Chương 2 Linh kiện điện tử

Linh kiện điện tử của bộ môn kỹ thuật điện tử, tài liệu được biên soạn nhằm giúp bạn đọc tiếp cận những kiến thức cơ bản của tlinh kiện điện tử. Giúp các bạn sinh viên nắm chắc kiến thức phục vụ cho các kĩ thi

8/30/2017 Chơng Linh kiện điện tử ã Khỏi nim phần tử mạch: linh kiện điện tử cấu tạo nên mạch nhằm thực chức định • Phân biệt phần tử thụ động phần tử tích cực: theo quan điểm tiêu thụ hay tạo lượng đặc tuyến I/U tuyến tính hay phi tuyến • Các linh kiện cực thụ động: điện trở, điện cảm, điện dung, nguồn nguồn dịng độc lập • Các linh kiện bán dẫn: Diot v Tranzisto Chơng Linh kiện điện tử 2.1 Linh kiện thụ động 2.1.1 Điện trở: Điện trở (R) loại linh kiện sử dụng rộng rãi mạch điện tử Tính chất: cản trở dịng điện qua trực tiếp biến đổi lượng thành nhiệt Có chức điều chỉnh phân phối lượng điện mạch điện - Đơn vị đo: Ω, R = U/I 8/30/2017 Chư¬ng Linh kiƯn ®iƯn tư 2.1 Linh kiện thụ động 2.1.2 Tụ điện: Linh kiện tích luỹ lượng dạng điện trường, gồm có hai điện cực (hai má tụ) lớp điện mơi đặt hai cực Tính chất: lọc tín hiệu, chặn nguồn chiều Ký hiệu: Điện dung C Đơn vị F (microphara); nF(nanophara) pF(picrophara) Tổn hao tụ điện: tg đánh giá qua hệ số phẩm chất Q: Q tg Chư¬ng Linh kiƯn ®iƯn tư 2.1 Linh kiện thụ động 2.1.3 Cuộn cảm: Cuộn cảm tích luỹ lượng dạng từ trường Được cấu tạo từ vòng dây điện từ lớp hay nhiều lớp, có lõi sắt từ khơng lõi, bọc kim không bọc kim Ký hiệu: điện cảm L Đơn vị: H (Henry) 8/30/2017 Chơng 2: Linh kiện điện tö 2.2 Hợp chất bán dẫn 2.2.1 Chất bán dẫn 2.2.2 Chất bán dẫn tạp 2.2.3 Mặt ghép bán dẫn P-N 2.2.4 Điôt bán dẫn 2.2.5 Transistor cực tính (BJT – Bipolar Junction Transistor) 2.2.6 Transistor trường (FET: Field Effect Transistor) 2.2.1 Bán dẫn - Sử dụng ngun tố thuộc nhóm IV bảng tuần hồn Si, Ge có điện tử lớp ngồi - Bốn điện tử lớp nguyên tử chịu ràng buộc với hạt nhân ngun tử mà cịn liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh hai nguyên tử đứng cạnh có cặp điện tử góp chung Khi kích thích lượng từ bên ngồi, số điện tử bứt khỏi liên kết trở thành điện tử tự dẫn điện kim loại Như chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện Bán dẫn gọi bán dẫn hay bán dẫn đơn chất 30/08/2017 8/30/2017 2.2.2 Bán dẫn tạp Bán dẫn dẫn điện không tốt.Để tăng khả dẫn điện bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn để bán dẫn có nồng độ hạt dẫn cao gọi bán dẫn tạp.Bán dẫn tạp có loại loại n loại p a Bán dẫn loại cho n Được tạo nên cách pha chất bán dẫn tinh khiết với As (đối với Ge) P (đối với Si) thuộc nhóm V bảng hệ thống tuần hồn Medeleep As/P có điện tử lớp Điện tử thứ liên kết yếu với nguyên tử xung quanh hạt nhân nên dễ trở thành hạt dẫn tự - Khi có điện trường, hạt dẫn chuyển động có hướng tạo thành dịng điện - Trong chất bán dẫn loại