Bài giảng môn cấu kiện điện tử

- Môn học khám phá các đặc tính bên trong của linh kiện bán dẫn, từ đó SV có thể hiểu được mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các tham số của cấu kiện, ngoài ra hiểu được các đặc tính [r]

(1)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

BÀI GIẢNG MÔN

Giảng viên: ThS Trần Thúy Hà

Điện thoại/E-mail: 0912166577 / thuyhadt@gmail.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử- Khoa KTDT1

(2)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu mơn học

Mục đích mơn học:

- Trang bị cho sinh viên kiến thức nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số lĩnh vực sử dụng loại cấu kiện (linh kiện) điện tử để làm tảng cho môn học chuyên ngành

- Môn học khám phá đặc tính bên linh kiện bán dẫn, từ SV hiểu mối quan hệ cấu tạo hình học tham số cấu kiện, ngồi hiểu đặc tính điện, sơ đồ tương đương, phân loại ứng dụng chúng

Cấu kiện điện tử?

Là phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) … tạo nên mạch điện tử, hệ thống điện tử.

Gồm nội dung sau:

+ Giới thiệu chung cấu kiện điện tử + Vật liệu điện tử

+ Cấu kiện thụ động: R, L, C, Biến áp + Điốt

+ Transistor lưỡng cực – BJT

(3)

(4)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

Giới thiệu chung Cấu kiện điện tử

- Cấu kiện điện tử ứng dụng nhiều lĩnh vực Nổi bật là ứng dụng lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT.

- Cấu kiện điện tử phong phú, nhiều chủng loại đa dạng.

- Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo ra những vi mạch có mật độ lớn (Vi xử lý Intel COREi7 -khoảng 1,3 tỉ Transistor…)

(5)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Ứng dụng cấu kiện điện tử

- Các linh kiện bán dẫn như diodes, transistors và mạch tích hợp (ICs) có thể tìm thấy khắp nơi sống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hồ, máy tính,…). Chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng thiết bị có chất lượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn.

- PCs minh hoạ rõ xu hướng này.

(6)

Cấu trúc chương trình

Chương 1- Giới thiệu chung Chương – Vật liệu điện tử Chương - Cấu kiện thụ động Chương -Điốt

Chương -Transistor lưỡng cực

Chương - Transistor hiệu ứng trường Chương - Thyristor

(7)

Tài liệu học tập - Tài liệu chính:

+ Bài giảng: Cấu kiện Điện tử - Đỗ Mạnh Hà, Trần Thục Linh, Trần Thúy Hà.

+ Slide bài giảng Cấu kiện Điện tử - Trần Thúy Hà

- Tài liệu tham khảo:

1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006

2 MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T Home -University of California at Berkeley, Charles G Sodini – MIT , 1997

3 Giáo trình Cấu kiện điện tử quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện

CNBCVT, 2002

4 Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing

Company, 1988

5 Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow

Version, Robert T Paynter, Prentice Hall, 1997

(8)

CHƢƠNG

(9)

Chương – Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm bản

1.2 Phần tử mạch điện bản

1.3 Phương pháp phân tích mạch điện 1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử

(10)

1.1 Khái niệm bản

+ Điện tích dịng điện + DC AC

+ Tín hiệu điện áp dịng điện

+ Tín hiệu (Signal) Hệ thống (System)

(11)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Điện tích dịng điện

+ Mỗi điện tử mang điện tích: –1.602 x 10-19 C (Coulombs) + 1C = Điện tích 6.242 x 1018điện tử (electron)

+ Ký hiệu điện tích: Q Đơn vị: coulomb (C)

Dịng điện (Current)

– Là dòng dịch chuyển điện tích thơng qua vật dẫn phần tử mạch điện

– Ký hiệu: I, i(t)

– Đơn vị: Ampere (A) 1A=1C/s

– Mối quan hệ dòng điện điện tích

) ( )

( q t

dt d t

i 

 

 t i t dt q t t

(12)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ DC AC

DC (Direct current): Dịng chiều

– Dịng điện có chiều khơng đổi theo thời gian – Tránh hiểu nhầm: DC = khơng đổi,

– Ví dụ

I=3A, i(t)=10 + sin(100t) (A)

AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều

– Dịng điện có chiều thay đổi theo thời gian

– Tránh hiểu nhầm: AC = Biến thiên theo thời gian – Ví dụ:

 

 t t i t t i   200 cos 12 5 ) ( ; 2 cos 2 ) (    Nikola Tesla Thomas Edison

(13)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Signal (Tín hiệu)

• Tín hiệu: đại lượng vật lý mang thông tin vào hệ thống.

• Ví dụ

– Tiếng nói, âm nhạc, âm … – Dao động từ hệ thống học – Chuỗi video ảnh chụp

– Ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray

– Sóng điện từ phát từ hệ thống truyền thơng

– Điện áp dịng điện cấu kiện, mạch, hệ thống… – Biểu đồ điện tâm đồ (ECG), Điện não đồ

(14)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hệ thống (Systems) mơ hình

• Mơ hình (Model): Các hệ thống thực tế mơ tả mơ hình thể mối quan hệ tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống

• Một hệ thống chứa nhiều hệ thống

• Mơ hình hệ thống biểu diễn biểu thức toán học, bảng biểu, đồ thị, giải thuật …

(15)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tín hiệu Tƣơng tự (Analog) Số (Digital)

 Tương tự (Analog)

 Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian  Hầu hết tín hiệu tự nhiên tín hiệu tương tự  Digital

 Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian

 Tín hiệu lưu hệ thống máy tính tín hiệu số, theo dạng nhị phân

t x(t)

… …

n x[n]

Analog Signal Digital Signal

  ) ( , x t

(16)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tín hiệu điện áp Tín hiệu dịng điện

Dịng điện (Current)

– Là dịng dịch chuyển điện tích thông qua vật dẫn phần tử mạch điện

– Ký hiệu: I, i(t)

– Đơn vị: Ampere (A) 1A=1C/s

– Nguồn tạo tín hiệu dịng điện: Nguồn dòng Điện áp (Voltage)

– Hiệu điện điểm

– Năng lượng truyền đơn vị thời gian điện tích dịch chuyển điểm

– Ký hiệu: v(t), Vin; Uin; Vout; V1;U2… – Đơn vị: Volt (V)

(17)

1.2 Các phần tử mạch điện bản

+ Nguồn độc lập

+ Nguồn có điều khiển + Phần tử thụ động

(18)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn độc lập

Nguồn Pin

+

V

Nguồn áp độc lập lý tưởng

I, i(t)

+

_ V; v(t)

Nguồn dòng độc lập lý tưởng

Nguồn áp độc lập không lý tưởng

+

_ V; v(t) RS

Nguồn dịng độc lập khơng lý tưởng

I, i(t) RS

Nguồn dòng Nguồn áp

+ _

(19)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn có điều khiển

Nguồn áp

Nguồn dịng

Nguồn áp có điều khiển lý tưởng Nguồn áp có điều khiển khơng lý tưởng

+

_ U(I) +_ U(U) +_ U(I) RS

+

_ U(U) RS

Nguồn dịng có điều khiển lý tưởng Nguồn dịng có điều khiển không lý tưởng

(20)

1.3 Phƣơng pháp phân tích mạch điện

+ m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luật kết hợp (Composition Rules)

+ m3:Xếp chồng (Superposition)

(21)

m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL

Mục tiêu: Tìm tất thành phần dòng điện điện áp mạch

Các bƣớc thự hiện:

1 Viết quan hệ V-I tất phần tử mạch điện Viết KCL cho tất nút

3 Viết KVL cho tất vòng

Rút hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ

(22)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ KCL - Kirchhoff‟s Current Law

Kirchhoff’s current law (KCL)

–Tổng giá trị cường độ dòng điện vào nút không

– Tổng giá trị cường độ dòng điện vào nút Tổng giá trị cương độ dòng điện khỏi nút.

   N n n ni t

a ) ( Nút i i i 0

1  i i 

i

3

1 i i

i  

1 i i i Gustav Kirchhoff an= Nếu in(t) vào nút

(23)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ KVL - Kirchhoff‟s Voltage Law

Kirchhoff’s voltage law (KVL)

Tổng điện áp vịng kín khơng

Ví dụ:    N n n

nv t

b

1

0 )

(

loop 1 loop 2 1 5 3 9 + _ + + + _ _ 3 12 4 + + + _ _ _ _ loop 3 :

Loop V  V  V  V 

0 12 :

Loop  V  V  V  V 

0 12 :

Loop V  V  V  V  V  V  bn= Nếu vn(t) chiều với vịng

(24)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ

m2: Luật kết hợp (Composition Rules)

(25)

+ m3: Xếp chồng (Superposition)

- Trong mạch tuyến tính (gồm phần tử tuyến tính nguồn độc lập nguồn có điều khiển) phân tích mạch theo ngun lý xếp chồng sau:

+ Cho nguồn tác động làm việc riêng rẽ, nguồn khác

không làm việc phải theo nguyên tắc sau đây: Nguồn áp ngắn mạch, Nguồn dòng hở mạch

(26)

(27)

+ m4: Xếp chồng (Superposition)

(28)

+ m4: Biến đổi tƣơng đƣơng Thevenin, Norton

VTH: Điện áp hở mạch

(29)

+ m4: Biến đổi tƣơng đƣơng Thevenin, Norton

Ví dụ: Biến đổi tƣơng đƣơng

Nguồn dòng ↔ Nguồn áp

+

_ V

RS

I RS

S

R V I 

+

_ U(V) RS

I(V) RS

R V U V

(30)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.4 Phƣơng pháp phân tích mạch điện phi tuyến

Mạch điện có phần tử phi tuyến (D)

- Phƣơng pháp phân tích mạch phi

tuyến

+ Phương pháp phân tích: dựa vào m1, m2, m3

+ Phương pháp đồ thị

+ Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệu nhỏ - small signal method)

(31)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phƣơng pháp phân tích

- Áp dụng phương pháp m1, m2, m3 cho phần tử tuyến tính phi tuyến, hệ phương trình, ẩn iD vD

- Giải hệ phương trình:

+ Dùng phương pháp thử sai + Dùng phương pháp số

=> Việc giải hệ phương trình phức tạp

(32)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phƣơng pháp đồ thị

- Giải hệ phương trình (1) (2) phương pháp đồ thị

(33)

Phân tích gia số (Phƣơng pháp tín hiệu nhỏ - small signal method

Thực theo bước sau:

1 Xác định chế độ làm việc chiều mạch (ID, VD)

2 Xác định mơ hình tín hiệu nhỏ phần tử phi tuyến điểm làm việc chiều tính

3 Vẽ mơ hình tương đương tín hiệu nhỏ tồn mạch tính tốn tham số tín hiệu nhỏ (id, vd)

(34)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Mơ hình hình tƣơng đƣơng phần tử phi tuyến

- Chế độ chiều:

- Mơ hình tín hiệu nhỏ phần tử phi tuyến:

- Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ:

R

(35)

1.5 Phân loại cấu kiện điện tử

• Phân loại dựa đặc tính vật lý

• Phân loại dựa chức xử lý tín hiệu

(36)

Phân loại dựa đặc tính vật lý

- Linh kiện hoạt động nguyên lý điện từ hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS… IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI

- Linh kiện hoạt động nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá lượng quang điện pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử

- Linh kiện hoạt động dựa nguyên lý cảm biến như: Họ sensor

nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang xạ, sinh học chủng loại IC thông minh sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống công nghệ chế tạo sensor

(37)

(38)

Phân loại theo chức năng Linh kiện thụ động: R,L,C…

Linh kiện tích cực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET, IC, Thysistor, Linh kiện thu quang, phát quang …

(+ Linh kiện tích cực (Active Devices): là linh kiên có khả năng điều khiển điện áp, dịng điện tạo chức hoạt động chuyển mạch mạch "Devices with smarts!" ;

(39)

CHƢƠNG

(40)

Giới thiệu vật liệu điện tử

• Cơ sở vật lý vật liệu điện tử • Chất cách điện

• Chất dẫn điện • Vật liệu từ

(41)

2.1 Cơ sở vật lý vật liệu điện tử - Lý thuyết vật lý chất rắn

- Lý thuyết vật lý học lƣợng tử

(42)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a Lý thuyết vật lý chất rắn

- Vật liệu để chế tạo phần lớn linh kiện điện từ loại vật liệu tinh thể rắn - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử xếp theo

trật tự định, cần biết vị trí vài đặc tính số nguyên tử dự đốn vị trí chất hóa học tất nguyên tử mẫu

- Tuy nhiên số vật liệu nhấn thấy xếp xác nguyên tử tồn xác cỡ vài nghìn ngun tử Những miền có trật tự ngăn cách bờ biên dọc theo bờ biên khơng có trật tự - cấu trúc đa tinh thể

(43)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b Lý thuyết vật lý học lƣợng tử

- Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử nằm mức năng lượng gián đoạn định gọi mức năng lượng nguyên tử.

- Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm mức năng lượng khác nhau.

- Một mức lượng đặc trưng bộ 4 số lƣợng tử: + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4….

+ l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h…} + ml– số lượng tử từ: 0,1, 2, 3… l

+ ms– số lượng tử spin: 1/2

(44)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c Sự hình thành vùng lƣợng (1)

- Để tạo thành vật liệu giả sử có N ngun tử giống xa vơ tận tiến lại gần liên kết với nhau:

+ Nếu NT xa đến mức coi chúng hồn tồn độc lập với vị trí mức lượng chúng hoàn toàn trùng (tức mức trùng chập)

+ Khi NT tiến lại gần đến khoảng cách cỡ Ao, chúng bắt đầu tương tác với khơng thể coi chúng độc lập Kết mức lượng nguyên tử khơng cịn trùng chập mà tách thành mức lượng rời rạc khác Ví dụ mức 1s tạo thành 2.N mức lượng khác

- Nếu số lượng NT lớn gần mức lượng rời rạc gần tạo thành vùng lượng liên tục

(45)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c Sự hình thành vùng lƣợng (2)

C 6 1s22s22p2

Si 14 1s22s22p63s23p2

Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2

Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2

(46)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Minh họa hình thành vùng lƣợng (1)

1s 2s 2p

Mức

a Một NT độc lập Số trạng thái 2 6 1s 2s 2p 2 4 12

b NT không tương tác 4 Số trạng thái 4 12

c NT tương tác 4 Số trạng thái 2N 6N

d N Nguyên tử tương tác

2N Số trạng

(47)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Minh họa hình thành vùng lƣợng (1)

- Các vùng lượng cho phép xen kẽ nhau, chúng vùng cấm

- Các điện tử chất rắn điền đầy vào mức lượng vùng cho phép từ thấp đến cao

- Có thể có : vùng điền đầy hồn tồn (thường có lượng thấp), vùng trống hồn tồn (thường có lượng cao), vùng điền đầy phần

- Xét lớp cùng:

+ Vùng lượng điền đầy điện tử gọi là“Vùng hóa trị”

+ Vùng lượng trống chưa điền đầy vùng hóa trị gọi “Vùng dẫn”

+ Vùng khơng cho phép Vùng hóa trị Vùng dẫn “Vùng cấm”

(48)

Minh họa tạo thành vùng lƣợng nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV đƣợc đƣa vào để tạo tinh thể

Cấm

4N trạng thái khơng có điện tử vùng

dẫn

vùng

hố trị 4N trạng thái có 4N điện tử

S

P 6N trạng thái có 2N điện tử 2N trạng thái có

2N điện tử

Các mức lƣợng lớp không bị ảnh hƣởng cấu trúc mạng tinh thể

Năng lƣợng của

trạng thái

E

(49)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu trúc dải lƣợng vật chất

EG > eV E

EC

EV

EG < eV E

EC

EV

EG = E EC EV Dải hoá trị Dải dẫn Điện tử Lỗ trống Dải dẫn Dải hoá trị a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; c- Chất dẫn điện

+ Độ dẫn điện của vật chất tăng theo nhiệt độ

+ Chất bán dẫn: Sự điện tử dải hóa trị hình thành lỗ trống (Mức lượng bỏ trống dải hóa trị điền đầy, lỗ trống dẫn điện điện tử tự do)

(50)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2.2 Các loại vật liệu điện tử

Các vật liệu sử dụng kỹ thuật điện, điện tử thƣờng đƣợc phân chia thành loại:

- Chất cách điện (chất điện môi). - Chất dẫn điện.

(51)

1 CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) a Định nghĩa

- Là chất dẫn điện kém, vật chất có điện trở suất cao vào khoảng 107  1017m nhiệt độ bình thường Chất cách điện gồm phần lớn vật liệu hữu số vật liệu vơ

- Đặc tính vật liệu ảnh hưởng lớn đến chất lượng linh kiện Các đặc tính gồm: trị số giới hạn độ bền điện, nhiệt, học, độ cách điện, tổn hao điện mơi… Các tính chất chất điện môi lại phụ thuộc vào nhiệt độ độ ẩm mơi trường

b Các tính chất chất điện môi.

b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hay cịn gọi số điện mơi) b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa)

b.3 Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng

(52)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b.1 Hằng số điện môi tƣơng đối

- Hằng số điện môi tương đối của chất cách điện xác định tỷ số điện dung tụ điện có chất điện mơi điện dung tụ điện có kích thước điện mơi chân khơng

Trong đó:

+ Cd là điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi;

+ C0 là điện dung tụ điện sử dụng chất điện môi chân khơng hoặc khơng khí.

- Do đó  biểu thị khả phân cực chất điện môi Chất điện mơi dùng làm tụ điện cần có số điện mơi  lớn, cịn chất điện mơi dùng làm chất cách điện có  nhỏ.

d

C C

(53)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa)

Độ tổn hao điện môi là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện mơi đặt điện trường, xác định thơng qua dịng điện rị.

Trong đó:

U điện áp đặt lên tụ điện (V)

C điện dung tụ điện dùng chất điện môi (F)

 là tần số góc đo rad/s tg là góc tổn hao điện mơi

- Nếu tổn hao điện môi tụ điện điện trở bản cực, dẫn tiếp giáp (ví dụ lớp bạc mỏng tụ mi ca tụ gốm) thì tổn hao điện mơi tăng tỉ lệ với bình phương tần số:

Pa = U22C2R

2 a

(54)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c.Độ bền điện chất điện môi (Eđ.t.)

- Nếu ta đặt chất điện môi vào điện trường, ta tăng cường độ điện trường lên giá trị giới hạn chất điện mơi khả cách điện - ta gọi tượng đánh thủng chất điện môi.

- Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ

bền điện chất điện mơi đó (Eđ.t.).

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

- Hiện tượng đánh thủng chất điện mơi nhiệt, điện và

do trình điện hóa.

dt dt

U

E [KV / mm; KV / cm]

d

(55)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ e.Dịng điện chất điện môi (I):

Khi đặt điện môi điện trường, điện môi diễn tượng là: Hiện tượng phân cực điện môi (trên bề mặt điện môi xuất điện

tích trái dấu với điện tích bề mặt cực) Hiện tượng dẫn điện

điện môi (trong điện môi xuất chuyển dời điện tích tự tạo thành dịng điện có trị số nhỏ cực Có thành phần dòng điện sau:

- Dòng điện chuyển dịch IC.M. (hay gọi dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực điện tích liên kết chất điện môi xảy đạt trạng thái cân tạo nên dòng điện phân cực hay gọi dòng điện chuyển dịch chất điện mơi IC.M

- Dịng điện rị Irị : tạo điện tích tự điện tử phát xạ chuyển động tác động điện trường, tạo dòng điện chạy từ cực sang bảng cực Nếu dịng rị lớn làm tính chất cách điện chất điện mơi

+ Dịng điện tổng qua chất điện mơi là: I = IC.M. + Irị

(56)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại ứng dụng chất điện môi.

Phân loại: Chất điện môi thụ động tích cực

- Chất điện mơi thụ động cịn gọi vật liệu cách điện vật liệu tụ điện Đây vật chất dùng làm chất cách điện làm chất điện môi tụ điện mi ca, gốm, thuỷ tinh, pơlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính, Đối với vật liệu dùng để cách điện cần có độ thẩm thấu điện  nhỏ, cịn vật liệu dùng làm chất điện mơi cho tụ điện cần có  lớn.

- Chất điện mơi tích cực là vật liệu có  thể điều khiển bằng: + Điện trường có gốm, thuỷ tinh,

+ Cơ học có chất áp điện thạch anh + Ánh sáng có chất huỳnh quang…

(57)

2 CHẤT DẪN ĐIỆN

a Định nghĩa

- Chất dẫn điện vật liệu có độ dẫn điện cao Trị số điện trở suất của nó nhỏ so với loại vật liệu khác Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng 10-8  10-5 m.

