơng thức tính dịng điện cực góp là: IC = βIB + (β + 1)ICBo (4 15)

Trong β gọi hệ số khuếch đại dịng điện cực gốc (thường có ký hiệu hFE)

Đây biểu thức biểu thị mối quan hệ dòng điện điều khiển dòng điện bị điều khiển sơđồ mắc cực phát chung

Ta thấy dịng điện IC có giá trị cực tiểu hai tiếp xúc phát TE tiếp xúc góp TCđều

phân cực ngược, dịng điện IB = - ICBo nên IC = ICbo tranzito hoạt động vùng ngắt

KhiIB > 0, dòng điện tính theo cơng thức:

IC = βIB + (β + 1)ICBo (4 16)

Nếu tăng điện áp mạch ⎪UCE⎪ lên đặc tuyến không nằm ngang mà dốc

nghiêng Khi giảm giá trị điện áp mạch ⎪UCE⎪< ⎪UBE⎪ tiếp xúc góp TC

phân cực thuận Lúc tranzito làm việc chếđộ bão hịa

4.4.3 Sơđồ mắc cực góp chung (hay gọi bộ lặp cực phát):

Sơđồ mạch mơ tả hình 4- 16:

Trong sơđồ gồm có: EB , EC - Nguồn cung cấp chiều; RB - điện trởđịnh thiên; RE - điện

trở gánh mắc mạch cực phát; tụ điện C1 , C2 tụ liên lạc Nhiệm vụ linh

kiện mạch giống nhưở sơđồ mắc gốc chung

t0 = 250C

IC (mA) IB8 =0,35mA

Vùng tích cực IB7 =0,3mA

40

⎮UCE⎮<⎮UBE⎮ IB6=0,25mA

30

Pttmax IB5=0,2mA

Vùng

dẫn 20 IB4=0,1mA

bão βIB4

hòa 10 IB3=0,05mA

IB2=0

(1+β)ICBo IB1= - ICBo

-2 -4 -6 -8 -10 UCE (V)

ICBo Vùng ngắt

CÊu kiƯn ®iƯn tö Tranzito lưỡng cực (BJT) Trong mạch, tín hiệu đưa vào cực gốc cực góp, tín hiệu lấy RE đặt

cực phát cực góp, nên cực góp chân cực chung mạch vào mạch Vì vậy, ta có sơ đồ mắc cực góp chung

Khi cấp nguồn, dòng điện IE xuất phát từ dương nguồn EB qua điện trở tải RE cực phát

và đến lớp tiếp xúc phát TE Tại đây, chia thành hai thành phần dòng điện cực gốc IB chạy

qua RB vềđất thành phần dòng điện cực góp IC chạy qua cực góp xuống đất

Đặc điểm sơđồ mắc cực góp chung: - Tín hiệu vào tín hiệu đồng pha

- Trở kháng vào lớn Zvào = β RE = 20 KΩ÷ 500 KΩ (4 17)

(có thể tới hàng MΩ ) - Trở kháng nhỏ

Zra = RE // ) R S

( nguån β

− = 50Ω÷ 5KΩ (4 18) - Hệ số khuếch đại điện áp:

Ku = vao U U Δ Δ = BC U U Δ Δ = BC BE BC U U U Δ − Δ

< (4 19)

Thông thường ta lấy giá trị Ku ≈ Mạch mắc cực góp chung khơng có khuếch đại điện

áp

- Hệ số khuếch đại dòng điện cực gốc: Ki = I

I E B

=

1-α = β +1 ≈ β (4 20)

Vì β >>1 nên hệ số khuếch đại dịng điện sơđồ mắc cực góp chung tương đương với hệ số khuếch đại dòng điện sơđồ mắc cực phát chung

- Hệ số khuếch đại cơng suất Kp có trị số từ vài chục lần đến vài trăm lần

- Dòng điện rò có trị số tương đương nhưở sơđồ mắc cực phát chung

- Tần số làm việc giới hạn có giá trị giống nhưở sơđồ mắc cực phát chung

Đặc điểm sơđồ mắc cực góp chung có trở kháng vào lớn trở kháng nhỏ (

ra vao Z Z

= hàng ngàn lần) nên dùng biến đổi trở kháng

IC

C1 IB

uvào

B C2

Mạch UBE E ura

vào RB UB Mạch

RE IE

C

EB EC C

+ +

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) Trên thực tế, sơđồ mắc góp chung dùng, người ta sử dụng mạch để phối hợp trở kháng mạch có trở kháng cao với mạch có trở kháng vào thấp Các đặc tuyến tham số sơđồ mắc cực góp chung tương tự nhưở sơđồ mắc cực phát chung, ta không xem xét thêm

4.4.4 Sơđồ Dacling- tơn :

Sơđồ Dacling- tơn gồm có tranzito đấu theo kiểu cực góp chung (CC) coi tranzito với chân cực: E' , B' , C' (xem hình 4-17)

Các tham số sơđồ: - Hệ số khuếch đại dòng điện:

β' = βT1* βT2 (4 21)

- Trở kháng vào:

Zvào = rB'E' = 2rBE1 = 2β'

' I V

C

T (4 22)

- Độ hỗ dẫn:

S' = T C 2V

' I

(4 23) - Trở kháng ra:

Zra = rC'E' =

3

rCE2 (4 24)

4.5 PHÂN CỰC CHO TRANZITO LƯƠNG CỰC

4.5.1 Khái niệm phân cực cho chếđộ làm việc của tranzito:

Phân cực cho tranzito việc cung cấp nguồn điện chiều vào chân cực cho tranzito làm việc chế độ (ngắt, bão hịa hay tích cực) tham số tranzito không vượt giá trị giới hạn (ICmax, UCemax, UCbmax, UEbmax, Pttmax,tần số giới hạn)

hình 4-18 Ở chếđộ ngắt, ta cần cấp nguồn điện cho hai tiếp xúc P-N tranzito phân cực ngược Ở chếđộ bão hòa, cấp điện cho hai tiếp xúc P-N phân cực thuận

C'

B' T1 B'

T2 T1

E' E' RE T2

C' →∞ RE

B' C C' C T1 T2

a/ E' b/

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) cho điện áp UCE = (0,2÷0,4)V Chỉở chếđộ tích cực việc phân cực cho tranzito phức tạp

và cần ý Chúng ta làm quen với số khái niệm việc phân cực cho tranzito nhưđiểm làm việc tĩnh, đường tải chiều (dc), đường tải xoay chiều (ac)…

Điểm làm việc tĩnh họ đặc tuyến tranzito điểm mà hàm tranzito tuyến tính làm việc vùng chế độ tích cực Để xác lập điểm làm việc thiết phải cung cấp cho tranzito nguồn điện áp chiều dịng điện chiều từ bên ngồi Ta chọn điểm làm việc tĩnh Q cho tín hiệu xoay chiều thay đổi theo thời gian (ut) đặt lên lối vào (cực B) lối (cực C) ta nhận tín hiệu (điện áp

hoặc dịng điện) có dạng sóng với tín hiệu lối vào

Nếu tín hiệu khơng tái tạo lại cách trung thực tín hiệu vào điểm làm việc chọn khơng thích hợp cần phải di chuyển đến vị trí họđặc tuyến

Các đường tải chiều (dc) xoay chiều (ac):

Giả sử chọn điện trở RC cho đường tải chiều (dc)

hình vẽ 4-18 Rtải = ∞ ta chọn điểm làm việc tĩnh Q1ở trung tâm đường tải dc

với giá trị điện áp dòng tĩnh UCQ, ICQ IBQ Nếu Rtải ≠ ∞ ta có đường tải

xoay chiều (ac) đáp ứng cho tải R'tải = Rtải // RCđược vẽđi qua điểm làm việc Q1

Khi có tín hiệu xoay chiều đưa đến lối vào mạch có đấu tải, điểm làm việc

động xoay xung quanh điểm làm việc tĩnh Q giá trị dòng điện xoay chiều điện áp xoay chiều dao động xung quanh giá trị dịng điện điện áp chiều

Để phân cực cho tranzito làm việc ta dùng hai nguồn điện chiều dùng nguồn để mạch đơn giản kinh tế Thực tế người ta thường dùng nguồn

điện cung cấp sử dụng điện trở dẫn điện áp chân cực tranzito để phân cực mà ta hay gọi mạch định thiên

4.5.2 Phân cực kiểu cố định (hay mạch định thiên bằng dòng cực gốc) :

Sơđồ mạch điện hình 4-19 Trong sơđồ dùng tranzito loại N-P-N nên có:

- Điện trở RB, gọi điện trởđịnh thiên, đấu từ dương nguồn EC cực gốc để phân

cực thuận cho tiếp xúc phát - gốc IC (mA)

IC max IB = 160μA

IB =140μA

IB = 120μA

Đường tải AC PC max IB = 100μA

E R

CC C

IB = 80μA

ICQ Q2 Q1 IB = 60μA

IB = 40μA

IB = 20μA

IB =

UCQ ECC UC max UCE (V)

Đường tải dc

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

90

- Điện trở RC, gọi tải, có nhiệm vụ dẫn điện áp từ dương nguồn EC cực góp cho

tiếp xúc góp - gốc phân cực ngược

Dòng điện IC chạy từ dương nguồn EC qua RC âm nguồn EC Dòng điện IB chạy từ

dương nguồn EC qua RB âm nguồn EC

Trên đường tải dc ta chọn điểm làm việc thích hợp với điều kiện tín hiệu đầu vào có giá trị dịng điện cực gốc khơng vượt q giá trị dịng điện IBđược tính theo cơng thức sau:

IB = B

BE C

R U E −

(4 25)

Theo công thức trên, có nguồn điện ECC cố định, điện áp UBE chọn 0,2V cho

tranzito gecmani 0,6V cho tranzito silic nên dòng IB cố định Trong trường hợp muốn

thay đổi dòng điện IB, tức thay đổi điểm làm việc tĩnh Q ta thay đổi trị sốđiện trở RB

Vì dịng IBđã chọn số nên sơđồ mạch (hình 4-19) gọi mạch

phân cực kiểu cố định hay mạch phân cực nhờ dòng cực gốc Dòng IB gọi dòng điện định thiên

Độổn định mạch định thiên

Khi tranzito hoạt động, tham số mạch thay đổi nhiều nguyên nhân, đặc biệt nhiệt độ mơi trường thay đổi Vì vậy, việc ổn định điểm làm việc Q chọn cần thiết

Ta giả thiết tranzito hình (4-19) thay tranzito khác loại có hệ số khuếch đại β lớn hình (4- 20), IB giữ khơng đổi

IB2 mạch phân cực bên ngoài, dẫn đến việc điểm làm việc Q1 phải di chuyển đến Q2 Điểm làm việc khơng thỏa mãn hồn tồn Đặc biệt làm cho tranzito chuyển sang chế độ bão hòa Lúc phải thay đổi dòng điện IBđể đảm bảo chế độ

làm việc cần thiết cho tranzito

+EC

IC

RC C2

RB IB u0

C1 C

ui Tín

Tín B Rtải hiệu

hiệu UBE IE

vào

E

Hình - 19: Mạch định thiên cốđịnh

IC

E R

CC C

IB3

IB2

IB1

Q2

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Ổn định nhiệt cho tranzito:

Vấn đề quan trọng thứ hai gây ảnh hưởng đến phân cực tranzito thay đổi nhiệt độ Như ta biết dòng điện ngược bão hòa ICBo phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, điều

có thể gây khó khăn cho việc sử dụng tranzito Ngay điểm làm việc tĩnh xác

định vùng chế độ tích cực ảnh hưởng nhiệt độ chuyển sang chếđộ

bão hịa Trong hình (4- 21)chỉ họ đặc tuyến tranzito 2N708 nhiệt độ +250C

+1000C Ta thấy rõ làm việc chếđộ bão hịa nhiệt độ +1000C

đã phân cực vùng chếđộ tích cực +250C

• Hệ sốổn định S:

Hệ số ổn định S tốc độ thay đổi dòng điện cực góp so với thay đổi dịng

điện ngược bão hòa để giữ cho hệ số khuếch đại β điện áp UBE không đổi, ta có:

S = ∂

∂

I

I I I C

CBo

C CBo

≈ Δ

Δ (4 26)

Trong chếđộ tích cực, mối quan hệ IC IBđược cho công thức:

IC = βIB + (β +1)ICBo

Nếu lấy đạo hàm công thức theo IC xem xét β số theo IC, ta có: C

B dI dI + S + =

1 β β

IC (mA) IC (mA)

t0 = 250C t0 = 1000C

IB=1,0 IB=0,6mA

IB=0,8 IB=0,5

Q IB=0,4

IB=0,6

Q IB=0,3

IB=0,4 IB=0,2

IB=0,2

IB=0,1

IB=0mA IB=0mA

10 UCE(v) 10 UCE(v)

a/ b/

50 50

40 30 20

10 10

20 30 40

CÊu kiƯn ®iƯn tö Tranzito lưỡng cực (BJT) S =

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

C B dI dI -1

+ β

β

(4 27)

Đối với sơ đồ mạch định thiên kiểu cố định, IB không phụ thuộc vào IC, nên hệ số ổn định tính:

S = β + (4 28)

Giá trị S lớn có nghĩa mạch không ổn định nhiệt Theo định nghĩa hệ sốổn định S khơng thể nhỏ

Muốn trì sựổn định điểm làm việc tĩnh Q ta phải giữ cho dòng điện ICQ điện áp

UCEQ không đổi Kỹ thuật thường sử dụng đểổn định điểm làm việc tĩnh phân chia

thành loại:

- Kỹ thuật ổn định - Kỹ thuật bù

Kỹ thuật ổn định ta sử dụng mạch phân cực điện trở mà ởđó cho phép IB thay đổi

sao cho giữđược IC không đổi cách tương thay đổi ICBo, β UBE

Kỹ thuật bù sử dụng linh kiện nhạy nhiệt điôt, tranzito, tecmixto, v.v Các linh kiện cung cấp điện áp bù dòng điện bù để giữ cho điểm làm việc ổn định

Trong phần tiếp theo, kỹ thuật ổn định cho mạch định thiên thể để cho giá trị hệ số S giảm xuống tạo dịng điện cực góp IC phụ thuộc vào dịng điện

ICBo

4.5.3 Mạch định thiên phân áp :

Sơđồ mạch cho hình 4-22

Trong mạch, hai điện trở R1 R2 nối tiếp đấu trực tiếp hai cực nguồn

cung cấp EC tạo nên mạch phân áp, dòng điện phân áp IP áp chạy qua R1 R2 không phụ

thuộc vào biến đổi theo nhiệt độ dòng điện điện áp chân cực tranzito Do đó, sụt áp dịng phân áp tạo R2 khơng phụ thuộc vào hoạt động

tranzito

Điện áp cực gốc sụt áp điện trở R2 dòng điện phân áp tạo nên, ta

có:

UB = IP.áp R2

+EC

IP.áp

RC IC

R1

IB C

B Mạch UCE

UBE E

R2 UB IE

RE CE

N Mạch

vào

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) UB = E R

R R C +

(4 29)

Nếu ta thay sơ đồ mạch phân cực hình (4- 22) sơ đồ mạch phân cực dùng hai nguồn cung cấp chiều UB cho mạch cực gốc EC cho mạch cực góp nhưở hình (4- 23)

thì điện trở RB điện trở tương đương hai điện trở R1 R2 mắc song song, ta có:

RB = R R

R R

2 +

(4 30)

• Hệ sốổn định S :

Trên sơđồ mạch hình 4- 23, theo định luật điện áp vịng Kiêc xốp mạch cực gốc, ta có:

UB = IB RB + UBE + ( IB + IC)RE (4 31)

Nếu xét UB UBE khơng phụ thuộc vào dịng điện IC, ta tính đạo hàm cơng thức

(4.31) theo ICđể có:

B E E C B R R R -= dI dI

+ (4 32)

Thay (4.32) vào cơng thức (4.27) kết ta có: S =

B E E R R R + 1 + + β β

S = ( )

E B E B R R + + R R 1 β β +

+ (4 33)

Qua công thức (4.33) ta thấy giá trị RB nhỏ độổn định cao

• Phân tích mạch định thiên phân áp:

IC RC

RB B C

UCE EC

IB

E

UB IB+IC RE UE

N

Hình - 23: Mạch thay tương đương với mạch định thiên phân áp

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) + Nếu giá trị linh kiện sơ đồ mạch cho trước, điểm làm việc tĩnh

được xác định sau: Theo định luật Kiếc Xốp cho mạch cực góp ta có:

- EC + IC (RC + RE) + IB RE + UCE = (4 34)

Từ cơng thức (4.34) ta xác định điểm làm việc tĩnh Q với giá trị dòng điện IC

và UCE tương ứng

+ Nếu linh kiện sơđồ mạch không cho trước việc xác định điểm làm việc tĩnh tranzito thực trường hợp mạch phân cực dùng hai nguồn cung cấp độc lập với trị số:

UB =

2 C R R R E

+ RB = R11 R22 R R

+

Giả sử dòng điện IB << IP.áp coi IB≈ thì:

IP.áp =

2 C R R E +

UE = IE RE = UB - UBE - IB RB

và dịng điện cực góp là:

IC ≈ IE = E B

R U U − BE

Điện áp cực góp cực phát là: UCE = EC - IC RC - IE RE 4.5.4 Mạch phân cực bằng hồi tiếp:

• Sơđồ mạch: Hình 4-24

Trong sơđồ, điện trở RB gọi điện trởđịnh thiên điện trở hồi tiếp Nó dẫn

một phần điện áp từ mạch mạch vào để phân cực cho tiếp xúc phát TE, điện áp phân

cực là: UBE = UCE - IB RB

Hệ sốổn định S sơđồ hình (4- 24) tính từ phương trình sau: - EC + ( IB + IC) RC + IB RB + UBE = (4 35)

Từđó có:

IB =

B C BE C C C R R U R I E + − −

(4 36) Vì điện áp UBE khơng phụ thuộc vào dịng điện IC, ta có:

+EC

RC IC+IB

RB IB C2 RB

ura RB1 RB2

C1 IB IC B C

UCE Mạch

Mạch UBE C'

vào IE E

a/ b/

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) B C C C B R R R -= dI dI

+ (4 37)

Thay (4.37) vào cơng thức (4.27), ta cơng thức tính hệ sốổn định S: S =

C B C R R R + 1 + + β β

(4 38)

Giá trị hệ số S nhỏ (β + 1) sơđồ mạch định thiên kiểu cố định, cải thiện hệ sốổn định mạch

• Phân tích sơđồ mạch:

Nếu giá trị linh kiện sơ đồ mạch biết, điểm làm việc tĩnh Q

được xác định sau:

Ứng với giá trị dịng điện IBđã cho, ta tính điện áp cực góp

theo cơng thức sau:

UCE = IB RB + UBE (4 36)

Dịng điện cực góp IC xác định công thức:

IC = [ ( ) ]

B C CBo B C BE C R R I R R U -E + + + β β

(4 37)

• Phương pháp loại bỏ tượng hồi tiếp thành phần tín hiệu:

Theo sơđồ mạch định thiên hồi tiếp âm điện áp này, điện trở RB khơng

có thành phần chiều hồi tiếp mà có thành phần xoay chiều tín hiệu Để khắc phục tượng ta thay điện trở RB điện trở RB1 RB2 đấu nối tiếp với nhau, điểm nối chúng đấu qua tụđiện C' xuống đất (hình 4- 24b) Như vậy, tần số

làm việc thành phần tín hiệu hồi tiếp qua tụ C' xuống đất nên không gây ảnh hưởng cho mạch

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Bảng 4.1: Các tham số tranzito silic tiêu biểu

T (0C) - 65 +25 +175

ICBo (nA) 1,95 10-3 1,0 33.000

β 25 55 100

UBE (V) 0,78 0,60 0,225

Bảng 4.2: Các tham số tranzito gecmani tiêu biểu

T (0C) - 65 +25 +75

ICBo (μA) 1,95 10-3 1,0 32

β 20 55 90

UBE (V) 0,38 0,20 0,10

4.5.5 So sánh phương pháp phân cực

Trong phương pháp phân cực vừa nghiên cứu ta thấy phương pháp phân cực cốđịnh có sơđồ mạch tính tốn tham số mạch đơn giản độổn định điểm làm việc tĩnh mạch Phương pháp phân cực dùng hồi tiếp cải thiện độ ổn định chếđộ

làm việc mạch mạch hồi tiếp hồi tiếp thành phần tín hiệu, làm hệ số

khuếch đại mạch giảm Đồng thời, điện trở RC có trị số nhỏ mạch không

cải thiện độ ổn định so với phương pháp cố định Phương pháp phân cực phân áp phương pháp có độổn định tốt nhất, điện trở RC = Do phương pháp sử dụng nhiều

4.6 SƠ ĐỒ TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA BJT Ở CHẾ ĐỘ KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ TẦN SỐ THẤP

Để giải tốn có liên quan đến linh kiện tích cực, ta phải đưa chúng dạng mạch điện tương đương Có nhiều khả xây dựng sơ đồ mạch tương đương, xem xét sơđồ thơng dụng sơđồ tương đương kiểu hỗn hợp

4.6.1 Sơđồ mạng cực dùng cho BJT.

Hình 4-25 biểu diễn mạng cực dùng cho tranzito lưỡng cực: mạch vào có dịng điện vào i1 điện áp vào u1; mạch có dịng điện i2 điện áp u2 Chúng ta

có thể chọn đại lượng biến độc lập biểu diễn biến lại theo biến độc lập chọn

i1 i2

Cửa Mạng cực Cửa vào u1 (BJT) u2

+ +

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Nếu chọn dòng điện i1 điện áp u2 biến độc lập mạch vào tuyến

tính ta viết:

u1 = h11 i1 + h12 u2 (4 38)

i2 = h21 i1 + h22 u2 (4 39)

Các đại lượng h11, h12, h21, h22được gọi tham số h tham số hỗn hợp tất

cả chúng khơng có thứ ngun

Từ cơng thức (4 38) (4 39) ta xác định tham số h sau: h11 = u

i u 1

2 =0

: Trở kháng vào ngắn mạch (Ω) h12 = u

u i

1=0

: Độ khuếch đại điện áp nghịch đảo (không thứ nguyên)

h21 = i

i u

2=0

: Hệ số khuếch đại dịng điện (khơng thứ ngun) h22 = i

u i

2 1=0

: Độ hỗ dẫn lối hở mạch vào (mA/V) Ký hiệu: Các ký hiệu thêm vào qui ước theo tiêu chuẩn IEEE:

i = 11 = đầu vào o = 22= đầu

f = 21 = truyền dẫn thuận r = 12 = truyền dẫn ngược

Trong trường hợp tranzito, có thêm ký hiệu (b, e, c) vào để kiểu sơ đồ mắc tranzito Ví dụ:

hib = h11b = Trở kháng vào sơđồ mắc gốc chung

hfe = h21e = Hệ số khuếch đại thuận dòng điện ngắn mạch

sơđồ mắc cực phát chung

Vì linh kiện mô tả công thức (4 38) (4 39) giả thiết không chứa phần tử kháng, nên tham số h11, h12, h21, h22 số thực điện áp dòng điện

u1, u2, i1, i2 hàm thời gian

Mạch hỗn hợp cho linh kiện đặc trưng công thức (4.38) (4.39) biểu diễn hình 4- 26

i1 h11 i2

u1 h12u2 h21i1 h22 u2

+ +

+

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) 4.6.2 Sơđồ vật lý tương đương của BJT

Mơ hình tương đương tranzito ởđây cho mối quan hệ tham số h Các tham số h nhà sản xuất xác định cho tranzito

Để nhận mơ hình tương đương hỗn hợp cho tranzito, ta nghiên cứu sơđồ mắc cực E chung hình 4- 27

Các biến ib, ic, ub, uc biểu thị tổng dòng điện điện áp tức thời Ở ta chọn

dòng điện ib điện áp uc biến độc lập ub, ic hàm sau:

ub = f1(ib, uc) (4 40)

ic = f2(ib, uc) (4 41)

Mở rộng công thức (4 40) (4 41) bao quanh điểm làm việc tĩnh IB, UC, tương tự ta

có:

ΔuB = C B C B C B u I u f + i U i f Δ Δ ∂ ∂ ∂ ∂

(4 42)

ΔiC = C B C B C B u I u f + i U i f Δ Δ ∂ ∂ ∂ ∂

(4 43)

Như biểu thịở số hai cơng thức trên, điện áp cực góp UC dịng điện

cực gốc IB phải giữ số

Các đại lượng ΔuB, ΔuC, ΔiB ΔiC biểu thị tín hiệu nhỏ điện áp dịng điện

trên cực gốc cực góp Dựa vào ký hiệu ta viết:

ub = hieib + hreuc (4 44)

ic = hfeib + hoeuc (4 45)

Trong đó: ib, ub, uc ic : dòng điện điện áp tức thời chân cực B C

tranzito Ta có: hie = ∂

∂

∂ ∂

f i =

u i U B B B C

hre = ∂ ∂

∂ ∂

f u =

u u I C B C B

(4 46)

hfe =

C B C B U i i = i f ∂ ∂ ∂ ∂

hoe =

B C C C I u i = u f ∂ ∂ ∂ ∂

(4 47)

Xuất phát từ công thức (4 46) (4 47) ta xác định tham số h tranzito sơ đồ mắc E chung

• Ba sơđồ mắc tranzito:

ic

C

ib RC

uc

B ub EC

E

+

+

+

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) Trong bảng 4.3 trình bày tóm tắt ba cách mắc tranzito sơđồ tương đương hỗn hợp cơng thức tính dịng điện i điện áp u thích hợp với sơđồ

Mạch điện công thức bảng (4.3) có giá trị cho tranzito loại N-P-N P-N-P không phụ thuộc vào loại tải cách phân cực

Bảng 4.3: Các cách mắc tranzito mơ hình tương đương hỗn hợp chúng Sơđồ mạch Mơ hình tương đương hỗn hợp Cơng thức u, i

CE ub = hie ib + hre uc

ic = hfe ib + hoe uc

CC ub = hic ib + hrc ue

ie = hfcib + hocue

CB ue = hibie + hrbuc

ic = hfbie + hobuc

a Các công thức biến đổi tham số h giữa ba cách mắc của tranzito: CE C

ib ic B uc ub ie E CC ib ic B

ub E ie ue C C

ib hic CC ie E B hrcue hfcib

ub hoc ue C C CB

E ie ic C ue uc ib

B B

ie hib ic C E hrbuc hfbie

ue hob uc B B B ib hie CE ic C

hreuc hfeib

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Bảng 4.4: Các công thức chuyển đổi gần cho tham số h tranzito (Các số liệu cho bảng tranzito tiêu chuẩn)

CE CC CB

hie 1100 Ω hic

fb ib h -1 h

hre 2,5.10-4 1- hrc

rb fb ob ib h h + h h −

hfe 50 - (1- hfc)

-fb fb h + h

hoe 25 μA/ V hoc

fb ob h + h hib fe ie h + h -fc ic h

h 21,6 Ω

hrb re fe oe ie h h -1 h h − h h h h fc oc ic

rc − −

2,9.10-4 hfb -fe fe h + h -fc fc h h

1+ - 0,98

hob fe oe h + h -fc oc h

h 0,49 μA/ V

hic hie 1100Ω h

1 + h ib fb

hrc 1- hre≈ 1

hfc - (1 + hfe) - 51

-fb h 1 +

hoc hoe 25 μA/ V

fb ob h + h

4.7 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BJT

Tranzito lưỡng cực phần tử tích cực sử dụng rộng rãi mạch điện tử Chúng dùng hầu hết mạch điện tử giữ nhiều chức chủ yếu mạch Những ứng dụng thông thường tranzito lưỡng cực khuếch đại, tạo dao động hình sin, xung, ổn áp, chuyển mạch điện tử… Ởđây ta xem xét số ví dụ vềứng dụng chúng

