220 E= Ω, R47 = 0,47Ω
BÀI 3: LINH KIỆN BÁN DẪN Mó bài : 13-
Mó bài : 13- 03
Giới thiệu:
Trong mạch điện tử nếu ch thuần cỏc linh kiện thụ động thỡ khụng thể hoạt động đƣợc, do cỏc thụng tin khụng đƣợc tạo ra hoặc khụng đƣợc biến đổi và khụng đƣợc xử lý (điều chế, khuếch đại, chuyển đổi sang cỏc dạng tớn hiệu khỏc..). Linh kiện tớch cực trong mạch giữ vai trũ quan trọng khụng thể thiếu đƣợc, là điều kiện để tạo ra cỏc thụng tin tớn hiệu, biến đổi và xử lớ thụng tin, là nền tảng cấu tạo nờn thiết bị điện tử. Ngày nay, với sự phỏt triển khụng ngừng của khoa học, cụng nghệ, nhất là cụng nghệ bỏn dẫn, trong cỏc thiết bị điện tử, chỳng ta gặp chủ yếu là linh kiện bỏn dẫn.
Mục tiờu:
- Phõn biệt đƣợc cỏc linh kiện bỏn dẫn cú cụng suất nhỏ: điốt nắn điện, điốt tỏch súng, led theo cỏc đặc tớnh của linh kiện.
- Sử dụng đƣợc bảng tra để xỏc định đặc tớnh kỹ thuật linh kiện theo nội dung bài đó học.
- Phõn biệt đƣợc cỏc loại linh kiện bằng mỏy đo VOM/ DVOM theo cỏc đặc tớnh của linh kiện.
- Kiểm tra đỏnh giỏ đƣợc chất lƣợng linh kiện bằng VOM/ DVOM trờn cơ sở đặc tớnh của linh kiện.
- Rốn luyện tớnh chớnh xỏc, nghiờm tỳc trong học tập và trong thực hiện cụng việc.
1.Kh i niệm chất b n dẫn
Mục tiờu:
- Trỡnh bấy đƣợc cỏc tớnh chất của chất bỏn dẫn
- Trỡnh bấy đƣợc sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết ,trong tạp chất - Trỡnh bầy đƣợc ƣu nhƣợc điểm của chất bỏn dẫn
1.1.Định nghĩa: Chất bỏn dẫn là chất cú đặc tớnh dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cỏch điện.
Sự phõn chia trờn ch cú tớnh chất tƣơng đối, vỡ điện trở suất của chất bỏn dẫn cũn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc, nếu ch dựa vào điện trở suất để định nghĩa thỡ chƣa thể biểu thị đầy đủ cỏc tớnh chất của cỏc chất bỏn dẫn.
1.2.Cỏc tớnh chất của chất bỏn dẫn
Điện trở của chất bỏn dẫn giảm khi nhiệt độ tăng, điện trở tăng khi nhiệt độ giảm. Một cỏch lý tƣởng ở khụng độ tuyệt đối (- 2730C) thỡ cỏc chất bỏn dẫn đều trở thành cỏch điện. Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi rất nhiều theo độ tinh khiết. Cỏc chất bỏn dẫn hoàn toàn tinh khiết cú thể coi nhƣ cỏch điện khi ở nhiệt độ thấp. Nhƣng nếu ch cú một chỳt tạp chất thỡ độ dẫn điện tăng lờn rất nhiều, thậm chớ cú thể dẫn điện tốt nhƣ cỏc chất dẫn điện.
Điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi dƣới tỏc dụng của ỏnh sỏng. Cƣờng độ ỏnh sỏng càng lớn thỡ điện trở của chất bỏn dẫn thay đổi càng lớn .
Khi cho kim loại tiếp xỳc với bỏn dẫn hay ghộp hai loại bỏn dẫn N và P với nhau thỡ nú ch dẫn điện tốt theo một chiều. Ngoài ra, cỏc chất bỏn dẫn cú nhiều đặc tớnh khỏc nữa.