- Trong tự nhiên chất dẫn điện chất rắn – Kim loại, chất lỏng – Kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân chất khí điện trường cao.

b Các tính chất chất dẫn điện

b.1 Điện trở suất:

b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất (): b.3 Hệ số dẫn nhiệt : 

(58)

2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điện trở suất:

- Điện trở vật liệu đơn vi thiết diện chiều dài:

- Điện trở suất chất dẫn điện nằm khoảng từ:  = 0,016 .m (của bạc Ag) đến = 10 .m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm)

b.2 Hệ số nhiệt điện trở suất ():

- 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:

b.3 Hệ số dẫn nhiệt :  [w/ (m.K)].

- Hệ số dẫn nhiệt lượng nhiệt truyền qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian gradien nhiệt độ đơn vị

S

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

    

t 0(1 t)

    

T

Q St

l   

(59)

2 CHẤT DẪN ĐIỆN

b.4 Cơng điện tử kim loại:

- Cơng kim loại biểu thị lượng tối thiểu cần cung cấp cho điện tử chuyển động nhanh 00C để điện tử thoát

ra khỏi bề mặt kim loại EW = EB- EF

Trong đó EB: lượng cần để điện tử thoát khỏi bề mặt kim loại EF: động điện tử

b.5 Điện tiếp xúc

- Sự chênh lệch EAB điểm A B tính theo cơng thức:

VAB= EAB = EW2 - EW1

A B

1

(60)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại ứng dụng chất dẫn điện

Phân loại: loại

- Chất dẫn điện có điện trở suất thấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb… và một số hợp kim – Thường dùng làm vật liệu dẫn điện.

(61)

3 VẬT LIỆU TỪ (Magnetic material)

a Định nghĩa.

- Vật liệu từ vật liệu đặt vào từ trường bị nhiễm từ (bị từ hóa) Ví dụ: Thỏi sắt đặt cạnh nam châm, thỏi sắt bị nam châm hút, nghĩa bị từ hóa trở thành nam châm…

b. Các tính chất đặc trƣng cho vật liệu từ b.1 Từ trở từ thẩm

(62)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn gốc từ trƣờng

- Nguồn gốc từ trƣờng: dòng điện nguồn gốc từ trường hay nói cách chất, chuyển động điện tích nguồn gốc từ trường Mỗi điện tích chuyển động sinh từ trường, hay lưỡng cực từ (tạo thành mơmen từ, xem hình vẽ) Mơmen từ ngun tử sinh nguyên nhân:

+ Chuyển động quỹ đạo điện tử (mômen quỹ đạo L)

+ Chuyển động tự quay điện tử (mômen spin S) Spin đặc trưng hạt

(63)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tính chất từ hóa

- Vật liệu từ đặt từ trường bị từ hóa Khi chúng trở nên có từ tính sinh từ trường phụ (từ trường riêng B’), đó từ trường tổng hợp B chất bị từ hóa sau:

Trong đó: B0: Vectơ cảm ứng từ từ trường ban đầu (từ trường đặt vào).

- Tùy theo tính chất mức độ từ hóa, phân biệt ba loại tính chất của vật liệu sau:

- Nghịch từ: B’ ngược chiều với B0 - Thuận từ: B’ cùng chiều với B0

- Sắt từ: B’ cùng chiều với B0 và lớn B0 ban đầu nhiều lần

'

0 B

B

(64)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Các tính chất đặc trƣng cho vật liệu từ

- Trong H: cường độ từ trường ngoài.

H B0  0

H B

B   0  .0.

Độ từ thẩm tƣơng đối µ:

- Trong µ: Độ từ thẩm tương đối vật liệu

Từ trở:

- Từ điện trở, hay cịn gọi tắt từ trở, tính chất số vật liệu, thay đổi điện trở suất tác dụng từ trường ngoài

- Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho công thức:

(65)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Đƣờng cong từ hóa

(66)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại ứng dụng vật liệu từ

- Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ  lớn) để làm lõi biến áp, nam châm điện, lõi cuộn cảm… loại sắt từ mềm thường gặp: Sắt thỏi chứa lượng nhỏ tạp chất C, Mn, Si,…

- Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ lực kháng từ cao (Hc lớn  nhỏ)

+ Phân chia theo ứng dụng chia vật liệu từ cứng thành loại: Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu

Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v

+ Phân chia 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

(67)

1 Định nghĩa chất bán dẫn

2 Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn 3 Chất bán dẫn thuần

4 Chất bán dẫn khơng thuần 5 Dịng điện chất bán dẫn 6 Độ dẫn điện chất bán dẫn

(68)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.1 Định nghĩa

- Chất bán dẫn vật chất có điện trở suất nằm trị số điện trở suất chất dẫn điện chất điện mơi nhiệt độ phịng,  = 10-4  107 .m

- Chất bán dẫn chất mà cấu trúc dải lượng có độ rộng vùng cấm 0<EG<2eV.

(69)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.2 Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn đơn Si

Mỗi nguyên tử Si liên kết với nguyên tử bên cạnh



A 43 . 5



(70)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.2 Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn ghép

Ga

As

•Chất bán dẫn ghép: Hợp chất nguyên tử thuộc phân nhóm

(71)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3 Chất bán dẫn (Intrinsic semiconductor)

- Chất bán dẫn mà nút mạng tinh thể có nguyên tử loại nguyên tố, ví dụ tinh thể Ge (gecmani) Si (silic) nguyên chất

- Ví dụ xét tinh thể Si, EG= 1,21eV (tại nhiệt độ 300K)

+4 +4 +4

Si

EC

EG < eV E

EV

Dải hoá trị

Dải dẫn Điện tử

(72)

Sự tạo thành lỗ trống điện tử tự do

- Ở nhiệt độ phòng số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ tạo ra

điện tử tự do và lỗ trống.

- Lỗ trống có khả dẫn điện điện tử tự do, mang điện tích có độ lớn với điện tích điện tử.

- Bán dẫn có nồng độ hạt dẫn lỗ trống nồng độ hạt dẫn điện tử nhau: p = n = pi= ni

+4 +4 +4

Si

Lỗ trống

Điện tử tự do

(73)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Độ dẫn điện chất bán dẫn 

n - độ linh động điện tử tự do

p - độ linh động lỗ trống

q – điện tích điện tử q=1,6.10-19C

+ Mật độ dòng điện chất bán dẫn đặt điện trường ngoài E:

n p

(n. p. ).q

    



  1

n p q E

E

J .  .n  .p . .

(74)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Q trình tạo hạt tải điện trình tái hợp

- Tốc độ tạo hạt tải điện phụ thuộc vào T nhƣng lại độc lập với n và

p - nồng độ điện tử tự lỗ trống :

- Trong tốc độ tái hợp lại tỷ lệ thuận với n p

- Trạng thái ổn định xảy tốc độ tạo tái hợp cân bằng

- - Nếu trƣờng hợp khơng có nguồn quang nguồn điện

trƣờng ngoài, trạng thài ổn định đƣợc gọi trạng thái cân bằng

nhiệt “thermal equilibrium” hay định luật Mass-action:

optical

thermal T G

G

G  ( ) 

np R 

) (

np f T

R

G   

) (

2

T n

np  i

(75)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hàm phân bố Fermi-Dirac

- Là sở để xét phân bố hạt tải điện chất bán dẫn.

- Xét hệ gồm N điện tử tự do nằm trạng thái cân nhiệt tại nhiệt độ T Phân bố điện tử tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli Tìm phân bố điện tử theo mức lượng?

- Nguyên lý loại trừ Pauli hệ nguyên lý hơn, đó nguyên lý không phân biệt hạt giống áp dụng vào trường hợp hệ gồm hạt farmion (các hạt có spin bội 1/2).

- Áp dụng nguyên lý lượng tối thiểu: “xác suất để hệ gồm N hạt giống hệt nằm trạng thái lượng E tỷ lệ nghịch với E theo hàm mũ exp, cụ thể là:

PN(E) ~ exp(-E/kT).

(76)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hàm phân bố Fermi-Dirac

- Bằng cách áp dụng nguyên lý kèm theo với ngun lý loại trừ Pauli người ta tính tốn lời giải hàm phân bố Fermi-Dirac: Xác suất mức lượng E [eV] bị điện tử lấp đầy nhiệt độ T tuân theo hàm phân bố Fermi- Dirac sau:

1 exp ) (          KT E E E f F

-Trong đó

K: Hằng số Boltzmann (eV/ 0K) K= 8,6210-5eV/0K

T - Nhiệt độ đo bằng 0K

EF- Mức Fermi (eV)

- EF: mức lƣợng Fermi mức lƣợng lớn bị e- lấp

đầy nhiệt độ T=00 K

f(E) 1 1 0,5

0

-1 0 0,2 1 (E-EF)

T=00K

T=3000K

T=25000

K

(77)

- Phân tích hàm Fermi-Dirac:

T = 00K

E > EF=> f(E) = E < EF => f(E) =

T > 00K (T=3000K; KT=26.10-3eV)

E - EF>>KT  E - EF<<- KT 

KT E EF e E f ) ( ) (   KT E E F e E f ) ( 1 ) (  

 0 0.5 f(E) E

EC

EF EV

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

T = 00K EG

T = 10000K

T = 3000K

T E

f F  

2 ) (

E [eV]- Mức lƣợng Fermi

EC [eV]- Đáy vùng dẫn EV [eV]- Đỉnh vùng hóa trị exp ) (          KT E E E f F F

(78)

Nhận xét hàm phân bố Fermi-Dirac:

- Tại 00K, f(E) = E < E

F Như tất mức lượng thấp

EF bị điện tử chiếm đóng tất mức lượng cao EF trống rỗng

- Xác suất vùng chiếm đóng T > 00K 1/2 E = E F ,

không phụ thuộc vào nhiệt độ

- Hàm f(E) đối xứng qua điểm F, đó, xác suất điện tử chiếm đóng mức lượng EF + E xác suất mức lượng mà điện tử khơng chiếm đóng mức EF - E

- Xác suất mức lượng không bị điện tử chiếm đóng là:

1 exp 1 ) (            KT E E E f F

- Trong chất bán dẫn, xác suất mức lƣợng E [eV] bị điện tử điền đầy tuân theo hàm phân bố Fermi-Dirac.