- Khuếch đại: Tranzito được dùng mạch khuếch đại chiều (dc), khuếch đại tín hiệu (ac), mạch khuếch đại vi sai, mạch khuếch đại đặc biệt, mạch ổn áp…

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Trong mạch điện trở hồi tiếp R=22K, R=68K (hồi tiếp từ cực góp T2 về)

R=220Ω xác định hệ số khuếch đại mạch:

KU = 75

22 ,

7 , 16 220

22 //

68 = =

Ω K K K

K

Các điện trở hồi tiếp chiều R = 3,9K R = 68K từ T2 vềđểổn định chếđộ làm việc

của mạch

- Mạch tạo dao động sóng hình sin dùng radio (Hình 4-29)

Do tần số hoạt động mạch 100MHz nên tranzito mắc theo sơ đồ cực gốc chung Khung cộng hưởng gồm có cuộn cảm hai tụđiện tụđiện 5pF tụ hồi tiếp để

duy trì dao động - Mạch đa hài:

Micro tổng

trở thấp

10µF 68K

10µF

15K

47K

3,9K

220Ω

22K 56K

68K

390 Ω

1,5K

UCC=24V

Ura 10µF

100µF

Hình - 28: Mạch khuếch đại dùng BJT - C631A

UCC

Ura

5pF 2pF

1000pF

120Ω

8,2K 3,3K

1K

120Ω

30pF

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

Mạch đa hài tự dao động tạo xung vuông Trạng thái cân mạch (một tranzito mở tranzito khóa) chỉổn định thời gian hạn chế đó, tựđộng lật sang trạng thái ngược lại (hai tranzito thay thông, tắt) Trên lối ta lấy chuỗi xung vng có tần số dao động tính gần theo công thức:

2 1

2 0,69 69

,

1

C R C

R T

f

B

B +

=

= (4 48)

TĨM TẮT

Chương trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động tranzito lưỡng cực (BJT) Tranzito lưỡng cực có tiếp xúc P-N chân cực cực phát (E), cực gốc (B) cực góp (C) Có loại tranzito P-N-P N-P-N Nguyên lý hoạt động chúng giống có chiều nguồn điện cung cấp vào chân cực tranzito ngược dấu

Tranzito có chếđộ làm việc tùy theo phân cực cho tiếp xúc P-N: chếđộ tích cực, chế độ ngắt, chế độ bão hịa Chế độ tích cực ta cấp điện chiều cho tiếp xúc phát-gốc phân cực thuận tiếp xúc góp-phát phân cực ngược Ở chế độ tích cực, tín hiệu biến thiên theo biến thiên tín hiệu vào nên ta gọi chếđộ khuếch đại Tranzito làm việc chế độ ngắt ta cấp điện cho chân cực cho tiếp xúc P-N phân cực ngược Ở chế độ ngắt tranzito khơng dẫn điện, cực góp coi nhưđược nối tắt với nguồn cung cấp tranzito chuyển mạch trạng thái hở Tranzito hoạt động chếđộ bão hòa ta cung cấp điện áp vào chân cực cho tiếp xúc P-N phân cực thuận Ở trạng thái này, cực phát cực góp tranzito coi nhưđược nối tắt, dòng điện qua tranzito lớn, sụt áp cực góp-phát gần khơng vôn tranzito chuyển mạch trạng thái

đóng

Trong chương trình bày thành phần dịng điện tranzito gồm có: dịng điện cực phát IE, dịng điện cực góp IC, dịng điện cực gốc IB, hệ số khuếch đại dòng điện cực

phát α hệ số khuếch đại dòng điện cực gốc β Đồng thời, phần nêu mối quan hệ dịng điện thơng qua hệ số khuếch đại:

+ Đối với hệ sốα: IC = αIE + ICB0

IB = (1 – α)IE – ICB0

IE = IC + IB

Ura2

Ura1

UCC

RC1

C1

RB2 RB1

C2

RC2

T1 T

2

UCC

Ubh

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) + Đối với hệ sốβ:

IC = βIB + (β + 1)ICB0

IB≈ IC/ β

Chương cịn trình bày cách mắc tranzito sơđồ mạch khuếch đại là: mạch cực gốc chung, mạch cực phát chung, mạch cực góp chung; mối quan hệ dòng điện tranzito với điện áp chân cực thơng qua họđặc tuyến vào Trong phần này, xem xét đến đặc điểm cách mắc pham vi ứng dụng chúng mạch điện tử

Muốn tranzito làm việc chế độ, tham số mạch không vượt giá trị

giới hạn phải xác định điểm làm việc tĩnh cho tranzito phương pháp ổn định

điểm làm việc chọn Thông thường người ta sử dụng số phương pháp phân cực cho tranzito như:

- Mạch phân cực cốđịnh: Mạch đơn giản, dễ tính tốn độổn định thấp

- Mạch phân cực phân áp: Đây mạch có nhiều ưu điểm so với phương pháp phân cực khác Mạch có độổn định cao điện trở tải RC = 0, nên mạch sử dụng

rộng rãi

- Mạch phân cực dùng hồi tiếp: Mạch cải thiện độ ổn định điểm làm việc tĩnh, hạn chế điện trở hồi tiếp đưa thành phần tín hiệu mạch vào làm giảm khả khuếch đại mạch

Trong chương đưa sơđồ tương đương hỗn hợp tranzito mạch khuếch

đại tham số

Nhìn chung, chương có nội dung quan trọng chương trình mơn học cấu kiện

điện tử tranzito lưỡng cực cấu kiện chủđạo mạch điện tử khác

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Nêu cấu tạo ký hiệu loại tranzito lưỡng cực Trình bày nguyên lý làm việc BJT chếđộ tích cực

3 Trình bày ngun lý làm việc BJT chếđộ ngắt chếđộ bão hòa Trình bày sơđồ mắc cực gốc chung đặc điểm cách mắc này? Trình bày cách mắc cực phát chung đặc điểm cách mắc này? Trình bày cách mắc cực góp chung đặc điểm sơđồ này? Trình bày sơđồ Darlington

8 Nêu khái niệm cần thiết việc phân cực cho tranzito Trình bày mạch phân cực cốđịnh

10.Hãy cho biết vềđộổn định hệ sốổn định mạch định thiên cho BJT? 11.Trình bày mạch phân cực phân áp

12.Trình bày mạch phân cực hồi tiếp

13.Sơđồ tương đương BJT chế độ khuếch đại tín hiệu nhỏ tham số hỗn hợp mạch

14.Trình bày nguyên lý làm việc BJT chếđộ chuyển mạch tham số 15.Cho sơđồ mạch hình vẽ :

Cho biết α1=0,98, α2=0,96, Vcc=24V, RC=120Ω, IE=100mA Bỏ qua dòng điện ngược bão

hoà (ICBo=0)

CÊu kiƯn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT) a Các dòng điện IC1, IB1, IE1, IC2, IB2

b UCE

RC

Q2 Q1

IC

IC1

IC2

IB=IB1

IE1=IB2

IE=IE2

UCE

VCC

16 Cho sơđồ mạch dùng Tranzito Gecmani giá trị mạch : VCC = -20V, RC = 2kΩ, RE = 0,1kΩ, R1 = 100kΩ, R2 = 5kΩ, β = 50

Hãy xác định:

Các dòng điện tĩnh IB, IC, IE điện áp UCE

Hệ sốổn định S

R R

V

E C CC

R2

1 R

B

17 Cho sơđồ mạch hình vẽ giá trị :

VCC = 24V, RC = 10kΩ, RE = 270Ω Tranzito silic có hệ sốβ = 45 làm việc điểm làm việc

tĩnh UCE=5V xác định:

a Trị số R

CÊu kiƯn ®iƯn tö Tranzito lưỡng cực (BJT)

R R

V

E C C C

R

18 Cho mạch khuyếch đại công suất dùng tranzito loại P-N-P

a Hãy cho biết tranzito mắc theo cách ? Kiểu mạch định thiên ? b Nêu nhiệm vụ linh kiện mắc mạch

c Cho biết VC=-40V, RE=5Ω, ICBO=-5mA, cho dòng điện tĩnh IC=-1A, hệ số khuyếch đại

dòng β=100, điện trở cuộn sơ cấp L1 10Ω Hãy xác định giá trị RB hệ số ổn định

S

R R

R C

L V

B t¶i

E E

1 c

2

L

19 Tranzito lưỡng cực làm việc chếđộ tích cực thuận phân cực với… a hai tiếp xúc P-N phân cực ngược

b, hai tiếp xúc P-N phân cực thuận

c tiếp xúc phát phân cực thuận, tiếp xúc góp phân cực ngược d tiếp xúc phát phân cực ngược, tiếp xúc góp phân cực thuận

20 Tranzito lưỡng cực làm việc chếđộ ngắt phân cực với… a hai tiếp xúc P-N phân cực ngược

b, hai tiếp xúc P-N phân cực thuận

c tiếp xúc phát phân cực thuận, tiếp xúc góp phân cực ngược d tiếp xúc phát phân cực ngược, tiếp xúc góp phân cực thuận 21 Ở chếđộ khóa điện tử Tranzito lưỡng cực làm việc ….…

a chếđộ tích cực chếđộ ngắt; b chếđộ bão hịa chếđộ tích cực c chếđộ bão hịa chếđộ ngắt; d chếđộ tích cực

22 Trong sơđồ mạch khuếch đại, tranzito lưỡng cực làm việc …

CÊu kiÖn ®iƯn tư Tranzito lưỡng cực (BJT)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

CHƯƠNG

TRANZITO TRƯỜNG (FET)

GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương giới thiệu loại tranzito có ngun lý làm việc hồn tồn khác với nguyên lý làm việc BJT, tranzito hiệu ứng trường viết tắt FET Trong FET việc điều khiển dòng điện mạch điện áp mạch vào định Trong chương trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc loại tranzito trường: JFET, MOSFET Trong chương trình bày cách mắc phân cực cho tranzito trường, sơ đồ tương đương FET mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ chếđộ chuyển mạch

NỘI DUNG

5.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ FET 5.1.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản

Khác với tranzito lưỡng cực, hoạt động tranzito trường dựa nguyên lý hiệu ứng trường nghĩa độ dẫn điện đơn tinh thể bán dẫn điện trường bên ngồi điều khiển Dịng điện tranzito trường loại hạt dẫn tạo nên: lỗ trống điện tử nên cịn

được gọi cấu kiện đơn cực

Nguyên lý hoạt động tranzito trường dòng điện qua mơi trường bán dẫn có tiết diện dẫn điện thay đổi tác dụng điện trường vuông góc với lớp bán dẫn Khi thay đổi cường độđiện trường làm thay đổi điện trở lớp bán dẫn làm thay

đổi dịng điện qua Lớp bán dẫn gọi kênh dẫn điện

5.1.2 Phân loại:

Tranzito trường có hai loại là:

- Tranzito trường điều khiển tiếp xúc P-N (hay gọi tranzito trường mối nối): Junction field- effect transistor - viết tắt JFET

- Tranzito có cực cửa cách điện: Insulated- gate field effect transistor - viết tắt IGFET Thông thường lớp cách điện dùng lớp oxit nên gọi metal- oxide- semiconductor transistor (viết tắt MOSFET)

Trong loại tranzito trường có cực cửa cách điện chia làm loại MOSFET kênh sẵn MOSFET kênh cảm ứng

Mỗi loại FET lại phân chia thành loại kênh N loại kênh P

Tranzito trường có ba chân cực cực Nguồn ký hiệu chữ S (source); cực Cửa ký hiệu chữ G (gate); cực Máng ký hiệu chữ D (drain)

Cực nguồn (S): cực nguồn mà qua hạt dẫn đa sốđi vào kênh tạo dòng điện nguồn IS

Cực máng (D): cực mà ởđó hạt dẫn đa số rời khỏi kênh Cực cửa (G): cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh

5.1.3 Một sốưu nhược điểm của tranzito trường so với tranzito lưỡng cực:

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) + Dòng điện qua tranzito loại hạt dẫn đa số tạo nên Do FET loại cấu kiện đơn cực (unipolar device)

+ FET có trở kháng vào cao

+ Tiếng ồn FET nhiều so với tranzito lưỡng cực

+ Nó khơng bù điện áp dịng ID = ngắt điện tốt

+ Có độổn định nhiệt cao + Tần số làm việc cao

Một số nhược điểm:

Nhược điểm FET hệ số khuếch đại thấp nhiều so với tranzito lưỡng cực

5.1.4 Ký hiệu của FET sơđồ mạch:

5.2 TRANZITO TRƯỜNG LOẠI ĐIỀU KHIỂN BẰNG TIẾP XÚC P-N (viết tắt JFET - Junction Field Effect Transistor)

5.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của JFET a Cấu tạo JFET:

Tranzito JFET cấu tạo gồm có miếng bán dẫn mỏng loại N (gọi kênh loại N) loại P (gọi kênh loại P) hai tiếp xúc P-N gọi kênh dẫn điện Hai đầu miếng bán dẫn đưa hai chân cực gọi cực máng (ký hiệu D) cực nguồn (ký hiệu S) Hai miếng bán dẫn hai bên kênh nối với đưa chân cực gọi cực cửa (ký hiệu G) Cho nên, cực cửa tách khỏi kênh tiếp xúc P-N

Các tranzito trường JFET hầu hết loại đối xứng, có nghĩa đấu mạch đổi chỗ hai chân cực máng nguồn cho tính chất tham số tranzito không thay đổi

D D D D D D

G G G G G G

S S S S S S Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P Kênh N Kênh P a- JFET b- MOS kênh sẵn c- MOS kênh cảm ứng

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

b Nguyên lý hoạt động JFET:

Nguyên lý hoạt động tranzito trường JFET kênh loại N kênh loại P giống Chúng khác chiều nguồn điện cung cấp vào chân cực

Để cho tranzito trường làm việc chế độ khuếch đại phải cung cấp nguồn điện UGS có

chiều cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược Còn nguồn điện UDS có chiều

cho hạt dẫn đa số chuyển động từ cực nguồn S, qua kênh, cực máng D để tạo nên dòng

điện mạch cực máng ID Ta có sơđồ nguyên lý hình 5-3

Trong phần trình bày nguyên lý hoạt động tranzito JFET kênh N

Xét sơ đồ hình 5-3(a): Để cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược ta phải cung cấp nguồn VGG có cực dương vào chân cực nguồn S, cực âm vào chân cực cửa G Để cho hạt

dẫn điện tử chuyển động từ cực nguồn cực máng nguồn điện VD có chiều dương vào cực

máng, chiều âm vào cực nguồn

Khi UDS > 0, điện điểm dọc theo kênh tăng dần từ cực nguồn S đến cực

máng D Do vậy, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược mạnh dần phía cực máng Bề dày lớp tiếp xúc tăng dần phía cực máng tiết diện kênh hẹp dần phía cực máng (xem hình 5-4)

G Bán dẫn P

Bán dẫn N S Kênh dẫn

D

Hai tiếp xúc P-N

Hình 5-2 : Cấu tạo tranzito trường loại JFET kênh dẫn loại N

D D ID ID

G RD G RD

UDS UDS

VGG UGS VGG

S VDD UGS S VDD

a/ JFET kênh N b/ JFET kênh P

+

+ +

+

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

• Xét khả điều khiển điện áp cực cửa UGS đối với dòng điện ID đặc tuyến

truyền đạt FET:

Muốn xét khả điều khiển dòng điện ID điện áp cực cửa phải đặt lên cực

máng điện áp UDS1 > giữ cốđịnh

Khi điện áp cực cửa UGS = 0V, hai tiếp xúc P-N phân cực ngược mạnh dần

từ cực nguồn phía cực máng, kênh hẹp dần phía cực máng Tuy nhiên,

ở trường hợp này, tiết diện kênh lớn nên dòng điện chạy qua kênh lớn nhất, ký hiệu IDo

Khi đặt điện áp cực cửa có trị số âm (UGS < 0), tiếp xúc P-N phân cực

ngược mạnh hơn, tiết diện kênh hẹp lại, điện trở kênh tăng, kéo theo dòng điện ID giảm xuống Khi điện áp cực cửa giảm xuống đến trị số gọi điện áp

ngắt: UGS = UGSngắt hai lớp tiếp xúc P-N phủ trùm lên kênh hồn tồn biến mất,

dịng điện chạy qua kênh (ID = 0)

Quan hệ dòng điện ID với điện áp UGS thể đường đặc tuyến điều khiển

hay gọi đặc tuyến truyền đạt có hàm ID = f(UGS) UDS khơng đổi

Dịng điện IDđược tính cơng thức Shockley:

ID = IDo

2

ng¾t GS

GS

U U

1 ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

− (5 1)

Đây phương trình bậc biểu diễn đường cong có dạng parabol, ta có đặc tuyến truyền đạt mơ tả hình (5-5)

UGS G

D w 2b(x)

S 2a (tiết diện kênh)

w(x) (tiếp xúc P-N) UDS

+

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

Đặt hệ số K =

2

ng¾t GS

GS

U U

1 ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

− ta viết lại cơng thức (5.1)như sau:

ID = KIDo (5 2)

Đặc tuyến JFET

Đặc tuyến mối quan hệ dòng điện ID điện áp máng UDS

Đối với JFET kênh loại N, đặt trị số UGS ≤ (giả sửđặt UGS = UGS1 < 0) giữ cố

định, sau thay đổi trị sốđiện áp UDS Khi điện áp UDS = 0V hai tiếp xúc P-N phân

cực ngược đồng từ cực nguồn đến cực máng, tiết diện kênh lớn dòng

điện (ID = 0) Đặt UDS> có giá trị nhỏ, điện điểm dọc theo kênh tăng

dần từ cực nguồn đến cực máng, làm cho tiếp xúc P-N phân cực ngược mạnh dần phía cực máng, đồng thời, hạt dẫn điện tử chuyển động cực máng tạo nên dòng điện cực máng ID Tăng dần điện áp UDS cho dương hơn, hai tiếp xúc P-N phân cực

ngược mạnh phía cực máng, tiết diện kênh bị hẹp dần phía cực máng, dịng điện ID lại tăng tăng tuyến tính với tăng điện áp UDS Ta có đoạn

đặc tuyến dốc đứng gọi vùng trở

Khi điện áp UDS tăng đến trị số mà hai tiếp xúc P-N chạm nhau, tạo "điểm thắt"

của kênh, trị số điện áp ta gọi điện áp UDS bão hịa (UDSbh) hay gọi điện áp

“thắt” Lúc dòng điện ID đạt tới trị số dòng điện bão hòa IDb.h Nếu tiếp tục tăng điện áp

cực máng dương cường độ dịng điện ID khơng tăng mà có tiếp xúc P-N

được phân cực ngược mạnh chúng trùm phủ lên làm cho đoạn kênh bị lấp chiều dài kênh bị ngắn lại Lúc này, quan hệ dịng điện ID với điện áp UDS khơng theo

định luật Ơm nữa, ID gần khơng đổi điện áp UDS tiếp tục tăng, ta có vùng dịng điện ID

khơng đổi

ID (mA)

IDo

UDS2

UDS1

-

UGSngắt +UGS

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

Nếu tăng trị sốđiện áp UDS lên cao xảy tượng đánh thủng tiếp xúc P-N

và dòng điện ID tăng vọt lên gọi vùng đánh thủng

Thay đổi trị sốđiện áp cực cửa thực lại bước thu họđặc tuyến mơ tả hình 5-

5.2.2 Các cách mắc của JFET sơđồ mạch

Như tranzito lưỡng cực, tranzito trường có cách mắc sơ đồ mạch khuếch đại là: sơ đồ mắc cực nguồn chung, sơ đồ mắc cực máng chung, sơ đồ mắc cực cửa chung

a Sơđồ cực nguồn chung:

Trong sơđồ hình (5-7), nguồn cung cấp chiều VDD, điện trởđịnh thiên RG, tải RD

Sơđồ mắc cực nguồn chung giống sơđồ mắc cực phát chung tranzito lưỡng cực, có điểm khác dịng vào IG thực tế trở kháng vào lớn

Đặc điểm sơđồ cực nguồn chung: - Tín hiệu vào tín hiệu ngược pha - Trở kháng vào lớn Zvào = RGS ≈ ∞

- Trở kháng Zra = RD // rd

- Hệ số khuếch đại điện áp μ ≈ S rd >

Đối với tranzito JFET kênh N hệ số khuếch đại điện áp khoảng từ 150 lần đến 300 lần, tranzito JFET kênh loại P hệ số khuếch đại nửa khoảng từ

75 lần đến 150 lần Vùng trở

12 10

ID (mA)

Vùng dòng điện ID không đổi UGS = 0v

UGS = - 0,5v

-1v

- 2v

Đánh thủng - 4v

10 15 20 25 30 UDS (v) UDSbh

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

b Sơđồ mắc cực máng chung:

Sơđồ mạch mơ tả hình 5-8 Sơđồ mắc cực máng chung giống sơđồ mắc cực góp chung tranzito lưỡng cực Tải RSđược đấu mạch cực nguồn sơđồ gọi

mạch lặp cực nguồn

Đặc điểm sơđồ có:

- Tín hiệu vào tín hiệu đồng pha - Trở kháng vào lớn

Zvào = RGD = ∞

- Trở kháng nhỏ Zra = RS // m g

1 - Hệ số khuếch đại điện áp μ <

Sơđồ cực máng chung dùng rộng rãi hơn, giảm điện dung vào mạch, đồng thời có trở kháng vào lớn Sơđồ thường dùng để phối hợp trở

kháng mạch

c Sơđồ mắc cực cửa chung:

+VDD

RD ID

D ura

C2

C1 G

uvào S

RG RS CS

Hình 5- 7: Sơđồ mắc cực nguồn chung JFET kênh loại N

+VDD

C1

uvào G

S ura

C2

RG RS IS

D

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Sơđồ theo nguyên tắc khơng sử dụng có trở kháng vào nhỏ, trở kháng lớn

Sơđồ mạch nguyên lý hình 5-9:

5.2.3 Phân cực cho JFET

Giống tranzito lưỡng cực, tranzito trường có cách phân cực như: phân cực cốđinh, phân cực phân áp phân cực hồi tiếp

a Phân cực cốđịnh

Sơđồ phân cực cốđịnh mô tả hình (5-10):

Trong cách phân cực nguồn điện VGGđược đặt vào cực cửa mạch gọi phân cực

cốđịnh có UGS = -UGG có giá trị cốđịnh.Như vậy, muốn xác định điểm làm việc Q thích hợp

ta phải dùng nguồn cung cấp Đây điều bất lợi phương pháp phân cực

b Phân cực phân áp

Sơ đồ mạch phân cực phân áp mơ tả hình 5-11 Phương pháp hữu hiệu cho tranzito lưỡng cực JFET khơng tiện lợi sử dụng

S D Mạch Mạch vào G G

Hình 5-9 : Sơđồ mắc cực cửa chung JFET kênh N

+VDD

RD ID

D ura

C2

C1 G

uvào S

RG

-VGG

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

c Phân áp tự cấp(còn gọi tự phân cực)

Sơđồ tự phân cực JFET mơ tả hình 5-12 Đây cách phân cực khơng giống nhưđối với BJT cách phân cực hữu hiệu JFET, cách phân cực điện áp UGS = -IDRS

5.2.4 Các tham số của tranzito trường ở chếđộ tín hiệu nhỏ

Các tham số FET chếđộ tín hiệu nhỏ thường có: độ hỗ dẫn, trở kháng ra, trở kháng vào hệ số khuếch đại điện áp

Sơ đồ mạch tương đương FET chế độ tín hiệu nhỏ giống tranzito lưỡng cực Ở chếđộ này, dòng điện cực máng iD hàm điện áp cực cửa uGS

điện áp cực máng uDS, ta có:

iD = f(uGS , uDS)

+VDD

Ip.áp

RD ID

R1

D ura

C2

C1 G

uvào Ip.áp S

R2 RS

Hình 5-11: Mạch phân cực phân áp JFET kênh loại N

+VDD

RD ID

D ura

C2

C1 G

uvào S

RG RS CS

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Khi hai điện áp cực cửa cực máng biến đổi dịng điện cực máng thay

đổi theo:

DS GS DS D GS DS GS D D u const U u i + u const U u i =

i Δ

= Δ = Δ ∂ ∂ ∂ ∂ (5 3)

Trong chế độ tín hiệu nhỏ đại lượng ΔiD = id ; ΔuGS = ugs ; ΔuDS = uds ,

công thức (5 3) viết:

ds d gs m d u r + u g =

i (5 4)

Trong đó:

• Độ hỗ dẫn (ký hiệu gm):

const U u i = const U u i const U u i = g DS gs d DS GS D DS GS D m = = Δ Δ ≈ = ∂ ∂

(5 5)

Độ hỗ dẫn FET biểu thị khả điều khiển điện áp cực cửa uGS lên dòng điện

xoay chiều cực máng iD

Giá trịđộ hỗ dẫn FET nằm khoảng: S = ữ 20 mA/V

ã Tr khỏng hay gọi điện trở máng (ký hiệu rd):

Điện trở máng rd biểu thị ảnh hưởng điện áp cực máng uDS tới dòng điện cực

máng iD ta có cơng thức:

const U i u = const U i u const U i u = r GS d ds GS D DS GS D DS d = = Δ Δ ≈ = ∂ ∂

(5 6)

• Hệ số khuếch đại điện áp μ:

Hệ số khuếch đại điện áp số lần điện áp cực cửa tác động lên dòng điện cực máng mạnh so với điện áp cực máng Ta có cơng thức:

μ = const = I u u = const I u u const I u u D gs ds D GS DS D GS DS = Δ Δ ≈ = ∂ ∂

(5 7)

So sánh cơng thức tính độ hỗ dẫn gm, điện trở máng rd hệ số khuếch đại điện áp μ,

ta có cơng thức sau:

μ = gm rd (5 8)

Hệ số khuếch đại có trị số khoảng vài trăm lần

5.2.5 Sơđồ tương đương của JFET chếđộ tín hiệu nhỏ

Sơđồ tương đương FET chếđộ tín hiệu nhỏđược mơ tả hình 5- 13 Trong sơ đồ tồn điện dung ba chân cực Tụđiện Cgs biểu thịđiện dung rào tiếp

xúc P-N cực cửa cực nguồn, tụđiện Cgd điện dung rào tiếp xúc P-N

cực cửa cực máng Tụ điện Cds điện dung máng-nguồn kênh dẫn Đây điện

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Vì tiếp xúc P-N cực cửa phân cực ngược nên điện trở cực cửa - cực nguồn rgs

giữa cực cửa - máng rgd lớn, sơđồở hình 5- 13 hai điện trở bỏ qua

Từ công thức (5 4) (5 1) ta tính được:

⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

− =

ng¾t

GS GS mo

m

U U g

g (5 9)

trong gmo giá trịđộ hỗ dẫn UGS =0 xác định:

ng¾t GS

Do mo U

I

g = − (5.10)

Vì IDo UGSngắt ngược pha nên gmo ln dương

5.3 TRANZITO TRƯỜNG LOẠI CỰC CỬA CÁCH LY (IGFET)

Đây loại tranzito trường có cực cửa cách điện với kênh dẫn điện lớp cách

điện mỏng Lớp cách điện thường dùng chất oxit nên ta thường gọi tắt tranzito trường loại MOS Tên gọi MOS viết tắt từ ba từ tiếng Anh là: Metal - Oxide - Semiconductor

Tranzito trường MOS có hai loại: tranzito MOSFET có kênh sẵn tranzito MOSFET kênh cảm ứng Trong loại MOSFET lại có hai loại kênh dẫn loại P kênh loại N