1.3. Sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tinh khiết
Ngƣời ta đó nghiờn cứu và đƣa ra kết luận: dũng điện trong cỏc chất dẫn điện là do cỏc điện tử tự do chạy theo một chiều nhất định mà sinh ra. Cũn dũng điện trong chất bỏn dẫn khụng những do sự di chuyển cú hƣớng của cỏc điện tớch õm (điện tử), mà cũn là sự di chuyển cú hƣớng của cỏc điện tớch dƣơng (lỗ trống).
Bỏn dẫn thuần : là bỏn dẫn duy nhất khụng pha thờm chất khỏc vào.
Sự dẫn điện của bỏn dẫn thuần.
Vớ dụ: Xột bỏn dẫn tinh khiết Si, Si cú 4 điện tử ở lớp ngoài cựng, 4 điện tử này sẽ liờn kết với 4 điện tử của bốn nguyờn tử kế cận nú, hỡnh thành mối liờn kết gọi là liờn kết cộng húa trị cho nờn ở nhiệt độ thấp mối liờn kết này khỏ bền vững. sẽ khụng cú thừa điện tử tự do, do đú khụng cú khả năng dẫn điện. Gọi là trạng thỏi trung hoà về điện.(hỡnh 3-1)
Khi nhiệt độ tỏc động vào chất bỏn dẫn tăng lờn, thỡ điện tử lớp ngoài cựng đƣợc cung cấp nhiều năng lƣợng nhất. Một số điện tử nào đú cú đủ năng lƣợng thắng đƣợc sự ràng buộc của hạt nhõn thỡ rời bỏ nguyờn tử của nú, trở thành điện tử tự do, di chuyển trong mạng tinh thể. Chỗ của chỳng chiếm trƣớc đõy trở thành lỗ trống và trở thành ion dƣơng. Ion dƣơng cú nhu cầu lấy một điện tử bờn cạnh để trở về trạng thỏi trung hoà về điện.
Sẽ cú một điện tử của Si bờn cạnh nhảy vào lấp chỗ trống. Lại tạo nờn một lỗ trống khỏc và sẽ cú một điện tử ở cạnh đú nhảy vào lấp chỗ trống.(hỡnh 3-2)
Hỡnh 3-2. Sự tạo thành lỗ trống và điện tử tự do
Cứ nhƣ vậy, mỗi khi cú một điện tử tự do thoỏt khỏi ràng buộc với hạt nhõn của nú, di chuyển trong mạng tinh thể, thỡ cũng cú một lỗ trống chạy trong đú. Thực chất, sự di chuyển của lỗ trống là do di chuyển của cỏc điện tử chạy tới lấp lỗ trống.
Trong chất bỏn dẫn tinh khiết bao giờ số điện tử và số lỗ trống di chuyễn cũng bằng nhau. Ở nhiệt độ thấp thỡ ch cú ớt cặp điện tử lỗ trống di chuyển. Nhƣng nhiệt độ càng cao thỡ càng cú nhiều cặp điện tử, lỗ trống di chuyễn. Sự di chuyển này khụng cú chiều nhất định nờn khụng tạo nờn dũng điện.
Nếu bõy giờ đấu thanh bỏn dẫn với hai cực dƣơng, õm của một pin, thỡ giữa hai đầu thanh bỏn dẫn cú một điện trƣờng theo chiều từ A đến B (hỡnh 3.3.). Cỏc điện tử sẽ di chuyển ngƣợc chiều điện trƣờng, cỏc điện tử tới lấp lỗ trống cũng chạy ngƣợc chiều điện trƣờng. Dũng điện tử và dũng lỗ trống hợp thành dũng điện trong thanh bỏn dẫn. nhiệt độ càng tăng thỡ dũng điện càng lớn. (hỡnh 3-3)
B 0-- 0-- -> 0-- -> dòng lỗ trống 0---> dòng điện tử 0-- -> -> 0-- 0---> 0-- -> 0 -- -> o --- > 0---> 0---> 0---> 0-- -> -> 0-- 0---> 0-- -> _ 0-- -> 0-- -> 0---> E 0---> -------------> + E 0-- -> A -------------> 0---> 0--->
Hỡnh 3-3. Chiều chuyển động của cỏc điện tử và lỗ trống 1.3 Sự dẫn điện trong chất bỏn dẫn tạp
Bỏn dẫn tạp chất là bỏn dẫn cú pha thờm chất khỏc vào. Tựy vào chất khỏc là chất nào mà cú hai loại bỏn dẫn tạp chất: bỏn dẫn loại N và bỏn dẫn loại P.