(79)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nồng độ hạt tải điện chất bán dẫn

- Tính nồng độ điện tử tự vùng dẫn n:

+ Nồng độ hạt dẫn điện tử tự nằm mức lượng từ E đến E+dE dải dẫn dn [số điện tử/m3]: dn=2.N(E).f(E).dE

+ N(E) - mật độ trạng thái dải dẫn (số lượng trạng thái/ eV/ m3).

  1/2

) .(E EC E

N    (2 )3/2.( )3/2

4 n n q m h              C F C E KT E E C E dE e E E dE E f E N n ) ( / ) ( ) (  KT E E C C F e N n ) ( .   / 2        h kT m NC  n

Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng dẫn

mn – Khối lƣợng hiệu dụng điện tử tự do

k[J/0K] – Hằng số Boltzmann, h – số Plank , T [0K]

(80)

- Tính nồng độ lỗ trống vùng hóa trị p:

+ Nồng độ hạt dẫn lỗ trống nằm mức lượng từ E đến E+dE dải hóa trị dp [số lỗ trống/m3]:

dp=2.N(E).(1-f(E)).dE

+ N(E) - mật độ trạng thái dải hóa trị (số lượng trạng thái/ eV/ m3).

  1/2

) .(E E E

N   V  (2 )3/2.( )3/2

4 p p q m h           

 V V F

E KT E E V E dE e E E dE E f E N p ) ( / )) ( ).( (  KT E E V F V e N p ) ( .   / 2        h kT m NV  p

Mật độ trạng thái hiệu dụng vùng hóa trị

mp – Khối lƣợng hiệu dụng lỗ trống

0 0

(81)

Xét tích:

Với bán dẫn

mp, mn khối lượng hiệu dụng hạt tải điện lỗ trống điện tử tự do, chúng phụ thuộc vào cấu trúc dải lượng

-Nếu mp mn mức Fermi EFi nằm vùng cấm

-Nếu mpmn mức Fermi nằm vùng cấm T=00K

Nồng độ hạt tải điện chất bán dẫn nhiệt độ phòng nhỏ, nên chất bán dẫn có khả dẫn điện

KT E i i G e T A p n p

n.    . 3.  /    

  

 

 3/2

2

4 mn mp

h k A  n p V C F i i m m kT E E E p n i ln      KT E V C KT E E V C G V C e N N e N N p

n. . .  /

    V C F E E E i   / kT E v c i G e N N

n  

(82)

- Chất bán dẫn mà số nguyên tử nút mạng tinh thể thay nguyên tử chất khác gọi chất bán dẫn tạp

- Có hai loại chất bán dẫn tạp:

+ Chất bán dẫn tạp loại N – gọi tắt Bán dẫn loại N (Donors) + Chất bán dẫn tạp loại P – gọi tắt Bán dẫn loại P (Acceptors)

Donors: P, As, Sb Acceptors: B, Al, Ga, In

(83)

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

- Thêm tạp chất ngun tố thuộc nhóm 5, thí dụ As, P, Sb… vào chất bán dẫn Ge Si Trong nút mạng nguyên tử tạp chất đưa 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 liên kết mạng tinh thể yếu, nhiệt độ phòng dễ dàng tách trở thành hạt tải điện - điện tử tự tinh thể nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành ion dương cố định

E

EC ED

EV

Vùng dẫn

Vùng hoá trị Mức cho

0,01eV

EG

+4 +4 +4

+4 +5 +4

+4 +4 Si Si Si Si Sb Si Si Si Si e5 +4

(84)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Nồng độ điện tự tự chất bán dẫn loại N tăng nhanh, nên

tốc độ tái hợp tăng nhanh, nồng độ lỗ trống giảm xuống

nhỏ nồng độ có bán dẫn thuần.

- Trong chất bán dẫn loại N, nồng độ hạt dẫn điện tử (nn) nhiều hơn nhiều nồng độ lỗ trống pn và điện tử gọi là hạt dẫn đa

số, lỗ trống gọi là hạt dẫn thiểu số. nn >> pn

nn=Nd+pn Nd

(85)

b Chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn tạp loại nhận)

- Thêm tạp chất nguyên tố thuộc nhóm 3, thí dụ In, Bo, Ga… vào chất bán dẫn Ge Si Trong nút mạng nguyên tử tạp chất có điện tử hóa trị đưa tạo liên kết cộng hóa trị với nguyên tử Ge (hoặc Si) bên cạnh, mối liên kết thứ để trống tạo thành lỗ trống Điện tử mối liên kết gần nhảy sang để hồn chỉnh mối liên kết thứ cịn để trống Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử trở thành ion âm ngược lại nguyên tử Ge/Si vừa có điện tử chuyển tạo lỗ trống nguyên tử trở thành ion dương cố định

E

EC

EA EV

Vùng dẫn

Vùng hoá trị

Mức nhận 0,01eV

EG + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + + + Si Si Si Si In Si Si Si Si

(86)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ - Nồng độ lỗ trống chất bán dẫn loại P tăng nhanh, nên tốc độ

tái hợp tăng nhanh, đo nồng độ lỗ điện tử tự do giảm xuống nhỏ nồng độ có bán dẫn thuần.

- Trong chất bán dẫn loại P, nồng độ hạt dẫn lỗ trống (pp) nhiều hơn nhiều nồng độ điện tử tự np và lỗ trống được gọi hạt dẫn đa số, điện tử tự do được gọi hạt dẫn thiểu số.

pp >> np pp=Na+np Na

(87)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nồng độ hạt tải điện bán dẫn tạp

Tổng quát chất bán dẫn ta có: (Định luật “mass-action”)

- Trong chất bán dẫn loại N:

- Trong chất bán dẫn loại P:

] [ . 9 , 3 . .

.p  n2  p2  AT3 e /  T3/2e /2 cm3

n i i EG KT EG KT

a i p i p N n p n n 2   d i n i n N n n n p 2  

(88)

- Trong thực tế Silicon thường pha tạp chất Donor Acceptor Giả sử nồng độ pha tạp tương ứng Nd, Na

- Để tạo thành bán dẫn N Nd>Na, Điện tử cho nguyên tử Donor ion hóa tất nguyên tử Acceptor để hồn thành liên kết cịn thiếu điện tử, nồng độ nguyên tử Donor tạo điện tử tự là: Nd-Na, trình gọi trình bù “Compensation” Điện tích chất bán dẫn N trung hòa nên: Nd- Na + p - n =

- Nếu Nd>>Na nên Nd-Na>>ni thì tính gần nồng độ loại hạt tải điện như sau:

n n N

N n

p d a i

2

)

(  



   .   0

i a

d N n n

N n

   

 2

2

4

2

2 d a

i a d a d N N n N N N N n       i a d N N n p N N n    

(89)

- Tương tự để tạo thành bán dẫn P Na>Nd, bán dẫn cũng xảy q trình bù, tính tốn tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp tính sau:

- Nếu Na>>Nd nên Na-Nd>>ni thì tính gần nồng độ các loại hạt tải điện như sau:

   

 2

2

4

2

2 a d

i d a d a N N n N N N N p       d a i d a N N n n N N p    

(90)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Mức Fermi chất bán dẫn tạp

- Mức Fermi chất bán dẫn N (Ndcàng tăng mức Fermi tiến gần tới đáy dải dẫn):

d C C

F

N N KT

E

E   ln

d KT

E E C

n N e N

n  F C 

 ) (

.

EF

i

(91)

- Mức Fermi chất bán dẫn P (Nacàng tăng mức Fermi tiến gần xuống đỉnh dải hóa trị):

a V V

F

N N KT

E

E   ln

a KT

E E

V e N

N

p  V F 

 ) (

.

i

EF

(92)

- Mức Fecmi bán dẫn tạp hàm nhiệt độ cho giá trị nồng độ tạp chất khác (Ví dụ với Si)

(93)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Quan hệ nồng độ hạt dẫn bán dẫn tạp

-Giả sử mức mức Fermi bán dẫn EF = EFi -Nồng độ hạt dẫn bán dẫn ni=pi :

kT E E C C F e N n ) ( .   / ) ( / ) ( kT E E i c kT E E c i i F c Fi c e n N e N n n        / ) ( / ) ( kT E E i v kT E E v i v Fi v Fi e n N e N n p        / ) (E E kT i

Fi F

e n

n  

/ ) (E E kT i

F Fi

e n

p  

- Nồng hạt dẫn chất bán dẫn tạp là:

kT E E V F V e N p ) ( .  

(94)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Dịng điện chất bán dẫn

- Dòng điện khuếch tán: Dòng điện tạo chuyển động ngẫu nhiên nhiệt hạt tải điện (thông thường giá trị trung bình =0, nên bỏ qua) khuếch tán hạt tải điện từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp hơn:

- ( DP [m2/sec] - hệ số khuếch tán lỗ trống;

Dn - hệ số khuếch tán điện tử;

dP/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống điện tử tự do)

- Dịng diện trơi (Dịng điện cuốn): Dòng chuyển dịch hạt tải điện tác động

của điện trường E:

  

dx dn D

q Jdiff(n)  n

dx dp D

(95)

- Dòng tổng cộng chất bán dẫn:

J = Jdriff + Jdiff = Jn + Jp

- “Einstein Relation”: Độ linh động  hệ số khuếch tán D xác theo mơ hình vật lý dựa sở số lượng lớn hạt tải chịu chuyển động nhiệt ngẫu nhiên với va chạm thường xuyên, số tỉ lệ với theo “Einstein Relation” sau:

- Áp dụng công thức cho điện tử tự lỗ trống chất bán dẫn

  dx dn qD E qn J J

Jn  driff(n)  diff n  n  n  

dx dp qD E qp J J

Jp  driff(p)  diff p  p  p

q kT D





Hằng số Boltzmann k =1,38.10-23 [J/0K]

q [C] – điện tích hạt tải, T [0K ]

q kT Dn  n

q kT Dp  p

q kT Vth 

(96)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Độ dẫn điện chất bán dẫn

- Độ dẫn điện chất bán dẫn có hạt tải điện tham gia

 = q(nn + pp)

- Với bán dẫn loại n, n>>p, độ dẫn điện là:

n = qNDn [(.m)-1]

- Với bán dẫn loại p, p>>n, độ dẫn điện là:

p = qNAp [(.m)-1]

+ Chất tạp nhiều điện trở suất giảm, nhiên độ linh động nvà p lại giảm nồng độ chất pha tạp tăng, chế dẫn điện vùng pha tạp mạnh tương đối phức tạp

- Nồng độ giới hạn nguyên tử tạp chất muốn đưa vào tinh thể bán dẫn định giới hạn hòa tan tạp chất Nếu vượt giới hạn tượng kết tủa xảy ra, tạp chất khơng cịn có tính chất mong muốn

(97)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tổng kết

- Chất bán dẫn thuần, không

- Hàm phân bố Fermi-Dirac, Mức Fermi… - Nồng độ hạt tải chất bán dẫn:

- Nồng độ điện tử tự lỗ trống chất bán dẫn thay đổi do: Pha tạp, Điện từ trường, Nhiệt độ, Chiếu sáng

- Mức Fermi chất bán dẫn thay đổi theo nồng độ pha tạp

- Chất bán dẫn có độ dẫn điện nhỏ, chất bán dẫn không độ dẫn điện lớn

2

.p ni pi

n   (E E )/kT n  nie(EFEFi)/kT i

F Fi

e n

p  

  dx dn qD E qn J J

Jn  driff(n)  diff n  n  n  

dx dp qD E qp J J

Jp  driff(p)  diff p  p  p kT

Dn  n D   kT Vth  kT

) .

.

(n n q q

q  

  

J J

J  

(98)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số số

- Electronic charge, q = 1,610-19C

- Permittivity of free space, o = 8,85410-14 F/cm

-Boltzmann constant, K = 8,6210-5 eV/K,

k=1,38  10-23 J/K

- Planck constant, h = 4.1410-15 eVs

- Free electron mass, m0= me = 9.110-31 kg

- Thermal voltage Vth= kT/q = 26 mV (at T= 3000K)

Si Ge GaAs

mn/m 0.26 0.12 0.068

mp/m 0 0.39 0.30 0.50

Si Ge GaAs InAs

 n (cm2/V∙s) 1400 3900 8500 30000

 2/V∙s) at T= 300 K

(99)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Trƣờng tĩnh điện chất bán dẫn ĐK cân nhiệt

- Xác định mối quan hệ điện trường, điện tĩnh điện, và mật độ điện tích cấu trúc bán dẫn.

- Quan hệ điện nồng độ hạt tải điện điều kiện cân bằng nhiệt

(100)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Chất bán dẫn nồng độ pha tạp không đồng đều

- Xét chất bán dẫn n có nồng độ pha tạp đồng đều

+ Hạt tải điện đa số điện tử, có lỗ trống, nồng độ điện tử đồng không phụ thuộc vào vị trí X: n0=Nd

+ Mật độ điện tích chất bán dẫn n:  [C/cm3] = (+)- (-)= q.Nd – q.n0

 = q (Nd-n0)=0

+ Như khơng hình thành vùng tích điện khơng gian bán dẫn có nồng độ pha tạp đồng

(101)

- Xét chất bán dẫn n-Si có nồng độ pha tạp khơng đồng đều

+ Nồng độ điện tử bán dẫn xác định điều kiện cân bằng nhiệt?

- Ban đầu hình thành có chênh lệch nồng độ hạt tải điện nên có dịng khuếch tán, sau chất bán dẫn đạt điều kiện cân nhiệt phân bố nồng độ điện tử trường hợp n0(x)Nd(x), chất bán dẫn tạo vùng tích điện, tạo trường tĩnh điện bên chất bán dẫn

- Ở điều kiện cân nhiệt: Jn = Jp = vị trị x Jn(x) = Jdrift(n)(x) + Jdiff(n)(x) =

- Vậy n0(x)=? để thỏa mãn điều kiện trên?

(102)

- Điện trường chất bán dẫn ?

+ Phương trình Gauss: Trong đó: s- hệ số điện môi tuyệt đối

+ Điện trường chất bán dẫn xác định:

- Điện tĩnh điện (x) ?

Đặt (0)= ref

s dx dE   

     x  

s x E x E   E dx

d  

   x   x E x dx

0

 

(103)

- Xác định n0(x), (x), E(x), và (x) ?

- Xuất phát từ PT:

(1)

(2)

0

0  

 dx dn qD E qn

Jn n n

E dx

d  

- Thay (1) (2) ta

 0

2 n N q dx d dx dE d s s          dx n d D n dn D dx d n n n n 0 ln     

   3

ln 2 d N n kT q dx n d   

(104)

Giải phương trình xác định n0(x) tham số lại

- Tuy nhiên khơng tìm cách giải chung cho hầu hết trường hợp - Nếu Nd(x) biến thiên nhỏ n0(x) biến thiên nhỏ, d2(lnn0)/dx2 nhỏ n0(x) Nd(x), khơng xuất vùng điện tính khơng gian, trường hợp gọi cận trung hòa

   3

ln

2

d s

N n

kT q dx

n

d  



(105)

Quan hệ Boltzman(Quan hệ (x) nồng độ hạt tải điện) Theo PT (1)

q kT D

n n 

 dx

n d

D dx

d

n

n ln 

 

Mà Tích phân vế ta có:

Mà chứng minh được: = ref n0=ni,Vậy ta có quan hệ Boltzman:

Tương tự với lỗ trống ta có:

(106)

CHƢƠNG

(107)

NỘI DUNG

1 Điện trở (Resistor) 2 Tụ điện (Capacitor) 3 Cuộn cảm (Inductor)

(108)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1 Điện trở (Resistors)

1.1 Định nghĩa

1.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng điện trở 1.3 Ký hiệu điện trở

(109)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.1 Định nghĩa

- Điện trở phần tử có chức ngăn cản dòng điện mạch - Mức độ ngăn cản dòng điện đặc trưng trị số điện trở R:

R=U/I

- Đơn vị đo: , m, , k, M, G, T

- Điện trở có nhiều ứng dụng như: định thiên cho cấu kiện bán dẫn, điều khiển hệ số khuyếch đại, cố định số thời gian, phối hợp trở kháng, phân áp, tạo nhiệt … Tùy theo ứng dụng, yêu cầu cụ thể dựa vào đặc tính loại điện trở để lựa chọn thích hợp

- Kết cấu đơn giản điện trở thường:

Vỏ bọc Lõi Vật liệu cản điện

(110)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Định luật Ohm

Định luật Ohm

Biểu thức định luật Ohm theo dịng điện

Cơng suất tiêu tán tức thời điện trở:

R t

i t

v( )  ( )

R + _ ) (t v ) (t i G t v t

i( )  ( )

t v R t i t v t i t

p( ) ( ) ( ) ( ) ( )

2    v(t) i(t) Georg Ohm (1789 – 1854)

(111)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.2 Các tham số kỹ thuật đặc tính điện trở

- Trị số điện trở dung sai - Hệ số nhiệt điện trở

(112)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a Trị số điện trở dung sai

- Trị số điện trở: (Resistance [Ohm]-) tính theo cơng thức: Trong đó:

 - điện trở suất vật liệu dây dẫn cản điện l - chiều dài dây dẫn

S- tiết diện dây dẫn

- Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểu thị mức độ chênh lệch trị số thực tế điện trở so với trị số danh định tính theo %

+ Tùy theo dung sai phân chia điện trở thành 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 %

(113)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b Hệ số nhiệt điện trở - TCR

- TCR (temperature coefficient of resistance): biểu thị thay đổi trị số điện trở theo nhiệt độ, tính sau:

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

- Hệ số nhiệt điện trở âm dương tùy loại vật liệu: + Kim loại thường hệ số nhiệt dương.

+ Một số hợp kim constantin, manganin có hệ số điện trở nhiệt 0

+ Carbon, than chì có hệ số điện trở nhiệt âm

T TCR R

R  

 106 C] [ppm/ .10 T R R

TCR

(114)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c Cơng suất tiêu tán danh định điện trở (Pt.t.max )

- Pt.t.max là công suất điện cao nhất mà điện trở chịu đựng điều kiện bình thường, làm việc một thời gian dài khơng bị hỏng.

- Công suất tiêu tán danh định tiêu chuẩn cho điện trở dây quấn nằm khoảng từ 1W đến 10W cao nhiều Để tỏa nhiệt phát sinh ra, yêu cầu diện tích bề mặt điện trở phải lớn, vậy, các điện trở cơng suất cao có kích thước lớn.

- Các điện trở than linh kiện có công suất tiêu tán danh định thấp, nằm khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W 2W.

] [ R.I

P

2 max

max

t.t.max W

(115)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ d Tạp âm điện trở

- Tạp âm điện trở gồm:

+ Tạp âm nhiệt (Thermal noise): sinh ra do sự chuyển động hạt mang điện bên điện trở nhiệt độ

f T

R k

ERMS  4. . . .

ERMS = the Root-Mean-Square or RMS voltage level k = Boltzmans constant (1.38∙10-23)

T = temperature in Kelvin (Room temp = 27 °C = 300 K) R = resistance

(116)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ d Tạp âm điện trở

- Trong đó:

+ NI: Noise Index (Hệ số nhiễu).

+ UDC: điện áp không đổi đặt đầu điện trở + Unoise: điện áp tạp âm dòng điện

+ f1 –> f2: khoảng tần số làm việc điện trở

Mức tạp âm phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cản điện Bột than nén có mức tạp âm cao Màng kim loại dây quấn có mức tạp âm thấp.

       20 / log 10 . f f U

ERMS DC NI 

      DC noise U U NI 20log10

+ Tạp âm dòng điện (Current Noise) : sinh thay đổi bên

(117)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.3 Ký hiệu điện trở sơ đồ mạch

Điện trở thƣờng

Điện trở công suất

Biến trở

0,25W 0,5W

(118)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở

- Cách ghi trực tiếp: ghi đầy đủ tham số đơn vị đo thân điện trở, ví dụ: 220K 10%, 2W

- Cách ghi theo quy ƣớc: có nhiều quy ước khác Xét số cách quy ước thông dụng:

+ Quy ƣớc đơn giản: Khơng ghi đơn vị Ơm, R (hoặc E) = , M = M, K = K

Ví dụ: 2M=2M, 0K47 =0,47K = 470, 100K = 100 K,

220E = 220, R47 = 0,47

+ Quy ƣớc 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 %

XYZ = XY * 10Z 

Ví dụ:103F = 10000  1% = 10K 1%

(119)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.4 Cách ghi đọc tham số thân điện trở

+ Quy ƣớc mầu:

- Loại vòng màu:

=>Vòng 1,2 trị số, Vịng số số khơng thêm vào, Vịng 4: dung sai) (Nâu-đen-đỏ-Khơng mầu) =

- Loại vạch màu:

=>Vòng 1,2,3 trị số, Vịng số số khơng thêm vào, Vịng 5: dung sai) (Nâu-đen-đen-đỏ-Không mầu) =

Màu Giá trị

Đen

Nâu

Đỏ

Cam

Vàng

Lục

Lam

Tím

Xám

Trắng

Vàng kim 0,1 / 5%

Bạch kim 0,001 / 10%

Không màu - / 20%

1

(120)

(121)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.5 Điện trở cao tần mạch tƣơng đƣơng

- Khi làm việc tần số cao điện cảm điện dung ký sinh đáng kể, Sơ đồ tương đương điện trở tần số cao sau:

- Tần số làm việc hiệu dụng điện trở xác định cho sự sai khác trở kháng tương đương so với giá trị điện trở danh định không vượt dung sai.