5.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh sẵn: a Cấu tạo:

Tranzito trường MOSFET kênh sẵn gọi MOSFET-chếđộ nghèo (Depletion-Mode MOSFET viết tắt DMOSFET) Ta có mơ hình mơ cấu tạo MOSFET hình – 14 Tranzito trường loại MOS có kênh sẵn loại tranzito mà chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh dẫn

Cực cửa Cgd Cực máng

G D Cgs gm ugs rd Cds

S S Cực nguồn

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

b Nguyên lý hoạt động:

Tranzito loại MOSFET kênh sẵn có hai loại kênh loại P kênh loại N (ví dụ hình 5-14 MOSFET có kênh sẵn loại P)

Khi tranzito làm việc, thông thường cực nguồn S nối với đế nối đất nên US =

Các điện áp đặt vào chân cực cửa G cực máng D so với chân cực S Nguyên tắc cung cấp nguồn điện cho chân cực cho hạt dẫn đa số chạy từ cực nguồn S qua kênh cực máng D để tạo nên dòng điện ID mạch cực máng Còn điện áp đặt cực cửa có chiều

sao cho MOSFET làm việc chếđộ giàu hạt dẫn chếđộ nghèo hạt dẫn

Nguyên lý làm việc hai loại tranzito kênh P kênh N giống có cực tính nguồn điện cung cấp cho chân cực trái dấu Sơđồ nguyên lý đấu nối MOSFET kênh sẵn hình 5- 15

Ví dụ: Xét nguyên lý hoạt động tranzito MOSFET kênh sẵn loại P

- Xét khả điều khiển MOSFET kênh sẵn loại P (Hình 5-15a):

S G D Kim loại

P P SiO2

Si(N) Tiếp xúc P-N

Đế Kênh P

Hình 5- 14 : Cấu tạo MOSFET kênh sẵn loại P

UGS UGS

S G D S G D P P N N Đế Si(N) Đế Si(P)

UDS UDS

a/ b/

+ +

+ +

Hình - 15 : Sơđồ nguyên lý MOSFET: a- MOSFET kênh sẵn loại P

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Khả điều khiển dòng điện ID điện áp cực cửa UGS đặc tuyến truyền

đạt MOSFET, nói cách khác, mối quan hệ dịng điện ID với điện áp UGS, ta có

hàm sau:

ID = f(UGS) UDS = const

Để hạt dẫn lỗ trống chuyển động từ cực nguồn S cực máng D, ta đặt điện áp cực máng UDS = UDS1 <0 giữ khơng đổi Sau thay đổi điện áp cực cửa UGS theo

chiều dương theo chiều âm Khi UGS = tác dụng điện áp UDS lỗ trống

chuyển động từ cực nguồn cực máng tạo nên dòng điện ID

Nếu UGS < 0, nhiều lỗ trống hút kênh làm nồng độ hạt dẫn kênh tăng lên,

độ dẫn điện kênh tăng dòng điện chạy kênh ID tăng lên Chế độ làm việc gọi

là chếđộ giàu hạt dẫn

Nếu UGS > 0, lỗ trống bịđẩy xa kênh làm mật độ hạt dẫn kênh giảm xuống,

độ dẫn điện kênh giảm dòng điện chạy qua kênh ID giảm xuống Chế độ làm việc

gọi chếđộ nghèo hạt dẫn Mối quan hệ thể hình 5-16a - Xét họđặc tuyến (hay quan hệ dòng điện ID điện áp UDS):

ID = f(UDS) UGS = const

Hình 5- 16b thể họ đặc tuyến MOSFET kênh sẵn loại P Đây đường biểu diễn mối quan hệ dòng điện ID với điện áp UDS ứng với giá trị điện áp UGS

khác

Trên họ đặc tuyến ra, điện áp UDS = 0V dịng điện qua kênh ID = 0, đặc

tuyến xuất phát từ gốc tọa độ Điều chỉnh cho UDS âm dần, với trị số cịn nhỏ dịng điện ID

tăng tuyến tính với tăng trị số điện áp UDS mối quan hệ tính theo định luật

Ơm Ta có vùng trở đặc tuyến

ID (mA) ID (mA)

Vùng giàu Vùng nghèo

hạt dẫn hạt dẫn UGS =-3v

UGS=-2v Vùng

giàu hạt dẫn Vùng nghèo -3 -2 -1 UGS(v) -5 -10 -15 -20 -UDS (v)

UGSngắt UDSbh

a/ b/

4

Hình - 16 : Các họđặc tuyến MOSFET kênh sẵn loại P: a Họđặc tuyến điều khiển ID = f(UGS) UDS không đổi

b Họđặc tuyến ID = f(UDS) UGS không đổi

UGS=-1V

UGS=0V

6

Vùng dịng ID khơng đổi

Vùng

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Khi điện áp UDS đạt tới trị số bão hịa (UDSb.h.) dịng điện cực máng đạt tới

trị số gọi dòng điện bão hòa IDb.h Trong trường hợp này, lớp tiếp xúc P-N chạm vào đáy

lớp oxit kênh có điểm "thắt" cực máng, nên UDSbh cịn gọi điện áp “thắt”

Nếu cho ⏐UDS⏐>⏐UDSb.h.⏐ dịng điện khơng thay đổi giữ ngun trị số bão hòa

IDb.h Đồng thời, tiếp xúc P-N bị phân cực ngược mạnh phía cực máng, làm cho chiều

dài phần kênh bị "thắt" tăng lên Độ chênh lệch điện áp ΔUDS = ⎪UDS⎪-⎪UDSbh⎪

đặt lên đoạn kênh bị "thắt" làm cho cường độ điện trường ởđây tăng, giúp cho số lỗ

trống vượt qua đoạn kênh bị "thắt" khơng thay đổi, dịng IDbh giữ khơng đổi Ta có vùng

dịng điện ID bão hòa

Trường hợp, đặt UDS lớn dẫn đến tượng đánh thủng tiếp xúc P-N phía

cực máng, dịng điện ID tăng vọt Lúc tranzito chuyển sang vùng đánh thủng

Qua họđặc tuyến MOSFET kênh sẵn ta thấy làm việc chếđộ nghèo giàu hạt dẫn MOSFET kênh sẵn có mức ồn nhỏ nên thường dùng tầng khuếch đại thiết bị cao tần Độ hỗ dẫn gm phụ thuộc vào điện áp UGS nên hệ

số khuếch đại điện áp thường tựđộng điều khiển

5.3.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của MOSFET kênh cảm ứng a Cấu tạo:

Tranzito trường loại MOS kênh cảm ứng gọi MOSFET chế độ giàu (Enhancement-Mode MOSFET viết tắt E-MOSFET) Khi chế tạo MOSFET kênh cảm ứng người ta không chế tạo kênh dẫn Do công nghệ chế tạo đơn giản nên MOSFET kênh cảm ứng

được sản xuất sử dụng nhiều Hình 5-17 mơ cấu tạo MOSFET kênh cảm ứng loại P

b Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý làm việc loại kênh P kênh N giống hệt khác cực tính nguồn cung cấp đặt lên chân cực Trước tiên, nối cực nguồn S với đế nối đất, sau

đó cấp điện áp cực cửa cực nguồn để tạo kênh dẫn - Tạo kênh dẫn khả điều khiển tranzito:

Ví dụ: Ta trình bày nguyên lý hoạt động MOSFET kênh cảm ứng loại P Kim loại

SiO2

Tiếp xúc P-N

Đế

S G

P P

Si(N)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Theo nguyên tắc cấp nguồn điện cho chân cực, ta cấp nguồn điện UGS < để tạo

kênh, UDS < để tác động cho lỗ trống chuyển động từ cực nguồn cực máng tạo nên

dòng điện ID.(Xem hình -18)

Khi ta đặt điện áp lên cực cửa âm so với cực nguồn (UGS < 0) đến giá trị gọi

là điện áp ngưỡng (ký hiệu UGSth) số lỗ trống hút tạo thành lớp

mỏng lỗ trống bề mặt lớp bán dẫn đế Si(N), nối liền cực nguồn S với cực máng D kênh dẫn điện hình thành

Khi kênh xuất hiện, tác dụng điện trường cực máng lỗ trống di chuyển từ cực nguồn, qua kênh, cực máng tạo nên dòng điện tranzito ID

Tiếp tục cho UGS âm hơn, nghĩa ⎪UGS⎪>⎪UGSth⎪, số lỗ trống hút kênh

càng nhiều, mật độ hạt dẫn kênh tăng lên, độ dẫn điện kênh tăng dẫn đến cường độ dòng điện chạy qua kênh tăng lên Qui luật tăng dòng điện ID theo điện áp

UGS biểu diễn theo công thức sau:

ID = k (UGS - UGSth)2 (5.11)

Đây phương trình đặc tuyến truyền đạt biểu diễn hình 5-19 Hệ số k số tính theo công thức:

k =

( )2

) ( ) ( GSth on GS on D U U I

− (5.12)

Trong ID(on) UGS(on) trị số dòng điện điện áp tương ứng xác định họ

đặc tuyến MOSFET

Thay công thức (5.12) vào công thức (5.11) ta có:

ID = ( )2 ( )2

) ( ) ( GSth GS GSth on GS on D U U U U I −

− (5.13)

Đặt K =

2 ) ( ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − GSth on GS GSth GS U U U U ta có:

ID = KID(on) (5.14)

UGS UGS

S G D S G D

P P P P Si(N) Si(N)

Lớp ion Kênh dẫn P

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

- Họđặc tuyến ra:

Họđặc tuyến biểu thị mối quan hệ dòng điện ID điện áp UDS Trong sơđồ mắc

cực nguồn chung ID dịng điện điện áp UDS điện áp ra, ta có hàm biểu thị mối

quan hệ này:

ID = f(UDS) UGS giữ không đổi

Điện áp đặt lên cực cửa yêu cầu phải đủ lớn để kênh dẫn hình thành Sau đó, ta thay đổi điện áp UDS theo dõi thay đổi dịng ID theo điện áp UDS Ta có sơđồ mạch

nguyên lý đấu nối MOSFET kênh P mô tả hình 5- 20a

Xét đường cong đặc tuyến ứng với trị số UGS < 0, ví dụ UGS4 hình 5- 20b, ta

thấy:

Nếu UDS = 0, lỗ trống khơng chuyển động cực máng nên dòng ID =

Khi đặt UDS<0 có trị số nhỏ, điện điểm dọc theo kênh giảm dần cực

nguồn S đến cực máng Dưới tác dụng điện áp UDS lỗ trống di chuyển từ cực nguồn

đến cực máng tạo nên dòng điện ID Tiếp tục cho điện áp UDS âm dịng ID tăng nhanh

và tăng tuyến tính với tăng điện áp âm UDS Đồng thời, tiếp xúc P-N phân cực

ngược tăng dần từ cực nguồn đến cực máng, bề dày lớp tiếp xúc tăng dần phía cực máng ID (mA)

+UGS (v)

UGSth

Hình - 19 : Đặc tuyến điều khiển MOSFET kênh cảm ứng loại P

ID (mA)

Điểm "thắt"

UGS Vùng dịng ID khơng đổi

S G D UGS4 <0

⎪UGS⎪

P P Tiếp

xúc đánh Si(N) P-N UGSth thủng

-UDS

a/ UDS UDSbh b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) kênh hẹp dần phía cực máng, điện trở kênh tăng lên Ta có đoạn dốc đặc tuyến gọi vùng trở

Khi trị số điện áp cực máng đạt trị số, mà bề dày tiếp xúc P-N tăng lên chạm vào đáy lớp oxit phía cực máng, ta gọi điện áp cực máng bão hòa (UDSbh)

Lúc dòng điện IDđạt trị số bão hòa IDb.h Tiếp tục cho điện áp UDS âm hơn, bề dày

của tiếp xúc P-N tăng phía cực máng, phần kênh bị "thắt" lại tăng lên chiều dài kênh bị ngắn lại, dịng điện khơng đổi ID = IDbh Trong trường hợp này, độ gia

tăng điện áp cực máng ΔUDS =⎪UDS⎪-⎪UDSbh⎪ đặt lên đoạn kênh bị "thắt" Và

tác dụng trực tiếp lên phần kênh cịn lại, kích thích chuyển dịch hạt lỗ trống từ cực nguồn vượt qua đoạn kênh bị "thắt" để cực máng làm cho dịng điện ID khơng đổi ta có

vùng dịng ID khơng đổi

Nếu trị số âm UDS q lớn xảy tượng đánh thủng lớp tiếp xúc P-N

phía cực máng, làm cho dịng điện ID tăng vọt lên

5.3.3 Các cách mắc MOSFET sơđồ mạch khuếch đại

Giống JFET, tranzito loại MOSFET có cách mắc cực nguồn chung, cực máng chung cực cửa chung Trong cách mắc cách mắc cực cửa chung không

được sử dụng thực tế Do vậy, thông thường ta sử dụng hai cách mắc nguồn chung máng chung

5.3.4 Phân cực cho MOSFET

Cũng BJT JFET, thông thường có cách phân cực cho MOSFET

hình 5-21 là: a/ phân cực cốđịnh, b/ phân cực hồi tiếp c/ phân cực phân áp

Cách phân cực cốđịnh hình 5-21a cho MOSFET kênh sẵn với điện áp UGS=0 gọi

phân cực zero ID = IDo Đây cách phân cực đơn giản Sơđồ hình 5-21b cách phân

cực hồi tiếp cực máng cho MOSFET kênh cảm ứng Do dòng IG = nên URG = 0V Ur = Uv

Sơđồ hình 5-21c mạch phân cực phân áp Ở cách phân áp có trở kháng vào Zv = R1//R2;

UGS = UG – IDRS

5.3.4 Sơđồ mạch tương đương của MOSFET

+VDD +VDD +VDD

RD RD

RD C2 R1 C2

C2

C1 Ur C1 Ur

Ur C1 RG

Uv Uv

RG Uv R2 RS CS

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) Sơđồ tương đương MOSFET mơ tả hình 5-22

Trong sơ đồ, điện trở Zv lớn (Zv = RGS ≈ ∞) nên sơđồ mạch tương đương

mạch vào gần hở mạch Điện trở rd trở kháng điện trở kênh thành

phần xoay chiều

Ưu điểm tranzito trường so với tranzito lưỡng cực:

- Trở kháng vào FET lớn: loại điều khiển tiếp xúc P-N khoảng 1010÷ 1013Ω; loại MOS khoảng 1013÷ 1015Ω

- Dịng điện qua cực cửa nhỏ:

Loại JFET: IG(JFET) = PA ÷ nA

Loại MOS : IG(MOS) = (

10

1 ÷

20

)IGJFET

- Tính ổn định nhiệt cao

- Tần số làm việc cao nhưởđèn điện tử chân khơng có thểđến vài trăm MHz - Tạp âm nhỏ

Tranzito trường sử dụng giống tranzito lưỡng cực hệ số khuếch đại

điện áp nhỏ nhiều nên chúng thường dùng mạch có yêu cầu ổn

định nhiệt độ cao, độ nhạy cao tần số làm việc cao

5.3.6 Một sốứng dụng của FET

Trong kỹ thuật điện tử, tranzito trường sử dụng gần giống tranzito lưỡng cực Tuy nhiên, số ưu nhược điểm FET so với BJT nói trên, đặc biệt hệ số

khuếch đại thấp, mà tranzito trường thường sử dụng mạch thể ưu

của chúng Đặc biệt việc tích hợp IC tranzito trường ứng dụng hiệu cho phép tạo IC có độ tích hợp cao (LSI VLSI) Sau ta xem xét vài mạch ứng dụng FET

1 Tầng khuếch đại vi sai dùng FET

Để tăng trở kháng vào (tới hàng chục MΩ) người ta sử dụng tranzito trường hình 5-23 Về nguyên lý hoạt động mạch khuếch đại vi sai khơng có khác với mạch dùng tranzito lưỡng cực, có trở kháng vào mạch dùng FET lớn nhiều (có thể tới hàng trăn lần cao so với dùng BJT)

UGS Zv gmUGS rd UDS

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

2 Mạch phát sóng RC dùng FET.(Hình 5-24)

Ở tầng khuếch đại có hệ số khuếch đại K = gm.RL, gm độ hỗ dẫn FET

RL điện trở tải mạch RL =

d D

d D

r R

r R

+

Tần số dao động mạch: f =

RC

1

Π

Mạch tạo dao động RC cho dao động có tần số đủ thấp Trong khối khuếch, tín hiệu ngược pha với tín hiệu vào (FET mắc Nguồn chung) nên mạch hồi tiếp RC phụ thuộc tần số phải dịch pha tín hiệu 1800 ở tần số phát sóng

RD2

RD1

-VDD

S1 S2

UV2 G2

Ur2

IS

Hình – 23: Mạch khuếch vi sai dùng FET G1

UV1 Ur1

T2 T1

D2

D1

+VDD

VDD

RD

CS

RS

R C R C R C

+ + +

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

TÓM TẮT NỘI DUNG

Tranzito trường (FET) loại tranzito đơn cực, dòng điện chạy cấu kiện loại hạt dẫn tạo nên Việc điều khiển dòng điện điện trường cực cửa định Khi thay đổi điện áp cực cửa làm thay đổi tiết diện kênh dẫn điện, làm thay đổi mật độ

hạt dẫn kênh dẫn đến thay đổi cường độ dòng điện chạy qua kênh

Tranzito trường chia làm loại chính: tranzito trường mối nối JFET tranzito trường có cực cửa cách điện IGFET- thông thường gọi MOSFET

JFET có kênh dẫn nằm tiếp xúc P-N chân cực cực Nguồn (S), cực Cửa (G), cực Máng (D) Có hai loại JFET loại kênh N loại kênh P Hai loại nguyên lý hoạt động giống có chiều nguồn điện cung cấp cho chân cực ngược dấu Nguyên tắc cấp điện phân cực cho JFET cho hai tiếp xúc P-N phân cực ngược hạt dẫn phải chuyển động từ cực nguồn cực máng để tạo dòng điện cực máng Khi thay đổi điện áp cực cửa dịng điện qua tranzito thay đổi theo qui luật hàm mũ sau:

ID = ID0

2

1 ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

−

GSngat GS

U U

Trong đó: ID dịng điện cực máng

ID0 dòng điện máng UGS = 0V

UGS điện áp đặt lên cực cửa

UGS ngắt điện áp ngắt

Và ta có đường đặc tuyến điều khiển biểu diễn mối quan hệ

Khi điện áp đặt lên cực máng thay đổi làm cho dòng điện máng thay đổi theo cách tuyến tính UDS cịn nhỏ (UDS < UDS bão hòa) Tranzito làm việc vùng trở

Khi UDS>UDS bão hịa tranzito chuyển sang hoạt động vùng bão hòa hay vùng có dịng điện

khơng đổi (ID bão hịa) Lúc này, điện áp cực máng thay đổi dịng điện qua tranzito

khơng thay đổi

MOSFET tranzito trường có cực cửa cách điện với lớp cách điện oxit silic Có hai loại tranzito trường có cực cửa cách điện loại có kênh sẵn loại kênh cảm ứng Mỗi loại lại có loại kênh loại N kênh loại P Nguyên lý hoạt động loại kênh N kênh P giống có chiều nguồn cung cấp vào chân cực ngược dấu

MOSFET kênh sẵn hoạt động hai chếđộ: nghèo hạt dẫn chế độ giàu hạt dẫn Do chế tạo người ta chế tạo sẵn kênh, nên đặt điện áp lên cực cửa cực máng tranzito dẫn điện (UGS > UGSth)

MOSFET kênh cảm ứng tranzito trường không chế tạo kênh dẫn điện, mà kênh hình thành trình tranzito làm việc Muốn tranzito dẫn điện, ta phải cấp điện lên cực cửa để tạo kênh Khi UGS = UGSth kênh hình thành Sau có kênh dịng điện

trong tranzito hạt dẫn điện chạy từ cực nguồn cực máng chịu điều khiển

điện áp đặt lên cực cửa cực máng Mối quan hệ thể qua cơng thức tính dịng

điện cực máng sau:

ID = k(UGS −UGSth)2

Trong k số tính cơng thức:

K = ( )2

) (

) (

GSth on

GS on D

U U

I

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET)

Đặc tuyến truyền đạt MOSFET kênh cảm ứng không xuất phát từ gốc tọa độ mà xuất phát từ giá trị UGSth có đường cong hàm mũ bậc

Đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng có vùng hoạt động vùng trở vùng dịng điện khơng đổi

Trong sơđồ mạch, tranzito trường phân cực tranzito lưỡng cực, phương pháp phân cực tương tự Trong phần này, cần ý sử dụng phương pháp tối ưu cho loại tranzito trường nhưđã trình bày mục 5.2.3 5.3.4

So với tranzito lưỡng cực, tranzito trường có sốđặc điểm: Trở kháng vào lớn, dịng vào nhỏ (IG =0); điều khiển dòng điện điện áp; tần số làm việc cao; tạp âm thấp;

nhưng hệ số khuếch đại điện áp nhỏ

CÂU HỎI ƠN TẬP

1 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động JFET? Nêu tham số tranzito trường JFET?

3 Trình bày cách mắc JFET sơđồ mạch khuếch đại? Trình bày cách phân cực cốđịnh JFET?

5 Trình bày phương pháp tự phân cực JFET?

6 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động MOSFET kênh sẵn?

7 Giải thích họđặc tuyến điều khiển họđặc tuyến MOSFET kênh sẵn? Trình bày cách phân cực cốđịnh cho MOSFET kênh sẵn?

9 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động MOSFET kênh cảm ứng?

10.Nhận xét giải thích họ đặc tuyến điều khiển họ đặc tuyến MOSFET kênh cảm ứng?

11.Trình bày phương pháp phân cực phân áp cho MOSFET? 12.Trình bày cách phân cực hồi tiếp cho MOSFET?

13.So sánh ưu nhược điểm phương pháp phân cực cho FET 14.Cho biết ưu nhược điểm FET so với BJT?

15 Cho sơđồ mạch hình vẽ:

R C

VD D C

2

C3 R

S

R

G

1 G D

S

Hình 15

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) c Cho biết VD=30V, điện áp ngắt UGSngắt= -2V, dòng điện ID0=2mA (tại UGS=0V), điểm

làm việc tĩnh chọn có dịng ID=1mA

Hãy tính:

- Điện áp UGS điểm làm việc tĩnh ?

- Trị sốđiện trở RS (cho CS lớn)

16 Cho khuyếch đại (nhưở hình 15) sử dụng FET kênh N với -Điện áp ngắt UGSngắt= -2V

-Độ hỗ dẫn gmo=1,6mA/V (khi UGS=0V)

-Dòng điện bão hòa ID0=1,65mA (ứng với UGS=0V) Nguồn cung cấp VD=24V

-Tranzito làm việc với dòng điện tĩnh ID=0,8mA

-Giả sử rd ≥ RD

Hãy tính giá trị điện áp tĩnh UGS, độ hỗ dẫn gm, điện trở RS, RD hệ số khuyếch đại

điện áp thấp 20dB (cho CS lớn)

17 Tầng khuếch đại dùng tranzito FET kênh N có ID0 = 1mA, UGSngắt = -1V Nếu điện

áp tĩnh UDS = 10V, tớnh R1

Hình 17

+24V 56k

4k R 1 1M

S D

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tranzito hiệu ứng trường (FET) R C R2 R1 C1 VD

Hình 18 a Hãy cho biết tranzito mắc theo cách ? b Mạch định thiên kiểu ?

c Nêu nhiệm vụ linh kiện sơđồ mạch 19 Sơđồ mạch cho 18

- Nếu cấp nguồn VD = 30V; Điện áp ngưỡng UGS = 1,0V; Dòng điện máng UGS =

2UGSngưỡng ID0 = 1,5mA; R1 = 23kΩ; R2 = 7kΩ; Điểm làm việc tĩnh chọn có

UGS=5V

Hãy tính: Trị số dịng điện tĩnh ID

Trị sốđiện trở R3

20 Trong FET việc điều khiển dòng điện máng do…….quyết định a dòng điện cực cửa; b Điện áp cực cửa

c điện áp cực máng; d dòng điện cực cửa điện áp cực cửa 21 Trong FET dòng điện cực cửa có giá trị bằng:

a IG≈ 0mA; b IG = (50 ÷ 100)mA; c IG = ∞; d 0mA < IG < 10mA

22 Quan hệ dòng điện ID điện áp UGS JFET thể qua công thức sau:

a

2

0 ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = GSngat GS D D U U I

I b

2

0 ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = GSngat GS D D U U I I

c ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = GSngat GS D D U U I

I 0 d ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = GSngat GS D D U U I

I 0

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002

2 “Electronic Principles”- Firth Edition, Albert Paul Malvino, Ph.D., E.E McGraw-Hill

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

CHƯƠNG 6: CẤU KIỆN THYRISTO GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương giới thiệu cấu kiện có lớp bán dẫn Đây cấu kiện thuộc họ

thyristo Thyristo cấu kiện bán dẫn khóa mở mạch mà tác động trạng thái bền (khóa mở) tùy thuộc vào tính hồi tiếp dương lớp bán dẫn P-N-P-N

Thyristo cấu kiện chân cực, chân cực chân cực, dẫn điện chiều hai chiều Trong họ thyristo quan trọng đèn chỉnh lưu Silic có điều khiển (SCR), Triac, Diac, v.v Phần chương giới thiệu cấu tạo nguyên lý hoạt

động cấu kiện chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR), đặc tính tham số Cấu kiện thứ hai triac, cấu kiện dẫn điện hai chiều, đặc tính tham số triac, linh kiện quan trọng dùng nhiều mạch điều khiển nguồn điện Cấu kiện Diac: cấu tạo nguyên lý hoạt động, nhưứng dụng

Ngồi ra, chương cịn giới thiệu cấu tạo nguyên lý hoạt động tranzito

đơn nối (UJT) Đây cấu kiện có chân cực có lớp tiếp xúc P-N có đặc tính tham số khác với tranzito thơng thường

NỘI DUNG

6.1 CHỈNH LƯU SILIC CÓ ĐIỀU KHIỂN (SCR). 6.1.1 Cấu tạo:

Chỉnh lưu silic có điều khiển, gọi tắt SCR, gồm có lớp bán dẫn P N xếp theo kiểu P-N-P-N Ba chân cực ký hiệu chữ A - anốt, K - catôt, G - cực điều khiển Cực anốt nối với phần bán dẫn P1 trước, catốt nối với phần bán dẫn N2 sau; cực điều

khiển G thường nối với phần bán dẫn P2

Đèn chỉnh lưu silic có điều khiển dẫn điện chiều

Mơ hình cấu tạo ký hiệu SCR sơđồ mạch mơ tả hình 6- 1a,b,c Có hai loại SCR là:

+ SCR điều khiển theo catốt hay gọi SCR theo qui ước (đơn giản gọi SCR) Loại cực điều khiển G nối với phần bán dẫn P2 sau

+ SCR điều khiển theo anốt hay gọi SCR kiểu bù Loại cực điều khiển G nối với phần bán dẫn N1 trước

Thông thường người ta sử dụng loại SCR qui ước Các SCR kiểu bù cơng suất thấp

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

6.1.2 Nguyên lý làm việc:

Sơđồ mạch tương đương SCR:

Theo cấu tạo, SCR có tiếp xúc P- N ký hiệu T1, T2, T3

Khi cực điều khiển G để hở (IG = 0):

Đặt điện áp nguồn cung cấp UAK vào anốt catốt để phân cực cho SCR lúc

nó coi điốt:

+ Khi phân cực ngược (UAK < 0) tiếp xúc T1 T3 phân cực ngược, T2 phân cực

thuận nên qua SCR có dịng điện ngược nhỏ Nếu tăng ⎪UAK⎪ lên cao đến điện áp đánh Hình 6- 1: Ký hiệu cấu tạo SCR