Bỏn dẫn N: Bỏn dẫn loại N cũn gọi là bỏn dẫn điện tử hay bỏn dẫn õm..
Nếu cho một ớt tạp chất antimoan (Sb) vào tinh thể Si tinh khiết ta thấy hiện tƣợng sau: nguyờn tử Sb cú năm điện tử ở lớp ngoài cựng, nờn ch cú 4 điện tử của antimoan (Sb) kết hợp với bốn điện tử liờn kết giữa antimoan (Sb) và bốn nguyờn tử Si, cũn điện tử thứ năm thỡ thừa ra. Nú khụng bị ràng buộc với một nguyờn tử Si nào, nờn trở thành điện tử tự do di chuyển trong tinh thể chất bỏn dẫn. Do đú, khả năng dẫn điện của loại bỏn dẫn này tăng lờn rất nhiều so với chất bỏn dẫn thuần. Nồng độ tạp chất antimoan (Sb) càng cao thỡ số điện tử thừa càng nhiều và chất bỏn dẫn càng dẫn điện tốt. Hiện tƣợng dẫn điện nhƣ trờn gọi là dẫn điện bằng điện tử. Chất bỏn dẫn đú gọi là chất bỏn dẫn N. (hỡnh 3-4)
Nếu cho tạp chất hoỏ trị 5 nhƣ phốt pho (P), asen (As), antimoan (Sb) vào cỏc chất hoỏ trị 4 nhƣ gecmani (Ge), silic (Si), cacbon (C) ta cú bỏn dẫn N. Trong chất bỏn dẫn loại N thỡ cỏc điện tử thừa là cỏc hạt điện tớch õm chiếm đa số. Số lƣợng điện tử thừa phụ thuộc nồng độ tạp chất. Cũn số cỏc cặp điện tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thỡ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại N, thỡ dƣới tỏc động của điện trƣờng E cỏc điện tử chạy ngƣợc chiều điện trƣờng cũn cỏc lỗ trống chạy cựng chiều điện trƣờng. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện.
Dũng điện do cỏc điện tử thừa sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cỏc cặp điờn tử - lỗ trống tạo nờn . Vỡ thế cỏc điện tử thừa này gọi là điện tớch đa số.
Bỏn dẫn P: Bỏn dẫn loại P cũn gọi là bỏn dón lỗ trống hay bỏn dẫn dƣơng.
Nếu cho một ớt nguyờn tử Inđi (In) vào trong tinh thể gecmani tinh khiết thỡ ta thấy hiện tƣợng sau: nguyờn tử indi cú ba điện tử ở lớp ngoài cựng, nờn ba điện tử đú ch liờn kết với ba điện tử của ba nguyờn tử gecmani chung quanh. Cũn liờn kết thứ tƣ của inđi với một nguyờn tử gecmani nữa thỡ lại thiếu mất một điện tử, chỗ thiếu đú gọi là lỗ trống, do cú lỗ trống đú nờn cú sự di chuyển điện tử của nguyờn tử gộcmani bờn cạnh tới lấp lỗ trống và lại tạo nờn một lỗ trống khỏc, khiến cho một điện tử khỏc lại tới lấp. Do đú chất bỏn dẫn loại P cú khả năng dẫn điện. Lỗ trống coi nhƣ một điện tớch dƣơng. Nguyờn tử inđi trƣớc kia trung tớnh, nay trở thành ion õm, vỡ cú thờm điện tử. .(hỡnh 3-5)
Hỡnh 3-5. Mạng tinh thể của chất bỏn dẫn loại N
Hiện tƣợng dẫn điện nhƣ trờn gọi là dẫn điện bằng lỗ trống. Chất bỏn dẫn đú là bỏn dẫn loại P hay cũn gọi là bỏn dẫn dƣơng.
Nếu cú tạp chất hoỏ trị ba nhƣ inđi (In), bo (B), gali (Ga) vào cỏc chất bỏn dẫn hoỏ trị bốn nhƣ Ge, Si,C thỡ cú bỏn dẫn loại P.
Trong chất bỏn dẫn loại P, lỗ trống là những hạt mang điện tớch chiếm đa số. Số lƣợng lỗ trống phụ thuộc vào nồng độ tạp chất, cũn số cỏc cặp điờn tử - lỗ trống do phỏ vỡ liờn kết tạo thành thỡ phụ thuộc vào nhiệt độ.
Nếu đấu hai cực của bộ pin vào hai đầu một thanh bỏn dẫn loại P thỡ dƣới tỏc động của điện trƣờng E, cỏc lỗ trống (đa số) và cỏc cặp điện tử - lỗ trống đang di chuyễn lung tung theo mọi hƣớng sễ phải di chuyển theo hƣớng quy định. Nhờ đú trong mạch cú dũng điện. Dũng điện do lỗ trống sinh ra lớn hơn nhiều so với dũng điện do cặp điện tử - lỗ trống. Vỡ thế trong bỏn dẫn loại P cỏc lỗ trống là điện tớch đa số.
1.4. Ƣu nhƣợc điểm của linh kiện bỏn dẫn
Ưu điểm:
- Linh kiện bỏn dẫn khụng cú sợi nung, nờn khụng cần nguồn sợi nung, vừa
khụng tốn điện vừa trỏnh đƣợc nhiễu tạp do sợi nung gõy ra.
- Linh kiện bỏn dẫn cú thể tớch nhỏ gọn, dễ lắp rỏp. - Linh kiện bỏn dẫn cú tuổi thọ tƣơng đối dài. Nhược điểm:
- Linh kiện bỏn dẫn cú điện ỏp ngƣợc nhỏ hơn so với đốn điện tử chõn khụng. - Linh kiện bỏn dẫn cú dũng điện ngƣợc (Dũng r ),
- Linh kiện bỏn dẫn cú điện trở ngƣợc khụng lớn, lại khụng đồng đều, - Cỏc thụng số kĩ thuật của linh kiện bỏn dẫn thay đổi theo nhiệt độ.
2.Tiếp gi p P-N; điụt tiếp mặt
Mục tiờu :
- Trỡnh bầy đƣợc cấu tạo, nguyờn lý làm việc của tiếp giỏp bỏn dẫn PN
- Trỡnh bầy đƣợc cấu tạo, nguyờn lý làm việc,đặc tuyến volt - Ampe của điốt tiếp mặt
2.1.Tiếp giỏp PN 2.1.1.Cấu tạo:
Ghộp bỏn dẫn loại N và bỏn dẫn loại P tiếp xỳc với nhau sẽ hỡnh thành một lớp tiếp xỳc P - N.Trong bỏn dẫn P lỗ trống là cỏc điện tớch đa số, cũn trong bỏn dẫn N là cỏc điện tử thừa.(hỡnh 3-6)
Hỡnh3-6. Cấu tạo mối nối PN Nguyờn lớ hoạt động:
- Khi chưa cú điện trường ngoài đặt lờn tiếp xỳc :
Khi ghộp hai loại bỏn dẫn P và N với nhau thỡ điện tử thừa của N chạy sang P và cỏc lỗ trống của bỏn dẫn P chạy sang N. Chỳng gặp nhau ở vựng tiếp giỏp, tỏi hợp với nhau và trở nờn trung hoà về điện.
Ở vựng tiếp giỏp về phớa bỏn dẫn P, do mất lỗ trống nờn ch cũn lại những ion õm. Vỡ vậy, ở vựng đú cú điện tớch õm. Ở vựng tiếp giỏp về phớa bỏn dẫn N, do mất điện tử thừa, nờn ch cũn lại những ion dƣơng. Vỡ vậỵ ở vựng đú cú điện tớch dƣơng, do đú, hỡnh thành điện dung ở mặt tiếp giỏp. Đến đõy, sự khuếch tỏn qua lại giữa P và N dừng lại.
Vựng tiếp giỏp đó trở thành một bức rào ngăn khụng cho lỗ trống từ P chạy qua N và điện tử N chạy qua P. Riờng cỏc hạt mang điện tớch thiểu số là cỏc điện tử trong bỏn dẫn P và cỏc lỗ trống trong bỏn dẫn N là cú thể vƣợt qua tiếp giỏp, vỡ chỳng khụng bị ảnh hƣởng của bức xạ hàng rào ngăn, mà ch phụ thuộc nhiệt độ.