(122)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.6 Phân loại điện trở

+ Điện trở có trị số cố định + Điện trở có trị số thay đổi

a Điện trở cố định

- Thường phân loại theo vật liệu cản điện

+ Điện trở than tổng hợp (than nén): cấu trúc từ hỗn hợp bột cacbon (bột than chì) đóng thành khn, có kích thước nhỏ giá thành rẻ.

+ Điện trở than nhiệt giải than màng (màng than tinh thể). + Điện trở dây quấn

+ Điện trở màng hợp kim, màng oxit kim loại điện trở miếng. + Điện trở cermet (gốm kim loại).

(123)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.6 Phân loại điện trở

b Biến trở

- Dạng kiểm sốt dịng cơng suất lớn dùng dây quấn Loại gặp mạch điện trở

- Chiết áp Cấu tạo biến trở so với điện trở cố định chủ yếu có thêm kết cấu chạy gắn với trục xoay để điều chỉnh trị số 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

(124)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số điện trở đặc biệt

- Điện trở nhiệt: Tecmixto

- Điện trở Varixto:

- Điện trở Mêgơm : có trị số điện trở từ 108  1015.

- Điện trở cao áp: Là điện trở chịu điện áp cao từ KV đến 20 KV.

- Điện trở chuẩn: Là điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn định cao.

- Mạng điện trở: Mạng điện trở loại vi mạch tích hợp có hàng chân Một phương pháp chế tạo dùng cơng nghệ màng mỏng, trong đó dung dịch chất dẫn điện lắng đọng hình dạng theo yêu cầu.

Tecmixto t0

(125)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh số loại điện trở

Điện trở dây xác

- Sai số nhỏ : 0,005% - TCR= 3ppm/0C

- Đáp ứng tần số tốt, tần số cộng hưởng cao, dùng nhiều ứng dụng tần số RF,

- Công suất nhỏ

- Thường dùng thiết bị đo DC độ xác cao, điện trở chuẩn cho điều chỉnh điện áp, mạch biến đổi DAC

Chuẩn NIST (National Institute of Standards and Technology)

- Sai số nhỏ : 0,001% - TCR= 3ppm/0C

(126)

Điện trở dây công suất lớn Điện trở film cacbon

(127)

Điện trở cầu chì Điện trở kim loại Điện trở film oxit kim loại

Điện trở SMD

Điện trở SMD (surface

mount devices) - Loại linh kiện gắn bề mặt mạch in, sử dụng công nghệ SMT

(Surface mount

(128)

Potentiometers, or "trimpots"

Carbon composition Carbon film Metal film High Power (wire wound; ceramic)

Surface Mount Resistors (SMR)

Thermistor

Varistor

(129)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh số loại điện trở

Metal film Metal Oxide Film Mạng điện trở Metal Film

Cement Resistors

Resistance:1ohm; Resistance

(130)

(131)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3 Tụ điện (Capacitors)

3.2.1 Định nghĩa

3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng tụ điện 3.2.3 Ký hiệu tụ điện

3.2.4 Cách ghi đọc tham số tụ điện 3.2.5 Sơ đồ tương đương

(132)

-Tụ điện linh kiện dùng để chứa điện tích Một tụ điện lý tưởng có điện tích cực tỉ lệ thuận với hiệu điện đặt theo cơng thức:

Q = C U [culông]

-Dung lượng tụ điện C [F]

r - số điện môi tương đối chất điện môi 0 - số điện môi tuyệt đối khơng khí

hay chân khơng

S - diện tích hữu dụng cực [m2] d - khoảng cách cực [m]

- Đơn vị đo C: F, F, nF, pF … d

S U

Q

C   r0

Bản cực

Chất điện môi Vỏ bọc

Chân tụ

12

0 8,84.10

10 36

1  



(133)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng tụ điện

- Trị số dung lượng dung sai - Điện áp làm việc

(134)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng tụ điện

+ Trị số dung lƣợng (C)

+ Dung sai tụ điện: Đây tham số độ xác trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định Dung sai của tụ điện tính theo cơng thức :

+ Điện áp làm việc: Điện áp cực đại cung cấp cho tụ điện

hay gọi "điện áp làm việc chiều“, điện áp này lớp cách điện bị đánh thủng làm hỏng tụ.

% 100 C

C C

d d

d d t

(135)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + Hệ số nhiệt

Mỗi loại tụ điện chịu ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ nhà sản xuất xác định Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩn thường từ:

-200C đến +650C; -400C đến +650C ; -550C đến +1250C

- Để đánh giá thay đổi trị số điện dung nhiệt độ thay đổi người ta dùng hệ số nhiệt TCC tính theo cơng thức sau:

- TCC thường tính đơn vị phần triệu 1C (viết tắt ppm/C) đánh giá thay đổi cực đại trị số điện dung theo nhiệt độ

- Khi giá trị điện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ, người ta dùng giới hạn cực đại thay đổi giá trị điện dung khoảng nhiệt độ làm việc tính %:

[ppm/0C] 10 T C C 6    TCC  % 100 10 *

% T TCC6

C

C  



(136)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ d Dòng điện rò

- Do chất cách điện đặt cực khơng lý tưởng nên có một dịng điện rị bé chạy qua cực tụ điện Trị số dòng điện rò phụ thuộc vào điện trở cách điện chất điện môi. - Đặc trưng cho dịng điện rị dùng tham số điện trở cách điện

của tụ (có trị số khoảng vài M và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếu tụ có dịng điện rị nhỏ

- Tụ điện màng Plastic có điện trở cách điện cao 100000 M, cịn tụ điện điện giải dịng điện rị lên tới vài A điện áp đặt vào cực tụ 10 Vôn.

- Đối với điện áp xoay chiều, tổn hao công suất tụ thể hiện qua hệ số tổn hao D:

th

P P Q

D  1 

(137)

e Sự phân cực

- Các tụ điện điện giải chân tụ thường có đánh dấu cực tính dương (dấu +) âm (dấu -) gọi phân cực tụ điện. Khi sử dụng phải đấu tụ vào mạch cho cực tính tụ. Như sử dụng loại tụ vào vị trí có điện áp làm việc khơng thay đổi cực tính.

(138)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.3 Ký hiệu tụ

+ +

Tụ thường Tụ điện giải Tụ có điện dung thay đổi

(139)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc ghi trị số tụ

- Hai tham số quan trọng thường ghi thân tụ điện trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) điện áp làm việc (điện áp lớn nhất) Có cách ghi bản:

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

Ví dụ 1: Trên thân tụ mi ca có ghi: 5.000PF  20% 600V

- Cách ghi gián qui ƣớc :

+ Ghi theo qui ước số: (Cách ghi thường gặp tụ Pôlystylen), Kiểu giá trị ghi số nguyên đơn vị tương ứng pF, kiểu giá trị ghi số thập phân đơn vị tương ứng F

Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung 47 pF, điện áp làm việc chiều 630 Vdc

Ví dụ 3: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức giá trị điện dung 0,01 F điện áp làm việc chiều 100 Vdc

+ Quy ước theo mã: (Giống điện trở, Các chữ dung sai qui ước

(140)

(141)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + Ghi theo quy ước màu:

- Loại có vạch màu:

Hai vạch đầu số có nghĩa thực

Vạch thứ ba số nhân (đơn vị pF) số số cần thêm vào Vạch thứ tư điện áp làm việc

- Loại có vạch màu:

Ba vạch màu đầu giống loại vạch màu Vạch màu thứ tư % dung sai

Vạch màu thứ điện áp làm việc TCC

1 4

+

(142)

- Vạch màu TCC, đơn vị ppm/ 0C:

Đỏ tím: TCC = 100 Vàng: TCC = 220

Đen: = Xanh cây: = 330

Đỏ: = 75 Xanh lam: = 430

Cam: = 150 Tím: = 750

(143)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + Cách ghi chấm mầu, sử dụng chấm mầu, Cả kiểu kiểu chấm mầu nhiều thông tin như: Hệ số nhiệt, dung sai…

(144)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.5 Sơ đồ tƣơng đƣơng tụ

RP RL

L RS RS C

C C

a Sơ đồ tương đương b Sơ đồ tương đương c sơ đồ tương đương tổng quát song song nối tiếp

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

(145)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.6 Phân loại tụ điện

- Tụ điện có trị số điện dung cố định

- Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được.

a Tụ điện có trị số điện dung cố định:

+ Tụ giấy: chất điện mơi giấy, thường có trị số điện dung khoảng từ 500 pF đến 50 F điện áp làm việc đến 600 Vdc Tụ giấy có giá thành rẻ so với loại tụ có trị số điện dung.

Ưu điểm: kích thước nhỏ, điện dung lớn.

Nhược điểm: Tổn hao điện môi lớn, TCC lớn.

+ Tụ màng chất dẻo: chất điện mơi chất dẻo, có điện trở cách điện lớn 100000 M Điện áp làm việc cao khoảng 600V Dung sai tiêu chuẩn tụ là  2,5%; hệ số nhiệt từ 60 đến 150 ppm/0C

(146)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + Tụ mi ca: chất điện môi mi ca, tụ mi ca tiêu chuẩn có giá trị điện dung khoảng

từ pF đến 0,1 F điện áp làm việc cao đến 3500V tuỳ Nhược điểm: giá thành tụ cao

Ưu điểm:Tổn hao điện môi nhỏ, Điện trở cách điện cao, chịu nhiệt độ cao

+ Tụ gốm: chất điện môi gốm Màng kim loại lắng đọng mặt

một đĩa gốm mỏng dây dẫn nối tới màng kim loại Tất bọc vỏ chất dẻo

Giá trị điện dung tụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ pF đến 0,1 F, với điện áp làm việc chiều đến 1000 Vdc

Đặc điểm tụ gốm kích thước nhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định tốt, làm việc lâu dài mà khơng lão hố

+ Tụ dầu: chất điện mơi dầu

Tụ dầu có điện dung lớn, chịu điện áp cao

Có tính cách điện tốt, chế tạo thành tụ cao áp Kết cấu đơn giản, dễ sản xuất

(147)

+ Tụ điện giải nhôm: Cấu trúc giống tụ giấy Hai nhôm

mỏng làm hai cực đặt cách lớp vải mỏng tẩm chất điện phân (dung dịch điện phân), sau quấn lại cho vào khối trụ nhôm để bảo vệ

Các tụ điện giải nhôm thông dụng thường làm việc với điện áp chiều lớn 400 Vdc, trường hợp này, điện dung không 100 F Điện áp làm việc thấp dòng rò tương đối lớn

+ Tụ tantan: (chất điện giải Tantan) Đây loại tụ điện giải, Bột

tantan đặc thành dạng hình trụ, sau nhấn chìm vào hộp chứa chất điện phân Dung dịch điện phân thấm vào chất tantan Khi đặt điện áp chiều lên hai chân tụ lớp oxit mỏng tạo thành vùng tiếp xúc chất điện phân tantan

Tụ tantan có điện áp làm việc lên đến 630 Vdc giá trị điện dung khoảng 3,5 F

(148)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b Tụ điện có trị số điện dung thay đổi

+ Loại đa dụng gọi tụ xoay: Tụ xoay dùng làm tụ điều chỉnh thu sóng máy thu thanh, v.v Tụ xoay có ngăn nhiều ngăn Mỗi ngăn có động xen kẽ, đối với tĩnh (lá giữ cố định) 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), có nhiều kiểu Chất điện mơi dùng nhiều loại khơng khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Trong loại Trimcap chuyên dùng, thường gặp loại chất điện môi gốm Để thay đổi trị số điện dung ta thay đổi vị trí hai động tĩnh Khoảng điều chỉnh tụ từ 1,5 pF đến pF, từ pF đến 45 pF từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệt cần thiết

(149)

+ Tụ không cho dòng 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 (ví dụ tạp âm), gọi tụ thoát

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

tụ cộng hƣởng

+ Tụ dùng mạch lọc gọi tụ lọc Tụ dùng mạch chia dải tần làm việc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích thuộc nhóm xác

+ Các tụ nhóm đa dụng dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, tín hiệu ngồi tụ cịn dùng để trữ lượng, định thời

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

(150)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh Tụ điện

Tụ hố (Electrolytic Capacitors)

(151)

Tụ gốm ( Ceramic Capacitors ) Tụ gốm nhiều tầng (Multilayer Ceramic Capacitors )

(152)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh Tụ điện

(153)

Various types of capacitors

tantalum

capacitor Polypropylene Capacitor

High

Voltage/power Capacitors Polyester

capacitor

Multilayer Chip

(154)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3 Cuộn cảm (Inductor)

3.3.2 Ký hiệu cuộn dây

3.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng cuộn dây 3.3.4 Cách ghi đọc tham số cuộn dây

(155)

- Cuộn cảm phần tử sinh tượng tự cảm dịng điện chạy qua biến thiên Khi dòng điện qua cuộn cảm biến thiên sẽ tạo từ thông thay đổi sức điện từ cảm ứng ngay trong cuộn cảm cảm ứng sức điện từ sang cuộn cảm kề cận với nó.

-Mức độ cảm ứng trường hợp phụ thuộc vào độ tự cảm cuộn cảm hỗ cảm hai cuộn cảm Các cuộn cảm cấu trúc để có giá trị độ cảm ứng xác định.

(156)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2.Ký hiệu cuộn cảm

L

Cuộn dây lõi Ferit

L

Cuộn dây lõi sắt từ

L

(157)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng cuộn cảm

- Độ tự cảm (L)

(158)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a Độ tự cảm (L)

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

l - chiều dài cuộn dây (m)

 - độ từ thẩm tuyệt đối vật liệu lõi (H/ m)  = r 0

- Đơn vị đo: H, mH, H…

- Độ từ thẩm tuyệt đối số loại vật liệu

Chân không: 4 x 10-7 H/m Ferrite T38 1.26x10-2 H/m

Khơng khí: 1.257x10-6 H/m Ferrite U M33 9.42x10-4 H/m

Nickel 7.54x10-4 H/m Iron 6.28x10-3 H/m

Silicon GO steel 5.03x10-2 H/m supermalloy 1.26 H/m

l S N L  

(159)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b Hệ số phẩm chất cuộn cảm (Q)

- Dung sai độ tự cảm: Đây tham số độ xác độ từ

cảm thực tế so với trị số danh định Dung sai tính theo cơng thức :

- Một cuộn cảm lý tưởng khơng có tổn hao có dịng điện chạy qua, thực tế ln tổn hao cơng suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây Tổn hao biểu thị điện trở tổn hao RS

- Để đánh giá chất lượng cuổn cảm dùng Hệ số phẩm chất Q cuộn cảm: (Cuộn cảm tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp, cuộn cảm tổn hao lớn dùng sơ đồ tương đương song song

L pk nt R L R X P P D

Q  1    

L RS

% 100 d d d d t t L L L  R R P

Q pk P p

     1 // L Rp

(160)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c Tần số làm việc giới hạn (fg.h.)

- Khi tần số làm việc nhỏ bỏ qua điện dung phân tán vòng dây cuộn cảm, làm việc tần số cao điện dung đáng kể

- Do tần số đủ cao cuộn cảm 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 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

LC f

f flv gh



2

1

0

max   

(161)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.4 Cách ghi đọc tham số cuộn cảm

- Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ tham số độ tự cảm L, dung sai, loại lõi cuộn cảm… Cách dùng cho loại cuộn cảm có kích thước lớn

- Cách ghi gián qui ƣớc :

+ Ghi quy ước theo mầu: Dùng cho cuộn cảm nhỏ:

- Loại vạch màu

Vịng màu 1: số có nghĩa thứ chấm thập phân Vòng màu 2: số có nghĩa thứ hai chấm thập phân Vịng màu 3: số cần thêm vào, đơn vị đo H

Vòng màu 4: dung sai %

(162)

Màu Giá trị số Dung sai

Đen Nâu Đỏ Cam Vàng

Xanh Xanh lam Tím Xám Trắng Bạch kim Vàng kim

Không vạch màu

0

-Chấm thập phân -10% 5% 20% Bảng mã mầu dùng cho cuộn cảm

(163)

(164)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.5 Phân loại ứng dụng

- Dựa theo ứng dụng:

+ Cuộn cộng hưởng – cuộn cảm dùng mạch cộng hưởng LC.

+ Cuộn lọc – cuộn cảm dùng lọc chiều. + Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v

- Dựa vào loại lõi cuộn cảm:

+ Cuộn dây lõi khơng khí: Loại cuộn dây khơng lõi trên các cốt khơng từ tính, thường dùng cuộn cộng hưởng làm việc ở tầo số cao siêu cao Các yêu cầu cuộn dây không lõi là:

- Điện cảm phải ổn định tần số làm việc - Hệ số phẩm chất cao tần số làm việc - Điện dung riêng nhỏ

(165)

+ Cuộn cảm lõi sắt bụi: Dùng bột sắt nguyên chất trộn với chất dính kết khơng từ tính lõi cuộn cảm, thường dùng tần số cao và trung tần Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt tổn thất do dịng điện xốy ngược, độ từ thẩm thấp nhiều so với loại lõi sắt từ.

+ Cuộn cảm lõi Ferit : thường cuộn cảm 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 Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điện cảm cao, lại dễ bị bão hịa từ có thành phần chiều.

+ Cuộn cảm lõi sắt từ: Lõi cuộn cảm thường hợp chất sắt -silic, sắt- niken … Đây cuộn cảm làm việc tần số thấp Dùng dây đồng tráng men cách điện quấn thành nhiều lớp có cách điện lớp tẩm chống ẩm.

(166)

A core material with greater magnetic permeability results in greater magnetic field flux for any given amount of field force (amp-turns)

Variable inductors: providing a way to vary the number of wire turns in use at any given time, or by varying the core material (a sliding core that can

Fixed-value inductor: another antique air-core unit built for radios The connection terminals can be seen at the bottom, as well

(167)

SMD Wound Chip Inductor

Ferrite Rod Inductor

Roller inductor for FM diplexer

DC filter choke Inductor

Spiral inductor with N=1.5 turns, W=20 μm, S=10 μm and Rin=100 μm

(area=0.14 mm2).

(168)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4 Biến áp (Transformer)

3.4.2 Các tham số kỹ thuật biến áp 3.4.3 Ký hiệu biến áp

(169)

(170)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguyên lý hoạt động biến áp

- Hoạt động dựa theo nguyên lý cảm ứng điện tử

- Hệ số tự cảm cuộn sơ cấp, thứ cấp:

- Khi dịng điện I1 biến thiên tạo từ thơng biến thiên, từ thông liên kết sang cuộn sơ cấp tạo điện áp cảm ứng eL cuộn thứ cấp theo hệ số tỉ lệ gọi hệ số hỗ cảm M Lượng từ thông liên kết cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp đánh giá hệ số ghép biến áp K

l S N12

1 L  

l S N22

L  

 H t e M L    /

i1 l

S N i K K t N

eL 2. ; 2  .1  . .1. 1.

    2

1 . . .

. K L L

l S N

N K

M   

L L

(171)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.2 Các tham số kỹ thuật biến áp

- Hệ số ghép biến áp K

(172)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a Hệ số ghép biến áp K

M - hệ số hỗ cảm biến áp

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

- Khi K = trường hợp ghép lý tưởng, tồn số từ thơng sinh cuộn sơ cấp qua cuộn thứ cấp ngược lại.

- Trên thực tế sử dụng, K  1 gọi hai cuộn ghép chặt khi K<<1 gọi hai cuộn ghép lỏng

2 1L

L M

K 

(173)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b Điện áp cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp

- Điện áp cảm ứng cuộn sơ cấp thứ cấp quan hệ với theo tỉ số:

- Hệ số biến áp

+ 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

1

2

N N N

N U

U  

K N

N

2

(174)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c Dòng điện sơ cấp dòng điện thứ cấp

- Quan hệ dòng điện cuộn sơ cấp cuộn thứ cấp theo tỉ số:

d Hiệu suất biến áp

- Các biến áp thực tế có tổn thất, để đánh giá chất lượng dùng thông số hiệu suất biến áp Hiệu suất biến áp tỉ số cơng suất cơng suất vào tính theo %:

Trong P1 - cơng 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

- Muốn giảm tổn hao lượng lõi sắt từ, dây đồng từ thông rò người ta dùng loại lõi làm từ sắt từ mỏng, có quét sơn cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn ghép chặt

1 2 2 N N N N U U I

I   

K % 100 % 100 P P 2 thât tôn P P P    

(175)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.3 Ký hiệu 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

(176)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.4 Phân loại ứng dụng

- Ứng dụng để biến đổi điện áp xoay chiều.

- Dùng để cách ly mạch mạch điện, dùng loại biến áp có hai cuộn dây sơ cấp thứ cấp cách điện với nhau.

- Biến đổi biến đổi tổng trở, dùng biến áp ghép chặt

- Biến áp cao tần dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc, dùng loại ghép lỏng.

…

- Tuỳ theo ứng dụng cụ thể mà biến áp có yêu cầu khác và thường phân loại theo ứng dụng:

+ Biến áp cộng hưởng : Đây biến áp trung tần cao tần có lõi

(177)

+ 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 u cầu chính:

• Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dịng điện khơng tải xuống giá trị nhỏ

• Hệ số ghép K cao để điện áp thứ cấp sụt có tải • Tổn thất lõi thấp tốt (chọn vật liệu

lõi bề dày thép thích hợp)

• Kích thước biến áp nhỏ tốt • Kết cấu bên ngồi dùng:

• Loại hở có tẩm (giá thành thấp)

• Loại bọc kín có tẩm (bảo vệ học tốt)

• Loại hàn kín, đổ dầu (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, dễ sửa chữa)

• Loại đổ khn nhựa (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, không sửa chữa được)

(178)

+ Biến áp âm tần : biến áp thiết kế để làm việc dải tần số âm khoảng từ 20 Hz đến 20000 Hz, yêu cầu biến đổi điện áp khơng gây méo dạng sóng dải tần số âm thanh, dùng để ngăn cách điện chiều mạch với mạch khác, để biến đổi tổng trở, để đảo pha, v.v

- Biến áp âm tần phải làm việc đải tần số âm rộng phải đáp ứng nhiều mục đích khác nên yêu cầu cao biến áp cấp điện

+ Biến áp xung : Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu loại cơng suất Biến áp xung có u cầu dải thơng tần khắt khe so với biến áp âm

tần Để hoạt động tốt tần số thấp 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

(179)

(180)

4.1 Lớp tiếp xúc P-N

4.2 Cấu tạo chung phân loại Điốt bán dẫn 4.3 Điốt chỉnh lưu

4.4 Điốt ổn áp

4.5 Điốt biến dung Varicap

(181)

Ion cho

x xn0

-xp0 Lỗ trống -+ -+ -+ -+ + + + + + + + + + + + + -+ -+ + + + + + + Ion nhậ n Điện tử tự p n ) ( log p0 x

a

N p0 

d i N n p  diff J t E a i N n n  diff J d N n0 

– – + + t E p x

 xn0 ) ( logn0 x

-Khi tiếp xúc pn hình thành, chênh lệch nồng độ nên có khuếch tán điện tử lỗ trống qua bề mặt tiếp xúc chúng tái hợp với

- Miền lân cận mặt tiếp xúc đặc tính trung hịa điện, bên bán dẫn n tích điện +, bên bán dẫn p tích điện –, tạo thành

miền điện tích khơng gian hình thành điện trường nội Et

- Et lại làm tăng hạt dẫn thiểu số lớp bán dẫn qua tiếp giáp tạo dịng điện trơi

- Chuyển tiếp PN đạt trạng thái cân dòng khuếch tán Jdiff dịng trơi

J

(182)

x xn0

-xp0 -+ -+ -+ -+ + + + + + + + + + + + + -+ -+ + + + + + +

p n Vậy tiếp giáp PN hình thành

vùng:

- vùng điện tích khơng gian

- vùng bán dẫn n, p cận trung hòa

-Xác định n0(x), p0(x), (x), E(x),

(x)?

- Để đơn giản ta xấp xỉ chuyển

tiếp sau:

(183)

(184)

Đuờng xấp xỉ Đường xác

                   x x x x qN x x qN x x x n n d p a p 0 0 0 0 

+ Mật độ điện tích khơng gian:

(x) = q[Nd(x) − n0(x)+ p0(x)-Na(x)]

(185)

+ Điện trường chuyển tiếp PN:

     2  

1 1 x x s x x E x E                      x x x x qN x x qN x x x n n d p a p 0 0 0 0                              x x khi x x khi x x qN x x khi x x qN x x khi x E n n n s d p p s a p 0 0 0 0 0  

(186)

+ Điện tĩnh điện tiếp giáp PN

- Như xác định phần trước, theo quan hệ Boltzman, điện tĩnh điện bán dẫn n, p là:

- Trong vùng bán dẫn p cận trung hòa: - Trong vùng bán dẫn n cận trung hòa:

? ?

B – Hiệu điện tiếp xúc chuyển tiếp PN (Hàng rào năng).

(187)

- Xác định điện tĩnh điện trong vùng chuyển tiếp PN (xấp xỉ chuyển tiếp)?

                            x x khi x x qN x x khi x x qN x x khi x n n s d n p p s a p p p 0 0 2                             0 0 0 n n s d p p s a x x khi x x qN x x khi x x qN x E  

(188)

+ Xác định độ rộng chuyển tiếp PN: xp0 và xn0 = ?

- Trong vùng chuyển tiếp PN có tính trung hịa điện: - Điện B(x) liên tục x=0 đó:

- Giải hệ PT ta có:

- Độ rộng vùng điện tích khơng gian:

(189)

- Điều xảy trường tĩnh điện chuyển tiếp PN có điện áp ngồi đặt qua đầu vào?

V > – phân cực thuận V < – phân cực ngược

(190)

- Khi có điện áp phân cực đặt vào đầu tiếp giáp PN, phân bố điện tiễp giáp thay đổi ?

- Điện áp rơi vùng nào?

(191)

- Điện áp chủ yếu đặt nên vùng chuyển tiếp PN (SCR). - Hiệu điện đặt lên chuyển tiếp PN gọi hàng rào điện thế:

= B :Trong điều kiện cân nhiệt = B – V < B :Trong trường hợp phân cực thuận = B – V > B :Trong trường hợp phân cực ngược

(192)

+ Phân cực thuận:

-Điện tiếp xúc giảm - Điện trường tiếp xúc giảm -Độ rộng vùng điện tích khơng gian giảm

+ Phân cực ngƣợc:

- Điện tiếp xúc tăng

- Điện trường tiếp xúc tăng -Độ rộng vùng điện tích khơng gian tăng

(193)

Chuyển động hạt tải điện có điện áp phân cực: - Khi đặt điện áp phân cực thuận:

- Cân dòng điện bị phá vỡ

+ Phần lớn hạt dẫn đa số có lượng đủ lớn dễ dàng khuếch tán qua CT P-N Kết dòng điện qua CT P-N tăng lên thành phần dòng điện khuếch tán Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc P-N phân cực thuận gọi dịng điện thuận Ith

+ Những hạt dẫn đa số sau vượt qua lớp tiếp xúc P-N vào phần bán dẫn P N chúng trở thành hạt dẫn thiểu số chất bán dẫn này, có tượng “phun" hạt dẫn thiểu số qua vùng điện tích khơng gian

+ Khi tăng điện áp thuận lên, tiếp xúc P-N phân cực thuận mạnh, hiệu điện tiếp xúc giảm, hàng rào thấp xuống, 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 ngồi

(194)

- Khi đặt điện áp phân cực ngƣợc

- Cân dòng điện bị phá vỡ

- Do điện trường lớp tiếp xúc tăng lên thúc đẩy q trình chuyển động trơi hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp PN, 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 nồng độ hạt dẫn thiểu số nhỏ, nên dòng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hịa cịn gọi dịng điện ngược bão hịa IS có giá trị nhỏ

(195)

- Minh họa dòng dịch chuyển hạt tải điện qua chuyển tiếp PN

+ Phân cực thuận + Phân cực ngƣợc

- Như chuyển tiếp PN có tính chất chỉnh lưu dịng điện, cho phép

Dòng khếch tán lỗ trống

Dòng khếch tán điện tử

Dịng trơi điện tử Dịng trơi lỗ trống

(196)

BÀI GIẢNG MƠN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân bố dải lƣợng tiếp giáp PN

- Phân bố dải lượng tiếp giáp PN điều kiện cân nhiệt:

(197)

BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 4.1.3 Đặc tuyến V-A tiếp giáp PN

- Để xác định phương trình đặc tuyến V-A tiếp giáp PN cần thực tính toán theo bước sau (Bỏ qua tái hợp điện tử lỗ trống chuyển tiếp):

+ Tính mật độ hạt dẫn thiểu số biên vùng điện tích khơng gian

+ Tính tốn dòng khuếch tán hạt thiểu số vùng bán dẫn cận trung hòa: In, Ip, với giả thiết hàm phân bố hạt thiểu số miền tuyết tính

+ Tính tổng dịng khuyến tán điện tử lỗ trống: I = In + Ip

1 Tính mật độ hạt dẫn thiểu số biên vùng điện tích khơng gian SCR:

(198)

P - + N p0 n0

0 -xp0

-Wp xn0 Wn

a

N p0 

d i N n p  a i N n n  d N n0 

x

Phân bố điện tử lỗ trống tiếp giáp PN

Trong điều kiện cân nhiệt

Trong điều kiện phân cực thuận

P - + N p n

0 -xp

-Wp xn Wn

a

N p0 

d i N n p  a i N n n  d N n0 

x V

 xp

n   

n

x p

(199)

- Nhưng điều có nghĩa xấp

xỉ phun hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp mức thấp - Thay vào ta được:

- Thay: vào biểu thức trên, rút gọn :

(200)

2 Tính tốn dịng khuếch tán điện tử

trong vùng điện tích khơng gian phía p:

- Áp dụng điều kiện biên:

- Giải thiết n(x) thay đổi tuyến tính viết phương trình n(x) thay vào phương trình (*)

- Tính

(*)