T1 T2 T3 T1 T2 T3

A K A K P1 N1 P2 N2 P1 N1 P2 N2

G A G

A K G A K

G G K

a/ SCR "qui ước" b- SCR kiểu bù

c/ Cấu tạo

Cực G K

Si(N)

Lớp P Lớp N Lớp P

Lớp nhôm

Đĩa Moliden Anốt

A

I A

P1 R

R Q1

N1 IC2

G P2 IC1

E G Q2

E I

K K N1

P2

N1

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

thủng tiếp xúc T1 T3 tượng đánh thủng kiểu thác lũ hay đánh thủng zener với

điện áp đánh thủng Uđ.t = Uđ.t.T1 + UĐ.t.T3 Nếu xảy tượng coi SCR hỏng

+ Khi phân cực thuận (UAK > 0) tiếp xúc T1 T3 phân cực thuận, tiếp xúc T2

phân cực ngược qua SCR có dịng điện ngược nhỏ (hay SCR chếđộ trở kháng cao)

Nếu tăng dần điện áp phân cực thuận UAK > lên đến điện áp đánh thủng tiếp xúc T2

dịng điện qua SCR tăng vọt Lúc tiếp xúc P-N coi nhưđược phân cực thuận, điện trở chúng nhỏ làm cho sụt áp SCR giảm hẳn xuống cịn khoảng từ ÷ V Trị số điện áp mà xảy đánh thủng tiếp xúc T2 gọi điện áp đỉnh khuỷu UBO Trị số

UBO thường vào khoảng từ 200 ÷ 400V Vùng điện áp ta gọi vùng chặn thuận

Như vậy, SCR dẫn điện dịng điện qua khơng thể khống chế SCR mà hạn chế nhờđiện trở mắc mạch

Theo sơđồ mạch tương đương hình 6- SCR ta thấy, SCR dẫn điện qua có dịng điện I chạy từ A đến K tiếp xúc P-N tranzito Q1 Q2 có dịng

điện vào là:

IC1 = IB2 IC2 = IB1 (6 1)

Trong đó:

IC1 = α1I + ICBo1

IC2 = α2I + ICBo2

Và α1, α2 hệ số khuếch đại thác lũ alpha (hay số nhân thác lũ)

Dòng điện tổng qua SCR là:

I = IC1 + IC2 = I(α1 + α2) + ICBo1 + ICBo2 (6 2)

Thay:

ICBo1 + ICBo2 = ICBo

ICBo dòng điện ngược bão hòa tiếp xúc P-N

Vậy ta có:

I =

) (

-1

I CBo

α

α + (6 3)

Như vậy, (α1 + α2) = dịng điện tăng vọt khơng giới hạn được, tương ứng

với tiếp xúc T2được phân cực thuận.Lúc này, SCR dẫn điện có nghĩa hai tranzito Q1

và Q2đều dẫn bão hòa Lúc này, SCR chếđộ "ON": đóng mạch, hệ số khuếch đại α hai

tranzito hở nên nhỏ đạt điều kiện (α1 + α2) =

Khi ta đưa dòng điện điều khiển vào cực điều khiển G (IG≠ 0):

Khi cho dòng điện vào cực điều khiển G, làm tăng hệ sốα mà khơng phụ

thuộc vào điện áp dịng điện Như vậy, dịng IG có tác dụng gia tăng hạt dẫn thiểu số cho lớp

bán dẫn P2 tiếp xúc T2 thông sớm Tuỳ theo trị số dòng IG mà điện áp đánh

thủng tiếp xúc T2 trị số dịng điện trì IH thay đổi Khi IG có giá trị lớn UBo

nhỏ IH nhỏ Quan hệ thể qua đặc tuyến Vôn-Ampe SCR biểu diễn

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

Trong trường hợp dịng điện qua SCR có biểu thức tính là: I =

) (

-1

I I

2

CBo G

α α α

+ +

(6 4)

Điện áp, mà SCR chuyển từ chếđộ ngắt sang chếđộ dẫn điều khiển tín hiệu nhỏ cực điều khiển Ở SCR công suất lớn, để kích thích cho SCR hoạt động ta dùng dịng điện IG có hiệu ứng nhỏ Cịn SCR cơng suất thấp, dịng IGđược sử dụng để

bật tắt SCR

Khi SCR dẫn dù ta cắt dịng điện điều khiển IG , tiếp tục dẫn điện Khi SCR

dẫn điện ta gọi khởi động SCR ngừng dẫn dòng điện bị giảm xuống mức IH điện áp đặt lên SCR nửa chu kỳ âm

Khi SCR ngừng dẫn, muốn hoạt động trở lại ta phải kích khởi động cho

Như ta thấy, thực tế, đặt điện áp UAK lên SCR có dịng điện

ngược chạy qua SCR, cịn dịng điều khiển IG tạo thành phần dòng điện kích thích

cho tổng hệ số khuếch đại kiểu thác lũ dòng điện (α1 +α2)→ SCR khởi động

Khi UAK thuận tăng lên dịng điều khiển cần thiết để khởi động SCR giảm xuống Đặc điểm SCR:

- Thời gian mở tắt (hay thời gian phục hồi tp) nhanh (vài μs đến vài chục μs)

- Cường độ dịng điện cao (hàng nghìn ampe) - Điện áp cao (hàng nghìn Vơn)

- Sụt áp cực nhỏ (từ ÷ 2V) - Khả điều khiển lớn

6.2 TRIAC (Triode Alternative Current)

Là cấu kiện thuộc họ Thyristo Triac có chân cực có khả dẫn điện hai chiều có tín hiệu kích khởi động (dương âm)

I

IG3 > IG2 > IG1

IH IG0=0

Uđ.t

UBo2 UBo1 UBo +UAK

Vùng chặn ngược Vùng chặn thuận

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

6.2.1 Cấu tạo của triac:

Do tính dẫn điện hai chiều nên hai đầu triac dùng để nối với nguồn điện

được gọi đầu MT1 MT2 Giữa hai đầu MT1 MT2 có năm lớp bán dẫn bố trí theo

thứ tự P-N-P-N SCR theo chiều Đầu thứ ba gọi cực điều khiển G Như triac

được coi hai SCR đấu song song ngược chiều với nhau, xem hình 6-4

6.2.2 Nguyên lý làm việc:

Theo quy ước, tất điện áp dịng điện quy ước theo đầu MT1

Như vậy, điện áp nguồn cung cấp cho MT2 phải dương (hoặc âm) so với MT1 Còn

tín hiệu điều khiển đưa vào hai chân cực G chân cực MT1 Ký hiệu sơ đồ

nguyên lý đấu triac mạch mô tả hình 6-5a,b

Đặc tuyến Vơn-Ampe triac biểu diễn hình 6- Đặc tuyến thể khả

năng dẫn điện hai chiều triac

Phương pháp kích cổng triac giống SCR khác dùng dịng dương hay dòng âm cho phần tư thứ I phần tư thứ III đặc tuyến Vôn- Ampe triac

Có hai phương pháp kích khởi động cho triac hoạt động nhạy là: MT1

MT2

K1

K2

A2

A1

G1

G2

N N

P N P N

G MT1

MT2

MT2

MT1

G

Hình 6- 4: Cấu tạo triac

U MT2 I

Rt

MT2

G MT1 IG

MT1

a/ b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

Cực cổng G dương cực MT2 dương so với MT1

Cực cổng G âm cực MT2 âm so với MT1

Trong mạch điện, triac cho qua nửa chu kỳ điện áp xoay chiều điều khiển cực điều khiển G

Khác với SCR, triac tắt khoảng thời gian ngắn lúc dòng điện tải qua

điểm O Nếu mạch điều khiển triac có gánh điện trở việc ngắt mạch khơng có khó khăn Nhưng tải cuộn cảm vấn đề làm tắt triac trở nên khó khăn dịng lệch pha trễ Thơng thường để tắt Thyristo người ta sử dụng ngắt điện mạch đảo lưu dòng điện mạch

I

Vùng chặn ngược

-UBo -UBo1 UAK UBo1 UBo

Vùng chặn thuận

IH -IH

Hình 6- : Đặc tuyến Vôn- Ampe triac 6.3 DIAC

6.3.1 Cấu tạo ký hiệu của diac

Diac cấu kiện lớp bán dẫn có chân cực A1 A2 Cấu trúc diac giống

triac khơng có cực điều khiển G nên diac dẫn điện hai chiều Hình 6-7 giới thiệu ký hiệu diac sơđồ mạch

UB0

UB0 U

UV UB0

A1

A2

Hình – 7: Ký hiệu diac

IH

-IH

Hình 6- 8 : Đặc tuyến Vôn- Ampe diac I

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

6.3.2 Nguyên lý hoạt động của diac

Do khơng có cực điều khiển nên việc kích mở cho diac thực cách nâng cao

điện áp đặt vào hai cực Khi điện áp nguồn đạt đến giá trị UB0 diac dẫn điện điện áp

nó sụt xuống cịn đến vơn (UV)

Trong ứng dụng, diac thường dùng làm phần tử mở cho triac dẫn Khi diac dẫn điện, độ sụt áp là:

∆U = UB0 – UV

được đưa vào cực điều khiển triac xung kích để làm cho triac dẫn điện Thơng thường, thực tếứng dụng, diac triac tổ hợp thành linh kiện

6.3.3 Ứng dụng của Thyristo

Thyristo dùng chuyển mạch điện tử Nó thường dùng đểđiều khiển nguồn điện, điều khiển cơng suất cho lị nung, điều khiển tốc độ ô tô, điều khiển đèn tắt - sáng,

điều khiển mô tơđiện chiều v.v Sau xem xét thí dụ mạch kiểm sốt pha (hay cịn gọi mạch điều khiển nguồn):

Đây trình tắt mở dùng để nối nguồn điện xoay chiều cho tải phần chu kỳ xem hình 6-8: a/ mạch điều khiển nửa chu kỳ dùng SCR b/ mạch điều khiển

chu kỳ dùng triac

Trong đó: Điểm A thời điểm kích

Góc θK góc kích θD góc dẫn (thực tếθK + θD = 180°)

Bằng cách thay đổi góc kích góc dẫn kiểm sốt cơng suất tiêu thụ

của tải Góc dẫn cực đại θDmax = 1800 ; góc dẫn cực tiểu θDmin = 900

Triac U~ SCR U~

θK θD t t

t t Xung kích Xung kích

a Mạch điều khiển nửa sóng b Mạch điều khiển sóng Tải

Kích

Tải

Kích

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

6.4 TRANZITO ĐƠN NỐI (UJT - UNITJUNCTION TRANSISTOR) 6.4.1 Cấu tạo của tranzito đơn nối

UJT linh kiện bán dẫn có tiếp xúc P-N chân cực Nó gồm bán dẫn Silic loại N có gắn thêm miếng bán dẫn Silic loại P để tạo thành tiếp xúc P-N

Chân cực nối với mẩu bán dẫn P gọi cực phát E Hai đầu lại Silic loại N

được đưa chân cực gọi Nền ( ký hiệu B1) Nền (ký hiệu B2)

6.4.2 Nguyên lý làm việc của UJT

Trong sơđồ tương đương, điốt thay cho tiếp xúc P-N; RB1 điện trở phần

bán dẫn 1; RB2 điện trở phần bán dẫn

Để cho tranzito đơn nối hoạt động ta phân cực cho hình 6- 9c Cung cấp điện áp dương cho B2 so với B1 (UBB > 0) Như vậy, hở mạch cực phát RB1và RB2 phân áp

cho nguồn UBB Do đó, điện áp điểm O là:

UO =

2 B B

1 B BB

R R

R U

+ = η UBB (6 5)

B2 B2 B2

RB2

Si(p) Thanh

E Si(N) E D B2 E

E

Tiếp B1

xúc P-N RB1

B1

B1 B1

UE UBB

a/ b/ d/ e/

+ +

UBB

B2

B1

UE

+ RE

UEE

c/

Hình 6- 10: a- Cấu tạo; b- ký hiệu;

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

Trong η =

2 B B

1 B

R R

R

+ gọi hệ số khiết

- Nếu UE < η UBB (UE < UO) tiếp xúc P-N (điốt D) phân cực ngược qua

có dịng điện ngược IEO nhỏ Ta có vùng ngắt đặc tuyến vôn- ampe UJT

- Khi UE > η UBB , tiếp xúc P-N phân cực thuận, dòng IE tăng dần Khi UE > UP (Up

gọi điện áp kích khởi cho UJT hoạt động hay gọi điện áp đỉnh) dịng IE tăng nhanh

Dưới tác dụng điện trường, lỗ trống chuyển động từ cực phát E xuống Nền (B1),

còn điện tử chuyển động từ Nền đến phần phát tạo nên dòng điện IE Do gia tăng

ạt hạt dẫn Nền nên điện trở RB1 giảm dòng điện IE tăng điện áp

UE giảm nên ta có vùng điện trở âm đặc tuyến vơn- ampe

Ta có đặc tuyến vơn- ampe UJT mơ tả hình -10:

Đặc tuyến Vơn- Ampe biểu thị quan hệ dịng điện cực phát IE với điện áp cực

phát UE Mối quan hệ biểu diễn hàm sau:

IE = f(UE)

Nếu cực (B2) hở mạch, nghĩa dịng IB2=0 quan hệ Vơn-Ampe lối vào đặc

tuyến Vôn-Ampe tiếp xúc P-N:

⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝ ⎛

− =I e

I VT

E U E E

và ta có đường đặc tuyến ứng với IB2=0 hình

Qua hình 6-10 ta thấy, thay đổi điện áp đặt lên (UBB) điện áp

đỉnh (UP) thay đổi theo đưa đặc tuyến dịch lên

Tại vùng điện trở âm, dòng điện bị giới hạn linh kiện mắc mạch ngồi,

đó mạch ngồi phải bảo đảm để dòng điện IE < IEmax

Khi IE tăng đến IV, muốn tăng thêm dòng IE lên ta buộc phải tăng UE số lượng lỗ

trống điện tửđã đạt đến tình trạng di chuyển bão hòa, đặc tuyến chuyển sang vùng điện trở

dương

Bảng 6.1 : Biến thiên điện trở (RB1) theo IE UJT tiêu biểu

UE(V)

14 12 10 UP

UV

IE(mA)

UBB=5V

IB2=0

UBB=10V

UBB=20V

UBB=30V T=250C

10 12 14 16IP

IE0

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

IE(mA) 10 20 50

RB1 (Ω) 4600 2000 900 240 150 90 40

6.4.3 Các tham số của tranzito đơn nối

- Điện trở liên RBB = RB1 + RB2 = 4KΩ÷ 12KΩ tùy thuộc vào loại UJT phụ thuộc

vào nhiệt độ

- Hệ số khiết η = BB

1 B R R

= 0,45 ÷ 0,82 khơng phụ thuộc nhiệt độ Nó phụ thuộc vào vật liệu chế tạo linh kiện

- Điện áp đỉnh: UP = η UBB + UD = ηUBB + 0,7V (6 6)

Trong đó: UBB - điện áp đặt vào Nền B1 B2

UD - điện áp ngang qua điôt (UD = 0,7V)

Điện áp đỉnh trị sốđiện áp đặt lên cực phát để UJT bắt đầu dẫn

- Dòng điện đỉnh IP dòng điện chạy qua UJT tương ứng với trị sốđiện áp đỉnh UPđặt lên

cực phát E (hay cịn gọi dịng điện kích khởi) Trị số IP vài μA

- Điện áp trũng UV≈ 2V điện áp thấp nối vùng điện trở âm với vùng điện trở dương

của đặc tuyến

- Dòng điện trũng IV trị số dòng điện tương ứng với điện áp UE = UV

- Điện áp bão hòa UEbh điện áp ứng với dòng IE = 50mA điện áp UBB = 10v 6.4.4 Ứng dụng

Người ta thường sử dụng đoạn đặc tuyến điện trở âm để tạo mạch dao động Cho nên UJT thường dùng mạch phóng nạp tạo xung, mạch định thời mạch báo động quan trọng dùng để kích khởi cho đèn chỉnh lưu Silic có điều khiển hoạt động

Ví dụ: UJT sử dụng mạch dao động phóng nạp (hình 6- 11)

Trong sơđồ có nguồn cung cấp U1, tải RT, tụ phóng nạp CT, R1 ta lấy xung ra, R2

điện trở bù nhiệt Ta tính điện trở R2 theo cơng thức sau:

R2 =

BB U

R 0,7

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

Tần số dao động lấy R1 (hoặc R2):

f = 1

T1 +T2 ≈ T1 (6 8)

(vì T1 >> T2)

Trong đó: T1 - thời gian UJT ngừng dẫn (thời gian tụ CT nạp điện)

T2 - thời gian UJT dẫn điện (thời gian tụ CT phóng điện)

Điều kiện để mạch hoạt động tốt sau:

+ Đường tải RT phải cắt đặc tuyến điểm vùng điện trở âm hay nói cách khác

dịng điện chạy qua UJT phải có trị số:

IV > I > IP

tải có giá trị P

P BB

I U

U −

> RT > V

V BB

I U U − + Để khơng làm giảm UE cần có CT≥ 0,01μF

+ Nếu CT > 1μF, nên thêm điện trở nối tiếp với CTđể bảo vệ cực phát TÓM TẮT NỘI DUNG

Thyristo cấu kiện có lớp bán dẫn xếp theo trật tự P-N-P-N Chúng cấu kiện có chân cực, chân cực chân cực; có khả dẫn điện chiều hai chiều Đây cấu kiện điện tửđóng ngắt mạch mà hai trạng thái đóng ngắt mạch phụ thuộc vào tính hồi tiếp dương lớp bán dẫn

Họ thyristo gồm có cấu kiện chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR), triac, diac, chuyển mạch silic có điều khiển…

Tụ CT nạp

UE

UP

+U1

UEmin

t RT R2 T1 T2

UB1

E B2 UB2

B1

CT UB1

R1 t

UB2

t a/ b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

Chỉnh lưu silic có điều khiển (SCR) cấu kiện có lớp bán dẫn xếp theo thứ

tự P1-N1-P2-N2 hai ba chân cực: A-nốt đấu vào bán dẫn P1, Ka-tốt đấu vào bán dẫn N2, cực

điều khiển G đấu vào bán dẫn P2 SCR dẫn điện chiều cấp điện áp thuận vào

cực A-K (UAK>0) Tùy vào dòng điện điều khiển IG lớn hay nhỏ mà vùng chặn thuận có giá

trị khác Nếu IG lớn giá trị điện áp đỉnh khuỷu (hay điện áp khởi động) SCR

càng nhỏ Đặc tuyến Vôn-Ampe SCR có đoạn chặn thuận đoạn chặn ngược Nếu điện áp đặt lên SCR vượt vùng chặn ngược cấu kiện bị đánh thủng bị hỏng; cịn vượt vùng chặn thuận cấu kiện dẫn điện SCR kích khởi động, dịng

điện chạy qua SCR tăng vọt bị khống chế điện trở mắc mạch Điều kiện

để SCR dẫn điện hệ số nhân thác lũ α1α2=1 Khi SCR dẫn điện ta ngắt dịng điều

khiển dẫn điện SCR ngừng dẫn điện áp nguồn chuyển sang nửa chu kỳ âm dòng điện giảm xuống giá trị dịng điện trì IH Khi muốn SCR dẫn điện ta lại

phải kích cho dẫn điện

Triac cấu kiện có chân cực dẫn điện hai chiều Các chân cực gọi đầu MT1, MT2 cực điều khiển G Triac cấu tạo từ lớp bán dẫn xếp theo

trật tự N-P-N-P-N cho tạo cấu trúc SCR đấu song song ngược chiều Việc kích cho triac dẫn điện thực cách thông thường người ta sử dụng cách nhạy MT2 dương MT1 vàcực G dương MT1 MT2

và cực G âm MT1 Khi triac dẫn điện, muốn ngừng dẫn ta phải giảm dịng điện

qua xuống giá trị dịng điện trì IH dùng ngắt điện Việc cho triac ngừng

dẫn khó khăn so với SCR dẫn điện hai chiều

Tranzito đơn nối (UJT) tranzito có lớp tiếp xúc P-N ba chân cực cực Phát (E), Nền (B1)và Nền (B2) Nguyên lý hoạt động UJT khác hẳn với tranzito

khác học Khi điện áp đặt lên cực phát phải lớn giá trịđiện áp đỉnh (UP)

UJT dẫn điện, sụt áp giảm đặc tuyến Vơn-Ampe có đoạn điện trở âm

Điện áp đỉnh UP = ηUBB +0,7V; η hệ số khiết, UBB điện áp Nền2

Nền1 Khi dòng điện đạt đến giá trị IV –dịng điện trũng sụt áp UJT giảm đến trị sốđiện

áp trũng UV Từ giá trị UJT chuyển sang vùng điện trở dương đặc tuyến Người ta sử

dụng đoạn điện trở âm để lắp mạch tạo xung phóng nạp

CÂU HỎI ƠN TẬP

1 Trình bày cấu tạo, ký hiệu nguyên lý hoạt động SCR? Hãy giải thích vềđặc tuyến Vơn-Ampe SCR?

3 Trình bày vềđiều kiện để SCR dẫn điện?

4 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động triac?

5 Hãy vẽđặc tuyến Vơn-Ampe vùng kích nhạy cho triac đồ thị? Trình bày cấu tạo, ký hiệu đặc tuyến Vôn-Ampe diac?

7 Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động UJT? Nêu tham số UJT ứng dụng nó?

9 Ký hiệu sau cấu kiện nào?

a SCR; b Triac; c Diac; d UJT 10 Ký hiệu sau cấu kiện nào?

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện Thyristo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1- Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử” – Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

CHƯƠNG VI MẠCH TÍCH HỢP GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Các điơt tranzito nhỏ ghép với nhiều linh kiện thụđộng để thực chức thành khối lớn Ngồi ra, chế tạo rời rạc nên tham số tranzito không giống ký hiệu Do đó, ghép nhiều linh kiện rời rạc khơng bảo đảm độ tin cậy cao không kinh tế Vì hướng phát triển kỹ thuật

điện tử sau bán dẫn kỹ thuật vi điện tử

Chương giới thiệu khái niệm phân loại vi mạch tích hợp, phương pháp chế tạo mạch tích hợp bán dẫn qui trình quang khắc, qui trình plana qui trình cơng nghệ epitaxi-plana Trong chương trình bày phương pháp chế tạo cấu kiện

điện tử vi mạch bán dẫn: điện trở, tụ điện, cuộn cảm, tranzito điốt chi tiết khác.Đồng thời, chương trình bày đặc điểm tính chất số loại vi mạch tích hợp sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật điện tử vi mạch tuyến tính, vi mạch số

NỘI DUNG:

7.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VI MẠCH TÍCH HỢP 7.1.1 Định nghĩa vi mạch ưu khuyết điểm

a Định nghĩa:

Một vi mạch tích hợp bao gồm chip đơn tinh thể silic có chứa linh kiện tích cực linh kiện thụđộng dây nối chúng Các linh kiện chế tạo công nghệ

giống công nghệ chế tạo điôt tranzito riêng rẽ Quá trình cơng nghệ gồm việc ni cấy lớp epitaxi, khuếch tán tạp chất mặt nạ, nuôi cấy lớp oxit, khắc oxit, sử dụng ảnh in li tô

đểđịnh rõ giản đồ

Vậy, vi mạch tích hợp (Integrated circuits - viết tắt IC) sản phẩm kỹ thuật vi

điện tử bán dẫn Nó gồm linh kiện tích cực tranzito, điôt , linh kiện thụđộng điện trở, tụđiện, cuộn cảm, dây dẫn, tất chế tạo qui trình cơng nghệ

thống nhất, thể tích hay bề mặt vật liệu Mỗi loại vi mạch tích hợp giữ vài chức định

b Ưu nhược điểm vi mạch điện tử:

So với mạch rời rạc vi mạch tích hợp có nhiều ưu điểm, nhiên có số

nhược điểm Ưu điểm:

Vi mạch tích hợp có độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, chứa nhiều phần tử (IC bậc chứa 10 linh kiện, IC bậc chứa 11 ÷ 100 linh kiện, IC bậc chứa 101 ÷ 1000 linh kiện, IC bậc chứa đến 10000 linh kiện lớn hơn), giá thành hạ, tiêu thụ lượng điện

Nhược điểm:

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

7.1.2 Phân loại vi mạch tích hợp

Mạch tổ hợp, hay cịn gọi vi mạch tích hợp, bước tiến vọt khác hẳn với mạch rời rạc, linh kiện mạch kết hợp với tuỳ theo phương pháp chế tạo Có nhiều cách phân loại vi mạch tích hợp Ta xét số cách phân loại vi mạch thông dụng:

a Phân loại theo tính chất liệu xử lý IC : chia thành loại sau: - IC tuyến tính: Là loại IC có khả xử lý liệu xảy liên tục - IC số: Là loại IC có khả xử lý liệu xảy rời rạc

b Phân loại theo công nghệ chế tạo: chia thành loại sau:

- Vi mạch bán dẫn (hay gọi vi mạch đơn khối): Trong vi mạch bán dẫn, phần tử tích cực thụđộng chế tạo đơn tinh thể bán dẫn (Si (N) Si (P)) làm chất Việc chế tạo vi mạch bán dẫn chủ yếu dựa trình quang khắc theo phương pháp Plana, Plana- epitaxi hay siloc

- Vi mạch màng mỏng: Trong đó tích hợp linh kiện thụđộng đế thủy tinh cách

điện hay Ceramic phương pháp bốc lắng đọng chân khơng, cịn phần tử tích cực hàn gắn vào mạch linh kiện rời rạc Ưu điểm loại chế

tạo điện trở tụđiện có chất lượng cao sai số nhỏ

- Vi mạch màng dày: Trong đó tích hợp linh kiện thụ động đế chất bán dẫn phương pháp quang khắc qua khn cịn linh kiện tích cực hàn vào linh kiện rời rạc

- Vi mạch lai: Trong đó tích hợp linh kiện tích cực linh kiện thụđộng

đế thuỷ tinh Ceramic theo hai công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn vi mạch màng mỏng Vi mạch lai có độ tin cậy cao loại vi mạch bán dẫn Tuy nhiên, cơng nghệ

chế tạo vi mạch lai cịn phức tạp nên giá thành cao hơn, điều hạn chế việc sử

dụng công nghệ

c Phân loại theo loại tranzito có IC: chia thành loại sau:

- Vi mạch lưỡng cực: Trong đó tranzito tích hợp tranzito lưỡng cực Vi mạch lưỡng cực có tốc độ chuyển mạch cao (cỡ ns đến 20 ns), công suất tiêu tán nhiệt từ vài

μW đến vài trăm mW, mức độ tích hợp thấp khoảng ≤ 100 phần tử vi mạch kích thước tranzito phần tử thụđộng lớn

- Vi mạch MOS: Là vi mạch, tranzito tích hợp loại tranzito trường, thông thường tranzito trường loại MOS Vi mạch MOS có độ tích hợp bậc 3, bậc (cỡ 10000 phần tử IC) Các vi mạch MOS khơng cần tích hợp điện trở dùng tranzito MOS làm điện trở Vi mạch MOS có khả chống nhiễu cao thời gian chuyển mạch chậm, công suất tiêu thụ thấp IC lưỡng cực nhiều

d Dựa theo số phần tửđược tích hợp IC: chia thành loại sau: - Vi mạch loại SSI: số phần tửđược tích hợp < 12

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp - Vi mạch loại VLSI: số phần tửđược tích hợp > 1000

Trong loại vi mạch vi mạch đơn khối sản xuất sử dụng nhiều công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, thời gian chuyển mạch nhanh số phần tử tích hợp cao