- Khi cú điện trường ngoài đặt lờn tiếp xỳc : + Phõn cực thuận(hỡnh 3-7).
Do tỏc dụng của điện trƣờng E, cỏc điện tử thừa trong N chạy ngƣợc chiều điện trƣờng vƣợt qua tiếp giỏp sang P, để tỏi hợp với cỏc lỗ trống trong P chạy về phớa tiếp giỏp. Điện tử tự do từ õm nguồn sẽ chạy về bỏn dẫn N để thay thế, tạo nờn dũng thuận cú chiều ngƣợc lại.
Dũng thuận tăng theo điện ỏp phõn cực. Ngoài ra, phải kể đến sự tham gia vào dũng thuận của cỏc điện tử trong cặp điện tử - lỗ trống. Khi nhiệt độ tăng lờn thỡ thành phần này tăng, làm cho dũng thuận tăng lờn.
+ Phõn cực ngược (hỡnh 3-8 )
Hỡnh 3-8. Phõn cực ngƣợc cho mối nối PN
Do tỏc động của điện trƣờng E cỏc điện tử thừa trong N và cỏc lỗ trống trong P đều di chuyển về hai đầu mà khụng vƣợt qua đƣợc tiếp giỏp, nờn khụng tạo nờn đƣợc dũng điện. Ch cũn một số điện tớch thiểu số là những lỗ trống trong vựng bỏn dẫn N và cỏc điện tử trong vựng bỏn dẫn P (của cặp điện tử - lỗ trống) mới cú khả năng vƣợt qua tiếp giỏp. Chỳng tỏi hợp với nhau.
Do đú cú một dũng điện tử rất nhỏ từ cực õm nguồn chạy tới để thay thế cỏc điện tử trong P chạy về phớa N và tạo nờn dũng điện ngƣợc rất nhỏ theo chiều ngƣợc lại. Gọi là dũng ngƣợc vỡ nú chạy từ bỏn dẫn õm (N) sang bỏn dẫn dƣơng (P). Dũng ngƣợc này phụ thuộc vào nhiệt độ và hầu nhƣ khụng phụ thuộc điện ỏp phõn cực. Đến khi điện ỏp phõn cực ngƣợc tăng quỏ lớn thỡ tiếp giỏp bị đỏnh thủng và dũng ngƣợc tăng vọt lờn.
Cấu tạo – Kớ hiệu : Điốt tiếp mặt gồm hai bỏn dẫn loại P và loại N tiếp giỏp nhau. Đầu bỏn dẫn P là cực dƣơng(Anốt), đầu bỏn dẫn N là cực õm (Katốt) .(hỡnh 3-9)
Hỡnh 3-9. Cấu tạo và kớ hiệu của Diod
Điốt tiếp mặt cú nhiều cỡ to nhỏ, hỡnh thức khỏc nhau. Do diện tiếp xỳc lớn, nờn dũng điện cho phộp đi qua cú thể lớn hàng trăm miliampe đến hàng chục ampe, điện ỏp ngƣợc cú thể từ hàng trăm đến hàng ngàn vụn. Nhƣng điện dung giữa cỏc cực lớn tới hàng chục picụfara trở lờn, nờn ch dựng đƣợc ở tần số thấp để nắn điện.
Nguyờn lý làm việc của điụt tiếp mặt :
Phõn cực thuận diode VA > VK ( VAK > 0) : nối A với cực dƣơng của nguồn, K
với cực õm của nguồn.
Điện tớch õm của nguồn đẩy điện tử trong N về lớp tiếp xỳc. Điện tớch dƣơng của nguồn đẩy lỗ trống trong P về lớp tiếp xỳc, làm cho vựng khiếm khuyết càng hẹp lại. Khi lực đẩy đủ lớn thỡ điện tử từ vựng N qua lớp tiếp xỳc, sang vựng P và đến cực dƣơng của nguồn….Lực đẩy đủ lớn là lỳc diode cú VAK đạt giỏ trị Vγ, lỳc này diode cú dũng thuận chạy theo chiều từ A sang K.
Vγ đƣợc gọi là điện thế ngƣỡng (điện thế thềm, điện thế mở).