A. MỤC TIÊU BÀI HỌC
- Hiểu được nguyên lý hoạt động các linh kiện tích cực - Xác định được chân các linh kiện tích cực
- Xác định được linh kiện còn tốt hay hỏng - Rèn luyện tính cẩn thận tỉ mỉ, siêng năng
B. NỘI DUNG BÀI HỌC 1. Chất bán dẫn
- Khái niệm
Là các chất mà cấu tạo nguyên tử ở tầng ngồi cùng có bốn điện tử, chất bán dẫn có điện trở lớn hơn chất dẫn điện nhưng nhỏ hơn chất cách điện.
Các chất bán dẫn điện thông dụng là : Silicium, Germanium.
Từ các chất bán dẫn ban đầu (tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor.
- Đặc tính của chất bán dẫn + Điện trở suất m mm m mm Ge Si / 10 . 9 , 8 / 10 2 12 2 14 = =
Trị số điện trở suất này rất lớn so với chất dẫn điện như đồng ( =0,017mm2/m) nhưng lại rất nhỏ so với chất điện như thuỷ tinh ( 1018 2 / ) m mm = .
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ
Điện trở của chất bán dấn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì điện trở chất bán dẫn giảm.
+ Ảnh hưởng của ánh sáng
Điện trở của chất bán dẫn đặt trong vỏ kín khơng có ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn thì điện trở giảm xuống, độ chiếu sáng càng mạnh thì điện trở giảm càng lớn. + Ảnh hưởng của độ tinh khiết
Một khối tinh khiết có điện trở rất lớn nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ rất thấp thì các chất thích hợp thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt. Tỉ lệ pha càng cao thì điện trở càng giảm nhỏ.
+ Sự dẫn điện trong chất bán dẫn tinh khiết
Xét cấu tạo nguyên tử của chất Silicium và chất Germanium. Chất Si có 14 điện tử bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp thành 3 lớp. Chất Ge có 32 Electron bao quanh hạt nhân và các điện tử này xếp trên 4 lớp.
21
Hình 2.1
Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số Electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là 4 Electron ( hoá trị 4).
Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử người ta chỉ xét lớp ngoài cùng. Trong khối bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết cùng nhau theo kiểu cộng hoá trị. Bốn điện tử của mỗi nguyên tử sẽ nối với bốn điện tử của nguyên tử xung quanh tạo thành 4 mối nối làm cho các điện tử được liên kết chặt chẽ với nhau. Sự liên kết này làm cho các điện tử khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Như vậy, chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn.
1.1. Chất bán dẫn N
Khi pha một lượng nhỏ chất có hó trị 5 như Phospho(P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị, nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử thừa và trở thành điện tử tự do Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được gọi là chất bán dẫn N (Negative: âm).
Hình 2.3
1.2. Chất bán dẫn P
Khi pha thêm một lượng nhỏ chất có hóa trị 3 như Indium (In) vào chất Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 3 nguyên tử Si theo liên kết cộng hóa trị và có một liên kết
22
bị thiếu một điện tử trở thành lỗ trống (mang diện dương) và được gọi là chất bán dẫn P(Positive: dương).
Hình 2.3
2. Diode
2.1. Cấu tạo của Diode, nguyên lý, đặc tuyến của diode
+ Cấu tạo:
Khi trong một tinh thể bán dẫn Silicium hay Germanium được pha để trở thành vùng bán dẫn loại N (pha phosphor) và vùng bán dẫn loại P (pha indium) thì trong tinh thể bán dẫn hình thành mối nối P – N. Ở mối nối này có sự nhạy cảm đối với tác động của điện, quang, nhiệt.
Hình 2.4a Hình 2.4b Hình 2.4c
Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lổ trống, trong vùng bán dẫn N có nhiều Electron thừa. Khi hai vùng này tiếp xúc với nhau sẽ có một số Electron vùng N qua mối nối và tái hợp với lổ trống của vùng P. Khi hai chất bán dẫn đang trung hoà về điện mà vùng bán dẫn N bị mất electron (qua mặt nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron (từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích âm (ion âm). Hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electron từ vùng N sang P.
Sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện thế.
23
+ Nguyên lý hoạt động của Diode
- Phân cực ngược Diode
Hình 2.6a Hình 2.6b
Dùng một nguồn điện nối vào cực âm của nguồn vào chân P của diode và cực dương của nguồn vào chân N của diode. Lúc đó, điện tích âm của nguồn sẽ hút lổ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lổ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tương tái hợp giữa electron và lổ trống càng khó khăn. Tuy nhiên trường hợp này vẫn có dịng điện rất nhỏ đi qua diode từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng A.
Hiện tượng này được giải thích là do trong chất bán dẫn P cũng có một số ít electron và trong chất bán dẫn N cũng có một số ít lổ trống gọi là hạt tải thiểu số, những hạt tải thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo ra dòng điện rỉ. Dòng điện rỉ gọi là dịng điện bảo hồ nghịch IS. Do dịng điện rỉ có trị số rất nhỏ nên trong ta coi như diode không dẫn điện khi phân cực ngược.
24 - Phân cực thuận Diode
Dùng một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân P và cực âm của nguồn vào chân N của diode.
Hình 2.7a Hình 2.7b
Lúc đó điện tích dương của nguồn sẽ đẩy lổ trống trong vùng P và điện tích âm của nguồn sẽ đẩy electron trong vùng N làm cho electron và lổ trống lại gần mối nối hơn và khi lực tĩnh điện đủ lớn thì electron từ N sẽ sang mối nối qua P và tái hợp với lổ trống. Khi vùng N mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo điện tích âm từ cực âm của nguồn lên thế chổ, khi vùng P nhận electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện tích âm từ vùng P về.
Như vậy: ta đã có một dòng điện tử chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua diode từ N sang P về cực dương của nguồn, nói cách khác có dịng điện qua diode theo chiều từ P sang N.
+ Đặc tuyến của diode:
Is: dòng bão hòa nghịch V: Điện thế ngưỡng VB: Điện thế đánh thủng
Đầu tiên phân cực thuận diode, tăng VDC từ 0 lên, khi VD = V thì diode bắt đầu có dịng qua. V được gọi là điện thế thềm (điện thế ngưỡng, điện thế mở) và có trị số phụ thuộc chất bán dẫn. Sau khi VD vượt qua V thì dịng điện sẽ tăng theo hàm số mũ và được tính theo cơng thức:
) 1 mV 26D V e ( S I D I = −
Hình: Đặc tuyến volt – Ampe của diode
VB
ID
0
V VD IS
25 Phân cực thuận: VD> 0 => e VD 26mv >> 1 => ID = IS . e VD 26mv Phân cực nghịch: VD< 0 => e VD 26mv << 1 => ID = -IS
Dấu trừ (-) chỉ chiều dòng điện qua diode khi phân cực nghịch ngược với chiều dòng điện qua diode khi phân cực thuận.
Không phâncực: VD = 0 => e VD 26mv = 1 => ID = 0 2.2. Ứng dụng diode Nắn điện, tách sóng, ổn áp,.... + Mạch nắn điện bán kỳ Hình 2.8
Biến thế T là bộ giảm áp đổi nguồn điện xoay chiều 220v xuống trị số thích hợp.
Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ dương thì diode D được phân cực thuận nên dẫn điện IL qua điện trở tải RL cũng có trị số biến thiên theo bán kỳ dương của nguồn V2 và cho ra điện áp trên tải VL dạng bán kỳ dương gần bằng V2. Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ âm thì diode D được phân cực ngược nên khơng có dẫn điện. Khơng có dịng điện chạy qua diode nên IL = 0 và VL = 0.
Như vậy dòng điện qua tải IL và điện áp ra trên tải VL chỉ cịn lại có bán kỳ dương, do đó mạch điện được gọi là mạch nắn điện một bán kỳ.
26
Hình 2.9
Biến thế có cuộn thứ cấp ba điểm, điểm giữa chia cuộn thứ cấp ra hai phần dều nhau. Khi điểm giữa nối xuống điểm chung 0V (mass) thì điện áp của hai điểm A và B là hai điện áp đảo pha nhau.
Khi A có bán kỳ dương, Diode DA được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên tải dịng điện IL tăng theo bán kỳ dương. Lúc đó, B có bán kỳ âm, Diode DD được phân cực ngược nên ngưng dẫn.
Khi A có bán kỳ âm, Diode DA được phân cực ngược nên ngưng dẫn. Lúc đó B có bán kỳ dương của diode DB được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên dòng tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương.
Như vậy, hai điện áp A và B là hai điện áp đảo pha nhau nên hai diode DA và DB sẽ luân phiên dẫn điện cho ra trên tải những bán kỳ dương liên tục.
+ Mạch nắn điện tồn kỳ dùng cầu diode
Hình 2.10
+ Xác định hư hỏng diode
Sử dụng đồng hồ VOM, giai đo x1. - Đo hai lần thuận – nghịch:
- Một lần kim lên, một lần kim không lên: Diode tốt. - Kim đều lên chỉ số 0: Diode nối tắt.
- Kim đều không nhảy lên: Diode bị đứt.
- Kim lên gần bằng nhau (hoặc cách nhau rất ít): Diode bị rĩ.
3. Transistor lưỡng cực BJT
3.1. Cấu tạo, nguyên lý, phân cực của BJT
+ Cấu tạo
Transistor là linh kiện bán dẫn gồm có 3 lớp bán dẫn tiếp giáp nhau tạo thành hai mối nối P – N.
Tuỳ theo cách xếp thứ tự các vùng bán dẫn người ta chế tạo hai loại transistor là PNP và NPN
Hình: Cấu tạo transistor
27 - Cực thu C (Collector)
- Cực nền B (Base)
Ba vùng bán dẫn được nối ra 3 chân gọi các cực E, C, B. Cực phát E và cực thu C tuy cùng chất bán dẫn nhưng do kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên khơng thể hốn đổi nhau được.
Để phân biệt với các loại transistor khác, loại PNP và NPN còn được gọi là transistor lưỡng nối viết tắc là BJT (Bipolar Junction Transistor).
+ Ký hiệu, hình dáng
Ký hiệu:
Hình: Ký hiệu transistor
Để phân biệt hai loại transitor NPN và PNP người ta dùng ký hiệu mũi tên ở cực E để chị chiều dịng điện IE.
Hình dáng
Hình: Các hình dạng transistor
+ Nguyên lý hoạt động của transistor, phân cực của BJT
- Xét transistor loại NPN - Thí nghiệm 1:
Hình 4.4
Cực E nối vào cực âm, cực C nối vào cực dương của nguồn DC, cực B để hở. Trường hợp này điện tử trong vùng bán dẫn N của cực E và C, đo tác dụng của lực tĩnh điện sẽ bị duy chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên điện tử từ vùng bán dẫn N của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn P của cực nền B nên
Transistor cơng suất lớn ( Con sị) Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn
28
khơng có hiện tượng tái hợp giữa điện tử và lỗ trống và do đó khơng có dịng điện qua transistor.
- Thí nghiệm 2 :
Hình 4.5
Làm giống như thí nghiệm 1 nhưng nối cực B vào một điện áp dương sao cho: VB > VE và VB < VC
Trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực B và cực E giống như một diode (gọi là diode BE) 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 điện áp dương của nguồn 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 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 bị hút điện tử từ nguồn âm lên hết thế chỗ tạo thành dòng điện IE.
Chiều mũi tên trong transistor chỉ chiều dòng điện tử di chuyển, dòng điện qui ước chạy ngược dòng điện tử nên dòng điện IB và IC đi từ ngồi vào transistor, dịng IE đi từ trong transistor ra.
Số lượng điện tử bị hút từ cực E đều chạy sang cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều chạy sang cực E.
Tacó: IE = IB + IC
- Trạng thái phân cực thuận cho hai mối nối:
Về cấu tạo trnsistor NPN được xem hai diode ghép ngược. Transistor dẫn điện khi được cung cấp điện áp. Lúc đó, diode BE được phân cực thuận các diode BC được phân cực ngược
- Xét transistor loại PNP - Thí nghiệm 3:
29
Đối với transistor PNP thì điện áp nối vào các chân ngược lại với transistor NPN. Hạt tải di chuyển trong transistor PNP là các điện tử xuất phát từ cực E trong khi đối với transistor PNP thì hạt tải di chuyển là lỗ trống xuất phát từ cực E.
Transistor PNP có cực E nối vào cực dương, cực C nối vào cực âm của nguồn DC, cực B để hở.
Trường hợp này lỗ trống trong vùng bán dẫn P của cực E và cực C, do tác dụng của lực tĩnh điện, sẽ bị di chuyển theo hướng từ cực E về cực C. Do cực B để hở nên lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sẽ không thể sang vùng bán dẫn N của cực B nên khơng có hiện tượng tái hợp giữa lỗ trống và điện tử và khơng có dịng điện qua transistor.
- Thí nghiệm 4 :
Nối cực B vào một điện áp âm sao cho VB<VE và VB>VC
Trong trường hợp này hai vùng bán dẫn P và N của cực E và cực B giống như diode (gọi là diode BE) Được phân cực thuận nên dẫn điện, lỗ trống từ vùng bán dẫn P của cực E sang vùng bán dẫn N của cực B để tái hợp với điện tử.
Khi vùng bán dẫn N của cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương. Cực B nối vào điện áp âm của nguồn nên sẽ hút một số lỗ trống vào vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện IB. Cực C nối vào điện áp âm cao hơn nên hút hầu hết lỗ trống trong vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P của cực C tạo thành dòng điện IC. Cực E nối vào nguồn điện áp dương nên khi vùng bán dẫn P bị mất lỗ trống sẽ hút lỗ trống từ nguồn dương lên thế chổ tạo thành dòng điện IE.
Hai mũi tên trong transitor chỉ chiều lỗ trống di chuyển, dòng lỗ trống chạy ngược chiều dòng điện tử nên dịng lỗ trống có chiều cùng chiều với dịng qui ước, dòng điện IB và Ic từ trong transitor đi ra, dòng điện IE đi từ ngoài vào transistor.
Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E chạy đều qua cực B và cực C nên dòng điện IB và IC đều từ cực E chạy qua.
Tacó : IE = IB + IC
30
Về cấu tạo transistor PNP được xem như hai diode ghép ngược. Diode BE được phân cực thuận và diode BC được phân cực ngược.
3.2. Ứng dụng cơ bản của BJT
- Mạch khuếch đại tín hiệu - Mạch dao động đa hài…..