7.2.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MẠCH TÍCH HỢP BÁN DẪN 7.2.1 Quá trình quang khắc

Trước tiên ta phải tạo khn gọi khn ánh sáng Sau bề mặt bán dẫn Si đế ta tạo lớp oxit silic SiO2 phương pháp gia công nhiệt nhiệt độ 10000C đến

12000C nước Tiếp theo phủ lớp cảm quang sau đặt khuôn ánh sáng lên lớp cảm quang, chiếu ánh sáng vào khuôn ánh sáng Ánh sáng tác động lên lớp cảm quang theo cấu hình khn ánh sáng Sau bỏ khn ánh sáng tiến hành hình định hình Tiếp theo q trình ăn mịn dung dịch hóa học chỗ có ánh sáng chiếu vào Sau ta loại bỏ lớp cảm quang kết quảđược bán dẫn có phủ lớp bảo vệ SiO2 theo cấu hình yêu cầu

Mỗi lớp phủ bảo vệ SiO2 theo cấu hình yêu cầu gọi mask (mặt nạ),

lần tạo mask phải lặp lại đầy đủ bước nêu trên, nên chế tạo vi mạch

điện tử mà số mask giảm kinh tế

7.2.2 Quá trình plana

Đây loại công nghệ cho phép gia công phần tử mạch điện tử bề mặt phiến đơn tinh thể bán dẫn silic Công nghệ plana công nghệ kết hợp hai trình quang khắc khuếch tán Sau tạo mask ta tiến hành khuếch tán tạp chất vào đế bán dẫn theo cấu hình mask Khi chế tạo tranzito lưỡng cực số mặt nạ (mask) nhiều Các điôt, điện trở, tụđiện chế tạo đồng thời với trình chế tạo tranzito

Trình tự trình plana sau (xem hình 7-1): Gia cơng bán dẫn silic tinh khiết:

Từ chất silic tự nhiên qua công nghệ làm để tạo chất silic tinh khiết có

độ đạt 99,99999% Tấm silic cưa cắt kích thước gia công bề

mặt Tấm bán dẫn dùng làm đế thường có bề dày khoảng 100μm Oxy hóa bán dẫn đế: hình 7-1a

Qua q trình oxy hóa tạo hai mặt silic hai lớp SiO2 Bề dày lớp SiO2 có

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

3 Cho ăn mịn lớp SiO2ở phía để tiến hành khuếch tán tạp chất vào (ví dụ loại P), đế

bán dẫn tinh khiết

4 Phủ lớp cảm quang: hình 7-1b,c

Chất cảm quang hợp chất hóa học có đặc điểm trở nên bền vững không bền vững dung mơi xác định trước chiếu sáng Quang khắc ăn mòn chọn lọc lớp SiO2 theo cấu hình khn ánh sáng, ta thu

mặt nạ Xem hình 7-1c Tiếp tục cho ăn mòn cách ngâm vào dung dịch axit flohydric HF, sau bỏ lớp cảm quang ta tạo lỗ thủng qua lớp SiO2đến tinh thể silic Kích thước lỗ thủng tuỳ thuộc vào mặt nạ

6 Khuếch tán tạp chất loại N (nguyên tố nhóm - tạp chất cho) vào đếđể tạo vùng colectơ chế tạo tranzito loại N-P-N Xem hình 7-1d

7 Sau oxy hóa lần thứ hai để tạo lớp SiO2

8 Phủ lớp cảm quang, che mặt nạ, chiếu sáng cho ăn mòn ta thu mặt nạ thứ hai Khuếch tán bán dẫn loại P (nguyên tố nhóm 3- tạp chất nhận) để tạo vùng bazơ

10 Oxy hóa tạo lớp SiO2

11 Quang khắc ăn mòn chọn lọc ta thu mặt nạ thứ ba tiến hành khuếch tán tạo vùng N+ Emitơ

12 Oxy hóa + quang khắc ăn mịn ta có mặt nạ thứ tưđể gắn điện cực E,B,C Xem hình 7-1e

7.2.3 Quy trình cơng nghệ epitaxi- plana

ánh sáng

SiO2 Mặt nạ Cảm quang

Cảm quang SiO2

Si Si(P) SiO2 Si(P)

a/ b/ c/ Khuếch tán C B E N+

SiO2 SiO2

N P Si(P) N Si(P) d/ e/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

Công nghệ epitaxi- plana tương tự công nghệ plana Epitaxi q trình ni lớp đơn tinh thể mỏng bên đế tinh thể khác Lớp đơn tinh thể mỏng gọi lớp epitaxi

Q trình cơng nghệ epitaxi- plana mơ tả qua ví dụ mạch tích hợp nhưở hình 7-2a,b

a Nuôi lớp epitaxi:

Một lớp epitaxi loại N dày khoảng 25 micron (1 micron = 104 Angstrom) được nuôi bên

trên lớp bán dẫn loại P Lớp bán dẫn có điện trở suất khoảng 10Ω.cm, tương

đương NA = 1,4.1015 nguyên tử/cm3 Lớp epitaxi loại N chọn điện trở suất từ 0,1 đến

0,5 Ω.cm Trên lớp epitaxi phủ lớp cách điện SiO2 mỏng khoảng 0,5micron Lớp SiO2

được tạo nên nhờ q trình oxy hóa lị nung nóng khoảng 10000C (Xem hình 7- 3a)

b Khuếch tán cách ly:

Điện trở Điôt Tranzito

Nhôm Al SiO2

Tiếp xúc n+ P P P cực góp N N N n+ Cực E Đế loại P Cực gốc B Cực góp C a/ b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

Trong hình - 3b kết trình khuếch tán cách ly Bằng phương pháp quang khắc ăn mòn lớp SiO2ở vị trí, để tạo ba vùng cách điện Các phần SiO2

lại mặt nạđể tiến hành khuếch tán tạp chất nhận vào Các vùng N hình 7- 3b gọi đảo cách ly chúng phân chia hai tiếp xúc P-N kiểu lưng- đối- lưng Cần ý nồng độ tạp chất nhận NA khoảng 5.1020/cm3 vùng đảo cách ly ta

tạo vùng P+ có nồng độ hạt dẫn cao nhiều so với P để ngăn chặn vùng nghèo hạt dẫn tiếp xúc phân cực ngược vùng cách ly

c Khuếch tán phần gốc B phần phát E:

Tiếp theo q trình cơng nghệ plana để tạo phần bán dẫn P điện trở, anôt điôt cực gốc tranzito Cần ý phần bán dẫn P có điện trở suất lớn nhiều điện trở suất vùng cách ly Để tạo phần bán dẫn N+ phần phát tranzito, catơt điơt ta cho khuếch tán tạp chất loại N với nồng độ tạp chất cao

d Q trình kim loại hóa nhôm:

Các phần tử sơđồ mạch điện hình 7-2 tích hợp, chúng hồn tồn cách ly Bây ta phải nối ghép chúng theo sơđồ mạch điện yêu cầu Lớp đấu nối linh kiện thực việc lắng đọng chân không màng mỏng kim loại nhôm lên cùng, sau sử dụng kỹ thuật quang khắc để loại bỏ phần nhôm không cần nối

điện trở, điôt tranzito Cuối bước gắn chân cực cho phần tử IC

7.2.4 Phương pháp chế tạo vi mạch tích hợp tranzito trường

a/ c/ Điện trở Anôt điôt Phần gốc B SiO2

Lớp epitaxi loại N P P P N N N Tấm bán dẫn loại P P

b/ Các đảo cách ly d/ Catôt điôt (N+) Cực phát E (N+) Loại N Loại N Loại N P P P N N N P P+ P

P+ Điện trở Điôt Tranzito

B E C Nhôm (Al)

P P P SiO2

N N N P+ N+ e/ Bán dẫn loại P

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

Tranzito trường tích hợp loại MOS chiếm khoảng 5% diện tích bề mặt yêu cầu tranzito hai lớp epitaxi mạch tích hợp thơng thường Chỉ cần bước khuếch tán quy trình chế tạo tranzito trường loại MOS kênh cảm ứng Trong bước hai vùng bán dẫn loại N nồng độ cao khuếch tán vào bán dẫn đế loại P có nồng độ tạp chất thấp để

tạo cực nguồn cực máng Một lớp cách điện SiO2 nuôi cấy, lỗ hở khắc

axit để gắn điện cực nguồn cực máng Kim loại cho tiếp xúc bốc đồng thời với cực cửa để hoàn thành linh kiện tốt Xem hình 7-4a,b

Ngồi ra, vi mạch, tranzito MOS điện trở có trị số xác định điện áp đặt ngang qua kênh dẫn (R = 1/S tới hàng trăm KΩ)

Công nghệ chế tạo FET sử dụng hai công nghệ plana epitaxi- plana

7.2.5 Phương pháp cách điện vi mạch

Trong vi mạch tích hợp người ta thường dùng phương pháp cách điện cách điện tiếp xúc P-N cách điện điện môi

a Cách điện tiếp xúc P-N

Tiếp xúc P-N phân cực ngược điện trở lớn Do vậy, vi mạch

điện tử người ta sử dụng tiếp xúc góp - đế phân cực ngược để cách điện

Nguồn Máng S G D Kim loại

S D

SiO2

N+ N+ N+ N+

Đế bán dẫn P Đế bán dẫn loại P a/ b/

Hình - 4 : FET - MOS kênh cảm ứng loại N a- Cực nguồn cực máng khuếch tán vào bán dẫn đế

b- Linh kiện hoàn thiện

Hình - 5: Tranzito MOS điện trở

VD

D G

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

b Cách điện chất điện môi

Trong phương pháp phần tử cách điện với lớp điện mơi, lớp điện mơi bao quanh phần góp ngăn cách phần góp với đế Xem hình 7-6a

Một phương pháp cách điện dễ dàng dùng đế bán dẫn đa tinh thể trình ni lớp đa tinh thể khơng địi hỏi chặt chẽ ni lớp đơn tinh thể Xem hình 7-6b

7.3 CÁC CẤU KIỆN ĐƯỢC TÍCH HỢP TRONG VI MẠCH 7.3.1 Điện trở

a Điện trở bán dẫn

- Đây điện trởđơn khối bán dẫn loại P loại N Giá trị điện trở khối bán dẫn

được xác định điện trở suất, độ dài diện tích tiết diện vùng vật liệu: R =ρ L

S (7.1)

Trong đó: L- độ dài khối bán dẫn

S- diện tích tiết diện khối bán dẫn

ρ- điện trở suất chất bán dẫn

- Điện trở khuếch tán điện trởđược cấy đế bán dẫn Điện trở khuếch tán

được tính theo cơng thức( 7.2):

Nếu điện trở khuếch tán pha tạp chất cho ND điện trởđược xác định:

RKT = ( ) S

N q

L D n

Ω

μ (7.2)

Trong : L- Độ dài lớp điện trở khuếch tán S- Diện tích tiết diện lớp điện trở

Nếu điện trở khuếch tán pha tạp chất nhận NA ta việc thay giá trịđộ linh

động lỗ trống nồng độ NA vào công thức 7.2

Trong vi mạch tranzito trường, người ta sử dụng điện trở tranzito trường với trị số

phụ thuộc vào điện áp đặt lên cực cửa cực máng

b Điện trở màng mỏng

C E B C E B

N+

P SiO2 P SiO2

N N

Đế Si Đa tinh thể Si a/ b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

Điện trở màng mỏng chế tạo phương pháp bốc lắng đọng chân không nhiệt độ cao lên đế chất điện môi Vật liệu dùng làm điện trở thường dùng hợp kim Nicrôm Điện trở chế tạo theo phương pháp có độ xác cao (khoảng 1%) Đây ưu điểm đặc biệt linh kiện màng mỏng

7.3.2 Tụđiện vi mạch

Trong vi mạch tích hợp sử dụng ba loại tụđiện sau: - Tụđiện dùng điện dung tiếp xúc P-N phân cực ngược - Tụđiện dùng ba lớp Kim loại- Oxit- bán dẫn, gọi tụđiện MOS - Tụđiện màng mỏng

a Tụđiện dùng tiếp xúc P-N

Tụ điện dùng tiếp xúc P-N chế tạo đồng thời với trình chế tạo tranzito Giá trịđiện dung loại tụ điện áp đặt lên nhỏđược tính theo công thức 7.3:

C = εε0S

d (7 3)

Trong đó: S- diện tích mặt tiếp xúc d- bề dày lớp tiếp xúc

Tuy vậy, công nghệ chế tạo vi mạch người ta hạn chế chế tạo tụ điện chiếm diện tích lớn bề mặt đế silic

b Tụđiện MOS

Tụđược hình thành từ ba lớp: Kim loại- Oxit (SiO2) - Bán dẫn có nồng độ tạp chất cao

Thơng thường lớp điện môi SiO2 dày cỡ 0,08 đến 0,1μm cho trị số điện dung nhỏ điện

áp đánh thủng lớn: Trị số điện dung khoảng từ 300 ÷ 650pF/mm2 với điện áp đánh thủng khoảng từ 7v đến 50v

c Tụđiện màng mỏng

Tụ điện màng mỏng chế tạo theo công nghệ màng mỏng Tụ gồm hai má kim loại lớp điện môi mỏng giữa, tất cảđược đặt lên đế chất điện môi Bề dày lớp

điện môi khoảng từ 100 đến 200 Angstrom Giá trịđiện dung tính theo cơng thức 7.3 với S diện tích má tụ d bề dày chất điện môi

7.3.3 Cuộn cảm vi mạch

Trong vi mạch bán dẫn mạch thường thiết kế khơng có cuộn cảm trừ trường hợp bỏ qua Trong trường hợp bắt buộc phải có cuộn cảm dùng loại điơt

đặc biệt gọi điôt cảm ứng loại cuộn cảm màng mỏng

a Cuộn cảm điôt cảm ứng

Loại điôt cho điện cảm khoảng vài milihenry (mH) Điơt cảm ứng gồm có vùng bán dẫn P có nồng độ pha tạp lớn hơn, cịn vùng bán dẫn N có nồng độ tạp chất nhỏ, gần

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp vào bán dẫn N, số bị tái hợp, số lại cần khoảng thời gian để khuếch tán tiếp vào bán dẫn N Như dòng điện thuận có xu hướng chậm pha so với điện áp Do vậy, thực chức cuộn cảm Vùng bán dẫn N dài dịng hạt dẫn bay qua lâu trị sốđiện cảm lớn

b Cuộn cảm màng mỏng

Cuộn cảm màng mỏng chế tạo dạng đường xoắn trịn xoắn vng màng mỏng Xem hình 7-7b Cuộn cảm có thểđạt giá trị cỡ 0,1mH hệ số phẩm chất Q = 10

7.3.4 Tranzito vi mạch

Trong vi mạch tích hợp người ta dùng tất loại tranzito thường sử dụng mạch rời Hai loại thông dụng tranzito lưỡng cực tranzito trường

a Tranzito lưỡng cực.

Trong vi mạch tích hợp người ta thường dùng tranzito loại N-P-N vì: - Khi khuếch tán tạp chất loại N dễ hịa tan vào silic

- Độ linh động điện tử lớn gấp hai lần độ linh động lỗ trống Vì thời gian tác

động vi mạch nhanh

b Tranzito trường

Trong vi mạch tích hợp thường dùng JFET MOSFET kênh có sẵn kỹ thuật tương tự tạo tầng khuếch đại vi sai, tầng tải Emitơ Còn MOSFET kênh cảm ứng thường dùng kỹ thuật số

Khi cần dùng MOSFET loại kênh người ta thường dùng loại kênh P cho độ tin cậy cao hơn, tính chống nhiễu cao sử dụng logic âm

Khi yêu cầu dùng hai loại kênh P kênh N, phải chế tạo chúng đế

silic gọi MOSFET kiểu bù ký hiệu CMOSFET

7.3.5 Điốt vi mạch

A P+ N K

a/

b/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Trong mạch vi điện tử thường không chế tạo trực tiếp điơt mà thường chế tạo tranzito sau nối tắt chân cực để tạo điôt Thông thường có hai cách nối tắt tranzito thành

điơt sau

a Nối tắt tranzito thành điôt mạch cách điện chất điện mơi

Có cách nối tắt tranzito thành điơt, xem hình 7-8a,b,c,d,e Mỗi cách nối cho loại

điôt với tham số riêng

b Nối tắt tranzito thành điôt mạch cách điện bằng tiếp xúc P-N

Tranzito mạch vi điện tử cách điện tiếp xúc P-N cấu trúc lớp bán dẫn nên lấy bốn đầu ra: E,B,C Đế Và ta có cách đấu nối tranzito thành điơt Xem hình 7- 9a,b,c,d,e

7.4 VI MẠCH TUYẾN TÍNH

7.4.1 Giới thiệu chung phân loại vi mạch tuyến tính

Vi mạch tuyến tính hiểu tổ hợp vi mạch có tín hiệu lối tỷ lệ với tín hiệu lối vào theo quy luật đường thẳng

Các vi mạch tuyến tính thường địi hỏi phần tử mắc thêm mạch nhiều so với IC sốđể hoàn thành chức Điều khiến cho sơđồ sử dụng vi mạch tuyến tính nhạy cảm với nhiễu bên ngồi khó sử dụng

Vi mạch tuyến tính thường phân thành loại là: tổ hợp vi mạch tranzito-điốt vi mạch sử dụng chuyên dụng, vi mạch khuếch đại thuật toán

a Tổ hợp vi mạch tranzito - điốt vi mạch sử dụng chuyên dụng:

Gồm tổ hợp điốt hay tranzito có tiêu kỹ thuật giống Ví dụ: tổ hợp

điốt CA3039, tổ hợp tranzito CA3813B, tổ hợp hỗn hợp tranzito điốt CA3093E - ta sử

dụng điốt tranzito rời rạc C B E

N+

P N

a/ b/ c/ d/ e/

Hình 7- 8 : Các cách nối tranzito thành điôt mạch cách điện điện môi

N+ N+ N+ N+ N+ N+

P P P P P P N N N N N N P- P P P P P a/ b/ c/ d/ e/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Loại vi mạch sử dụng khuếch đại trung tần máy thu hình, thu máy thu phát chuyên dụng khác, điều khiển hệ thống điều khiển tựđộng, khuếch đại âm tần, mạch ổn áp mạch điều chỉnh công suất, loại vi mạch dùng làm chức nhiều chức

b Vi mạch khuếch đại thuật toán:

Mạch khuếch đại thuật toán mạch khuếch đại tín hiệu điện để thực phép tính thuật toán khác đại lượng tương tự, sơđồ mạch có hồi tiếp âm sâu Hiện khuếch đại thuật tốn đóng vai trị quan trọng ứng dụng rộng rãi kỹ

thuật khuếch đại, tạo tín hiệu hình sin xung, ổn áp lọc tích cực,v.v Tuy nhiên, khuếch đại thông thường tính chất tham số hồn tồn xác

định sơđồ mạch nó, cịn khuếch đại thuật tốn tính chất tham số

của xác định tham số mạch hồi tiếp Các khuếch đại thuật toán thực theo sơđồ khuếch đại dòng chiều với giá trị thiên áp vào không Chúng đặc trưng hệ số khuếch đại lớn, trở kháng vào cao trở kháng thấp

Một khuếch đại thuật toán lý tưởng phải đạt tiêu chuẩn sau: - Hệ số khuếch đại điện áp Ku →∞

- Trở kháng vào Zvào→∞

- Trở kháng Zra →

- Dải tần số làm việc Δf →∞

7.4.2 Cấu trúc bên của vi mạch khuếch đại thuật toán: a Cấu trúc vi mạch khuếch đại thuật toán

- Sơđồ khối khuếch đại thuật tốn tích hợp:

Hình 7-12 trình bày sơđồ khối khuếch đại thuật toán

Bộ khuếch đại thuật toán bao gồm tầng vào khuếch đại vi sai để đảm bảo có hệ số

khuếch đại cao, sau mạch dịch mức mạch cho phép nhận tín hiệu cần thiết trở kháng yêu cầu

+ Tầng vào vi sai:

Cấu trúc điển hình tầng khuếch đại vi sai làm việc theo nguyên lý cầu cân song song mơ tả hình -13: Hai nhánh cầu RC1 RC2, hai nhánh

tranzito T1 T2được chế tạo điều kiện cho RC1 = RC1 hai tranzito T1,

T2 có tham số giống hệt Điện áp Ura lấy cực góp, cịn IK nguồn dịng ổn

Tầng tải Emito Vào

vi sai

Đệm dịch mức

Tầng bảo vệ

Nguồn dòng

cốđịnh Biến gươđổi dòng ng

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

định tạo từ điện trở đấu với âm nguồn, tạo nhờ tranzito đấu theo mạch nguồn dòng Như IK = IE1 + IE2 = const

Trong hình, tranzito T2 mắc theo sơ đồ cực phát chung, Uvào1 lối vào

đảo mạch khuếch đại thuật tốn; cịn tranzito T1được mắc theo sơđồ cực góp chung nên

Uvào2 lối vào không đảo (hay lối vào thuận) mạch khuếch đại thuật toán

Hệ số khuếch đại điện áp tầng vào vi sai: KU =

vµo1 vµo2

ra U U

U

− (7 4)

Hệ số KU lớn, khoảng từ 104đến 105

Cơng thức tính trở kháng vào: Zvào =

vµo1 vµo2

vµo I I

U

− (7 5)

Do vậy, Zvào = ∞ Ivào = 0, ta có Ivào2 = Ivào1

Đểđảm bảo Ivào2 = Ivào1 IE1 = IE2 = Ik/2 Ik phải ổn định nên phải chọn hai tranzito T1

và T2 giống hệt

+ Nguồn dòng ổn định : Để IKổn định thường dùng nguồn dòng ổn định

+ Tầng mắc tải Emitơ (cực góp chung)

Bộ khuếch đại thuật tốn u cầu có trở kháng Zra nhỏ, nghĩa dòng điện lớn

nhất, nên tranzito tầng phải mắc theo sơ đồ cực góp chung Như vậy, hệ số khuếch đại

điện áp tầng KU≈ Và điều có nghĩa hệ số khuếch đại khuếch đại thuật

toán chủ yếu tầng vào vi sai tầng trung gian + Tầng đệm dịch mức:

Từ đầu vào tới đầu ra, tầng vào vi sai cần có tầng khuếch đại trung gian để

khuếch đại công suất cho tầng Số lượng tầng khuếch đại trung gian tuỳ thuộc vào hệ số khuếch đại khuếch đại thuật toán

+ Tầng bảo vệ:

+ECC

RC1 IC1 IC2 RC2

Ura

T1 T2

Uvào2 IE1 IE2 Uvào1

Uvào thuận Uvào đảo

(UP) (UN)

IK

-ECC

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Khi khuếch đại làm việc với dòng điện lớn tầng ra, dễ làm hỏng tranzito,

đó phải dùng tầng bảo vệđể phân dịng cho tầng cuối + Bộ biến đổi dòng gương:

Bộ biến đổi dòng gương dùng để biến đổi nguồn dòng ổn định thành nhiều nguồn dòng ổn định nhằm cung cấp cho tầng khác Mạch thường dùng mạch có yêu cầu chất lượng cao

+ Hai nguồn nuôi (gọi nguồn lưỡng cực) ±ECC: Các IC khuếch đại thuật toán tiêu

chuẩn làm việc với điện áp nguồn nuôi ± 15V

b Ký hiệu IC khuếch đại thuật toán sơđồ mạch: Xem hình 7-14.

c Các tham số đặc tuyến khuếch đại thuật toán

1. Đặc tuyến truyền đạt điện áp:

Đặc tuyến truyền đạt điện áp đặc tuyến quan trọng khuếch đại thuật toán biểu thị mối quan hệ điện áp điện áp vào mạch : Ura = f(UP, UN)

+ECC

Uvào đảo

(UN) Ura

Uvào thuận

(UP) -ECC

Hình - 14 : Ký hiệu khuếch đại thuật tốn

Hình -15 : Đặc tuyến truyền đạt điện áp KĐTT Ura

+ECC

Vào đảo +Ura max Ura = f2(UP) UN = const

Uvào

Vào không đảo -Ura max Ura = f1(UN) UP = const

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

Đặc tuyến truyền đạt điện áp biểu diễn hai đường ứng với lối vào đảo lối vào không đảo Mỗi đường đặc tuyến gồm có đoạn nằm ngang đoạn dốc Xem hình (7 - 15)

- Đoạn nằm ngang tương ứng với chế độ tranzito tầng thơng bão hịa ngắt dịng Tại đây, thay đổi điện áp tín hiệu lối vào điện áp khơng đổi xác định giá trị±Ura max gọi giá trịđiện áp cực đại Trong IC khuếch đại thuật toán

giá trị Ura max thấp điện áp nguồn cung cấp ECC khoảng từ 1vôn đến 3vôn

- Đoạn dốc đặc tuyến truyền đạt biểu thị phụ thuộc tỉ lệ điện áp với điện áp vào

Đây đường thẳng với góc nghiêng xác định hệ số khuếch đại khuếch đại thuật tốn khơng có hồi tiếp ngồi

Đường đặc tuyến lý tưởng sẽđi qua gốc tọa độ, tức Uvào = Ura = gọi

là trạng thái cân khuếch đại thuật toán Trên thực tế trạng thái cân khó thực hồn tồn, có nghĩa Uvào = Ura≠ Vì vậy, muốn cho điện áp không, ta

cần phải đặt tới lối vào khuếch đại thuật tốn hiệu điện áp gọi thiên áp không U0 (khoảng vài mV)

2 Hệ số khuếch đại điện áp vi sai được tính theo cơng thức:

KU =

vµo

ra =10 10 U

U ÷

Δ Δ

(7 6)

Giá trị KU lớn cho phép thực hồi tiếp âm sâu nhằm cải thiện nhiều tính chất

quan trọng khuếch đại thuật toán

Trong giới hạn miền khuếch đại, điện áp tỷ lệ với điện áp vào theo công thức: U = KU UV = KU ( UP - UN ) (7 7)

Hệ số khuếch đại đồng pha: Nếu đầu vào thuận đảo đặt điện áp UG1

đồng pha Uvào = 0, điện áp Ura cần phải không Nhưng thực tế điều

này khơng hồn tồn đúng, tức hệ số khuếch đại tín hiệu đồng pha KG1 khơng

KG = G

ra U

U Δ

Δ ≠

Đối với khuếch đại thuật tốn tốt cần phải có KU lớn KG nhỏ

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tham số khuếch đại thuật tốn gây nên độ

trơi thiên áp đầu vào điện áp đầu theo nhiệt độ Để cân ban đầu cho khuếch đại thuật toán, người ta đưa vào đầu vào điện áp phụ thích hợp

điện trởđểđiều chỉnh dòng thiên áp mạch vào 3 Trở kháng ra:

Trở kháng tham số quan trọng khuếch đại thuật tốn có trị

số nhỏ (khoảng từ vài chục Ωđến vài trăm Ω) 4 Trở kháng vào khuếch đại thuật toán:

Trở kháng vào khuếch đại thuật toán thường phân biệt trở kháng vào tín hiệu vi sai trở kháng vào tín hiệu đồng pha

Đối với khuếch đại thuật toán dùng tranzito lưỡng cực lối vào, trở kháng vào

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp vài GΩ Dòng vào ban đầu khuếch đại thuật toán lưỡng cực tiêu chuẩn giới hạn từ 20 đến 200 nA, khuếch đại thuật toán dùng tranzito trường khoảng vài nA Đặc tuyến tần số :

Đặc tính tần số biểu thị phụ thuộc hệ số khuếch đại vào dải tần số làm việc Hình - 16 đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại thuật toán KU = ψ(f)