n, ne > pe, điện tử hạt dẫn đa số lỗ trống hạt dẫn thiểu số Tạp chất cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho ”, ký hiệu n Hạt dẫn điện (hay gọi động tử) bán dẫn loại “cho ” n điện tử với mật độ nn Ge Ge Ge ®iƯn tư tù Ge As Ge Ge Ge Ge Hình3.2 Cấu tạo b¸n dÉn n 2.2.2 Bán dẫn tạp b Bán dẫn loại lấy p Được tạo nên cách pha chất bán dẫn tinh khiết với In (đối với Ge) B (đối với Si) thuộc nhóm III bảng tuần hồn để tạo cặp điện tử liên kết hố trị với ngun tử bán dẫn,ngồi điện tử nguyên tử In có điện tử nguyên tử Ge lân cận lấy vào Chỗ điện tử tạo thành lỗ “trống ” mang điện tích dương Các “lỗ trống ” tạo thành hàng loạt dẫn điện điện tích dương Bán dẫn loại có tạp chất lấy điện tử nên gọi bán dẫn loại “lấy” ký hiệu p Ge Ge Ge -Khi có điện trường, hạt dẫn chuyển động có hướng tạo thành dịng Ge In Ge điện (hạt dẫn “lỗ trng) lỗ trống Ge Ge Ge - Trong cht bỏn dẫn loại P, p > n , lỗ e e trống hạt dẫn đa số điện tử ht dn thiu s Hình3.3Cấu tạo bán dẫn loại p 8/30/2017 Điện tử tự lỗ trống Năng lượng Vùng dẫn e- Vùng hóa trị Khe lượng Khơng có e- Vùng Vùng Điện tử tự lỗ trống Năng lượng Vùng dẫn Vùng hóa trị e- Lỗ trống Năng lượng to Vùng Vùng Giản đồ lượng Điện tử lỗ trống gọi hạt dẫn 10 8/30/2017 Dòng e lỗ trống eLỗ trống Dòng lỗ trống Dòng e- V 11 Chuyển động trôi khuếch tán hạt dẫn * c) Chuyển động trôi Chuyển động hạt dẫn mạng tinh thể chất rắn tác dụng điện trường gọi chuyển động trôi.Chuyển động trơi tạo thành dịng điện trơi: Itr = qE(n.n + p.P) = Itr n + ItrP Trong : q - điện tích hạt dẫn, E - Cường độ điện trường n,p - Nồng độ điện tử lỗ trống n, P - hệ số gọi độ linh động điện tử lỗ trống *d) Chuyển động khuếch tán Dòng chuyển động khuếch tán xảy có phân bố khơng đồng nồng độ hạt dẫn khối thể tích, khuếch tán từ nơi có nồng độ cao – thấp Dịng điện chuyển động có hướng gây gọi dòng điện 12 khuếch tán 8/30/2017 2.2.3.Mặt ghép bán dẫn p-n a) Sự hình thành mặt ghép p-n khơng có điện trường ngồi tác động Cho hai đơn tinh thể bán dẫn n p tiếp xúc với Trước tiếp xúc, khối bán dẫn cân điện tích - Khi tiếp xúc, chênh lệch nồng đồ nên lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán N-> P Khi đạt trạng thái cân bằng, hai bên mặt tiếp xúc hình thành hai miền điện tích trái dấu gọi miền điện tích khơng gian hay miền nghèo động tử khơng có động tử Miền có tính dẫn điện đặc biệt gọi mặt ghép điện tử lỗ trống hay mặt ghép P-N - Do tác dụng điện trường tiếp xúc nên lỗ trống từ N chạy sang P điện tử từ P chạy sang N tạo thành dịng điện trơi, ngược chiều với dòng khuếch tán 13 2.2.3.Mặt ghép bán dẫn p-n 14 8/30/2017 2.2.3.Mặt ghép bán dẫn p-n -Nồng độ hạt dẫn đa số khối chênh lệch tượng khuếch tán tái hợp nhiều => điện trường tiếp xúc tăng nên dòng điện trơi tăng -Sau thời gian dịng khuếch tán dịng trơi cân nhau, triệt tiêu dòng qua mặt ranh giới Chuyển tiếp P – N đạt trạng thái cân -Ứng với trạng thái cân hiệu điện tiếp xúc P N có giá trị định -Thơng thường 0.3 V Ge 0.7V Si - Hiệu điện ngăn không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, trì trạng thái cân gọi “hàng rào điện thế” Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N đặc tính chỉnh lưu 15 2.2.3.Mặt ghép bán dẫn p-n b) Phân cực mặt ghép bán dẫn điện trường * Mặt ghép P-N phân cực thuận Nếu ta đấu lớp p với cực dương, lớp n với cực âm điện trường ngồi mặt ghép n-p phân cực thuận Sự cân dòng khuếch tán dịng trơi Ikt=Itr bị phá vỡ Điện trường ngồi có chiều ngược với điện trường tiếp xúc Ut x dòng khuếch tán tăng lên Mặt ghép n-p thông (hoặc mở) có tượng phun hạt dẫn qua miền tiếp xúc.Trong dịng trơi Utx gây khơng đáng kể Utx giảm điện trường tác động ngược chiều Bề rộng miền tiếp xúc co lại 16 8/30/2017 2.2.3.Mặt ghép bán dẫn p-n b) Phân cực mặt ghép bán dẫn điện trường ngồi •Mặt ghép P-N phân cực ngược •Đổi chiều nguồn ngồi trường ngồi chiều với trường tiếp xúc làm dòng khuếch tán giảm, dịng trơi tăng •Tuy nhiên dịng trơi tăng chút nồng độ hạt dẫn phụ nhỏ, tạo thành dịng ngược nhỏ •Lúc coi mặt ghép đóng (ngắt) với bề rộng miền tiếp xúc lúc tăng lên Nhận xét: Mặt ghép n-p dẫn điện theo chiều van điện, phân cực thuận dịng thuận lớn, phân cực ngược dịng ngược nhỏ.17 Đặc tính chỉnh lưu - Chuyển tiếp P – N phận quan trọng bán dẫn khác loại Khi phân cực thuận, vùng nghèo nhỏ, điện trở thấp dòng điện lớn tăng nhanh theo điện áp Khi phân cực ngược, điện trở lớn, dòng nhỏ hâu không thay đổi theo V - Khi có điện áp xoay chiều đặt vào chủ yếu dẫn điện theo chiều Đó đặc tính chỉnh lưu 18 8/30/2017 2.2.4: Điơt bán dẫn a) Cấu tạo điôt bán dẫn b) Đặc tính Vơn –Ampe c) Các thơng số điơt d) Phân loại ứng dụng 19 2.2.4: Điôt bán dẫn a) Cấu tạo điơt bán dẫn: Ký hiệu: hình vẽ Được cấu tạo từ mặt ghép n-p Tuỳ theo diện tích phần tiếp xúc hai lớp n p mà người ta gọi điôt tiếp điểm hay điôt tiếp mặt Ở điôt tiếp điểm, mặt tiếp xúc hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại cịn điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh mặt ghép để điôt làm việc tần số cao Điơt tiếp mặt mặt tiếp xúc hai lớp n p có điện tích đủ lớn nhằm chịu dịng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu 20 10 8/30/2017 2.2.4 Điôt bán dẫn b) Đặc tuyến Vôn – Ampe Thể quan hệ dịng điện qua điơt điện áp chiều đặt lên Sơ đồ mắc lấy đặc tuyến: điơt phân cực thuận vôn kế đo điện áp thuận điôt, ampe kế đo dịng thuận qua điơt Dịng thuận tăng theo quy luật hàm mũ: U I  I (e m.Ut  1) U - điện áp thuận; Ut  0,25mV - gọi điện nhiệt; m = 12 - hệ số hiệu chỉnh lý thuyết thực tế; I0 - dịng bão hồ ngược phụ thuộc vào hạt dẫn phụ lúc cân bằng, vào chất 21 bán dẫn tạp vào nhịêt độ môi trường 2.2.4: Điơt bán dẫn Nếu đổi chiều nguồn ngồi điơt phân cực ngược Trong đoạn 0A phân cực ngược, dịng qua điơt dịng ngược bão hồ I0 nhỏ (có mật độ là1012A/cm2đối với điơt Silic 10-6A/cm2 với điôt Gecmani) phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường Ở đoạn AB dịng điện tăng vọt điện áp phân cực ngược đủ lớn để phá vỡ liên kết hoá trị Lúc điện tử hoá trị nhảy từ mức hoá trị lên mức dẫn, điơt tính chất van điện Người ta nói mặt ghép lúc bị đánh thủng điện Khi đánh thủng điện, dòng điện ngược tăng lên đáng kể điện áp không tăng Ở đoạn BC, mặt ghép bị đánh thủng nhiệt bị nung nóng dịng ngược q lớn mặt ghép bị phá huỷ hồn tồn,khơng thể khơi phục lại tính van điện 22 11 8/30/2017 2.2.4: Điơt bán dẫn c) Các thơng số điơt Dịng thuận cực đại Imax Công suất cực đại Pmax điôt điôt chưa bị thủng Điện áp ngược cực đại Ung max - điện áp phân cực ngược cực đại điot điôt chưa bị đánh thủng Tần số giới hạn fmax điôt - tần số lớn mà điơt chưa tính chất van (do điện dung ký sinh) Điện dung mặt ghép Điện trở chiều R0 xác định điểm đặc tuyến Điện trở xoay chiều R diôt xác định điểm đặc tuyến Điện áp mở điơt : Là điện áp UD để dịng thuận qua điôt đạt 0,1 Imax d) ứng dụng điôt: -Tách sóng, điều chế, biến tần (điơt tiếp điểm) 23 - Chỉnh lưu (điôt tiếp mặt) 2.2.5.Transistor lưỡng cực (BJT) Cấu tạo Nguyên lý hoạt động Ba sơ đồ BJT Đặc tuyến Volt – Ampere Các tham số giới hạn BJT 24 12 8/30/2017 a) Cấu tạo: Trên đế bán dẫn tạo hai mặt ghép n-p liên tiếp ta có tranzisto lưỡng cực (bipolar) hay tranzisto, có khả khuếch đại tín hiệu giống đèn điện tử ba cực (Thuận) (Ngược) 25 a) Cấu tạo: 13 8/30/2017 b) Phân cực cho BJT c) Nguyên lý hoạt động BJT * Xét BJT thuận - Ban đầu khơng có nguồn tác dụng, nhờ hàng rào điện trì trạng thái cân chuyển tiếp - Khi có nguồn cấp: Do tiếp giáp JE đựợc phân cực thuận nguồn UEB, điện trường EEB có tác dụng gia tốc hạt dẫn điện đa số (lỗ trống) từ miền E phun vào miền Bazơ tạo thành dòng điện cực phát IE Do nồng độ lỗ trống vùng phát lớn nên dịng điện cực phát IE có giá trị lớn - Khi đến vùng gốc, phần nhỏ lỗ trống tái hợp -> IB (IB nhỏ) Phần lớn lỗ trống lại khuyếch tán qua vùng gốc di chuyển đến tiếp giáp góp JC Tại tiếp giáp góp, điện trường UCB thuận chiều với hạt nên chúng qua tiếp giáp JC sang lớp góp để tạo thành dịng điện cực góp IC 28 14 8/30/2017 c) Nguyên lý hoạt động BJT Như : IE = IB +IC Tuy nhiên thành phần dịng colectơ cịn có dịng ngược mặt ghép colectơ IC =  IE + IC0  IE phần dòng lỗ trống “tranzit” sang cực C IC - dòng ngược mặt ghép colectơ IC   IE  IC I  gọi hệ số truyền dòng điện (cực phát), đánh giá độ hao hụt dòng điện khuếch tán vùng bazơ ( = 0,9  0,999) -Để đánh giá tác dụng điều khiển dòng bazơ dòng colectơ người ta thường dùng hệ số truyền (khuếch đại) dòng bazơ  : I  C I  I IC  Vậy IE = IC + IB = (1+)IB       I E 1    I    - SV tự thực khai triển tương tự với Tranzisto ngược 29 * Dòng transistor IE N P N IC IE P N IB IE IB IC IB IB IC P IE IC IB 30 15 8/30/2017 d) Ba sơ đồ BJT (chế độ KĐ) 31 * Mạch Bazơ chung Dòng điện vào: IE Dòng điện ra: IC Điện áp vào: UEB Điện áp ra: UCB Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor cực tính (BJT) 32 16 8/30/2017 * Mạch Emitơ chung Dòng điện vào: IB Dòng điện ra: IC Điện áp vào: UBE Điện áp ra: UCE 33 * Mạch Collector chung Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor cực tính (BJT) 34 17 8/30/2017 Họ đặc tuyến tĩnh Tranzisto Các quan hệ dòng áp Tranzisto chế độ khơng có tín hiệu gọi đặc tuyến tĩnh Coi Tranzisto mạng cực tuyến tính: Họ đặc tuyến vào U1 = f(I1) U2= const; Họ đặc tuyến hồi tiếp U1 = f(U2) I1 = const; Họ đặc tuyến truyền đạt I2 = f(I1) U2 = const; Họ đặc tuyến I2 = f(U2) I1 = const mA - - A- đo dòng bazơ IB, mA- đo dịng cơlectơ IC , V1 – đo điện áp UBE, V2 - đo điện áp UCE ; R1, R2 - chiết áp chỉnhUBE UCE EB R1 R2 A EC V2 + V1 + Hình 3.12 Sơ đồ lấy đặc tuyên tranzisto thuận 35 H c tuyn tnh Tranzisto * Họ đặc tuyến vào: IB = f(UBE) = f(UB) UCE = UC = const -Thay đổi giá trị UC, ghi lại giá trị IB UB tương ứng, lặp lại phép đo, vẽ đồ thị -Đặc tuyến giống đặc tuyến điôt phân cực thuận UC tăng, họ đặc tuyến dịch sang phải 36 18 8/30/2017 Họ đặc tuyến tĩnh Tranzisto * Họ đặc tuyến ra: IC = f(UC ) IB =const -Giữ cho IB giá trị cố định đó, thay đổi UC lập bảng ghi lại dòng IC tương ứng Phép đo lặp lại với giá trị khác IB - Điểm uốn đường đặc tuyến ứng với UBC = gọi chế độ bão hoà Khi UCE > UEB tranzisto chuyển sang chế độ khuếch đại, chế độ đường đặc tuyến gần song song Nếu tiếp tục tăng UCE dịng IC lớn, tranzisto bị đánh thủng 37 Họ đặc tuyến tĩnh Tranzisto •Đặc tuyến truyền đạt : IC = f(IB) UC = const lấy cách giữ cho giá trị UC không đổi, thay đổi IB ghi lại giá trị tương ứng IC • Đặc tuyến truyền đạt dựng từ đặc tuyến ra: Tại vị trí UC cho trước đặc tuyến ta kẻ đường song song với trục tung, đường cắt họ đặc tuyến điểm khác ta tìm IB IC tương ứng Trên trục IB , IC ta tìm điểm thoả mãn IB , IC vừa tìm Nối điểm ta đặc tính truyền đạt 38 19 ...8/30 /20 17 Chơng Linh kiện điện tử 2. 1 Linh kin thụ động 2. 1 .2 Tụ điện: Linh kiện tích luỹ lượng dạng điện trường, gồm có hai điện cực (hai má tụ) lớp điện môi đặt hai cực Tính... 2. 2 .2 Chất bán dẫn tạp 2. 2.3 Mặt ghép bán dẫn P-N 2. 2.4 Điôt bán dẫn 2. 2.5 Transistor cực tính (BJT – Bipolar Junction Transistor) 2. 2.6 Transistor trường (FET: Field Effect Transistor) 2. 2.1... nguyên tử bán dẫn,ngoài điện tử nguyên tử In có điện tử nguyên tử Ge lân cận lấy vào Chỗ điện tử tạo thành lỗ “trống ” mang điện tích dương Các “lỗ trống ” tạo thành hàng loạt dẫn điện điện tích