Chất bán dẫn tinh khiết hay chất bán dẫn thuần là chất bán dẫn chưa bị pha tạp, Chất bán dẫn tinh khiết nằm nhóm IV trong bảng tuần hoàn hóa học, do đó nó có đặc điểm chung là ở lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị. Bốn điện tử lớp ngoài cùng của một nguyên tử không những chịu sự ràng buộc với hạt nhân của chính nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp chung.
Chất bán dẫn thuần
Dưới tác động của các yếu tố nhiệt độ, áp suất, điện trường có năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết thì một số liên kết ghép đôi bị phá vỡ, một số electron bị bứt ra khỏi liên kết trở thành electron tự do và chuyển động theo trường kích thích do vậy nó tạo ra dòng điện trong chất bán dẫn thuần.
Khi một electron bị rứt khỏi mối liên kết, trở thành một electron tự do (electron dẫn) thì nó để lại một lỗ trống thiếu e- liên kết và được xem là hạt mang điện dương.
Electron và lỗ trống là 2 hạt tải điện trong BD tinh khiết.
Dòng điện trong chất BD tinh khiết là dòng các electron dẫn chuyển động ngược chiều điện trường và dòng các lỗ trống chuyển động đồng thời cùng chiều điện trường.
Trong BD tinh khiết hay BD loại i, electron dẫn và lỗ trống có mật độ bằng nhau nhưng nhỏ, chúng được gọi là những hạt tải điện thiều số
3. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn N
.
Chất bán dẫn loại N
Được tạo ra khi tạp chất pha vào là một nguyên tố có năm electron trong lớp hóa trị của nó thường dùng là Photpho(P). Các nguyên tử phốt pho tham gia ngay vào cấu trúc tinh thể của silic, bốn nguyên tử P liên kết với bốn nguyên tử silic. Do nguyên tử phốt pho có năm electron trong vỏ hóa trị của nó, nhưng chỉ có bốn trong số chúng được liên kết với các nguyên tử Si, nên electron hóa trị thứ bốn bị bỏ lại không có gì để liên kết.
Các electron hóa trị đặc biệt trong các nguyên tử Photpho bắt đầu hoạt động giống như các electron hóa trị đơn trong một dây dẫn thông thường. Chúng được tự do di chuyển mọi nơi. Bởi vì loại chất bán dẫn này thừa các electron, nên nó được gọi là chất bán dẫn loại N. (Negative).
Đặc điểm: Nồng độ hạt dẫn đa số trong chất bán dẫn loại N là các electron mang điện tích âm.
4. Sự dẫn điện trong chất bán dẫn P
Chất bán dẫn loại P
Để nâng cao tính dẫn điện của các chất bán dẫn, một số tạp chất đã được cho thêm vào.Trong đó, các chất được thêm vào có thể là nằm ở nhóm III liên kết với nguyên tố nhóm IV. Nguyên tố nằm ở nhóm III (nguyên tố In), chúng có 3 electron ở lớp ngoài cùng thì khi ta pha vào nhóm IV (nguyên tố Si) thì 3 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử của Si theo liên kết cộng hoá trị và xuất hiện một liên kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống (mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn loại P (Positive).
Giống như một điện tích dương, lỗ trống thu hút các điện tử. Nhưng khi một electron di chuyển vào một lỗ trống, electron sẽ để lại một lỗ mới ở vị trí trước đó.
Đặc điểm: Nồng độ hạt dẫn đa số trong chất bán dẫn loại P là các lỗ trống mang điện tích dương.
5. Các thông số cơ bản của điốt.
- Dòng điện định mức: Là dòng điện hoạt động giới hạn của đi-ốt, nếu đi-ốt làm việc với dòng điện cao hơn giá trị định mức này thì đi-ốt sẽ bị hỏng.
- Điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận VF: Khi có dòng điện chạy qua đi-ốt thì giữa hai chân Anode và Cathode có một điện thế , điện thế này gọi là điện áp rơi trên diode gọi là VF hay VAK. Thông thường điện áp này có giá trị từ 0.3 đến 0.8 V.
- Tần số hoạt động: Là tần số đối đa đi-ốt có thể làm việc được. Quá tần số này thì đi-ốt sẽ hỏng
- Điện áp ngược tối đa mà diode có thể chịu được: Trong mạch điện thì đi- ốt thường phải làm việc ở cả chế độ phân cực thuận và chế độ phân cực nghịch. Trong chế độ phân cực nghịch thì diode không dẫn nhưng nếu điện áp VKA (điện áp ngược) quá lớn sẽ làm diode bị đứt hoặc nổ thành than.
6. Cấu tạo, kí hiệu quy ước và nguyên lý hoạt động của điốt
- Cấu tạo
Diode được chế tạo gồm hai chất bán dẫn loại P và N ghép công nghệ với nhau. Ở giữa là miền cách điện. Tại chất bán dẫn P lấy ra một điện cực, gọi là cực Anode (ký hiệu là A), ở chất bán dẫn loại N lấy ra một điện cực, gọi là cực Cathode (ký hiệu là K).
Cấu tạo của Diode - Ký hiệu:
Ký hiệu của diode bán dẫn
Hình dạng thực tế:
Hình dạng của diode bán dẫn - Nguyên lý làm việc
Phân cực thuận cho Diode
Cấp nguồn điện VDC (một chiều) nối cực dương của nguồn vào điện cực A, cực âm của nguồn vào điện cực K. Khi đó:
- Điện tích dương của nguồn sẽ đẩy lỗ trống trong bán dẫn loại P đến gần tiếp giáp P – N.
- Điện tích âm của nguồn sẽ đẩy electron tự do trong bán dẫn loại N đến gần tiếp giáp P - N.
Và khi lực đẩy tĩnh điện đủ lớn thì điện tử vùng N sẽ sang bên vùng P và tái hợp với lỗ trống bên vùng P. Khi đó, vùng N mất e sẽ hút các electron của âm nguồn lên thế chỗ. Vùng P nhận electron sẽ hút về cực dương của nguồn tái hợp với lỗ trống. Như vậy sẽ có một dòng electron chuyển động từ cực (-) của nguồn qua bán dẫn N sang chất bán dẫn P về cực (+) của nguồn, nói cách khác là diode dẫn dòng từ A → K.
b. Phân cực ngược
Nối cực (-) của nguồn một chiều VDC vào bán dẫn loại P, cực (+) vào bán dẫn loại N. Lúc đó cực (-) của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng bán dẫn loại P và cực (+) sẽ hút điện tử của bán dẫn loại N làm cho lỗ trống và điện tử hai bên tiếp giáp càng xa nhau (Miền tiếp xúc mở rộng) nên hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và điện tử càng khó khăn, hàng rào điện thế tăng nên do đó không có dòng electron chạy qua diode → Diode không dẫn dòng (khóa).
- Ứng dụng
Diode thường được sử dụng trong các mạch như: Mạch chỉnh lưu, mạch ổn áp, mạch lọc, mạch dao động tạo tần số....
Ví dụ: . Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng Diode
Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu không có tụ lọc Ví dụ: Mạch ổn áp tham số dùng diode Zener
6.1. Điốt ổn áp (Zener)
- Zener diode có cấu tạo tương tự diode chỉnh lưu nhưng hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau có nồng độ tạp chất cao hơn, thường được chế tạo từ tinh thể Silic.
Ký hiệu và hình dạng thực tế của diode zener
- Khi phân cực thuận diode zener hoạt động giống như diode chỉnh lưu. - Khi phân cực ngược diode zener sẽ ghim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên thân diode.
- Trong mạch điện dùng diode zener thường mắc thêm điện trở hạn dòng để làm mạch bảo vệ tránh trường hợp thiết bị bị quá công suất.
- Diode zener được dùng trong các mạch ổn định điện áp và ghim áp. Ví dụ: 3,3V, 5V, 9V...
6.2. Diode biến dung
- Diode biến dung là loại diode có điện dung như tụ điện. Tiếp giáp P- N của diode loại này được chế tạo đặc biệt để sao cho khi có điện áp chạy qua diode thì sẽ xuất hiện giá trị điện dung thay đổi.
Ký hiệu và hình dạng thực tế của diode biến dung
- Diode biến dung hoạt động dựa trên sự phụ thuộc của điện dung của tiếp giáp P - N trong các diode bán dẫn vào điện áp ngược. Điện áp càng cao thì vùng nghèo (depletion) trong tiếp giáp P - N càng rộng, dẫn đến điện dung giảm. - Diode biến dung được sử dụng cho các mạch điều chế tần số (Frequency Modulation) hoặc các mạch điều khiển tần số bằng điện áp (Voltage Controlled Frequency –VCO) có trị số điện dung thay đổi được theo điện áp điều khiển.
6.3. Đi ốt Tunen
Diode tunnel được Leo Esaki phát minh vào năm 1958 và ông đã nhận được giải thưởng Nobel năm 1973, đó là lý do tại sao nó còn được gọi là diode Esaki.
Diode tunnel là một diode có tiếp giáp P-N pha tạp nặng. Nó hoạt động trên nguyên tắc của hiệu ứng tunnel. Do nồng độ pha tạp nặng, lớp tiếp giáp trở nên rất mỏng. Điều này cho phép các electron dễ dàng thoát qua. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng tunnel hay hiệu ứng đường hầm.
Diode tunnel có khả năng dẫn ngược và nó được xem là một thiết bị chuyển mạch nhanh. Chúng được dùng trong các ứng dụng như bộ tạo dao động và bộ khuếch đại vi sóng.
6.4. Diode phát quang
Cấu tạo led
- Diode phát quang có cấu tạo tương tự như diode chỉnh lưu nhưng được pha tạp với các chất đặc biệt hơn, khi lỗ trống và điện tử kết hợp lại giải phóng năng lượng dưới dạng photon, hay ánh sáng.
- Tùy vào từng loại chất pha tạp thì led phát ra ánh sáng đơn sắc (Đỏ, xanh…) hoặc ánh sáng tổng hợp (ánh sáng trắng).
Ký hiệu và hình dạng thực tế của led phát quang
6.5. Diode thu quang
- Diode quang cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn P và N ghép với nhau trên vỏ có một phần là miếng thủy tinh hoặc chất dẻo trong suốt để thu nhận ánh sáng chiếu vào tiếp giáp P-N.
Ký hiệu và hình dạng thực tế của Diode thu quang
- Khi phân cực thuận: Diode thu quang không làm việc
- Khi phân cực ngược: Nếu không có tia hồng ngoại chiếu vào thì diode chưa làm việc. Khi có tia hồng ngoại từ diode phát chuyển tới, dòng điện ngược qua diode thu quang tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào từ diode phát.
Diode thu quang dùng trong các mạch điều khiển tự động, tự động đếm sản phẩm, tự động báo lỗi, tự động báo động, mắt nhận tín hiệu trong đầu VDC, DVD...
* Diode xung:
* Diode xung:
Giống với diode chỉnh lưu nhưng chịu được tần số hoạt động cao, nguồn làm việc là nguồn xung.
Diode xung dùng trong các bộ nguồn xung của biến áp xung hoặc có thể làm việc như diode chỉnh lưu thông thường.
Diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz, diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường.
7. Xác định cực tính và chất lượng của các loại điốt
*. Dùng đồng hồ vạn năng chỉ thị kim (VOM)
Thực hiện dùng đồng hồ VOM đo Diode theo các bước sau:
TT Nội dung công
việc Thao tác Yêu cầu kĩ thuật Kết luận
Bướ c 1 Chuẩn bị Chuyển đồng hồ về thang đo Ω Chuyển đúng thang đo(X1 hoặc X10). Bướ c 2 Tiến hành đo - Cố định diode
- Đặt hai que đo đồng hồ vào hai cực của diode sau đó đo và đảo chiều hai que đo
- Cố định chắc chắn - Thực hiên đo hai cực của diode có đảo chiều que đo đồng hồ
Bướ
c 3 Xác định cực tính
Quan sát trạng thái Tại phép đo kim đồng hồ dịch chuyển Xác định đúng cực A,K - Que đen là cực Anode (A) - Que đỏ là cực Cathode (K) Bướ c 4 Xác định chất lượng
Khi đo kim đồng hồ dịch chuyển đảo chiều que đo kim đồng hồ không dịch chuyển
Xác định đúng chất
lượng của diode Diode còn tốt Khi đo và đảo chiều
que đo kim đồng hồ đều dịch chuyển hoặc đều đứng im
Diode hỏng
* Dùng đồng hồ vạn năng chỉ thị số (DVOM)
Thực hiện dùng đồng hồ DVOM đo Diode theo các bước sau:
TT Nội dung
Bước 1 Chuẩn bị Chuyển đồng hồ về thang đo “ ”
Chuyển đúng thang
đo“ ”
Bước 2 Tiến hành đo
- Cố định diode - Đặt hai que đo đồng hồ vào hai cực của diode sau đó đo và đảo chiều hai que đo tại hai cực.
- Cố định chắc chắn - Thực hiên đo hai cực của diode có đảo chiều que đo đồng hồ Bước 3 Xác định cực tính Quan sát trạng thái Tại phép đo đồng hồ hiển thị số Xác định đúng cực A,K - Que đỏ là cực Anode (A) - Que đen là cực Cathode (K) Bước 4 Xác định chất lượng Khi đo đồng hồ hiển thị chỉ số, đảo chiều que đo đồng hồ hiển thị “OL”.
Xác định đúng chất
lượng của diode Diode còn tốt
Khi đo và đảo chiều que đo đồng hồ đều hiển thị “OL” hoặc hiển thị chỉ số.
BÀI 3: TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)
1. Cấu tạo, kí hiệu quy ước, nguyên lý hoạt động của Transistor lưỡng cực1.1. Cấu tạo, ký hiệu, phân loại 1.1. Cấu tạo, ký hiệu, phân loại
Cấu tạo của Transistor BJT
Gồm 2 chất bán dẫn P và N ghép xen kẽ với nhau tạo ra 3 vùng bán dẫn . Vùng bán dẫn có nồng độ tạp chất cao nhất, lấy ra một điện cực được gọi là cực Emiter (E) hay cực phát. Vùng bán dẫn có nồng độ tạp chất nhỏ nhất, lấy ra một điện cực gọi là cực Base (B) hay cực gốc. Vùng bán dẫn có nồng độ tạp chất trung bình, lấy ra một điện cực gọi là cực Colector (C) hay cực góp. Tùy theo cách sắp xếp các chất bán dẫn P và N mà ta có 2 loại Transistor khác nhau là PNP và NPN.
Kí hiệu và hình dạng thực tế:
Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn Ký hiệu và hình dạng thực tế của một số transistor
1.2. Nguyên lý làm việc1.2.1. Transistor loại NPN 1.2.1. Transistor loại NPN
Nguyên lý làm việc của transistor loại NPN khi phân cực thuận
Khi cấp nguồn E1 và E2 vào ba cực của transistor (như hình vẽ). Nguồn E2
> E1 thì bán dẫn P và N của cực B và E giống như một diode được phân cực thuận nên dẫn điện, điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ sang vùng bán dẫn P của cực B để tái hợp với lỗ trống. Khi đó vùng bán dẫn P của cực B nhận thêm điện tử nên có điện tích âm. Cực B nối vào nguồn điện áp dương của nguồn E1
nên sẽ hút một số điện tử trong vùng bán dẫn P xuống tạo thành dòng điện IB . Cực C nối vào điện áp dương E2 cao hơn nên hút hầu hết điện tử trong vùng bán dẫn P sang vùng bán dẫn N của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp âm nên khi bán dẫn N bị mất điện tử sẽ hút điện tử từ nguồn âm lên thế chỗ tạo thành dòng IE, số lượng các điện tử bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB, IC đều chạy vào cực E, ta có
IE = IB + IC. b. Phân cực ngược ( UE < UB < UC )
Khi cấp nguồn E1 và E2 vào ba cực của transistor (như hình vẽ) thì transistor không làm việc do cực E và cực B như diode bị phân cực ngược do đó không dẫn điện, transistor khóa không xuất hiện dòng điện chạy qua transistor.
Nguyên lý làm việc của transistor loại NPN khi phân cực ngược
Nếu tăng điện áp nguồn E đến mức quá giới hạn cho phép thì transistor sẽ bị đánh thủng tiếp giáp và hỏng.
1.2.2. Transistor loại PNP
a. Phân cực thận ( UE > UB > UC )
Nguyên lý làm việc của transistor loại PNP khi phân cực thuận
Khi cấp nguồn E1 và E2 và ba cực của transistor (như hình vẽ) thì bán dẫn P và N của cực B và E giống như một diode được phân cực thuận nên dẫn điện, điện tử từ vùng bán dẫn N của cực B sẽ sang vùng bán dẫn P của cực E để tái