Qua đồ thị hình (7 -16) ta thấy hệ số khuếch đại điện áp KU bị giảm xuống tần số

cao Bắt đầu từ tần số cắt fC với độ dốc -20dB/decac trục tần số

Tần số fT ứng với trường hợp hệ số khuếch đại khuếch đại thuật toán

nên gọi tần số khuếch đại đơn vị

Tần số cắt fC (hay tần số biên) ứng với trường hợp hệ số khuếch đại điện áp bị giảm

đi lần so với hệ số khuếch đại tần số thấp gọi dải thơng tần Khi khơng có mạch hồi tiếp âm fC thấp, cỡ vài chục Hz

Sơđồ chân khuếch đại thuật toán loại 741 với loại vỏ khác mơ tảở

hình -17

Hình - 17 : Sơđồ chân khuếch đại thuật tốn 741 Điều chỉnh điện khơng Lối vào đảo

Lối vào thuận Điện áp nguồn âm Điều chỉnh điện không Lối

ồ

Hình - 16 : Đặc tuyến biên độ tần số khuếch đại thuật toán

KKU

U0

2 KU0

KU

2

KU

1

fT fC f (Hz) fC0

Khi mạch hồi tiếp âm

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Nhằm tăng trở kháng vào lên tới hàng chục MΩ người ta thường dùng tầng vào vi sai tranzito trường, trở kháng nhỏ nhờ tầng đấu theo sơđồ đaling- tơn, ví dụ

khuếch đại thuật toán kiểu LF356

6 Một sốứng dụng khuếch đại thuật toán

Một số mạch ứng dụng dùng khuếch đại thuật tốn làm việc miền tuyến tính đặc tuyến truyền đạt có sử dụng hồi tiếp âm đểđiều khiển tham số mạch

+ Bộ khuếch đại đảo

Bộ khuếch đại đảo cho hình - 18

Bộ khuếch đại đảo hình có hồi tiếp âm điện áp song song qua điện trở hồi tiếp Rf

Đầu vào khơng đảo nối với đất Tín hiệu vào qua R1đặt lên lối vào đảo Nếu coi khuếch đại

thuật tốn lý tưởng điện trở vào vơ lớn dịng điện vào vơ bé: ZVào→ ∞

I0≈

Khi đó, nút N sơđồ có phương trình nút dịng điện ta có:

I1 ≈ If (7 9)

Khi hệ số khuếch đại K→∞ điện áp lối vào U0 = K Ura →

0, đó:

f

1 V

R U = R U

(7 10) Từđây có hệ số khuếch đại điện áp khuếch đại đảo:

KU =

1 f

V

R R = U U

(7 11) Dấu "-" biểu thức để biểu thị tín hiệu vào ngược pha + Bộ khuếch đại không đảo

Sơđồ khuếch đại không đảo mơ tả hình -19

Bộ khuếch đại khơng đảo gồm có mạch hồi tiếp âm điện áp đặt vào lối vào đảo, cịn tín hiệu vào đặt tới lối vào không đảo khuếch đại thuật toán

If Rf

I1

NI0

UV U0

R1 Ura

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Vì điện áp đầu vào khuếch đại thuật toán U0 = nên quan hệ điện

áp UV Urađược xác định công thức sau:

UV = Ura

f

1 R R

R

+ (7 - 12)

Hệ số khuếch đại khuếch đại không đảo là: KU =

1 f

1 f

vao

R R + = R

R R = U

U +

(7 13)

Khi sử dụng khuếch đại thuật tốn để khuếch đại tín hiệu người ta thường dùng

khuếch đại đảo mạch ổn định

7.4.3.Vi mạch ổn áp

Vi mạch ổn áp nhận lối vào điện áp không ổn định tạo lối điện áp

ổn định Vi mạch ổn áp gồm có loại vi mạch cho điện áp ổn định cốđịnh vi mạch ổn áp cho điện áp ổn định có thểđiều chỉnh

- Vi mạch ổn áp điện áp ổn định cốđịnh thường có họ thơng dụng: Họ 78XX ổn định điện áp dương; Họ 79XX ổn định điện áp âm Ví dụ: 7805: điện áp cốđịnh + 5V, 7905 có điện áp cốđịnh – 5V 7812: điện áp cốđịnh + 12V, 7909 có điện áp cốđịnh – 9V 7809: điện áp cốđịnh + 9V, 7912 có điện áp cốđịnh – 12V - Vi mạch ổn áp có điện áp ổn định có thểđiều chỉnh như: LM317: điện áp điều chỉnh từ 1,2V đến 37V

LM337T: điện áp điều chỉnh từ - 1,2V đến - 37V A723C: điện áp điều chỉnh từ 2V đến 37V

Ví dụ: Bộổn áp từ 1,25vơn đến 25vơn: Vi mạch LM 317 cung cấp cho đầu dòng điện đến 15A dải điện áp từ 1,2vôn đến 37vôn Vi mạch LM có chân số đầu vào, chân số chân điều chỉnh vỏ chân thứ đầu Trong hình -20, điện áp vào cần phải lọc trước đưa vào LM 317 Có thể bỏ tụ C1 điện áp vào cung cấp từ

một nguồn đặt gần LM 317 Điện trở R1 dùng đểđiều chỉnh điện áp Hình7 - 19 : Bộ khuếch đại khơng đảo

UV U0 Ura

If Rf

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

7.5 VI MẠCH SỐ

7.5.1 Giới thiệu phân loại vi mạch số

a Giới thiệu

Vi mạch số gồm mạch lơgíc để thực thuật toán logic hàm logic khác

Các vi mạch số thiết bị trạng thái, trạng thái gần với vôn đất (gọi mức thấp ký hiệu L), trạng thái gần với điện áp cung cấp cho mạch (gọi mức cao ký hiệu H) Các mạch tích hợp số xử lý bit nhị phân riêng lẻ từ

nhiều bit nhị phân

Hầu hết vi mạch sốđược sử dụng vi mạch số chế tạo sở tranzito lưỡng cực tranzito trường Mỗi vi mạch số hầu nhưđều thực chức hoàn chỉnh, nên chúng cần linh kiện mắc thêm bên ngồi

Các tham số vi mạch số: - Mức logic: mức logic mức logic

Các mức logic trị sốđiện áp tương ứng với mức logic thấp mức logic cao, tùy loại mà có trị sốđiện áp khác

- Nguồn nuôi: nguồn cung cấp phải đảm bảo độổn định cao

- Khả ghép tải: biểu thị khả ghép lối vào cổng logic tới lối cổng cho trước

- Tốc độ chuyển mạch hay gọi độ tác động nhanh vi mạch: Loại cực nhanh ttb≤ nsec

Loại nhanh ttb = ÷ 10 nsec

Loại trung bình ttb = 10 ÷ 100 nsec

Loại chậm ttb > 100 nsec

- Công suất tiêu thụ: công suất tiêu thụ vi mạch số phụ thuộc vào tín hiệu đặt lên - Dải nhiệt độ làm việc: hãng sản xuất có tiêu nhiệt độ khác

b Phân loại

Các vi mạch hàm logic tranzito lưỡng cực tranzito trường gồm loại: Tranzito logic với liên kết trực tiếp (TL); Điện trở - tranzito logic (RTL); Điốt - tranzito logic (DTL); Tranzito - tranzito logic (TTL); Logic MOS; Logic CMOS (complementary MOS)

Vỏ UVào Ura

(>28V) R2 (1,25÷25V)

240

C1 C2 =1μF

1μF R1=5K

LM 317

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Hai họ vi mạch số quan trọng sử dụng nhiều họ TTL/LS họ

CMOS Họ TTL vi mạch tích hợp tranzito lưỡng cực với tranzito nhiều tiếp xúc gốc- phát Mỗi tiếp xúc BE lối vào Cịn họ CMOS tích hợp tranzito trường MOS kênh cảm ứng loại P N đấu bù

Họ TTL có tốc độ chuyển mạch cao (ttb = ÷ 15 nsec), cơng suất tiêu thụ thấp (45 ÷ 15

μW) khả chịu tải lớn (hệ số tải n > 10)

Dòng vào MOS nhỏ thếđiện trở lối vào tranzito MOS lớn cho phép chế

tạo vi mạch có khả chịu tải cao (n = 10 ÷ 20), có độ chống nhiễu cao cơng suất tiêu thụ

rất nhỏ

7.6 VI MẠCH NHỚ

7.6.1 Giới thiệu phân loại bộ nhớ

a Định nghĩa: Bộ nhớ cấu kiện có khả lưu trữ liệu chương trình điều khiển dạng số nhị phân (0;1) Khả nhớ liệu lâu dài (bộ nhớ cốđịnh) tạm thời (bộ nhớ tạm thời)

Phần tử nhỏ để nhớđược bit nhị phân gọi tế bào nhớ (memory ceel)

Tin tức trữ nhớ gồm số bit gọi Từ nhớ Từ nhớ có độ dài bit gọi byte;

độ dài 16bit gọi từ nửa lời; độ dài 32 bit gọi Từ lời

Quá trình đưa liệu vào nhớ gọi “viết”; trình lấy liệu gọi “đọc” Thao tác Viết Đọc tiến hành Từ có độ dài tùy vào loại máy theo chu kỳ khép kín gọi Chu kỳ viết Chu kỳđọc

Thời gian truy cập nhớ khoảng thời gian kể từ lúc bắt đầu chu kỳ viết đọc đến liệu ghi vào tế bào nhớ xuất đầu

Bộ nhớ viết lần gọi bộ nhớ chỉđọc Bộ nhớ viết viết lại nhiều lần gọi bộ nhớ viết đọc

b Phân loại nhớ

Tùy theo vật liệu, cấu trúc, công nghệ mà nhớ chia làm nhiều loại Dựa vào vật liệu chế tạo ta có nhớ bán dẫn nhớ từ

Bộ nhớ bán dẫn thơng dụng có thời gian truy cập nhỏ, hay nói cách khác tốc độđọc-viết cao

Bộ nhớ từ có tốc độ truy cập thấp khả trữ liệu lớn, không tiêu thụ lượng trình trữ tin

7.6.2 Các tham số của bộ nhớ

- Dung lượng nhớ (C): biểu thị khả trữ tin nhớ tính bits, bytes, Kbytes, Mbytes, theo số Từ, KTừ chip nhớ Dung lượng nhớ liên quan đến số lối vào

địa Dung lượng nhớđược tính theo cơng thức:

C = lũy thừa N, N- số bit lối vào địa

Ví dụ: Bộ nhớ có dụng lượng 64 x 4bit nghĩa nhớ chứa 64 Từ bit Bộ nhớ 2K x 8bit nghĩa nhớ chứa 2Kbyte

- Thời gian truy cập (ta): Đặc trưng cho tốc độ hoạt động nhớ tính theo đơn vị ns

Thơng thường ta có trị số từ vài chục đến 1000ns tùy loại nhớ

- Công suất tiêu thụ (Po): Đặc trưng mức tiêu thụ công suất nhớ tính theo µw/bit

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp - Giá thành: tính theo đơn vị tiền/bit

- Điện nguồn nuôi (ECC VDD): họ TTL có ECC = +5V; họ CMOS có VDD = 3V đến

15V

7.6.3 Vi mạch nhớ. a Định nghĩa

Vi mạch nhớ nhớ bán dẫn, tế bào nhớđược tạo từ linh kiện bán dẫn mạch có khả tích trữđiện tích

b Phân loại vi mạch nhớ

- Phân loại theo công nghệ chế tạo: vi mạch nhớ chia làm loại nhớ lưỡng cực

nhớ MOS/CMOS

+ Bộ nhớ lưỡng cực: tế bào nhớđược tạo thành từ tranzito lưỡng cực + Bộ nhớ MOS/CMOS: tế bào nhớđược tạo thành từ tranzito trường MOS

- Phân loại theo đặc thù lưu trữ liệu: vi mạch nhớ chia làm loại nhớ cố định- ROM nhớ tạm thời- RAM

+ ROM (Read Only Memory) nhớ đọc, nghĩa lấy liệu Ởđây dư liệu lưu trữ vĩnh viễn tế bào nhớ, nên nguồn điện không

liệu Việc ghi liệu vào nhà sản xuất thực

Ngoài ra, nhớ cố định cịn có PROM, EPROM EAPROM PROM giống ROM,

liệu chỉđược ghi vào lần người sử dụng thực EPROM nhớ xóa

đi viết lại Muốn xóa ta dùng tia cực tím EAPROM nhớ cốđịnh xóa viết lại Việc xóa thực nhờ dịng điện

+ RAM (Random Access Memory)- nhớ tạm thời, nhớđọc/viết Mỗi tế bào nhớ Flip-Flop nên nguồn điện cung cấp tin tức RAM bị xóa RAM có loại RAM tĩnh (SRAM) RAM động (DRAM)

SRAM: Tế bào nhớ Flip-Flop (tranzito lưỡng cực tranzito MOS) Dữ liệu ghi vào SRAM sẽđược trì chừng nguồn cung cấp cho chip

DRAM: Dùng điện tích nạp vào linh kiện MOS để nhớ bit tin tế bào nhớ Vì điện tích nạp vào khơng trì lâu nên định kỳ phải nạp lại điện tích gọi “làm tươi”

nhớ (refresh)

Cả hai loại SRAM DRAM thuộc loại nhớ xóa nguồn điện cung cấp

d Cấu trúc hoạt động RAM:

- Cấu trúc RAM: tế bào nhớđược bố trí dạng ghép ma trận m x n (m hàng n cột) có giải mã địa chỉđể xác định vị trí nhớ Xem hình 7-21 Bộ giải mã địa có K bit, có lũy thừa k địa hay dung lượng nhớ lũy thừa k Các liệu vào đưa qua bộđệm vào/ đểđiều khiển việc viết đọc nhớthông qua chân điều khiển R/W; chân CS chân chọn chip

- Nguyên lý hoạt động: Khi CPU đưa tới tổ hợp địa chỉ, giải mã địa xác định vị trí Từ nhớ, sau chờ tác động lối vào R/W CS, nhớ thực chức

đọc viết

+ Đọc: đặt R/W = CS = 1: Bộđệm vào khóa lại, bộđệm mở Nhờ

liệu ởđịa chỉđã chọn sẽđi qua bộđệm để BUS liệu

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Các bộđệm thường cổng logic trạng thái Khi khơng có tác động đọc viết, nhờ logic lối vào CS đệm trạng thái trở kháng cao (Zcao) Các lối vào CS giúp ta ghép nhiều chíp nhớ với để tăng dung lượng nhớ

d Cấu trúc ROMbán dẫn

• ROM nhớ chứa sẵn liệu, cần ta chỉđọc mà không viết vào Trong ROM bán dẫn tế bào nhớ sử dụng điốt tranzito để trữ liệu Thời gian truy cập nhớ lưỡng cực khoảng 50ns ÷ 90ns, cịn MOSFET chậm 10 lần

Ví dụ: Ta có cấu trúc ROM dùng điốt: giao điểm đường Từ (hàng) đường Bit (cột) có điốt tương ứng bit 1, khơng có điốt tương ứng bit Xem hình7-22

Bộđệm vào

Bộđệm m x n Bộ

giải mã

địa

chỉ

A0

A1

K bit

địa

Ak-1

Dữ liệu vào

Dữ liệu

CS R/W

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp

• PROM: nhớ ROM viết lần người sử dụng thực Trong PROM tát giao điểm đường Từ đường Bit người ta đấu nối tiếp điốt với cầu chì Khi viết liệu vào nhớ người ta càn phóng vào nhớ dịng điện đủ lớn để làm đứt cầu chì giao điểm chọn giao điểm viết bit Cịn giao điểm khơng bịđứt cầu chì bit Su viết xong không thay đổi

7.7 NHỮNG ĐIỂM CẦN CHÚ Ý KHI SỬ DỤNG VI MẠCH TÍCH HỢP

Các vi mạch sử dụng rộng rãi kỹ thuật tương tự (vi mạch tuyến tính) kỹ

thuật số (vi mạch số) Khi sử dụng vi mạch tích hợp cần lưu ý sốđiểm sau:

- Phải đọc ký hiệu vi mạch: Trên thân vi mạch thường ghi tên hãng sản xuất, ký hiệu chức vi mạch, ký hiệu sản phẩm có thương phẩm, ngày tháng năm sản xuất

- Biết tra cứu vi mạch sổ tra cứu để biết chức IC chức chân IC - Chú ý chân nguồn cung cấp cho IC làm việc

- Khi đấu vào mạch phải đấu chân nguồn cung cấp trước, sau cho tín hiệu vào mạch - Nguồn cung cấp phải có độổn định cao

- Hàn nối IC vào mạch phải ý dùng mỏ hàn nhọn, có cơng suất thấp khoảng 30w đến 60w, tránh làm nóng IC

Đặc biệt IC số cần ý sốđiểm sau:

Các vi mạch số thường gặp họ vi mạch TTL, CMOS, MOS, v.v IC thực chức hoàn chỉnh cổng, hệđếm, giải mã, ghi dịch, hệ nhớ, hệ vi xử lý - Khi chọn vi mạch cần quan tâm tới tham số sau: công suất tiêu thụ, khả chịu

tải, thời gian chuyển mạch, khả chống nhiễu, điện áp nguồn nuôi, mức logic Bộ

giải mã

địa

chỉ

8Đường Từ

A B C D

Đường bit liệu (4 bit)

0

3 bit

địa

chỉ

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp - Xung nhịp: tốc độ chuyển mạch vi mạch số cần đủ lớn Để mạch điện làm việc ổn định

thì xung nhịp cần có độ dốc sườn 400 ns, không đạt tiêu chuẩn cần tạo lại dạng xung nhịp

- Bất kỳ chếđộ làm việc nào, điện áp lối vào vi mạch không cao điện áp chân nguồn (VCC VDD) không thấp đất

Đối với vi mạch loại TTL/LS cần lưu ý: ƒ Điện áp cung cấp VCC không vượt qua 5,25vôn

ƒ Các đầu vào không dùng đến họ TTL/LS coi trạng thái cao (H) Nhưng đầu vào giả thiết cốđịnh mức cao phải nối tới VCC

ƒ Đặt đầu cổng không dùng đến mức cao để tiết kiệm điện

ƒ Dùng tụ khử ghép nhóm từ đến 10 cổng, từ đến đếm ghi

ƒ Tránh sử dụng dây dẫn dài mạch Nếu dây dẫn dài 25 cm phải dùng dây bọc kim cáp đồng trục

Đối với vi mạch MOS CMOS:

ƒ Điện áp đầu vào không vượt VDD (trừ hai IC 4049 4050) ƒ Điện áp cung cấp VDD nằm khoảng (+3V ÷ +15V) ±5% ƒ Tất đầu vào không dùng đến phải nối với VDD đất

ƒ Phải ý tránh tượng tích điện tĩnh lối vào vi mạch CMOS MOS cách: Không nên cất vi mạch CMOS hộp tính dẫn điện; nên đặt chân IC xuống khay nhôm chưa đấu chúng vào mạch; mỏ hàn nên dùng nguồn acqui, không dùng mỏ hàn điện xoay chiều

Khi lắp ráp vi mạch số ta cần lưu ý: Lắp đặt vi mạch số: có hai cách:

+ Lắp IC đế cắm: ưu điểm IC khơng bị nóng dễ gây hiệu ứng tiếp xúc

ởđế cắm IC có nhiều chân, làm giảm độ tin cậy mạch

+ Hàn trực tiếp IC vào mạch: ưu điểm phương pháp đảm bảo tiếp xúc tốt song dễ làm nóng IC q trình hàn, làm thay đổi tham số IC

Các IC số thường có vỏ nhựa dẹp có 14, 16 24 chân Khi vẽ mạch in phải ý đến vị trí tương đối mạch dẫn nguồn với dây chung phải ý tụ lọc nguồn dây chung Điện dung tụ tùy thuộc vào họ IC

Khi hàn chân vi mạch vào mạch in nên hàn chân nối nguồn trước sau hàn chân

Khi ngắt mạch, phải ngắt tín hiệu vào, sau cắt nguồn nghiêm cấm việc đưa tín hiệu vào trước nối nguồn cung cấp

Khi nối ghép vi mạch khác loại với phải ý điện áp nguồn cung cấp, mức logic, nên sử dụng mạch đệm để bảo đảm việc nối ghép tốt

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Vi mạch tích hợp chip bán dẫn, tích hợp cấu kiện điện tử bán dẫn dây chuyền công nghệ tự động hóa từ khấu thiết kế mạch đến cho cấu kiện Mỗi vi mạch có chức định

Có nhiều cách phân loại vi mạch, thơng thường người ta dựa vào tiêu chí để phân loại:

- Dựa vào khả xử lý liệu vi mạch chia làm loại vi mạch tuyến tính vi mạch số

- Dựa váo công nghệ chế tạo vi mạch chia làm loại: vi mạch bán dẫn, vi mạch màng mỏng, vi mạch màng dày vi mạch lai

- Dựa vào loại tranzito tích hợp vi mạch chia làm loại: vi mạch lưỡng cực vi mạch MOS/CMOS

- Dựa vào số lượng phần tửđược tích hợp vi mạch chia làm loại: SSI, MSI, LSI VLSI

Công nghệ chế tạo vi mạch phức tạp Hiện cơng nghệ gồm số q trình sau: q trình quang khắc, trình plana, trình epitaxi-plana

o Quá trình quang khắc: trình tạo bán dẫn lớp phủ bảo vệ

theo cấu hình cần thiết phương pháp quang hóa

o Q trình plana cơng nghệ chế tạo phần tử mạch điện bề mặt

phiến đơn tinh thể bán dẫn silic Quá trình plana cơng nghệ kết hợp q trình quang khắc trình khuếch tán để tạo cấu kiện điện tử nhưđiện trở, tụđiện, điốt, tranzito…

o Cơng nghệ epitaxi-plana q trình ni cấy lớp đơn tinh thể mỏng gọi

lớp epitaxi bên đế tinh thể bán dẫn khác Sau q trình plana để tạo cấu kiện điện tử bề mặt lớp epitaxi

Việc chế tạo cấu kiện điện tử vi mạch thực từ cấu trúc tranzito nhưđiốt, tranzito; cịn điện trở tụđiện tạo từ lớp tiếp xúc P-N số cơng nghệ khác trình bày chương

Vềứng dụng, chương đưa hai lĩnh vục sử dụng IC vi mạch tuyến tính vi mạch số Vi mạch tuyến tính vi mạch xử lý liệu xảy liên tục theo thời gian Ở cấu kiện này, quan hệ vào/ra quan hệ đường thẳng Vi mạch tuyến tính quan trọng IC khuếch đại thuật toán (OA) Đây loại IC vạn năng, thực nhiều chức mạch điện tùy thuộc vào linh kiện đấu mạch

IC số vi mạch thực hàm logic Trong vi mạch số mức điện áp vào

đều thể giá trị logic Các tham số vi mạch số gồm có nguồn ni, mức logic vào/ra, hệ số ghép tải, độ phòng vệ nhiễu, trễ truyền lan, cơng suất tiêu thụ, dịng vào/ra

Trong chương nêu điều cần ý sử dụng IC

CÂU HỎI ÔN TẬP

1 Định nghĩa vi mạch tích hợp?

2 Nêu cách phân loại vi mạch tích hợp? Trình bày cơng nghệ plana?

4 Trình bày công nghệ plana-epitaxi

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Vi mạch tích hợp Trình bày cách tạo điốt vi mạch?

8 Vẽ ký hiệu giải thích nhiệm vụ chân vi mạch khuếch đại thuật toán? Trình bày vềđặc tính truyền đạt đặc tính tần số OA?

10.Nêu tham số IC OA?

11.Trình bày vi mạch số nêu tham số chúng? 12.Nêu điểm cần ý sử dụng IC?

13.Vi mạch tích hợp sản xuất sử dụng nhiều loại nào? a Vi mạch bán dẫn; b Vi mạch màng mỏng; c Vi mạch màng dày; d Vi mạch lai

14.Điện trở vi mạch MOS tích hợp là…

a điện trở màng kim b điện trởđơn khối bán dẫn

c điện trở tiếp xúc P-N d MOSFET có cực cửa nối với cực máng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Giáo trình “Cấu kiện điện tử quang điện tử”, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

CHƯƠNG

CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ

GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương trình bày cấu kiện bán dẫn dùng để biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang cấu kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện Các cấu kiện biến đổi điện sang quang (còn gọi cấu kiện phát quang) nghiên cứu chương gồm có loại điốt phát quang, laser bán dẫn; cấu kiện biến đổi quang sang điện (còn gọi cấu kiện thu quang) gồm có điện trở quang, điốt quang, tranzito quang, thyristo quang Nội dung phần trình bày cấu tạo, ký hiệu nguyên lý hoạt động

đặc tính tham số cấu kiện bán dẫn quang đề cập đến chương Ngoài chương cịn trình bày cấu trúc tham số ghép quang, lọc quang CCD

NỘI DUNG

8.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Do yêu cầu đòi hỏi ngày nhanh phức tạp công nghệ thông tin, ưu

điểm hệ thống thông tin quang, mà thiết bịđiện tử sử dụng nhiều linh kiện quang LED, LCD, quang trở, photođiốt, tranzito quang, LASER, sợi quang dẫn, ghép quang Tiêu biểu cho tiến nhanh chóng công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn quang phát chất bán dẫn liên kết từ nguyên tố nhóm III nhómV bảng tuần hoàn Menđêlêep

Trong chương trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc tham số

bản linh kiện quang điện tử thường sử dụng kỹ thuật thông tin

Đồng thời trình bày số sơđồ mạch ứng dụng chúng

8.1.1 Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử a Định nghĩa kỹ thuật quang điện tử:

Quang điện tử hiệu ứng tương hỗ xạ ánh sáng mạch điện tử Bức xạ

ánh sáng dạng xạđiện từ có dải tần số dao động cao, 1014÷1015Hz , hoặc

độ dài bước sóng từ khoảng 50nm đến khoảng 100μm

b Các xạ quang chia thành ba vùng là:

- Vùng cực tím có độ dài bước sóng từ 50nm đến 380nm - Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 380nm đến 780nm - Vùng hồng ngoại có bước sóng từ 780nm đến 100μm

Đặc điểm mắt người nhìn thấy sóng điện từ thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy Mắt người không phân biệt độ sáng yếu hay mạnh, mà cịn phân biệt bước sóng riêng biệt gọi độ cảm màu mắt Nhưng kỹ thuật dùng khái niệm bước sóng không dùng khái niệm màu sắc, tần số dùng.Các bước sóng thơng tin quang nằm vùng hồng ngoại nên khái niệm màu sắc khơng có ý nghĩa

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Linh kiện quang điện tử gồm có linh kiện bán dẫn quang điện tử linh kiện không bán dẫn quang điện tử

• Linh kiện bán dẫn quang điện tử: linh kiện chế tạo từ vật liệu bán dẫn điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, LED, LASER bán dẫn,v.v

• Linh kiện khơng phải bán dẫn quang điện tử: sợi quang dẫn, mặt thị tinh thể lỏng LCD, ống nhân quang v.v

8.1.2 Hệ thống truyền dẫn quang

a Sơđồ khối hệ thống thông tin:

Sơ đồ khối hệ thống thông tin điện quang mô tả hình 8-1a,b Trong hình :

Nguồn tín hiệu: dạng thơng tin thơng thường tiếng nói, hình ảnh, số liệu, văn

Mạch điện tử : có nhiệm vụ xử lý nguồn thơng tin để tạo tín hiệu điện dạng analog digital

Khối E/O: mạch biến đổi điện - quang có nhiệm vụ điều biến tín hiệu điện thành cường độ xạ ánh sáng để phát (biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang)

Sợi quang có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu quang từ nơi phát đến nơi thu

Khối O/E : mạch biến đổi quang - điện gọi thu quang có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ sợi quang đưa đến biến đổi trở lại thành tín hiệu điện tín hiệu điện phát

đi

Tải tin : Trong hệ thống điện tải tin sóng điện từ cao tần, hệ thống quang tải tin ánh sáng sóng điện từ song có tần số cao ( 1014 ÷ 1015 Hz) tải tin quang thuận lợi cho tải tín hiệu băng rộng

b Ưu điểm hệ thống truyền dẫn quang:

Hình 8-1: a Hệ thống thơng tin điện b Hệ thống thông tin quang

Nguồn Tín tín hiệu hiệu Mạch Khối Sợi đồng Khối giải Mạch thu điện tử điều chế điều chế điện tử

a Hệ thống thông tin điện

Nguồn Tín tín hiệu hiệu Mạch Khối Khối Mạch thu điện tử E/ O O/ E điện tử

Sợi quang

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Qua hình (8-1a,b) ta thấy hai hệ thống có phần tử tín hiệu tương đồng, có mơi trường truyền dẫn khác So với hệ thống thông tin điện , hệ thống thơng tin quang có sốưu điểm sau:

+ Sợi quang nhỏ, nhẹ dây kim loại, dễ uốn cong, tốn vật liệu

+ Sợi quang chế tạo từ thuỷ tinh thạch anh không bịảnh hưởng nước, axit, kiềm nên không bị ăn mịn Đồng thời, sợi chất điện mơi nên cách điện hồn tồn, tín hiệu truyền sợi quang khơng bịảnh hưởng nhiễu bên ngồi tới không gây nhiễu môi trường xung quanh

+ Đảm bảo bí mật thơng tin, khơng sợ bị nghe trộm

+ Khả truyền nhiều kênh sợi quang có đường kính nhỏ Tiêu hao nhỏ không phụ thuộc tần số nên cho phép truyền dẫn băng rộng tốc độ truyền lớn nhiều so với sợi kim loại

+ Giá thành rẻ

8.2 CÁC CẤU KIỆN BIẾN ĐỔI ĐIỆN – QUANG (Cấu kiện phát quang) 8.2.1 Sự tương tác giữa ánh sáng vật chất

Nhưđã biết, theo lý thuyết dải lượng vật chất, thơng thường hạt tồn mức (Ek) mức có lượng thấp nên bền vững Chỉ cần

kích thích lượng đó, ví dụ quang năng, điện năng, nhiệt hạt

mức di chuyển lên mức lượng cao hơn, gọi mức kích thích (Ei) Các hạt

chỉ tồn mức kích thích thời gian ngắn khoảng 10-8 giây lại dịch chuyển mức lượng thấp phát ánh sáng, hay gọi photon Photon phát theo định luật bảo toàn lượng:

hν = Ei - Ek (8 1)

ta có tần số xạ ánh sáng tính theo cơng thức (8.1):

ν = h

E Ei− k

(8 2)

trong đó: ν - tần số xạ ánh sáng (

λ = ν c)

h - số Plank (h = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s) c - vận tốc ánh sáng (c = 3.108 m/s)

λ - độ dài bước sóng xạ ánh sáng phát

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ − − eV eV.nm 1240 eV eV.nm ) E (E 1240 = h E E c = c = k i k

i EG

ν λ

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

a Quá trình hấp thụ:

Quá trình hấp thụ (hình 8-2a) trình mà có photon tương tác với vật chất điện tửở mức lượng Ek nhận thêm lượng photon (quang năng)

và nhảy lên mức lượng kích thích Ei b Quá trình xạ tự phát:

Bức xạ tự phát (hình 8-2b) trình mà điện tử nhảy lên mức lượng kích thích Ei, chúng nhanh chóng trở mức lượng Ek phát photon có

năng lượng hν Mỗi xạ tự phát ta thu photon

Hiện tượng xảy khơng có kích thích bên ngồi gọi trình xạ tự phát Bức xạ đẳng hướng có pha ngẫu nhiên

c Q trình xạ kích thích:

Nếu có photon có lượng hν tới tương tác với vật chất mà lúc có

điện tửđang cịn trạng thái kích thích Ei, điện tử kích thích di

chuyển trở mức lượng Ek xạ photon khác có lượng

đúng hν Photon xạ có pha với photon đến gọi xạ

kích thích (hay xạ cảm ứng) Xem hình 8-2c

8.2.2 Điôt phát quang (LED) chỉ thị

Điôt phát quang linh kiện bán dẫn quang điện tử Nó có khả phát ánh sáng có tượng tái hợp xảy tiếp xúc P-N Điốt phát quang thường gọi tắt LED viết tắt từ từ tiếng Anh: Light- Emitting Diode Tuỳ theo vật liệu chế tạo mà ta có ánh sáng xạ vùng bước sóng khác

Trong mục ta trình bày trước hết LED xạ ánh sáng nhìn thấy gọi LED thị LED thị có ưu điểm tần số hoạt động cao, kích thước nhỏ, công suất tiêu hao nhỏ, không sụt áp bắt đầu làm việc LED khơng cần kính lọc mà cho màu sắc LED

thị rõ trời tối Tuổi thọ LED khoảng 100 ngàn

a Cấu tạo ký hiệu LED:

Cấu tạo:

Ei Ei Ei

hfik hfik hfik hf'ik

Ek Ek Ek

a- Quá trình hấp thụ b- Quá trình xạ tự phát c- Q trình xạ kích thích

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Điơt phát quang gồm có lớp tiếp xúc P-N hai chân cực anốt (A), catốt (K) Anốt

được nối với bán dẫn loại P, catốt nối với bán dẫn loại N

Hình 8-3 mơ tả mơ hình cấu tạo LED ký hiệu sơđồ mạch

Vật liệu chế tạo điôt phát quang liên kết nguyên tố thuộc nhóm nhóm bảng tuần hoàn Menđêlêep GaAs, liên kết nguyên tố GaAsP v.v

Đây vật liệu tái hợp trực tiếp, có nghĩa tái hợp xảy điện tửở sát đáy dải dẫn lỗ trống sát đỉnh dải hóa trị

b Nguyên lý làm việc:

Sơđồ ngun lý đấu LED mơ tả hình 8-

Khi LED phân cực thuận, hạt dẫn đa số khuếch tán ồạt qua tiếp xúc P-N, chúng gặp tái hợp photon phát sinh Tốc độ tái hợp trình xạ tự phát tỉ lệ với nồng độ điện tử phần bán dẫn P nồng độ lỗ trống phần bán dẫn N Đây hạt dẫn thiểu số chất bán dẫn Như vậy, để tăng số photon xạ cần phải gia tăng nồng độ hạt dẫn thiểu số phần bán dẫn Cường độ dịng điện điơt tỉ lệ với nồng độ hạt dẫn "chích" vào phần bán dẫn, cường độ phát quang LED tỉ lệ

với cường độ dịng điện qua điơt

Tiếp xúc P-N P N

A K

A K

Hình 8- 3 : Mơ hình cấu tạo ký hiệu LED

+

LED U R _

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Như LED có khả biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu quang, nên coi dụng cụ phát quang

Điện áp phân cực cho LED gần độ rộng vùng cấm vật liệu, đó, LED xạ bước sóng khác chế tạo từ vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác điện áp phân cực cho chúng khác Tuy nhiên LED có điện áp phân cực thuận tương đối cao (khoảng từ 1,6 v đến v) có điện áp ngược cho phép tương đối thấp (khoảng từ v đến v)

c Đặc tuyến Vôn - Ampe LED:

Đặc tuyến Vôn - Ampe điôt phát quang biểu diễn mối quan hệ dòng điện quang với điện áp đặt lên LED

Khi điện áp thuận thay đổi (dù nhỏ) làm cho dịng điện qua điơt tăng đáng kể kéo theo tăng cường độ xạ quang, cần xác định vùng làm việc cho điôt tương đối

ổn định dùng nguồn dòng để cung cấp

Điôt phát quang nhạy với nhiệt độ Khi nhiệt độ làm việc thay đổi, cực đại phổ xạ

có thể thay đổi vềđộ dài bước sóng lẫn cường độ: nhiệt độ làm việc tăng độ dài bước sóng xạ ngắn lại (khoảng 0,02 μm/ 0C đến 0,009 μm/ 0C) điện áp phân cực cho điơt bị giảm (khoảng từ 1,3 mV đến 2,3 mV/ 0C)

Đểđánh giá ảnh hưởng nhiệt độ lên giá trịđiện áp phân cực, người ta sử dụng hệ số

nhiệt cho điôt: STV:

STV =

const = I T U Δ Δ

(8 3)

Hệ số nhiệt LED có giá trị âm nên sử dụng hệ thống có nhiều linh kiện

điện tử cần ý đến tham số Khoảng nhiệt độ hoạt động LED khoảng từ -600C đến +850C Công suất LED khoảng từ vài trăm μw đến vài watt

Bảng 8-1 cho biết độ rộng vùng cấm vật liệu lớn lượng giải phóng lớn xạđược phát có bước sóng ngắn

Bảng 8.1: Tham số số loại LED

I

Ungược max

UD UAK

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Vật liệu EG (ev) λp (nm) vùng

xạ

UD (v)

ở I=20mA

Ungược

Max

tr

(nsec)

Loại tái hợp

Ge 0,66 - - - - - G.tiếp

Si 1,09 - - - - - G.tiếp

GaAs 1,43 910 Hồng ngoại 1,6 ÷ 1,8 50 T tiếp

GaAsP 1,9 660 Đỏ 1,6 ÷ 1,8 T tiếp

GaAlAs 1,91 650 Đỏ 1,6 ÷ 1,8 T tiếp

GaAsP 2,0 635 Cam 2,0 ÷ 2,2 100 T tiếp

GaAsP 2,1 585 Vàng 2,2 ÷ 2,4 100 T tiếp

GaAsP 2,2 565 Lá 2,4 ÷ 2,7 400 T tiếp

GaP 2,24 560 Lá 2,7 ÷ 3,0 - G tiếp

SiC 2,5 490 Da trời 3,0 - 900 G.tiếp

Gallium-Nitrit

3,1 400 Tím 3,0 - - G tiếp

d Ứng dụng số loại LED thị:

LED thịđược sử dụng rộng rãi lĩnh vực quảng cáo, xe hơi, máy bay, trò chơi trẻ em, âm nhạc, máy ảnh thể tích nhỏ, cơng suất tiêu tán thấp thích hợp với mạch logic Khi sử dụng LED cần phải mắc nối tiếp với điện trở hạn chế dòng Trị số

điện trở nối tiếp tính theo cơng thức (8 4): RT =

I U UCC − D

(8 4)

Trong đó: UCC - Điện áp nguồn cung cấp

UD - Điện áp phân cực cho LED

I - Dòng điện chạy qua LED

(có trị số danh định khoảng từ 10mA đến 30mA) Một số loại LED thị:

- LED đơn: Đây linh kiện LED

- LED đôi: Để dùng cho ứng dụng đặc biệt:

- LED bảy đoạn sáng: Đây tổ hợp gồm có LED đấu nối với theo hình số

8 dùng để thị số thập phân từ đến (Xem hình 8- 7)

Đỏ Xanh/Vàng

LED1 LED2

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

- Băng chiếu sáng LED: Đây tập hợp nhiều LED thành chuỗi với mạch tổ hợp mạch tổ hợp bên trong, (xem hình 8- 8)

8.2.3 LED hồng ngoại

Đối với hệ thống thông tin quang yêu cầu tốc độ bit xấp xỉ 100 đến 200Mbit/s sợi quang đa mốt với công suất quang khoảng vài chục μw, điôt phát quang bán dẫn thường nguồn sáng tốt

a Cấu tạo:

Cấu tạo LED hồng ngoại giống LED thị Để xạ ánh sáng hồng ngoại, LED hồng ngoại chế tạo từ vật liệu Galium Asenit (GaAs) với độ rộng vùng cấm EG = 1,43 eV tương ứng với xạ bước sóng khoảng 900nm

Hình 8- mơ tả cấu trúc LED hồng ngoại xạ ánh sáng 950nm 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11

10

Hình 8- 8: Băng chiếu sáng LED

Hình 8- 7: Cấu trúc LED đoạn sáng đấu kiểu Anôt chung A

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Trong phần epitaxy lỏng suốt GaAs (N) tạo lớp tinh thể có tính chất lưỡng tính với tạp chất Silic GaAsSi (N) tiếp xúc P-N hình thành Với pha tạp chất Silic ta có xạ với bước sóng 950 nm Mặt LED mài nhẵn tạo thành gương phản chiếu tia hồng ngoại phát từ lớp tiếp xúc P-N

b Nguyên lý làm việc:

Hình 8- 10 mơ tả sơđồ ngun lý đấu nối LED hồng ngoại mạch điện

Khi phân cực thuận cho điôt, hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc P-N, chúng tái hợp với phát xạ hồng ngoại Các tia hồng ngoại xạ theo nhiều hướng khác Những tia hồng ngoại có hướng vào lớp chất bán dẫn, gặp gương phản chiếu phản xạ trở lại để theo hướng với tia khác Điêù làm tăng hiệu suất LED

Ánh sáng hồng ngoại có đặc tính quang học giống ánh sáng nhìn thấy, nghĩa có khả hội tụ, phân kỳ qua thấu kính, có tiêu cự Tuy nhiên, ánh sáng hồng ngoại khác ánh sáng nhìn thấy khả xuyên suốt qua vật chất, có chất bán dẫn Điều giải thích LED hồng ngoại có hiệu suất cao LED thị tia hồng ngoại khơng bị yếu

đi vượt qua lớp bán dẫn để

Ánh sáng phát Chân cực λ = 950nm

GaAs (P) Tiếp xúc P-N GaAsSi (N)

GaAs (N) suốt Chân cực

Mặt mài nhẵn GaAsSi (N)

Hình 8- 9 : Cấu trúc LED hồng ngoại xạ bước sóng 950nm

+

LED

U R _

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Tuổi thọ LED hồng ngoại dài đến 100000 LED hồng ngoại không phát ánh sáng nhìn thấy nên có lợi thiết bị kiểm sốt khơng gây ý

c LED hồng ngoại cấu trúc đặc biệt:

Để truyền dẫn sợi quang đạt hiệu người ta sử dụng loại LED hồng ngoại có

độ sáng phát cao, có thời gian đáp ứng nhanh hiệu suất lượng tử cao, LED cấu trúc dị thể kép Đây cấu trúc sử dụng rộng rãi

a/

Tiếp xúc Tiếp kim GaAs (N) Ga1-xAlxAs Ga1-yAlyAs Ga1-xAlxAs GaAs (P) xúc

loại loại N loại N loại P kim Chất Chất loại ≈ 1μm ≈ 0,3μm ≈ 1μm

Vùng giam Vùng tái hợp Vùng giam giữ hạt dẫn giữ hạt dẫn ánh sáng ánh sáng b/

Hàng rào E Chích điện tử điện tử

Điện tử- lỗ trống tái hợp EG= 1,51eV hν (λ=820nm)

Hàng rào Chích lỗ trống cho lỗ trống

Năng lượng điện tử

c/ Sự thay đổi chiết suất Vùng tích cực

n

Vùng dẫn sóng

Ga1-xAlxAs

Loại N

≈ 1μm

Ga1-xAlxAs

Loại P

≈ 1μm

Hình 8- 11 : a/ Mặt cắt LED cấu trúc dị thể kép loại GaAlAs với x>y b/ Giản đồ lượng vùng tích cực

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Hình 8- 11 biểu diễn LED cấu trúc dị thể kép (double heterostructure) có hai lớp hợp kim Ga1-xAlxAs loại N P có độ rộng vùng cấm lớn độ rộng vùng cấm lớp

tích cực Ga1-yAlyAs loại N, có nghĩa chiết suất hai lớp nhỏ chiết suất

lớp tích cực (trong % phân tử lượng x > y) Bằng phương pháp cấu trúc Sandwich lớp hợp kim tổng hợp khác nhau, loại hạt dẫn trường ánh sáng giam giữ lại trung tâm lớp tích cực, (xem hình 8- 11b) Đồng thời khác chiết suất lớp kề cận giam giữ trường ánh sáng lớp tích cực trung tâm, (xem hình 8- 11c) Sự giam giữ hạt dẫn ánh sáng lớp tích cực làm tăng độ xạ hiệu suất quang lượng tử

Hai dạng LED dùng cho sợi quang xạ bề mặt (còn gọi xạ

Burrus) xạ cạnh

- Trong xạ bề mặt, mặt phẳng vùng tích cực xạ ánh sáng vng góc với trục x sợi quang mô tả hình 8- 12 Trong cấu trúc "cái giếng" khắc qua phần chất LED, sau sợi quang gắn chặt vào để nhận ánh sáng xạ

ra Diện tích vịng trịn tích cực bề mặt xạ thực tế có đường kính 50μm bề

dày đến 2,5μm Phổ xạ đẳng hướng với độ rộng chùm tia nửa công suất 1200 Phổđẳng hướng từ xạ bề mặt gọi phổ Lambe, độ phát sáng

ở hướng nhau, công suất giảm theo hàm cosθ, với θ góc hướng chiếu ánh sáng đường vng góc với bề mặt Do cơng suất giảm xuống 50% so với trị

sốđỉnh θ = 600, để tổng độ rộng chùm tia nửa công suất 1200

Sợi quang Giếng khắc tròn

Vật liệu kết dính

Kim loại

Các lớp Chất giam giữ

Chất cách điện SiO2

Kim loại

Tỏa nhiệt

Vùng tích cực Tiếp xúc kim loại hình trịn

Hình 8- 12: Mặt cắt LED xạ bề mặt

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

- LED xạ cạnh mơ tả hình 8- 13 gồm vùng tiếp xúc tích cực hai lớp dẫn ánh sáng Cả hai lớp dẫn quang có chiết suất thấp vùng tích cực cao chiết suất vật liệu xung quanh Cấu trúc tạo kênh dẫn sóng hướng xạ

ánh sáng theo hướng lõi sợi quang Để ghép khít lõi sợi quang đường kính từ 50μm đến 100μm, băng truyền tiếp xúc xạ cạnh có chiều rộng 50μm đến 70μm Chiều dài vùng tích cực khoảng từ 100μm đến 150μm Phổ xạ LED xạ cạnh định hướng tốt so với xạ bề mặt, biểu diễn hình (8- 13) Ở bề mặt song song với tiếp xúc, mà khơng có hiệu ứng dẫn sóng, chùm tia xạ phổ Lambe với

độ rộng nửa- công suất θ// = 1200 Trong bề mặt vng góc với tiếp xúc, việc chọn

độ dày ống dẫn sóng, độ rộng chùm tia nửa- công suất θ⊥ tạo nhỏ 25 đến

350

8.2.3 Điôt LASER

a Định nghĩa LASER:

LASER linh kiện quang học dùng để tạo khuếch đại ánh sáng đơn sắc có tính liên kết pha từ xạ tự phát ánh sáng

LASER từ viết tắt tên gọi tiếng Anh: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Nguyên lý hoạt động LASER kết trình chủ yếu trình hấp thụ photon, trình xạ tự phát q trình xạ kích thích

Q trình xạ kích thích trội q trình hấp thụ độ chiếm giữ trạng thái kích thích lớn độ bị chiếm giữ trạng thái Điều kiện gọi

Băng truyền tiếp xúc

(xác định diện tích vùng tích cực)

Vùng tích cực Các lớp

dẫn ánh sáng Các lớp tiếp xúc dị thể kép (có n thấp hơn)

Chất

Kim loại

(đối với tiếp xúc điện) θ⊥

Tỏa nhiệt θ//

Chùm tia sáng không kết hợp đầu

Hình 8- 13 : Cấu trúc LED dị thể kép xạ cạnh Chùm tia Lambe bề mặt tiếp xúc P-N (θ// = 1200)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

là sựđảo mật độ chiếm giữ chất bán dẫn Trong LASER bán dẫn, sựđảo mật độ chiếm giữ xảy trường hợp hạt dẫn đa số khuếch tán ạt qua tiếp xúc P-N Điều

xảy dịng điện thuận qua điơt phải vượt q trị số dịng điện ngưỡng hình 8- 14 Hình 8- 14 biểu thị phụ thuộc cơng suất phát LASER vào dòng điện chạy qua

điôt

Vật liệu bán dẫn điôt LASER phải bán dẫn có tái hợp trực tiếp lượng photon gần độ rộng vùng cấm (hν≈ EG) Để tăng độ phát sáng LASER phải sử dụng

chất bán dẫn pha tạp với nồng độ tạp chất cao (hay gọi pha tạp suy biến)

Trong thông tin quang, LASER phải xạ ánh sáng thuộc cửa sổ công tác sợi quang λ = 850 nm, 1300 nm, 1550 nm Vật liệu bán dẫn thường chọn GaAs Chất Galium Asenid cho xạở nhiệt độ 3000K với λ = 900 nm, muốn có xạλ = 800 nm ta cần phải thay đổi độ rộng vùng cấm cách pha thêm nhơm vào để có chất bán dẫn GaAlAs Để có xạ bước sóng từλ = 1200 nm đến 1600 nm sử dụng hợp chất thành phần InGaAsP

Đối với hệ thống thông tin cáp sợi quang yêu cầu độ rộng băng tần lớn 200MHz,

điơt LASER có thểđạt u cầu LED Các điơt LASER tiêu chuẩn có thời gian

đáp ứng thấp 1ns, có độ rộng phổ xạ quang khoảng 2nm nhỏ hơn, nói chung, điơt LASER có khả liên kết lõi độ số nhỏ Thực tế, tất điôt LASER sử dụng linh kiện nhiều lớp tiếp xúc dị thể

b Cấu trúc điôt LASER:

Cấu trúc LASER tương tự LED phức tạp hơn, phần lớn yêu cầu thêm việc giam giữ dòng điện hốc cộng hưởng nhỏ

Bức xạ kích thích LASER bán dẫn sinh bên hốc cộng hưởng Fabry- Perot Hình 8- 15 mơ tả cấu trúc hầu hết loại điôt LASER Tuy nhiên hốc cộng hưởng nhỏ, kích thước chiều dài khoảng từ 250 đến 500μm, chiều rộng khoảng từ đến 15μm bề dày khoảng từ 0,1 đến 0,2μm Các kích thước gọi chung kích thước chiều dọc, cạnh bên chiều ngang hốc cộng hưởng

P0 (mW)

0,8

0,6 Bức xạ

kết hợp 0,4

0,2 Bức xạ không kết hợp

20 40 60 80 I (mA) Ingưỡng

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Trong hốc cộng hưởng Fabry Perot điơt LASER, có phận gương phản chiếu định hướng Các mặt gương tạo mặt chẻ tách tự nhiên tinh thể

bán dẫn (mặt 110) Mục đích gương để cung cấp hồi tiếp quang theo hướng chiều dài, biến cấu kiện thành máy phát với hệ số tăng ích để bù lại tổn thất quang hốc cộng hưởng Hốc cộng hưởng LASER có nhiều tần số cộng hưởng Cấu kiện phát ánh sáng tần số cộng hưởng mà hệ số tăng ích đủ để vượt qua mát Các cạnh bên hốc cộng hưởng hình thành cạnh thơ, xù xì cấu kiện để hạn chế xạ không mong muốn hướng

Chú ý : Chùm tia sáng từ LASER tạo thành hình elip đứng vùng phát quang diện tích mặt tích cực elip ngang

Điơt LASER hồi tiếp - phân bố (DFB):

Đây loại điôt LASER không cần mặt tách bóc tinh thể để tạo gương phản xạ

quang Ở DFB gần tạo độ chọn lọc mốt ánh sáng tốt dựa lan truyền sóng cấu trúc tuần hồn Một điơt LASER loại DFB tiêu biểu mơ tả hình 8- 16 Cấu tạo LASER loại giống loại Fabry Perot hoạt động xạ thực nhờ gương phản chiếu Bragg, cách tử tuần hoàn, nhờ thay

đổi theo chu kỳ chiết suất mà hợp thành cấu trúc nhiều lớp dọc theo chiều dài điơt laser

Hình 8- 15 : a/ Cấu trúc điôt LASER với hốc cộng hưởng Fabry- Perot: Các đầu cuối tách bóc tinh thể gương phản chiếu

Đầu cuối khơng sử dụng bọc phản xạ cách điện để giảm mát quang hốc cộng hưởng

b/ Đồ thị phân bố trường xa xạ

Lớp phản xạ

cách điện Các tách (110) bđầu cuối hốc cộềng h mặt tinh thưởng đượể c Kim loại

Chiều ngang: 0,1 ÷ 0,3 μm

Cạnh bên: ÷ 15 μm Chiều dọc: 250 ÷ 500

Ánh sáng

được ghép vào sợi quang Chất

Các lớp giữ

hạt dẫn

quang

Lớp tích cực

a/

30 ÷ 500 (θ⊥)

5 ÷ 100 (θ //)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Nói chung, tín hiệu quang hoàn toàn lấy từ mặt trước LASER, có nghĩa là, mặt đặt thẳng hàng với sợi quang Trong trường hợp này, gương phản chiếu chất cách điện có thểđược lắng đọng mặt sau LASER để giảm mát quang hốc cộng hưởng, để giảm mật độ dòng điện ngưỡng, để tăng hiệu suất lượng tử Với gương phản chiếu lớp, độ phản xạ có thểđạt tới 98%

c Hoạt động điôt LASER: Cấp nguồn cho LD hoạt động phân cực thuận

Khi dòng điện cung cấp I ≥ Ingưỡng xảy xạ laser Sự xạ quang bên hốc

cộng hưởng điôt LASER tạo phổ đường điện trường từ trường gọi mốt (modes) hốc cộng hưởng Các mốt phân chia thành mốt độc lập Mỗi mốt mô tả thuật ngữ biến đổi nửa hình sin ngang, bên dọc trường điện từ dọc theo hệ trục hốc cộng hưởng Trong đó, mốt dọc có quan hệ với chiều dài L hốc cộng hưởng xác định cấu trúc nguyên lý phổ tần số xạ ánh sáng phát Vì chiều dài L hốc cộng hưởng lớn nhiều lần độ dài bước sóng (λ≈ 1μm) nên có nhiều mốt dọc tồn hốc cộng hưởng

Mốt bên cạnh nằm bề mặt tiếp xúc P-N Các mốt phụ thuộc vào chế tạo mặt bên độ rộng hốc cộng hưởng; xác định hình dạng mặt cắt cạnh bên chùm tia laser Các mốt quan trọng chúng xác định cách phong phú đặc tính LASER phổ xạ mật độ dòng điện ngưỡng

Để xác định điều kiện laser tần số cộng hưởng, ta biểu diễn lan truyền sóng

điện từ theo hướng dọc (dọc theo trục chuẩn cho gương):

E(z,t) = I(z) exp [j(ωt - βz)] (8 5) Trong đó: I(z)- mật độ trường quang theo hướng dọc (z)

z - khoảng cách theo hướng dọc hốc cộng hưởng ω - số góc ánh sáng

β - hệ số lan truyền

Bức xạ laser điều kiện mà khuếch đại ánh sáng thắng hấp thụ điơt LASER u cầu địi hỏi phát laser phải đạt sựđảo mật độ chiếm giữ chất bán dẫn Điều kiện giải thích mối quan hệ mật độ

trường sáng I, hệ số hấp thụαλ, hệ số khuếch đại g hốc cộng hưởng Fabry Perot Tốc

Hình 8- 16 : Cấu trúc điôt LASER phản hồi- phân bố (DFB)

Gương phản chiếu Các cách tử phản hồi chất uốn cong dạng sóng cách điện

Các lớp giam giữ

Lớp tích cực

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

độ xạ kích thích mốt cho tỉ lệ thuận với mật độ xạ mốt Mật độ

bức xạứng với photon có lượng hν thay đổi theo qui luật hàm mũ với khoảng cách z, dọc theo hốc cộng hưởng tính theo cơng thức sau:

I(z) = I(0) exp{[I’g(hν) -α’(hν)]z} (8 6) Trong đó: α' - hệ số hấp thụ hữu ích vật liệu đường quang

I' - hệ số giam giữ ánh sáng I(0) - mật độ trường quang ban đầu

g - hệ số khuếch đại quang

Sự khuếch đại quang mốt chọn đạt chế phản hồi hốc cộng hưởng quang Trong lặp lặp lại nhiều lần gương phản chiếu đặt song song, phần nhỏ xạ liên kết với mốt có hệ số khuếch đại quang cao trì khuếch đại lượt qua hốc cộng hưởng

Bức xạ Laser xuất độ khuếch đại mốt đủđể trội mát ánh sáng suốt lượt vòng quanh qua hốc cộng hưởng, nghĩa z = 2L Trong suốt lượt vịng quanh có phần nhỏ R1 R2 xạ quang phản xạ từ

hai đầu 2, tương ứng, LASER; ởđó, R1 R2 độ phản xạ gương Do công

thức (8 6) viết thành:

I(2L) = I(0)R1R2exp{2L[I’g(hν) -α’(hν)]} (8 7)

Tại ngưỡng phát laser, dao động trạng thái bền chiếm giữ độ lớn pha sóng phản hồi sóng gốc tạo Điều cho ta điều kiện phát laser:

I(2L) = I(0) Đối với biên độ (8 8) e - jβ2L = Đối với pha (8 9) Công thức (8 9) cho thông tin tần số cộng hưởng hốc Fabry Perot

Từ công thức (8 8) tìm thấy mốt có độ khuếch đại đủ lớn để dẫn đến phát quang tìm biên độ mốt Do vậy, từ công thức (8 8), điều kiện để đạt độ khuếch đại quang ngưỡng-lasing gth: điểm mà độ

khuếch đại g lớn tổng mát αtở hốc cộng hưởng

I' gth ≥ αt

αt = ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

2 1R R

1 ln 2L

1 + '

α (8 10)

Nếu mốt thỏa mãn công thức (8 10) đạt tới ngưỡng đầu tiên, theo lý thuyết,

điểm đạt điều kiện ngưỡng này, tất lượng tổng đưa vào LASER tăng

độ lớn riêng mốt Trên thực tế, tín hiệu ln tồn nhiều mốt Các yếu tố quan trọng cho điều kiện hoạt động đơn mốt dọc vùng tích cực mỏng có độổn

định nhiệt cao

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Khi dịng điện có trị số thấp (I < INgưỡng) điơt có xạ tự phát Cả khoảng phổ

và độ rộng chùm tia bên cạnh xạ giống LED Sự tăng đột ngột nhanh công suất xuất ngưỡng lasing Điểm chuyển đổi đột ngột dẫn đến việc khoảng phổ độ rộng chùm tia hẹp lại theo độ tăng dòng điện điều khiển Độ rộng phổ

xấp xỉ 1nm độ rộng chùm tia cạnh bên hẹp hồn tồn đến chuẩn 50÷ 100 vượt qua

điểm ngưỡng Dòng điện ngưỡng Ith thường xác định phép ngoại suy vùng

lasing ởđường cong đồ thị phụ thuộc cộng suất phát quang vào dịng điện điều khiển, nhưở hình (8- 17)

d Các đặc tính tham số LASER:

Đặc tuyến xạ:

Đặc tuyến xạ biểu thị quan hệ cơng suất ánh sáng phát dịng điện điều khiển chạy qua điơt LASER (xem hình 8- 17)

Qua hình vẽ ta thấy:

Khi dòng điện I < INgưỡng : Ánh sáng phát xạ tự phát LED

Khi dòng điện I ≥ INgưỡng : Sựđảo điện xuất ánh sáng phát xạ

kích thích cho ta ánh sáng kết hợp

Hiệu suất lượng tử vi phân ngoài: ηext

Hiệu suất lượng tử vi phân xác định số lượng photon xạ đôi điện tử - lỗ

trống tái hợp mức ngưỡng

ηext = ⎢⎣⎡ ⎥⎦⎤

mA mW m dI dP 0,8065 = dI dP E

q G

μ

λ (8 11)

Trong đó: EG - độ rộng vùng cấm đo eV

q - điện tích điện tử

dP - lượng thay đổi công suất xạ đo [mW] gia lượng dòng điện cung cấp dI đo mA

λ - độ dài bước sóng xạ đo μm Pra

Phát xạ

laser (Phát xạ

dP kích thích)

dI

Phát xạ tự phát INgưỡng I

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Với LASER bán dẫn thơng dụng ηext = (15 ÷20)%; cịn linh kiện chất

lượng cao có η = 30 ÷ 40)% Tần số cộng hưởng:

Theo cơng thức (8 9) ta xét tần số cộng hưởng LASER Điều kiện để thực cơng thức (8 9) có:

2βL = 2π.m (8 12)

trong đó: m- số nguyên β- số lan truyền với:

β = 2π.n/ λ (8 13)

n - chiết suất chất bán dẫn Từđây ta có:

L = m C

2n 2n

m λ

ν

= (8 14)

Trong C vận tốc ánh sáng mơi trường chân khơng Điều có nghĩa chiều dài hộp cộng hưởng số nguyên lần nửa bước sóng ánh sáng chất bán dẫn Như hốc cộng hưởng tồn thành phần sóng đứng số nguyên m nửa sóng trải rộng vùng gương

Vì LASER, hệ số khuếch đại hàm tần số, có khoảng tần sốđược trì theo cơng thức (8 14) Mỗi tần số đáp ứng mốt dao động LASER Do có số LASER đơn mốt số LASER đa mốt Mối quan hệ hệ số khuếch đại tần số có dạng Gauss:

g(λ) = g(o) exp ( ) ⎥

⎦ ⎤ ⎢

⎣ ⎡

σ λ λ

− 20

2

(8 15)

Trong đó: λ0 - độ dài bước sóng trung tâm phổ

σ - độ rộng phổ khuếch đại

hệ số khuếch đại cực đại g(o) tỉ lệ thuận với sựđảo điện

Xét tần số, độ dài bước sóng, khoảng cách mốt LASER đa mốt

Để tìm khoảng cách tần sốΔν, nghiên cứu mốt liên tiếp tần số νm -1 νm biểu diễn

bằng số nguyên (m-1) m Từ công thức (8 14), ta có: m -1 = 2Ln m -1

C ν m = 2Ln m

C ν Trừ hai công thức cho ta có:

1 = 2Ln( m m -1) = 2Ln

C ν −ν C Δν (8 16)

Từđây ta có khoảng cách tần số: Δν =

2Ln C

(8 17)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Ta biết bước sóng tần số có quan hệ với sau (vì νλ =C): Δν/ν = Δλ/ λ

ta có:

Δλ =

2Ln

λ

(8 18)

Như công thức (8 15) (8 18) cho ta quang phổ xạ LASER đa mốt

đồ thị biểu diễn phụ thuộc độ khuếch đại vào tần số khoảng cách tần số phụ thuộc vào cấu trúc LASER, (xem hình 8- 18)

8.2.4 Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD: Liquid Crystal Display)

a Khái niệm:

Mặt thị tinh thể lỏng- LCD- linh kiện bán dẫn quang điện tử LCD

được chế tạo dạng chấm- ma trận LCD cấu kiện thụ động, khơng phát sáng nên dễ đọc xung quanh sáng LCD có tuổi thọ cao từ 10000 giờđến 100000 ngày thay dần mặt thị loại LED, Plasma hay huỳnh quang

LCD: dùng làm mặt thị cho đồng hồ, máy tính con, thiết bịđo số, đồ chơi trẻ em, hình ti vi

Vật liệu:

Tinh thể lỏng sử dụng LCD hợp chất hữu Các phân tử tinh thể

lỏng phân bố cho trục dọc chúng nằm song song với

Hiệu ứng quang học dùng cho LCD hạn chế khoảng "không đẳng hướng", dải nhiệt độ làm việc LCD bị hạn chế xác định hai điểm nhiệt độ nóng chảy nhiệt độ suốt

b Cấu tạo LCD:

Δλ λ0

Sườn xung ánh sáng dạng Gauss

822 824 826 828 λ (nm) g

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Cấu tạo LCD gồm có kính đặt cách khoảng 10μm Mặt phía kính tráng lớp oxit kẽm (ZnO) suốt làm hai điện cực Xung quanh bên cạnh hai kính hàn kín, sau đổ tinh thể lỏng vào khoảng kính gắn kín lại Hai nhựa có tính phân cực ánh sáng dán bên ngồi hai kính cho hình ảnh phản chiếu mặt thịđược nhìn từ phía nhờ gương phản chiếu

c Nguyên lý làm việc:

Chếđộ phản chiếu:

+ Khi chưa có điện áp đặt vào, LCD khơng làm việc ánh sáng sẽđi qua nhựa phân cực thứ nhất, qua chất tinh thể lỏng, qua nhựa phân cực thứ đến gương phản chiếu phản chiếu trở phía người quan sát LCD khơng nhìn thấy - Mặt thị

trong suốt

+ Khi có điện áp cung cấp cho LCD, trục dài phân tử chất tinh thể lỏng

được định hướng theo hướng điện trường Như vậy, ánh sáng qua nhựa phân cực thứ bị thay đổi chất tinh thểđã hoạt hóa, đó, ánh sáng không thểđi qua phân cực thứ để phản chiếu lại gương phản chiếu Như tinh thể lỏng chịu tác động điện trường bị tối

Với màng lọc phân cực 900 ta có mặt thị suốt chữ, số, dấu hiệu tối đen Đây mặt thị hoạt động chếđộ phản chiếu

Nhược điểm chế độ phản chiếu mặt thị phải dựa vào nguồn sáng từ bên Nếu khơng có ánh sáng ngồi hay phịng tối mặt thị khơng nhìn thấy

Chếđộ thông sáng:

Nếu màng lọc phân cực song song ta có mặt thị có tối chữ, số dấu hiệu suốt Loại thích hợp với việc chiếu sáng từ phía sau mặt thị ta gọi chếđộ thông sáng

Tấm nhựa phân cực thứ Gương phản chiếu Kính Điện cực Keo suốt

Tinh thể lỏng Kính

Tấm nhựa phân cực thứ

Ánh sáng chiếu vào

Mắt người quan sát

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Ở chếđộ này, ánh sáng qua phần khơng hoạt hóa gị vào khn hoạt hóa Vì chữ sốđã chọn nhìn thấy Để ánh sáng chiếu đều, cần có kính tán xạđặt LCD nguồn sáng

Hầu hết đồng hồ số hiển thịđều kết hợp hai chếđộ phản chiếu thông sáng Loại LCD cần có điện áp xoay chiều từ 3V đến 8V, thời gian số 100 msec thời gian tắt từ 200 msec đến 300 msec

d Mạch điện điều khiển LCD:

Phân đoạn tinh thể lỏng mạch điện tương đương mơ tả hình 8- 21a,b Trong hình 8- 21 có:

- a: điện cực phân đoạn; - b: điện cực chung

- RK : điện trở vật liệu nguồn điện phân đoạn tinh

thể lỏng (khoảng vài KΩ)

- RS : điện trở tinh thể lỏng (khoảng vài MΩ)

- CS : điện dung hai cực điện phân đoạn tinh thể lỏng

(khoảng từ 100pF ÷ 200pF , 300pF cho LCD loại lớn)

Mặt sau không Mặt sau phản xạ

phản xạ

Ánh sáng

đến Ánh sáng Ánh sáng mặt phản chiếu sau Ánh sáng đến

a/ Chếđộ phản chiếu b/ Chếđộ thông sáng

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Điện dung CS không gây ảnh hưởng tần số làm việc từ 30 Hz đến 150 Hz, 200 Hz

Với tần số < 30 Hz chữ số bị chập chờn; với tần số > 100 Hz với điện áp cao phân đoạn khơng có điện áp bị chập chờn Để hạn chế tượng này, phân đoạn không sử dụng phải nối với điện cực mặt sau (Back -plane)

Trong hình (8- 21c) cho ta thấy, điện áp hai điện cực a b phân đoạn LCD pha hiệu phân đoạn 0V nên khơng có kích hoạt

Trong hình (8-21d): Khi hai điện cực a b có điện áp ngược hiệu điện cực a điện cực b điện áp xoay chiều với biên độ 2Ub phân đoạn LCD

kích thích hoạt động

Nhưđã biết, để LCD làm việc ta cần điện áp xoay chiều khơng có lẫn điện áp chiều Với điện áp chiều lớn, màng điện cực suốt từ chất Indium/ oxit kẽm bị khử

thành Indium/kẽm Màng điện cực tối LCD bị mù a/ c/

b Ub

U1 U1

a Ua

U2 U2

Mặt sau (Back- plane)

b/ b Hiệu điện a/b d/

RK Ub

U1

Ua

CS U2

RS

+U

a -U

Hiệu a/b

Hình 8- 21: a- Phân đoạn LCD với chân điện cực

b- Mạch điện tương đương phân đoạn LCD c- Hai điện cực a b có điện áp pha

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

LCD thông thường yêu cầu điện áp chiều lẫn vào < 100mV; LCD màu yêu cầu

điện áp chiều lẫn vào < 50mV Do vậy, ta nên dùng mạch điều khiển với IC họ CMOS

cho ta điện áp méo Vì LCD có cơng suất thấp nên dùng cổng CMOS điều khiển tốt Hình 8- 22 mơ tả hoạt động mặt thị LCD đoạn với giải mã BCD thành đoạn

Theo hình (8- 22), phân đoạn mặt thị LCD trở nên đen ngược pha với B.P.; trở nên suốt điện áp pha với điện áp B.P

e Các tham số LCD:

Bảng 8.2 số tham số LCD

LCD đoạn sáng a

f b g

e c d

B.P a b c d e f g

Vào xoay chiều 30Hz A Bộ =1 giải B mã BCD C thành

D đoạn

a b c d

e =1

=1 =1 =1 =1 =1

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Bảng 8.2 : Tham số LCD

Tham số Đơn vị Loại tiêu

chuẩn

max

Khoảng nhiệt độ làm việc 0C - 10 +60

Khoảng nhiệt độ dự trữ 0C - 25 +70

Điện áp làm việc VT.B 4,5

Thành phần dc mV 100

Tần sốđiều khiển Hz 30 200

Dòng tiêu thụ lượng nA/mm2 15 30

Thời gian lên ms 40

Thời gian tắt ms 80

Thời gian lên + thời gian tắt ms 250

8.3.CÁC CẤU KIỆN CHUYỂN ĐỔI QUANG – ĐIỆN (cấu kiện thu quang)

Tại đầu đường truyền dẫn quang cần phải có cấu kiện thu quang để chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Cấu kiện thu quang cịn gọi tách quang Vì tín hiệu quang yếu bị biến dạng xuất ởđầu sợi quang nên tách quang cần phải có độ nhạy cao, tạp âm hệ thống thấp nhất, có tốc độ đáp ứng nhanh độ rộng băng đủđể thỏa mãn tốc độ liệu Đồng thời, tách quang không nhạy với thay đổi nhiệt độ, có độ bền cao giá thành phải so với phận khác hệ thống

Một số cấu kiện thu quang thường sử dụng nhưđiện trở quang, điôt quang, tranzito quang, thyrixto quang

8.3.1 Điện trở quang

Điện trở quang cấu kiện bán dẫn thụđộng, lớp tiếp xúc P-N

Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang thường Cadmium Sulfid (CdS), Cadmium Selenid (CdSe), Sulfid kẽm (ZnS) tinh thể hỗn hợp khác Tất vật liệu gọi vật liệu bán dẫn nhạy quang

a Cấu tạo:

Điện trở quang gồm lớp vật liệu bán dẫn nhạy quang rải lên vật liệu cách

điện chân dẫn điện Để chống ẩm người ta bọc bên quang trở lớp sơn chống ẩm suốt với vùng ánh sáng hoạt động Tất cảđược bọc vỏ chất dẻo có cửa sổ cho ánh sáng qua

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

b Nguyên lý làm việc:

Mạch điện đấu điện trở quang trình bày hình 8- 24

Khi chiếu ánh sáng vào vật liệu bán dẫn nhạy quang với lượng photon lớn độ rộng vùng cấm vật liệu, trình hấp thụ quang năng, cặp điện tử- lỗ

trống xuất Do vậy, nồng độ hạt dẫn chất bán dẫn tăng lên, làm độ dẫn điện tăng, hay nói cách khác điện trở chất bán dẫn giảm xuống

Độ dẫn điện tạo chiếu ánh sáng là:

σ=σ0 +σF

trong đó: σ0 - độ dẫn điện chưa chiếu sáng F

σ - độ dẫn điện tạo ánh sáng

σF =q(μn +μp)Δp (8 19)

ởđây: Δn=Δp - nồng độđiện tử nồng độ lỗ trống sinh Dòng điện quang tính theo cơng thức:

Iph =q.Δp.(μn +μp).E.w.d (8 20) w.d tiết diện lớp bán dẫn nhạy quang, E cường độđiện trường

Qua công thức ta thấy độ dẫn điện vật liệu bán dẫn thay đổi ta thay đổi nồng độ hạt dẫn độ linh động hiệu dụng điện tử lỗ trống Như vậy, ta thay đổi cường độ chiếu sáng lên điện trở quang cường độ dịng điện mạch thay

đổi theo

Cực điện Bán dẫn nhạy quang Chất cách điện Chân cực kim loại

Chân cực Vật liệu

kim loại nhạy quang b/ Ký hiệu a/

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Hệ số khuếch đại điện trở quang (K) xác định tỉ số hạt dẫn thu chân cực hạt dẫn sinh đơn vị thời gian:

p( n 2 p) CC

l U

K= τ μ +μ (8 21)

trong đó: τp - thời gian sống hạt dẫn, UCC điện áp cung cấp l –chiều dài cửa sổ điện trở quang

Trong hình (8- 24), đểđiện trở quang hoạt động cần cấp cho nguồn điện áp UCC

Quang trở Rd mắc nối tiếp với tải Rt tụđiện C dùng để dẫn tín hiệu điện đưa lối

Khi bị chiếu sáng, điện trở Rd điện trở quang thay đổi với trị số ΔR Dòng điện

trong mạch tăng lên lượng ΔI sụt áp tải Rt tăng lên lượng uS , ta có:

uS = UCC ( )( )

d t d

t

t

R R R R R

R R

+ Δ

− +

Δ

(8 22)

và tín hiệu đưa vào khuếch đại qua tụđiện C hν

Rd

+ C ECC

Rt US

Hình 8- 24: Sơđồđấu điện trở quang mạch

S (%)

100 CdS

80 CdSe 60

40 20

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 λ (μm)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Các điện trở quang có khả khuếch đại dịng điện lên đến 105 lần Tuy nhiên, giá trị phù hợp cường độ ánh sáng không thay đổi theo thời gian thay đổi chậm Khi tần số biến điệu, cường độ ánh sáng tăng hệ số khuếch đại điện trở

quang giảm Khả đáp ứng tần số điện trở quang thấp, thường đạt từ vài chục Hz đến vài KHz

Đặc tuyến phổ số loại điện trở quang mơ tả hình 8- 25 Đây đồ thị biểu diễn biến đổi độ nhạy tương đối điện trở quang theo quang phổ

c Các tham số điện trở quang:

+ Điện dẫn suất σp : hàm số mật độ lượng quang ρλ độ dài bước sóng

khơng đổi

σp(ρλ) λ = const

+ Độ nhạy tương đối điện trở quang S (λ): tỉ số điện dẫn suất thay đổi theo bước sóng σp(λ) điện dẫn suất cực đại σp.max mật độ lượng quang ρλ không đổi:

S(λ) =

λ

ρ σ

λ σ

Pmax

P( ) (8 23)

+ Vận tốc làm việc: thời gian hồi đáp điện trở quang có thay đổi từ

sáng sang tối hay từ tối sang sáng Với cường độ ánh sáng mạnh, điện trở quang làm việc nhanh Điện trở quang làm việc chậm trời lạnh cất giữ bóng tối

+ Hệ số nhiệt điện trở quang: Hệ số nhiệt điện trở quang tỉ lệ nghịch với cường

độ chiếu sáng Do đó, để giảm bớt thay đổi trị số điện trở quang theo nhiệt độ, điện trở

quang cần cho hoạt động mức chiếu sáng tối đa

+ Điện trở tối Rd : Điện trở tối điện trở bóng tối điện trở quang Điện trở tối

là tham số quan trọng, cho ta biết "dịng điện rị" lớn điện điện trở

quang

+ Điện hoạt động: Tuỳ theo cấu trúc mặt nạ điện trở quang mà có điện

làm việc khác Điện lên tới 0,5 Kv/mm Điện hoạt động cao đo

được điện trở quang hoạt động bóng tối Khi sử dụng điện trở quang cần chọn giá trị điện áp cung cấp cho tối ưu mạch điện mà không làm hỏng điện trở quang

+ Công suất tiêu tán cao nhất: Khi điện trở quang hoạt động cần phải giữ cho nhiệt độ

của thấp nhiệt độ cho phép Nhiệt độ cho phép điện trở quang thường giới hạn từ - 400C đến +750C

8.3.2 Điôt quang a Khái niệm chung:

Khi chiếu sáng tiếp xúc P-N xuất điện áp Tuỳ theo chức cấu trúc chia điơt quang thành nhiều loại sau:

• Điơt quang loại tiếp xúc P-N

• Điơt quang loại PIN

• Điốt quang thác (APD)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Điôt quang không nhạy điện trở quang loại CdS làm việc nhanh gấp nhiều lần

Ký hiệu điôt quang sơđồ mạch: như hình 8- 26

Vật liệu bản:

Hiện nay, để truyền dẫn tín hiệu quang theo cửa sổ suy hao nhỏ sợi quang, người ta ý đến điôt quang làm việc hai vùng bước sóng:

- Vùng bước sóng từ 0,85 đến 0,9 μm - Vùng bước sóng từ 1,3 đến 1,6 μm

Trong vùng bước sóng thứ từ 0,85 đến 0,9 μm, vật liệu chế tạo điôt quang chọn Silic Silic có độ nhạy cao với bước sóng quanh 0,85 μm Độ rộng vùng cấm silic EG = 1,1eV lượng quang cần hấp thụ, ta có:

EG = hν = h

λ

C

(8 24)

và có bước sóng cắt là: λP = 1,1μm

Trong vùng bước sóng thứ hai từ 1,3 đến 1,6 μm cần sử dụng chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm hẹp với EG < 0,95 eV người ta thường chọn vật liệu bán dẫn chế tạo từ

liên kết III-V GaAs, InP, InAs GaSb Ngoài ra, người ta ý đến liên kết II-VI PbSnSe CdHgTe Nhờ thay đổi hàm lượng phù hợp cấu trúc HgxCd1-xTecó thể

chế tạo điơt quang làm việc bước sóng 1,3 μm đến 1,55 μm Thực tếđã có loại điơt quang thác APD thử nghiệm chế tạo từ vật liệu Hg0,4Cd0,6Te

Trong hình, lượng vùng cấm dọc theo độ dài bước sóng A K

Hình 8- 26 : Ký hiệu điôt quang

10 102 103 104 105 106

0,4 0,8 1,2 1,6

α (cm-1)

) m (μ λ

InGaAs (0,8 eV) Ge (0,67 eV)

InGaAsP (0,92 eV)

GaP (2,26 eV)

Si (1,12 eV) InP (1,35 eV)

GaAs (1,43 eV) a-SiHg (1,55 eV)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Chú ý rằng, hệ số hấp thụ giảm nhanh vùng lượng cấm, đồng thời hấp thụ không đáng kể lượng photon < EG Như vậy, Silic hấp thụ photon với λ≤1,1μm

và GaAs hấp thụ photon với λ≤0,9μm

b Điôt quang loại tiếp xúc P-N:

• Cấu tạo:

Điơt quang gồm có tiếp xúc P-N Bề dày lớp tiếp xúc w Hai phần bán dẫn P+ N+ có nồng độ tạp chất cao Điốt có cửa sổđể chiếu ánh sáng vào Hai chân anôt A catôt K kim loại nối tới phần bán dẫn (Xem hình 8- 28)

• Nguyên lý làm việc:

Sơđồ nguyên lý đấu điơt quang mạch điện mơ tả hình 8-29:

Như sơđồ hình 8- 29, điơt quang cấp nguồn ECC cho tiếp xúc P-N phân

cực ngược để tạo điện trường dịch chuyển hạt dẫn thiểu số sẽđược sinh tác dụng ánh sáng Do đó, chưa có tác dụng ánh sáng điơt thu quang có dịng

điện ngược (dịng điện tối hay dịng rò) nhỏ

Khi cho ánh sáng chiếu vào, (xem hình 8- 28b), trình hấp thụ, bán dẫn xuất cặp điện tử - lỗ trống Các điện tử lỗ trống tác động điện trường

tiếp xúc P-N phân cực ngược chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N tạo nên dòng điện gọi dòng quang điện

W

Bán dẫn P Bán dẫn N ECP

ECn

EVP

Ánh EVn

sáng

b/ Lớp chống phản quang Anôt

A SiO2

P+

Tiếp xúc N P-N

N+ K

a/ Catôt

Hình 8- 28 : Cấu tạo điơt quang loại tiếp xúc P-N (a) phân bố dải lượng tiếp xúc P-N (b)

D C

ECC ID Rt UR

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ QUANG ĐIỆN TỬ Cấu kiện quang điện tử

Nếu quang thông ánh sáng tới Fph Và quang thông ánh sáng bị phản xạ

RFph Thì dịng điện quang hạt dẫn điện tử – lỗ trống sinh lớp nghèo tính

theo cơng thức:

( w)

ph w

0

x ph

1 q F e dx q.F e

I −αλ −αλ

λ = −

α

= ∫ (8 25)

Vì trình tái hợp bên lớp nghèo hạt dẫn phân cực ngược không đáng kể, tất

các điện tử lỗ trống vừa sinh thu nhận hiệu suất gần đạt 100% Dòng điện hạt dẫn sinh lớp N+ là:

w p p ph e L L F q

I −αλ

λ λ

α +

α

= (8 26)

Trong vùng N+, số hạt dẫn bị tái hợp nên hiệu suất < 100% Dòng điện quang tổng là:

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ α + − = + = λ λ α − p w ph ph L e F q I I I ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ α + − ν = λ λ α − p w ph L e h P q

I (8 27)

Trong đó: q- điện tích điện tử hν- lượng photon

P0 - công suất quang tới điôt quang αλ - hệ số hấp thụ ánh sáng bước sóng λ

w- bề dày tiếp xúc P-N

Lp – Độ dài khuếch tán lỗ trống

Hiệu suất lượng tử là: p w ph ph L e F q I λ λ α − α + − = =

η (8 28)

trong

ν =

h P

F

ph P0 công suất quang sau bị phản xạ bề mặt linh kiện

Độ nhạy điôt quang: 24 , h q P I S

ph = ηλ

ν η =

= [A/W] (8 29)

trong λ [ ]μm

Linh kiện cần có độ nhạy cao cho dịng điện quang cao công suất quang chiếu vào

Tần số cường độ dịng quang điện hồn tồn tần số cường độ ánh sáng kích thích định

Điôt quang loại tiếp xúc P-N có vùng điện tích khơng gian hẹp, ánh sáng hấp thụ

phần lớn vùng bán dẫn loại P N Như hiệu suất lượng tử thấp tốc độđáp ứng thấp Để tăng hiệu suất lượng tử hóa độ nhạy người ta chế tạo điơt quang có vùng điện tích khơng gian rộng Đó điơt quang loại PIN điơt quang thác APD

c Điôt quang loại PIN: