Bài giảng Cấu kiện điện tử - Đỗ Mạnh Hà

176 trang ngocly 2410

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu kiện điện tử - Đỗ Mạnh Hà", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_cau_kien_dien_tu_do_manh_ha.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Đỗ Mạnh Hà

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 8/2009 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 1 1/176
(ECE) Electrical and Computer Engineering Specialties CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES Digital signal processing Communications Information theory Information Control theory Engineering Đỗ Mạnh Hà Algorithms KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Architecture Complexity HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT Computer Electronics Programming Electrical Engineering / Circuits Language Engineering Computer Optics Compilers Science Power systems Operating 8/2009 Electromagnetic Systems Ha M. Do -PTIT Lecture 1 1 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 2 Giớithiệumônhọc Cấukiện điệntử Mục đích môn học: -Trangbị cho sinh viên những kiếnthứcvề nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số và lĩnh vựcsử dụng của các loạicấukiện(linhkiện) điệntửđểlàm nềntảng cho các môn học chuyên ngành. -Mônhọc khám phá các đặc tính bên trong củalinhkiệnbándẫn, từđóSV có thể hiểu đượcmối quan hệ giữacấutạohìnhhọc và các tham số củacấukiện, ngoài ra hiểu được các đặctínhvềđiện, sơđồtương đương, phân loạivàứng dụng của chúng. Cấukiện điệntử? Là các phầntử linh kiên rờirạc, mạch tích hợp (IC) tạonênmạch điệntử, các hệ thống điệntử. Gồmcácnội dung chính sau: + Giớithiệu chung về cấukiện điệntử. + Vậtliệu điệntử + Cấukiệnthụđộng: R, L, C, Biếnáp + Điốt + Transistor lưỡng cực–BJT. + Transistor hiệu ứng trường – FET + Cấukiện quang điệntử. 2/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 3 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 4
Sơđồkhốimộthệ thống điệntửđiểnhình Hệ thống điệntử (1) Sensor, detector, Mạch vào: Đầuvàohoặc or transducer: Bộ lọc, khuếch Nguồntínhiệu: Tín hiệudướidạng đại, hạnbiên điện, cơ, sóng âm dòng hoặc điệnáp Đầura:Màn hình, kích hoạtthiếtbị, Tính toán: ADC, tín hiệu đưatới ra quyết định, Xử lý tín hiệusố hệ thống tiếptheo điềukhiển CD / DVD recoders and players Robotic control Cell phones Weather prediction systems Ha M. Do -PTIT Lecture 1 5 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 6 Hệ thống điệntử (2) Hệ thống điệntử (3) Images: amazon.com 3/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 7 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 8
Hệ thống điệntử (4) Hệ thống điệntử (5) NOKIA 8260 (Mặttrước) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 9 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 10 Hệ thống điệntử (6) Giớithiệu chung về Cấukiện điệntử NOKIA 8260 (Mặtsau) -Cấukiện điệntửứng dụng trong nhiềulĩnh vực. Nổibậtnhấtlàứng dụng trong lĩnh vực điệntử -viễn thông, CNTT. -Cấukiện điệntử rất phong phú, nhiềuchủng loại đadạng. - Công nghệ chế tạo linh kiện điệntử phát triểnmạnh mẽ, tạoranhững vi mạch có mật độ rấtlớn(Vi xử lý Intel COREi7 - khoảng hơn 1,3 tỉ Transistor ) -Xuthế các cấukiện điệntử có mật độ tích hợp ngày càng cao, có tính năng mạnh, tốc độ lớn 4/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 11 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 12
Ứng dụng củacấukiện điệntử Ứng dụng củacấukiện điệntử -Các linh kiệnbándẫnnhư diodes, transistors và mạch tích hợp(ICs)có thể tìm thấykhắpnơi trong cuộcsống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hoà, máy tính, ). Chúngtangàycàngphụ thuộc vào chúng và những thiếtbị nàycóchấtlượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn. - PCs minh hoạ rấtrõxuhướng này. -Nhân tố chính đem lạisự phát triển thành công củanền công nghiệp máy tính là việc thông qua các kỹ thuậtvàkỹ năng công nghiệptiên tiếnngườitachế tạo được các Transistor vớikíchthước ngày càng nhỏ → giảm giá thành và công suất. Chips Sand Chips on Silicon wafers Ha M. Do -PTIT Lecture 1 13 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 14 Đặc điểmpháttriểncủamạch tích hợp(IC) Định luậtMOORE -Tỷ lệ giá thành/tính năng củaIC giảm 25% –30% mỗinăm. -Số chứcnăng, tốc độ, hiệusuấtchomỗiIC tăng: -Kíchthước wafer tăng -Mật độ tích hợptăng nhanh -Thế hệ công nghệ IC: + SSI - Small-Scale Integration + MSI – Medium-Scale Integration + LSI- Large-Scale Integration + VLSI- Very-large-scale integration + SoC - System-on-a-Chip + 3D-IC - Three Dimensional Integrated Circuit + Nanoscale Devices, 5/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 15 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 16
Ví dụ: Intel Processor Cấutrúcchương trình Lecture 1- Introduction (Giớithiệu chung) Silicon Process 1.5μ 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ Lecture 2- Passive Components (Cấukiệnthụđộng) Technology Lecture 3- Semiconductor Physics (Vật lý bán dẫn) Intel386TM DX Processor Lecture 4- P-N Junctions (TiếpgiápP-N) 45nm Lecture 5- Diode (Điốt) Intel486TM DX Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) Processor Nowadays! Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) Lecture 8- OptoElectronic Devices Pentium® Processor (Cấukiện quang điệntử) Lecture 9- Thyristor Pentium® Pro & Pentium® II Processors Ha M. Do -PTIT Lecture 1 17 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 18 Tài liệuhọctập Yêu cầumônhọc - Tài liệuchính: - Sinh viên phảinắm đượckiếnthứccơ bảnvề vậtlýbándẫn, về tiếp + Lecture Notes (Electronic Devices – DoManhHa – PTIT – 8/2009) giáp PN, cấutạo, nguyên lý, sơđồtương đương, tham số, phân cực, -Tàiliệuthamkhảo: chếđộxoay chiều, phân loại, mộtsốứng dụng của các loạicấukiện 1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006. điệntửđượchọc. 2. MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T. Home - University of - Sinh viên phải đọctrước các Lecture Notes trướckhilênlớp. California at Berkeley, Charles G. Sodini – MIT , 1997 - Sinh viên phải tích cựctrả lời câu hỏicủagiảng viên và tích cực đặt 3. Giáo trình Cấukiện điệntử và quang điệntử, TrầnThị Cầm, Họcviện CNBCVT, 2002 câu hỏitrênlớphoặc qua email: caukien@gmail.com 4. Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing -Làmbàitậpthường xuyên, nộpvở bài tậpbấtcứ khi nào Giảng viên Company, 1988. yêu cầu, hoặc qua email: caukien@gmail.com 5. Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow Version, Robert T. Paynter, Prentice Hall, 1997. -Tự thựchànhtheoyêucầuvới các phầnmềm EDA. 6. Electronic Principles, Albert Paul Malvino, Fifth edition. - Điểm môn học: 7. Linh kiệnbándẫnvàvi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 + Chuyên cần + Bài tập : 10 % Kiểmtra: -Câuhỏingắn 8. MicroElectronic Circuits and Devices, Mark N. Horenstein, Boston University, -Bàitập + Kiểm tra giữa kỳ : 10 % 1996 Thi kết thúc: -Câu hỏingắnvàtrắcnghiệm 9. Lecture Notes (MIT, Berkeley, Harvard, Manchester University ) + Thí nghiệm : 10 % -Bàitập + Thi kết thúc : 70 % 6/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 19 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 20
Giớithiệu các phầnmềm EDA hỗ trợ môn học Yêu cầukiếnthức lý thuyếtmạch cầnbiết - Circuit Maker: Phân tích, mô phỏng cấukiệntương tự và số dễ sử - Khái niệmvề các phầntử mạch điệncơ bản: R, L, C; Nguồn dòng, dụng nhất. nguồn áp không đổi; Nguồn dòng, nguồnápcóđiều khiển - OrCAD (R 9.2): - Phương pháp cơ bảnphântíchmạch điện: - Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Proteus + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL - Tina Pro 7.0: Phân tích, mô phỏng cấukiệntương tự và số trực quan + m2: Luậtkếthợp (Composition Rules) nhất, có các công cụ máy đo ảonêntínhthựctiễnrất cao. + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) - Mathcad (R 11): Làm bài tập: tínhtoánbiểuthức, giảiphương trình + m4: Xếpchồng (Superposition) toán học, vẽđồthị (Sinh viên nên sử dụng Tina Pro 7.0 để thực hành, làm bài tập, phân + m5: Biến đổitương đương Thevenin, Norton tích, mô phỏng cấukiệnvàmạch điệntửởnhà) - Phương 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 hiệunhỏ - small signal method) -Mạng bốncực: tham số hỗnhợpH Ha M. Do -PTIT Lecture 1 21 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 22 Lecture 1 – Giớithiệu chung 1.1 Khái niệmcơ bản 1.1 Khái niệmcơ bản + Điện tích và dòng điện + DC và AC 1.2 Phầntử mạch điệncơ bản + Tín hiệu điện áp và dòng điện 1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện + Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System) 1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Tín hiệuTương tự (Analog) và Số (Digital) + Tín hiệu điệnápvàTínhiệu dòng điện 1.5 Phân loạicấukiện điệntử 1.6 Giớithiệuvề vậtliệu điệntử 7/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 23 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 24
Điệntíchvàdòngđiện DC và AC -19 + Mỗi điệntử mang điện tích: –1.602 x 10 C (Coulombs) DC (Direct current): Dòng mộtchiều 18 + 1C = Điện tích của 6.242 x 10 điệntử (electron) – Dòng điệncóchiều không đổitheothờigian. + Ký hiệu điện tích: Q. Đơnvị: coulomb (C) –Tránhhiểunhầm: DC = không đổi, Dòng điện (Current) –Vídụ – Là dòng dịch chuyểncủa các điện tích thông qua vậtdẫnhoặcphầntử I=3A, i(t)=10 + 5 sin(100πt) (A) mạch điện AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều Thomas Edison (1847 – 1931) –Kýhiệu: I, i(t) – Dòng điệncóchiềuthayđổitheothờigian – Đơnvị: Ampere (A). 1A=1C/s –Tránhhiểunhầm: AC = Biến thiên theo thờigian –Mốiquanhệ giữa dòng điệnvàđiện tích –Vídụ: d i(t) = q(t) i(t) = 2cos 2πt ; dt () t i(t) = 5 +12cos()200πt Nikola Tesla q(t) = i(t)dt + q(t0 ) ∫ (1856 – 1943) t0 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 25 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 26 Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System) Signal (Tín hiệu) •Tínhiệu: là đạilượng vật lý mang thông tin vào và ra củahệ thống. output input •Vídụ Microphone Encoder Transmitter –Tiếng nói, âm nhạc, âm thanh –Dao động từ các hệ thống cơ học –Chuỗivideo vàảnh chụp – Ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray signals signals signals signals Channel – Sóng điệntừ phát ra từ các hệ thống truyền thông – Điện áp và dòng điệntrongcấukiện, mạch, hệ thống –Biểu đồ điệntâmđồ (ECG), Điệnnãođồ – Emails, web pages . Speaker Decoder Receiver •Mỗiloại tín hiệutương ứng với nguồnnàođó trong tự nhiên. output input •Tínhiệuthường đượcbiểudiễnbằng hàm số theo thời gian, tầnsố hay khoảng cách Ví dụ hệ thống điệnthoại 8/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 27 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 28
Hệ thống (Systems) và mô hình Tín hiệuTương tự (Analog) và Số (Digital) • Mô hình (Model): Các hệ thống trong thựctế có thể mô tả bằng mô Tương tự (Analog) hình thể hiệnmối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầuracủa hệ thống. Tín hiệucógiátrị biến đổi liên tụctheothờigian •Mộthệ thống có thể chứa nhiềuhệ thống con. Hầuhết tín hiệutrongtự nhiên là tín hiệutương tự • Môhìnhhệ thống có thểđượcbiểudiễnbằng biểuthứctoánhọc, bảng Digital biểu, đồ thị, giảithuật Tín hiệucógiátrị rờirạctheothờigian •Vídụ hệ thống liên tục: Tín hiệulưu trong các hệ thống máy tính là tín hiệusố, theo dạng nhị phân x(t) x[n] t n Analog Signal Digital Signal t, x(t) ∈ ℜ n, x[n]∈ Ζ Ha M. Do -PTIT Lecture 1 29 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 30 Biểudiễndạng tín hiệu liên tụcvàRờirạc Tín hiệu điệnápvàTínhiệudòngđiện Dòng điện (Current) Biên độ liên tục Biên độ rờirạc – Là dòng dịch chuyểncủa các điện tích thông qua vậtdẫnhoặc x(t) phầntử mạch điện x(t) –Kýhiệu: I, i(t) Thờigian – Đơnvị: Ampere (A). 1A=1C/s liên tục t – Nguồntạo tín hiệu dòng điện: Nguồn dòng (Space) Local telephone, cassette-tape t recording & playback, phonograph, photograph telegraph Điệnáp(Voltage) –Hiệu điệnthế giữagiữa2 điểm x[n] x[n] –Năng lượng đượctruyền trong một đơnvị thờigiancủa điện tích Thờigian dịch chuyểngiữa2 điểm. rờirạc n n –Kýhiệu: v(t), V ; U ; V ;V ;U . (Space) in in out 1 2 Switched capacitor filter, speech CD, DVD, cellular phones, – Đơnvị: Volt (V) storage chip, half-tone digital camera & camcorder, photography digital television, inkjet printer – Nguồntạo tín hiệu điện áp: Nguồnáp 9/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 31 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 32
1.2 Các phầntử mạch điệncơ bản Nguồn độclập + Nguồn độclập Nguồnáp + Nguồncóđiều khiển NguồnPin Nguồnápđộclậplýtưởng Nguồnápđộclập không lý tưởng + Phầntử thụđộng + Ký hiệu các phầntử mạch điện trong sơđồmạch (Schematic) + R + S V _+ V; v(t) _+ V; v(t) _ Nguồn dòng Nguồn dòng độclậplýtưởng Nguồn dòng độclập không lý tưởng I, i(t) I, i(t) I, i(t) RS Ha M. Do -PTIT Lecture 1 33 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 34 Nguồncóđiều khiển Phầntử thụđộng Nguồnáp Nguồnápcóđiều khiểnlýtưởng Nguồnápcóđiều khiển không lý tưởng RS RS _+ U(I) _+ U(U) _+ U(I) _+ U(U) Nguồn dòng Nguồn dòng có điều khiểnlýtưởng Nguồn dòng có điều khiển không lý tưởng R I(I) I(U) I(I) RS I(U) S 10/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 35 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 36
Ký hiệucủacácphầntử cơ bảntrongsơđồmạch (Schematic) 1.3 Phương pháp cơ bảnphântíchmạch điện + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luậtkếthợp (Composition Rules) + m3: Phương pháp điện áp nút (Node Method) Dây d~ẫn= Dẫn điệntuyệt đối Điểmnối Không nối + m4: Xếpchồng (Superposition) + m5: Biến đổitương đương Thevenin, Norton R + + V _ VI Điệntrở NguồnPin Nguồnáp Nguồn dòng L C Điểm đầucuối Đất (GND) Tụđiện Điệncảm Ha M. Do -PTIT Lecture 1 37 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 38 m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL KCL - Kirchhoff’s Current Law Mụctiêu:Tìm tấtcả các thành phần dòng điệnvàđiệnáptrongmạch. Kirchhoff’s current law (KCL) N a = 1 Nếui(t) đivàonút a i (t) = 0 n n ∑ n n a =-1 Nếui(t) đirakhỏinút Các bướcthự hiện: n=1 n n 1. Viết quan hệ V-I củatấtcả các phầntử mạch điện 2. ViếtKCL chotấtcả các nút –Tổng giá trị cường độ dòng điện đivàovàratạimộtnútbằng không 3. ViếtKVL chotấtcả các vòng – Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cương độ dòng điện đirakhỏi nút. Rút ra đượchệ nhiềuphương trình, nhiều ẩn => Giảihệ Nút i i i1 3 i1 3 Chú ý: Trong quá trình viết các phươngtrìnhcóthể rút gọn ngay để giảmsố phương trình sốẩn. i2 i2 i1 + i2 = i3 Gustav Kirchhoff i + i − i = 0 (1824 – 1887) 11/176 1 2 3 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 39 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 40
Ví dụ sử dụng KCL KVL - Kirchhoff’s Voltage Law Mạch nốitiếp iA Kirchhoff’s voltage law (KVL) N1 A N bn= 1 Nếuvn(t) cùng chiềuvới vòng N : i = i bnvn (t) = 0 1 A B ∑ bn=-1 Nếuvn(t) ngượcchiềuvới vòng B iB n=1 N 2 : iB = iC C – Tổng điệnáptrongmột vòng kín bằng không N 2 loop 3 iC ⇒ i = i = i __ A B C +1 3 + + + + Ví dụ 9 loop 1 5 loop 2 12 1A _ _ _ 1A Ví dụ: _ 3 + + 4 _ 3A 2A 3A 2A 4A Loop 1: 1V + 5V + 3V − 9V = 0 i = ? 2A i = −2A Loop 2 : − 3V +12V − 4V − 5V = 0 Loop 3 : 1V − 3V +12V − 4V + 3V − 9V = 0 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 41 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 42 Ví dụ sử dụng KVL Ví dụ phân tích mạch dùng m1 v _ Xét về mặtnăng lượng + A A pa + pb + pc = 0 + i B vB ⇒ vai + vbi − vci = 0 _ ⇒ v + v − v = 0 C a b c + _ vC Mạch song song − v + v = 0 ⇒ v = v + + + a b a b − v + v = 0 ⇒ v = v A v A B vB C vC b c b c _ _ _ ⇒ va = vb = vc 12/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 43 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 44
Mạch chia áp Mạch chia dòng i(t) + i1 i2 iS v (t) R + + 1 1 i i _ S v R R = S v R _ 1 2 _ eq + vS (t) _ + R v (t) 2 2 v R2 1 R1R2 ⇒ i1 = = iS Req = = _ R1 R1 + R2 1 R1 +1 R2 R1 + R2 v R vS (t) 1 R1R2 Ohm's Law : i(t) = ⇒ i2 = = iS ⇒ v = i R = i R R + R S eq S R1 + R2 2 1 2 R1 + R2 R2 Ohm's Law : v2 (t) = i(t)R2 = vs (t) < vS (t),∀t R1 + R2 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 45 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 46 m2: Luậtkếthợp (Composition Rules) + m4: Xếpchồng (Superposition) Ví dụ - Trong mạch tuyến tính (gồm các phầntử tuyến tính và nguồn độclập hoặc nguồncóđiều khiển) có thể phân tích mạch theo nguyên lý xếp chồng như sau: + Cho lầnlượtmỗi nguồntácđộng làm việcriêngrẽ, các nguồnkhác không làm việcphải theo nguyên tắcsauđây: Nguồnápngắnmạch, Nguồn dòng hở mạch. + Tính tổng cộng các đáp ứng củamạch do tấtcả các nguồntácđộng riêng rẽ gây ra. 13/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 47 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 48
+ m4: Xếpchồng (Superposition) + m4: Xếpchồng (Superposition) e=? Ha M. Do -PTIT Lecture 1 49 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 50 + m5: Biến đổitương đương Thevenin, Norton + m5: Biến đổitương đương Thevenin, Norton Ví dụ: Biến đổitương đương Nguồn dòng ↔ Nguồnáp RS _+ V I RS V I = RS RS _+ U(V) I(V) RS VTH: Điệnáphở mạch IN : Dòng điệnngắnmạch R =R =V /I TH N TH N U (V ) I(V ) = R 14/176 S Ha M. Do -PTIT Lecture 1 51 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 52
Ví dụ 1.4 Phương pháp phân tích mạch điệnphi tuyến Mạch điệncóphầntử phi tuyến(D) i=? -Tìmbiểuthức tính i=? a. Chỉ dùng phương pháp m1? b. Chỉ dùng phương pháp m4? R R1 R2 c. Chỉ dùng phương pháp m5? R 3 I3 d. Dùng kếthợpcácphương pháp _ _+ V V m1, m2, m4,m5 đãhọc để tìm 1 + 2 lờigiảingắngọnnhất? - Phương pháp phân tích mạch phi tuyến + Phương pháp phân tích: dựavào m1, m2, m3 + Phương pháp đồ thị + Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệunhỏ - small signal method) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 53 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 54 Phương pháp phân tích Phương pháp đồ thị -Ápdụng phương pháp m1, m2, -Giảihệ 2 phương trình (1) và (2) bằng phương pháp đồ thị m3 cho các phầntử tuyến tính và R phi tuyến, đượchệ 2 phương trình, 2 ẩniD và vD Đường tải (Loadline) -Giảihệ phương trình: + Dùng phương pháp thử sai + Dùng phương pháp số => Việcgiảihệ phương trình phứctạp 15/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 55 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 56
Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệunhỏ - small signal method) (1) Phân tích gia số (Phương pháp tín hiệunhỏ - small signal method)(2) R Thựchiện theo các bướcsau: 1. Xác định chếđộlàm việcmộtchiềucủamạch (ID, VD) 2. Xác định mô hình tín hiệunhỏ của các phầntử phi tuyếntại điểmlàm việcmộtchiều đã tính. 3. Vẽ mô hình tương đương tín hiệunhỏ củatoànmạch và tính toán các tham số tín hiệunhỏ (id, vd) 4. Viếtkếtquả củathamsố cần tính trong mạch Ha M. Do -PTIT Lecture 1 57 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 58 Cơ sở toán họccủaphương pháp phân tích gia số Cơ sở toán họccủaphương pháp phân tích gia số -Từ quan hệ phi tuyến: -Viếtlạibiểuthức: - Thay thế: - Suy ra: -Khaitriển Taylor hàm f(vD) tạiVD: -Như vậy qua hệ giữaid và vd là tuyến tính. -Ápdụng vớivídụởtrên: 16/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 59 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 60
Ý nghĩahìnhhọc Mô hình hình tương đương củaphầntử phi tuyến -Chếđộmộtchiều: R - Môhìnhtínhiệunhỏ củaphầntử phi tuyến: -Sơđồmạch tương đương tín hiệunhỏ: R -Xấpxỉ A bằng đường thẳng B tiếp xúc vớiA tại điểmlàmviệc. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 61 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 62 1.5 Phân loạicấukiện điệntử Phân loạidựatrênđặctínhvậtlý -Linhkiệnhoạt động trên nguyên lý điệntừ và hiệu ứng bề mặt: điện • Phân loạidựatrênđặctínhvậtlý trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS IC từ mật độ • Phân loạidựatrênchứcnăng xử lý tín hiệu thấp đếnmật độ siêu cỡ lớn UVLSI -Linhkiệnhoạt động trên nguyên lý quang điệnnhư: quang trở, • Phân loạitheoứng dụng Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá năng lượng quang điệnnhư pin mặttrời, họ linh kiện hiểnthị, IC quang điệntử -Linhkiệnhoạt động dựa trên nguyên lý cảmbiến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang bứcxạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh trên cơ sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor. -Linhkiệnhoạt động dựatrênhiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các linh kiện đượcchế tạobằng công nghệ nano có cấutrúcsiêunhỏ như : Bộ nhớ một điệntử, Transistor một điệntử, giếng và dây lượng tử, linh kiệnxuyênhầmmột điệntử, cấukiệndựavàocấutrúcsinhhọc phân tử 17/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 63 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 64
Phân loạidựatrênloạitínhiệu làm việc Phân loạitheochứcnăng Linh kiệnthụđộng: R,L,C Linh kiệntíchcực: 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, dòng điệnvàcóthể tạorachứcnăng hoạt động chuyển mạch trong mạch "Devices with smarts!" ; + Linh kiệnthụđộng (Passive Devices) là linh kiện không thể có tính năng điều khiển dòng và điện áp, cũng như không thể tạorachứcnăng khuếch đại công suất, điện áp, dòng diện trong mạch, không yêu cầu tín hiệu khác điều khiển ngoài tín hiệu để thựchiệnchứcnăng củanó “Devices with no brains!“) Ha M. Do -PTIT Lecture 1 65 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 66 1.6 Giớithiệuvề vậtliệu điệntử 0. Cơ sở vậtlýcủavậtliệu điệntử •Cơ sở vậtlýcủavậtliệu điệntử -Lýthuyếtvậtlýchấtrắn •Chấtcáchđiện -Lýthuyếtvậtlýcơ họclượng tử •Chấtdẫn điện -Lýthuyếtdảinăng lượng củachấtrắn •Vậtliệutừ - Lý thuyếtvậtlýbándẫn • Chấtbándẫn (Lecture 3) 18/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 67 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 68
a. Lý thuyếtvậtlýchấtrắn b. Lý thuyếtvậtlýcơ họclượng tử - Trong cấu trúc nguyên tử, điệntử chỉ có thể nằmtrêncácmứcnăng lượng gián đoạnnhất định nào đógọi là các mứcnăng lượng nguyên tử. - Nguyên lý Pauli: Mỗi điệntử phảinằmtrênmộtmứcnăng lượng khác nhau. -Vậtliệu để chế tạophầnlớn các linh kiện điệntừ là loạivậtliệutinhthể rắn -Mộtmứcnăng lượng được đặctrưng bởimộtbộ 4 số lượng tử: - Cấutrúcđơntinhthể: Trong tinh thể rắn nguyên tửđượcsắpxếptheomột + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4 . trậttự nhất định, chỉ cầnbiếtvị trí và mộtvàiđặctínhcủamộtsố ít nguyên tử + l – số lượng tử quỹđạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h } chúng ta có thể dựđoán vị trí và bảnchất hóa họccủatấtcả các nguyên tử trong mẫu. + ml–số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3 ±l - Tuy nhiên trong mộtsố vậtliệucóthể nhấnthấyrằng các sắpxếp chính xác + ms–số lượng tử spin: ±1/2 của các nguyên tử chỉ tồntại chính xác tạicỡ vài nghìn nguyên tử. Những - n, l tăng thì mứcnăng lượng của nguyên tử tăng, e- đượcsắpxếp ở lớp, miềncótrậttự như vậy đượcngăncáchbởibờ biên và dọctheobờ biên này phân lớpcónăng lượng nhỏ trước. không có trậttự -cấutrúcđatinhthể -Tínhchấttuần hoàn củatinhthể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điệncủavậtliệu. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 69 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 70 c. Sự hình thành vùng năng lượng (1) c. Sự hình thành vùng năng lượng (2) - Để tạo thành vậtliệugiả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tậntiến lạigần liên kếtvới nhau: 2 2 2 + Nếu các NT các xa nhau đếnmứccóthể coi chúng là hoàn toàn độclập C6 1s2s 2p với nhau thì vị trí của các mứcnăng lượng của chúng là hoàn toàn Si 14 1s22s22p63s23p2 trùng nhau (tứclàmộtmức trùng chập). Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 + Khi các NT tiếnlạigần nhau đến khoảng cách cỡ Ao, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì không thể coi chúng là độclậpnữa. Kếtquả là Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 các mứcnăng lượng nguyên tử không còn trùng chậpnữa mà tách ra thành các mứcnăng lượng rờirạc khác nhau. Ví dụ mức1s sẽ tạothành 2.N mứcnăng lượng khác nhau. -Nếusố lượng các NT rấtlớnvàgần nhau thì các mứcnăng lượng rời rạc đórấtgần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục -Sự tách mộtmứcnăng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay (Si) hẹpphụ thuộcvàosự tương tác giữa các điệntử thuộc các NT khác nhau với nhau. 19/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 71 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 72
Minh họasự hình thành vùng năng lượng (1) Minh họasự hình thành vùng năng lượng (1) Mức Số trạng Số trạng Số trạng Số trạng - Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm thái thái thái thái -Cácđiệntử trong chấtrắnsẽđiền đầy vào các mứcnăng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao. -Cóthể có : vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng 2p 6 12 12 6N trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầymộtphần. - Xét trên lớp ngoài cùng: + Vùng năng lượng đã được điền đầycácđiệntử gọilà“Vùng hóa trị” 2s 2 4 4 2N + Vùng năng lượng trống hoặcchưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng dẫn” + Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫnlà“Vùng cấm” - Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắncótínhchất điện khác nhau: Chất cách điện–dẫn điệnkém, Chấtdẫn điện–dẫn điện 1s 2 4 4 2N tốt, Chấtbándẫn. a. MộtNT b. 2 NT không c. 2 NT d. N Nguyên tử độclập tương tác tương tác tương tác Ha M. Do -PTIT Lecture 1 73 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 74 Minh họasự tạo thành những vùng năng lượng khi các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV được đưavàođể tạoratinhthể Cấutrúcdảinăng lượng củavậtchất Dải E E E E vùng 4N trạng thái dẫn dẫn không có điệntử E Điệntử Năng C EC Dải E lượng EG > 2 eV dẫn V EG < 2 eV củacác P 6N trạng thái có trạng 2N điệntử EV thái E = 0 S E Lỗ trống EC G Cấm 2N trạng thái có V Dải 2N điệntử hoá vùng Dải trị hoá trị 4N trạng thái có 4N hoá trị điệntử a- Chấtcáchđiện; b - Chấtbándẫn; c- Chấtdẫn điện Các mứcnăng lượng củalớp trong cùng không bịảnh hưởng bởicấutrúcmạng + Độ dẫn điệncủacủavậtchấtcũng tăng theo nhiệt độ tinh thể + Chấtbándẫn: Sự mất1 điệntử trong dảihóatrị sẽ hình thành mộtlỗ trống (Mứcnăng lượng bỏ trống trong dải hóa trịđiền đầy, lỗ trống cũng dẫn điệnnhư X X X X X 1 2 3 4 các điệntử tự do) + Cấutrúcdảinăng lượng củakimloại không có vùng cấm, điệntử hóa trị liê kết yếuvớihạt nhân, dướitácdụng của điệntrường ngoài các e này có thể dễ dàng di 20/176 chuyểnlêncáctrạng thái cao hơntạo thành các e tự do, nên kim loạidẫn điệntốt. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 75 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 76
Các loạivậtliệu điệntử 1. CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) Các vậtliệusử dụng trong kỹ thuật điện, điệntử thường được phân chia thành 4 loại: a. Định nghĩa -Làchấtdẫn điện kém, là các vậtchấtcóđiệntrở suất cao vào khoảng 107 -Chất cách điện(chất điệnmôi). ÷ 1017Ωm ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điệngồmphầnlớn các vật -Chấtdẫn điện. liệuhữucơ và mộtsố vậtliệuvôcơ. -Vậtliệutừ. - Đặctínhcủavậtliệu ảnh hưởng rấtlớn đếnchấtlượng củalinhkiện. Các đặc tính gồm: trị số giớihạn độ bềnvềđiện, nhiệt, cơ học, độ cách điện, sự - Chất bán dẫn (Lecture 3). tổnhaođiện môi Các tính chấtcủachất điện môi lạiphụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩmmôitrường. b. Các tính chấtcủachất điệnmôi. b.1 Độ thẩmthấu điệntương đối (hay còn gọilàhằng sốđiện môi) b.2 Độ tổn hao điệnmôi(Pa) b.3 Độ bềnvềđiệncủachất điệnmôi(Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng b.5 Dòng điện trong chất điện môi (I) b.6 Điệntrở cách điệncủachất điệnmôi Ha M. Do -PTIT Lecture 1 77 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 78 b.1 Hằng sốđiệnmôitương đối b.2 Độ tổnhaođiệnmôi(Pa) -Hằng sốđiện môi tương đốicủacủa1 chất cách điện đượcxácđịnh Độ tổnhaođiệnmôilà công suất điệntổnhaođể làm nóng chất điện bằng tỷ số giữa điện dung củatụđiệncóchất điện môi và điện dung môi khi đặt nó trong điệntrường, đượcxácđịnh thông qua dòng điện rò. củatụđiện có cùng kích thướcnhưng là điện môi chân không 2 PUCtga =ωδ C Trong đó: ε= d (kh«ng thø nguyªn) U là điệnápđặtlêntụđiện(V) C0 C là điện dung củatụđiện dùng chất điện môi (F) Trong đó: ω là tầnsố góc đobằng rad/s + Cd là điện dung củatụđiệnsử dụng chất điện môi; tgδ là góc tổnhaođiệnmôi + C0 là điện dung củatụđiệnsử dụng chất điện môi là chân không -Nếutổnhaođiện môi trong tụđiệncơ bản là do điệntrở của các bản hoặc không khí. cực, dẫnvàtiếpgiáp(vídụ lớpbạcmỏng trong tụ mi ca và tụ gốm) thì -Do đó ε biểuthị khả năng phân cựccủachất điện môi. Chất điệnmôi tổnhaođiện môi sẽ tăng tỉ lệ vớibìnhphương củatầnsố: 2 2 2 dùng làm tụđiệncầncóhằng sốđiệnmôiε lớn, còn chất điệnmôi Pa = U ω C R dùng làm chất cách điệncóε nhỏ. -Do đó, trên thựctế các tụđiệnlàmviệc ở tầnsố cao cầnphảicóđiện trở của các bảncực, dây dẫnvàtiếpgiápnhỏ nên các chi tiếtnày thường đượctrángbạc để giảm điệntrở của chúng 21/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 79 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 80
c.Độ bềnvềđiệncủachất điệnmôi(Eđ.t.) e.Dòng điện trong chất điệnmôi(I): -Nếutađặtmộtchất điện môi vào trong một điệntrường, khi ta tăng Khi đặt điện môi trong điệntrường, trong điện môi diễnra2 hiệntượng cơ bản cường độ điệntrường lên quá một giá trị giớihạnthìchất điệnmôiđó là: Hiệntượng phân cực điệnmôi(trên bề mặt điện môi xuấthiện các điện mấtkhả năng cách điện-tagọi đólàhiệntượng đánh thủng chất điện tích trái dấuvới điệntíchtrênbề mặtbảncực) và Hiệntượng dẫn điện của môi. điện môi (trong điện môi xuấthiệnsự chuyểndờicủa các điệntíchtự do tạo thành dòng điệncótrị số nhỏ giữacácbảncực. Do đócó2 thànhphầndòng -Cường độ điệntrường tương ứng với điểm đánh thủng gọilàđộ bềnvề điệnnhư sau: điệncủachất điệnmôiđó (Eđ.t.). - Dòng điện chuyểndịch IC.M. (hay gọi là dòng điệncảm ứng): Quá trình U chuyểndịch phân cựccủa các điệntíchliênkếttrongchất điệnmôixảyracho E= ®.t [KV / mm;KV / cm] ®.t d đếnkhiđạt đượctrạng thái cân bằng sẽ tạo nên dòng điện phân cực hay còn gọi là dòng điệnchuyểndịch trong chất điệnmôiIC.M. Trong đó: Uđ.t. -làđiệnápđánh thủng chất điệnmôi -DòngđiệnròIrò : đượctạo ra do các điệntíchtự do và điệntử phát xạ ra d - độ dày củachất điệnmôi chuyển động dướitácđộng của điệntrường, tạo ra dòng điệnchạytừ bảncực -Hiện tượng đánh thủng chất điệnmôicóthể do nhiệt, do điện và do quá này sang bảng cựckia. Nếu dòng rò lớnsẽ làm mất tính chất cách điệncủa trình điện hóa. chất điệnmôi. + Dòng điệntổng qua chất điệnmôisẽ là: I = IC.M. + Irò + Sau khi quá trình phân cựckết thúc thì qua chất điệnmôichỉ còn dòng điệnrò. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 81 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 82 Phân loạivàứng dụng củachất điệnmôi. 2. CHẤT DẪN ĐIỆN Phân loại: Chất điệnmôithụđộng và tích cực a. Định nghĩa -Chất điệnmôithụđộng còn gọilàvậtliệucáchđiệnvàvậtliệutụ -Chấtdẫn điệnlàvậtliệucóđộ dẫn điệncao. Trị sốđiệntrở suấtcủanó điện. Đây là các vậtchất được dùng làm chấtcáchđiện và làm chất nhỏ hơn so với các loạivậtliệu khác. Điệntrở suấtcủachấtdẫn điệnnằm điện môi trong các tụđiệnnhư mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến trong khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm. tính, cao su, sơn, giấy, bộttổng hợp, keo dính, Đốivớivậtliệu dùng - Trong tự nhiên chấtdẫn điệncóthể là chấtrắn – Kim loại, chấtlỏng – để cách điện thì cầncóđộ thẩmthấu điện ε nhỏ, còn vậtliệu dùng làm Kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặcchất khí ởđiệntrường cao. chất điệnmôichotụđiệncầncóε lớn. b. Các tính chấtcủachấtdẫn điện -Chất điện môi tích cực là các vậtliệucóε thểđiều khiển đượcbằng: b.1 Điệntrở suất: + Điệntrường có gốm, thuỷ tinh, b.2 Hệ số nhiệtcủa điệntrở suất(α): + Cơ họccóchấtápđiệnnhư thạch anh + Ánhsángcóchấthuỳnh quang b.3 Hệ số dẫn nhiệt: λ Loại điện môi này dùng trong các bộ tạo tín hiệudaođộng, bộ b.4 Công thoát của điệntử trong kim loại: lọc b.5 Điệnthế tiếp xúc: 22/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 83 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 84
2 CHẤT DẪN ĐIỆN 2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điệntrở suất: b.4 Công thoát của điệntử trong kim loại: - Điệntrở củavậtliệu trong một đơn vi thiếtdiệnvàchiều dài: - Công thoát củakimloạibiểuthị năng lượng tốithiểucần cung cấpcho S 0 ρ=R[.m],[.mm],[.m] Ω Ω μΩ điệntửđang chuyển động nhanh nhất ở 0 C để điệntử này có thể thoát l ra khỏibề mặt kim loại. E = E -E - Điệntrở suấtcủachấtdẫn điệnnằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m W B F (củabạcAg) đến ρ= 10 μΩ.m (củahợpkimsắt - crôm - nhôm) Trong đó EB: năng lượng cần để điệntử thoát ra khỏibề mặt kim loại b.2 Hệ số nhiệtcủa điệntrở suất(α): EF: động năng của điệntử. -Hệ số nhiệtcủa điệntrở suấtbiểuthị sự thay đổicủa điệntrở suấtkhi b.5 Điệnthế tiếpxúc 0 nhiệt độ thay đổi1C. -Sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểmA vàB được tính theo công - Khi nhiệt độ tăng thì điệntrở suấtcũng tăng lên theo quy luật: thức: A B ρt0=ρ(1 +α t ) VAB= EAB = EW2 -EW1 b.3 Hệ số dẫn nhiệt: λ [w/ (m.K)]. -Hệ số dẫn nhiệtlàlượng nhiệttruyền qua một đơnvị diện tích trong 1 2 một đơnvị thời gian khi gradien nhiệt độ bằng đơnvị. ΔT QSt=λ C Δl Ha M. Do -PTIT Lecture 1 85 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 86 Phân loạivàứng dụng củachấtdẫn điện 3. VẬT LIỆU TỪ (Magnetic material) Phân loại: 2 loại a. Định nghĩa. -Chấtdẫn điệncóđiệntrở suấtthấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb và mộtsố -Vậtliệutừ là vậtliệukhiđặt vào trong mộttừ trường thì nó bị nhiễmtừ hợpkim–Thường dùng làm vậtliệudẫn điện. (bị từ hóa). Ví dụ: Thỏisắt đặtcạnh nam châm, thỏisắtsẽ bị nam châm -Chấtdẫn điệncóđiệntrở suất cao như Hợp kim Manganin, Constantan, hút, nghĩalànóbị từ hóa và trở thành nam châm Niken-Crôm, Cacbon – thường dùng để chế tạo các dụng cụđo điện, b. Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ các điệntrở, biếntrở, các dây may so, các thiếtbị nung nóng bằng điện. b.1 Từ trở và từ thẩm b.2 Độ từ thẩmtương đối(μr) b.3 Đường cong từ hóa 23/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 87 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 88
Nguồngốccủatừ trường Tính chấttừ hóa - Nguồngốccủatừ trường: dòng điện là nguồngốccủatừ trường hay -Vậtliệutừđặt trong từ trường nó bị từ hóa. Khi đó chúng trở nêncótừ nói một cách bảnchất, chuyển động của các điện tích là nguồngốccủa tính và sinh ra mộttừ trường phụ (từ trường riêng B’), do đótừ trường từ trường. Mỗi điệntíchchuyển động sinh ra mộttừ trường, hay một tổng hợp B trong chấtbị từ hóa như sau: lưỡng cựctừ (tạo thành một mômen từ, xem hình vẽ). Mômen từ của một nguyên tử sinhracóthể do 2 nguyên nhân: B = B0 + B' + Chuyển động quỹđạocủa các điệntử (mômen quỹđạoL) Trong đó: B0: Vectơ cảm ứng từ củatừ trường ban đầu(từ trường + Chuyển động tự quay của các điệntử (mômen spin S). Spin là một đặc ngoài đặtvào). trưng củamộthạtcơ bản. - Tùy theo tính chấtvàmức độ từ hóa, phân biệtbaloại tính chấtcủavật -Mômen từ m=i.S, chiềucủa m xác định theo quy tắcvặn nút chai và liệunhư sau: ’ hướng vuông góc vớidiệntíchS. - Nghịch từ: B ngượcchiềuvớiB0 ’ - Thuậntừ: B cùng chiềuvớiB0 ’ - Sắttừ: B cùng chiềuvớiB0 và lớnhơnB0 ban đầunhiềulần Ha M. Do -PTIT Lecture 1 89 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 90 Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ Đường cong từ hóa - Đường cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ B0 = μ0 H thị mô tả quá trình từ hóa vậttừ từ trạng thái ban đầuchưanhiễmtừ -TrongđóH: cường độ từ trường ngoài. (trạng thái khử từ), mà thể hiệntrênđồ thị là sự thay đổicủa tính chất Độ từ thẩmtương đốiµ: từ (thông qua giá trị củatừđộ, cảm ứng từ ) theo giá trị củatừ trường ngoài. Ở phạmvi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi B = μB0 = μ.μ0.H về cấutrúctừ thông qua các cơ chế khác nhau. -Trongđóµ: Độ từ thẩmtương đốicủavậtliệu Từ trở: -Từđiệntrở, hay còn gọitắtlàtừ trở, là tính chấtcủamộtsố vậtliệu, có thể thay đổi điệntrở suấtdướitácdụng củatừ trường ngoài -Ngườitathường dùng khái niệmtỉ số từ trởđểnói lên độ lớncủahiệu ứng từ điệntrở, cho bởicôngthức: Trong đó: ρ(H),ρ(0),R(H),R(0) lầnlượtlàđiệntrở suấtvàđiệntrở tạitừ trường H và từ trường H = 0. 24/176 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 91 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 92
Phân loạivàứng dụng củavậtliệutừ Tổng kết -Vậtliệutừ mềm có độ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và μ lớn). để làm lõi biến áp, nam châm điện, lõi cuộncảm các loạisắttừ mềmthường gặp: Sắtthỏichứamộtlượng nhỏ tạpchất C, Mn, Si, -Vậtliệutừ cứng có độ từ thẩmnhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớnvàμ nhỏ). + Phân chia theo ứng dụng chia vậtliệutừ cứng thành 2 loại: Vậtliệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Vậtliệutừđểghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v + Phân chia theo công nghệ chế tạo, chia vậtliệutừ cứng thành: - Hợp kim thép được tôi thành Martenxit là vậtliệu đơngiảnvàrẻ nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu. -Hợpkimlátừ cứng. - Nam châm từ bột. -Ferittừ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng ở tầnsố cao. -Băng, sợikimloại và không kim loại dùng để ghi âm thanh. Ha M. Do -PTIT Lecture 1 93 Ha M. Do -PTIT Lecture 1 94 25/176
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 2- Passive Components (Cấukiệnthụđộng) ELECTRONIC DEVICES 1. Điệntrở (Resistor) 2. Tụđiện (Capacitor) 3. Cuộncảm (Inductor) Lecture 2- Passive Components (Cấukiệnthụđộng) 4. Biếnáp(Transformer) Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 8/2009 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 1 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 2 1. Điệntrở (Resistors) Mộtsố hình ảnh điệntrở trong mạch 1.1. Định nghĩa 1.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng của điệntrở 1.3. Ký hiệucủa điệntrở 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở 1.5. Điệntrở cao tầnvàmạch tương đương 1.6. Phân loại Incandescent Light Bulb 26/176 Resistive Touch-screen Power Amplifier Ha M. Do - PTIT Lecture 2 3 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 4
1.1 Định nghĩa Định luậtOhm - Điệntrở là phầntử có chứcnăng ngăncản dòng điệntrongmạch -Mức độ ngăncản dòng điện được đặctrưng bởitrị sốđiệntrở R: Định luậtOhm v(t) = i(t) R R=U/I - Đơnvịđo: μΩ, mΩ, Ω, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ R v(t) - Điệntrở có rấtnhiều ứng dụng như: định thiên cho các cấukiệnbándẫn, i(t) _ điều khiểnhệ số khuyếch đại, cốđịnh hằng số thời gian, phốihợptrở + i(t) kháng, phân áp, tạo nhiệt Tùy theo ứng dụng, yêu cầucụ thể và dựa v(t) vào đặc tính của các loại điệntrởđểlựachọn thích hợp Georg Ohm Biểuthức định luật Ohm theo dòng điện -Kếtcấu đơngiảncủamột điệntrở thường: (1789 – 1854) Mũ chụpvàchânđiệntrở i(t) = v(t) G Công suất tiêu tán tứcthờitrênđiệntrở: 2 2 v (t) Lõi Vậtliệucản điện p(t) = i(t) v(t) = i (t)R = Vỏ bọc R Ha M. Do - PTIT Lecture 2 5 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 6 1.2. Các tham số kỹ thuậtvàđặctínhcủa điệntrở a. Trị sốđiệntrở và dung sai -Trị sốđiệntrở và dung sai -Trị số của điệntrở: (Resistance [Ohm]-Ω) được tính theo công thức: l -Hệ số nhiệtcủa điệntrở R = ρ Trong đó: S - Công suất tiêu tán danh định ρ -làđiệntrở suấtcủavậtliệudâydẫncản điện -Tạpâmcủa điệntrở l - là chiềudàidâydẫn S- là tiếtdiệncủadâydẫn - Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểuthị mức độ chênh lệch củatrị số thựctế của điệntrở so vớitrị số danh định và được tính theo %. R − R t.t d .d 100 []% Rd .d + Tùy theo dung sai phân chia điệntrở thành 5 cấp chính xác (tolerance levels ): Cấp005: cósaisố ± 0,5 % Cấp01: cósaisố ± 1 % CấpI: cósaisố ± 5 % Cấp II: có sai số ± 10 % Cấp III: có sai số ± 20 % 27/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 7 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 8
b. Hệ số nhiệtcủa điệntrở -TCR c. Công suấttiêutándanhđịnh của điệntrở (Pt.t.max ) - TCR (temperature coefficient of resistance): biểuthị sự thay đổitrị -Pt.t.max là công suất điện cao nhất số của điệntrở theo nhiệt độ, được tính như sau: mà điệntrở có thể chịu đựng được 1 ΔR R trong điềukiệnbìnhthường, làm TCR = . .106 [ppm/ 0C] ΔR = TCR.ΔT R ΔT 106 việc trong mộtthờigiandài không bị hỏng. - TCR là trị số biến đổitương đốitínhtheophầntriệucủa điệntrở trên 1°C (viếttắtlàppm/°C). 2 2 Umax Pt.t.max = R.Imax = [W] -Hệ số nhiệtcủa điệntrở có thể âm hoặcdương tùy loạivậtliệu: R + Kim loạithuầnthường hệ số nhiệtdương. + Mộtsố hợpkimnhư constantin, manganin có hệ sốđiệntrở nhiệt0 - Công suất tiêu tán danh định tiêu chuẩn cho các điệntrở dây quấnnằm + Carbon, than chì có hệ sốđiệntrở nhiệtâm trong khoảng từ 1W đến 10W hoặc cao hơn nhiều. Để tỏanhiệt phát sinh ra, yêu cầudiệntíchbề mặtcủa điệntrở phảilớn, do vậy, các điệntrở công suất cao đềucókíchthướclớn. -Cácđiệntrở than là các linh kiệncócôngsuất tiêu tán danh định thấp, nằm trong khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W và 2W. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 9 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 10 d. Tạpâmcủa điệntrở d. Tạpâmcủa điệntrở -Tạpâmcủa điệntrở gồm: + Tạp âm dòng điện(Current Noise) : sinh do các thay đổi bên trong của + Tạpâmnhiệt (Thermal điệntrở khi có dòng điệnchạy qua nó noise): sinh ra do sự chuyển động của các hạt ⎛ f ⎞ ⎛U ⎞ mang điện bên trong điện E = U .10NI / 20 log⎜ 2 ⎟ NI = 20log ⎜ noise ⎟ trở do nhiệt độ RMS DC ⎜ f ⎟ 10 ⎜ ⎟ ⎝ 1 ⎠ ⎝ U DC ⎠ -Trongđó: + NI: Noise Index (Hệ số nhiễu). ERMS = 4.k.R.T.Δf + UDC: điện áp không đổi đặttrên2 đầu điệntrở + Unoise: điệnáptạp âm dòng điện ERMS = the Root-Mean-Square or RMS voltage level + f1 –> f2: khoảng tầnsố làm việccủa điệntrở -23 k = Boltzmans constant (1.38·10 ) Mứctạpâmphụ thuộcchủ yếuvàoloạivậtliệucản điện. Bột than nén T = temperature in Kelvin (Room temp = 27 °C = 300 K) có mứctạp âm cao nhất. Màng kim loạivàdâyquấncómứctạpâmrất R = resistance Δf = Circuit bandwidth in Hz (Δf= f-f ) thấp. 2 1 28/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 11 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 12
1.3 Ký hiệucủa điệntrở trên các sơđồmạch 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở - Cách ghi trựctiếp: ghi đầy đủ các tham số chính và đơnvịđotrên thân của điệntrở, ví dụ: 220KΩ 10%, 2W Điệntrở thường - Cách ghi theo quy ước: có rất nhiều các quy ước khác nhau. Xét một số cách quy ước thông dụng: + Quy ước đơngiản: Không ghi đơnvị Ôm, R (hoặcE) = Ω, Điệntrở công suất M = MΩ, K = KΩ Ví dụ: 2M=2MΩ, 0K47 =0,47KΩ = 470Ω, 100K = 100 KΩ, 0,25W 0,5W 220E = 220Ω, R47 = 0,47Ω 1 W 10 W + Quy ướctheomã: Mã này gồm các chữ số và mộtchữ cái để chỉ % dung sai. Trong các chữ số thì chữ số cuối cùng chỉ số số 0 cầnthêm vào. Các chữ cái chỉ % dung sai qui ướcgồm: F = 1 %, G = 2 %, J = 5 Biếntrở %, K = 10 %, M = 20 %. XYZ = XY * 10Z Ω Ví dụ: 103F = 10000 Ω±1% = 10K ± 1% 153G = 15000 Ω±2% = 15 KΩ±2% 4703J = 470000 Ω±5% = 470KΩ±5% Ha M. Do - PTIT Lecture 2 13 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 14 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở + Quy ướcmầu: Màu Giá trị - Loại 4 vòng màu: Đen 0 1 2 3 4 Nâu 1 Đỏ 2 Cam 3 =>Vòng 1,2 chỉ trị số, Vòng 3 chỉ số số Vàng 4 không thêm vào, Vòng 4: dung sai) (Nâu-đen-đỏ-Không mầu) = Lục 5 - Loại5 vạch màu: Lam 6 1 2 3 4 5 Tím 7 Xám 8 Trắng 9 =>Vòng 1,2,3 chỉ trị số, Vòng 4 chỉ số số Vàng kim 0,1 / 5% không thêm vào, Vòng 5: dung sai) Bạch kim 0,001 / 10% (Nâu-đen-đen-đỏ-Không mầu) = Không màu - / 20% 29/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 15 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 16
1.5 Điệntrở cao tầnvàmạch tương đương 1.6 Phân loại điệntrở - Khi làm việc ở tầnsố cao điệncảmvàđiện dung ký sinh là đáng kể, Sơ + Điệntrở có trị số cốđịnh đồ tương đương của điệntrởởtầnsố cao như sau: + Điệntrở có trị số thay đổi a. Điệntrở cốđịnh -Thường đượcphânloạitheovậtliệucản điện + Điệntrở than tổng hợp (than nén): cấutrúctừ hỗnhợpbột cacbon (bột than chì) được đóng thành khuôn, có kích thướcnhỏ và giá thành rất -Tầnsố làm việchiệudụng của điệntrởđượcxácđịnh sao cho sự sai rẻ. khác giữatrở kháng tương đương của nó so vớigiátrịđiệntrở danh + Điệntrở than nhiệtgiảihoặc than màng (màng than tinh thể). định không vượt quá dung sai. + Điệntrở dây quấn - Đặc tính tầnsố của điệntrở phụ thuộcvàocấutrúc, vậtliệuchế tạo + Điệntrở màng hợp kim, màng oxit kim loạihoặc điệntrở miếng. Kích thước điệntrở càng nhỏ thì đặc tính tầnsố càng tốt, điệntrở cao + Điệntrở cermet (gốmkimloại). tầnthường có tỷ lệ kích thướclàtừ 4:1 đến 10:1 - Ngoài ra còn phân loạitheokếtcấu đầunối để phụcvụ lắp ráp; phân loại theo loạivỏ bọc để dùng ở những môi trường khác nhau; phân loạitheoloại ứng dụng . Ha M. Do - PTIT Lecture 2 17 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 18 1.6 Phân loại điệntrở 1.6 Phân loại điệntrở -Cácđặc tính chính của điệntrở cốđịnh b. Biếntrở 0 Loại điệntrở Trị số R Pt.t.max t làmviệc TCR -Dạng kiểm soát dòng công suấtlớndùngdâyquấn. Loạinàyítgặp [w] 0C ppm/0C trong các mạch điệntrở. -Chiết áp. Cấutạocủabiếntrở so với điệntrở cốđịnh chủ yếulàcó Chính xác thêm mộtkếtcấu con chạygắnvớimộttrục xoay để điềuchỉnh trị số Dây quấn 0,1Ω÷1,2M 1/8 ÷3/4 ở1250C -55÷+145 ± 10 Màng hợpkim 10Ω÷ 5M 1/20÷ 1/2 ở1250C -55÷+125 ± 25 điệntrở. Con chạycókếtcấukiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu Bán chính xác trượt(chiếtáptrượt). Chiếtápcó3 đầura, đầugiữa ứng với con trượt Oxyt kim loại 10Ω÷1,5M 1/4 ÷ 2 ở 700C -55÷+150 ± 200 Cermet 10Ω÷1,5M 1/20÷1/2 ở1250C -55÷+175 ± 200 còn hai đầu ứng vớihaiđầucủa điệntrở. Than màng 10Ω÷5M 1/8 ÷ 1 ở 700C -55÷+165 ± 200; Đadụng ± 510 Than tổng hợp 2,7Ω÷100M 1/8 ÷ 2 ở 700C -55÷+130 ±1500 Công suất Dây quấn 0,1Ω÷180K 1 ÷ 21 ở 250C -55÷+275 ± 200 Hình ống 1,0Ω÷3,8K 5 ÷ 30 ở 250C -55÷+275 ± 50 Bắtsườnmáy 0,1Ω÷40K 1 ÷ 10 ở 250C -55÷+275 ± 20 Chính xác 20Ω÷2M 7 ÷1000 ở 250C -55÷+225 ±500 Màng kim loại a. loạikiểm soát dòng b. loạichiếtáp Điệntrở miếng (màng vi điệntử) 1Ω÷22M -55÷+125 ±25đến ± 200 30/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 19 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 20
Mộtsốđiệntrởđặcbiệt Hình ảnh củamộtsố loại điệntrở - Điệntrở nhiệt: Tecmixto Điệntrở dây cuốn chính xác -Saisố nhỏ : 0,005% 0 Tecmixto - TCR= 3ppm/ C t0 - Đáp ứng tầnsố tốt, tầnsố cộng hưởng cao, dùng - Điệntrở Varixto: nhiều trong ứng dụng tầnsố RF, VDR - Công suấtnhỏ. - Điệntrở Mêgôm : có trị sốđiệntrở từ 108 ÷ 1015. -Thường được dùng trong các thiếtbịđoDC độ chính xác cao, điệntrở chuẩn cho các bộđiềuchỉnh - Điệntrở cao áp: Là điệntrở chịu được điệnápcaotừ 5 KV đến 20 KV. điện áp, mạch biến đổiDAC. - Điệntrở chuẩn: Là các điệntrở dùng vậtliệudâyquấn đặcbiệtcóđộ ổn định cao. Chuẩn NIST (National Institute of Standards - Mạng điệntrở: Mạng điệntrở là mộtloạivi mạch tích hợpcó2 hàng and Technology) chân. Mộtphương pháp chế tạo là dùng công nghệ màng mỏng, trong -Saisố rấtnhỏ : 0,001% 0 đó dung dịch chấtdẫn điện đượclắng đọng trong mộthìnhdạng theo - TCR= 3ppm/ C yêu cầu. - Đáp ứng tầnsố tốt, tầnsố cộng hưởng cao, dùng nhiều trong các thiếtbịđo, kiểmchuẩn. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 21 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 22 Hình ảnh củamộtsố loại điệntrở Hình ảnh củamộtsố loại điệntrở Điệntrở dây cuốn công suấtlớn Điệntrở film cacbon Điệntrở cầuchì Điệntrở lá kim loại Điệntrở film oxit kim loại Điệntrở SMD Điệntrở SMD (surface mount devices) - Loại linh kiệngắntrênbề Điệntrở cầuchì Điệntrở lá kim loại Điệntrở film oxit kim loại mặtmạch in, sử dụng trong công nghệ SMT (Surface mount technology) # (through- hole technology ). 31/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 23 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 24
Hình ảnh củamộtsố loại điệntrở Hình ảnh củamộtsố loại điệntrở Potentiometers, or Carbon composition Carbon film Metal film High Power Mạng điệntrở Metal Film Metal film Metal Oxide Film "trimpots" (wire wound; ceramic) Resistance:1ohm; Resistance Tolerance:+/-1%; Power Rating:25W; Thermistor Resistor Element Surface Mount Varistor Resistors (SMR) Cement Resistors Material:Thick Film; Light dependent resistor (LDR) Ha M. Do - PTIT Lecture 2 25 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 26 Biếntrở (Variable Resistors) 2. Tụđiện(Capacitors) 2.1. Định nghĩa 2.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện 2.3. Ký hiệucủatụđiện 2.4 Cách ghi và đọcthamsố trên tụđiện 2.5. Sơđồtương đương 2.6. Phân loại 32/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 27 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 28
2.1 Định nghĩa 2.2 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện -Tụđiệnlàlinhkiện dùng để chứa điện tích. Mộttụđiệnlýtưởng có -Trị số dung lượng và dung sai điện tích ở bảncựctỉ lệ thuậnvớihiệu điệnthếđặt trên nó theo công - Điệnáplàmviệc thức: Q = C . U [culông] Bảncực -Hệ số nhiệt -Dung lượng củatụđiệnC [F] Chân tụ - Dòng điệnrò Q ε ε .S C = = r 0 -Sự phân cực U d Chất điệnmôi Vỏ bọc εr -hằng sốđiện môi tương đốicủachất điệnmôi ε0 -hằng sốđiện môi tuyệt đốicủa không khí hay chân không 1 ε = = 8,84.10−12 0 36π.109 S - diện tích hữudụng củabảncực[m2] d - khoảng cách giữa2 bảncực[m] - ĐơnvịđoC: F, μF, nF, pF Ha M. Do - PTIT Lecture 2 29 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 30 2.2 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện c. Hệ số nhiệt + Trị số dung lượng (C) -Mỗimộtloạitụđiệnchịumột ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ do nhà + Dung sai củatụđiện: Đây là tham số chỉđộchính xác củatrị số dung sảnxuấtxácđịnh. Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩnthường từ: lượng thựctế so vớitrị số danh định của nó. Dung sai củatụđiện được -200C đến+650C tính theo công thức: C − C 0 0 t.t d.d .100% -40 C đến+65C 0 0 Cd.d -55 C đến +125 C + Điệnáplàmviệc: Điệnápcực đạicóthể cung cấp cho tụđiện hay còn - Để đánh giá sự thay đổicủatrị sốđiện dung khi nhiệt độ thay đổingười gọilà"điệnáplàmviệcmộtchiều“, nếu quá điệnápnàylớp cách ta dùng hệ số nhiệt TCC và tính theo công thứcsau: điệnsẽ bịđánh thủng và làm hỏng tụ. 1 ΔC TCC = .106 [ppm/0C] C ΔT - TCC thường tính bằng đơnvị phầntriệutrên1°C (viếttắtppm/°C) và nó đánh giá sự thay đổicực đạicủatrị sốđiện dung theo nhiệt độ. - Khi giá trịđiện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ, người ta dùng giới hạncực đại thay đổigiátrịđiện dung trên khoảng nhiệt độ làm việcvà tính bằng %: ΔC ΔT *TCC % = 6 100 []% 33/176 C 10 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 31 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 32
d. Dòng điệnrò e. Sự phân cực -Do chấtcáchđiện đặtgiữa2 bảncực không lý tưởng nên sẽ có một -Cáctụđiện điệngiải ở các chân tụ thường có đánh dấucực tính dương dòng điệnròrấtbéchạy qua giữa2 bảncựccủatụđiện. Trị số dòng (dấu+) hoặcâm(dấu-) gọilàsự phân cựccủatụđiện. Khi sử dụng điệnròphụ thuộcvàođiệntrở cách điệncủachất điện môi. phải đấutụ vào mạch sao cho đúng cực tính củatụ. Như vậychỉ sử - Đặctrưng cho dòng điệnròcóthể dùng tham sốđiệntrở cách điệncủa dụng loạitụ này vào những vị trí có điệnáplàmviệc không thay đổi tụ (có trị số khoảng vài MΩ và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếutụ có cực tính. dòng điệnrònhỏ -Tụđiện màng Plastic có điệntrở cách điện cao hơn 100000 MΩ, còn tụ điện điệngiải thì dòng điệnròcóthể lên tớivàiμA khi điệnápđặtvào 2 bảncựccủatụ chỉ 10 Vôn. - Đốivới điện áp xoay chiều, tổn hao công suất trong tụđượcthể hiện qua hệ số tổnhaoD: 1 P D = = th Q Ppk -Tụ tổnhaonhỏ dùng sơđồtương đương nốitiếp: -Tụ tổnhaolớn dùng sơđồtương đương song song: Ha M. Do - PTIT Lecture 2 33 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 34 2.3 Ký hiệucủatụ 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ + + - Hai tham số quan trọng nhấtthường được ghi trên thân tụđiệnlàtrị số điện dung (kèm theo dung sai sảnxuất) và điệnáplàmviệc(điệnáp lớnnhất). Có 2 cách ghi cơ bản: Tụ thường TụđiệngiảiTụ có điện dung thay đổi - Ghi trựctiếp: cách ghi đầy đủ các tham số và đơnvịđocủa chúng. Cách này chỉ dùng cho các loạitụđiệncókíchthướclớn. Ví dụ 1: Trên thân mộttụ mi ca có ghi: 5.000PF ± 20% 600V - Cách ghi gián tiếp theo qui ước : + Ghi theo qui ướcsố: (Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen), Kiểu giá trị ghi bằng số nguyên thì đơnvị tương ứng là pF, nếukiểugiá trị ghi bằng số thập phân thì đơnvị tương ứng là μF. Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tứcgiátrịđiện dung là 47 pF, điệnáplàmviệcmộtchiều là 630 Vdc. Ví dụ 3: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tứclàgiátrịđiện dung là 0,01 Tụđiệnlớnthường có tham sốđiện dung ghi trựctiếp, tụ μF và điệnáplàmviệcmộtchiều là 100 Vdc. Z điệnnhỏ thường dùng mã: XYZ = XY * 10 pF + Quy ướctheomã:(Giống nhưđiệntrở, Các chữ cái chỉ dung sai qui ướcnhư trang bên): XYZ = XY * 10Z pF 34/176 123K/50V =12000 pF ± 10% và điệnáplàmviệclớnnhất 50 Vdc Ha M. Do - PTIT Lecture 2 35 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 36
2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ + Ghi theo quy ướcmàu: - Loạicó4 vạch màu: Hai vạch đầulàsố có nghĩathựccủanó Vạch thứ ba là số nhân (đơnvị pF) hoặcsố số 0 cầnthêmvào Vạch thứ tư chỉđiệnáplàmviệc. -Loạicó5 vạch màu: Ba vạch màu đầugiống như loai 4 vạch màu Vạch màu thứ tư chỉ % dung sai Vạch màu thứ 5 chỉđiện áp làm việc TCC 1 1 1 2 3 2 3 2 3 4 4 4 5 + Tụ hình ống Tụ hình kẹoTụ Tantan Ha M. Do - PTIT Lecture 2 37 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 38 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ -Vạch màu chỉ TCC, đơnvị ppm/ 0C: + Cách ghi bằng chấmmầu, sử dụng 3 hoặc6 chấmmầu, Cả 2 kiểunàyđều như nhau nhưng kiểu6 chấmmầunhiềuthôngtin hơnnhư: Hệ số nhiệt, dung Đỏ tím: TCC = 100 sai Vàng: TCC = 220 Đen: = 0 Xanh lá cây: = 330 Đỏ: = 75 Xanh lam: = 430 Cam: = 150 Tím: = 750 = Tụ Mica, điện dung 1200 pF, dung sai 6%. 35/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 39 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 40
2.5 Sơđồtương đương củatụ 2.6 Phân loạitụđiện R R P L -Tụđiệncótrị sốđiện dung cốđịnh L RS RS C C C -Tụđiệncótrị sốđiện dung thay đổi được. a. Tụđiệncótrị sốđiện dung cốđịnh: a. Sơđồtương đương b. Sơđồtương đương c. sơđồtương đương + Tụ giấy: chất điện môi là giấy, thường có trị sốđiện dung khoảng từ tổng quát song song nốitiếp 500 pF đến 50 μF và điệnáplàmviệc đến 600 Vdc. Tụ giấycógiá thành rẻ nhất so với các loạitụ có cùng trị sốđiện dung. L - là điệncảmcủa đầunối, dây dẫn(ở tầnsố thấpL ≈ 0) Ưu điểm: kích thướcnhỏ, điện dung lớn. Nhược điểm: Tổnhaođiện môi lớn, TCC lớn. R -làđiệntrở của đầunối, dây dẫnvàbảncực(R thường rấtnhỏ) S S + Tụ màng chấtdẻo: chất điệnmôilàchấtdẻo, có điệntrở cách điệnlớn RP -làđiệntrở rò củachất cách điệnvàvỏ bọc. hơn 100000 MΩ. Điệnáplàmviệc cao khoảng 600V. Dung sai tiêu chuẩncủatụ là ± 2,5%; hệ số nhiệttừ 60 đến 150 ppm/0C RL, RS -làđiệntrở rò củachất cách điện Tụ màng chấtdẻonhỏ hơntụ giấynhưng đắthơn. Giá trịđiện dung của C - là tụđiệnlýtưởng tụ tiêu chuẩnnằm trong khoảng từ 5 pF đến 0,47 μF. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 41 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 42 2.6 Phân loạitụđiện 2.6 Phân loạitụđiện + Tụ mi ca: chất điệnmôilàmi ca, tụ mi ca tiêu chuẩncógiátrịđiện dung + Tụđiệngiải nhôm: Cấutrúccơ bảnlàgiống tụ giấy. Hai lá nhôm khoảng từ 1 pF đến0,1 μF và điệnáplàmviệc cao đến 3500V tuỳ. mỏng làm hai bảncực đặt cách nhau bằng lớpvảimỏng đượctẩmchất Nhược điểm: giá thành củatụ cao. điện phân (dung dịch điện phân), sau đó đượcquấnlại và cho vào trong Ưu điểm:Tổnhaođiện môi nhỏ, Điệntrở cách điệnrất cao, chịu được nhiệt độ mộtkhốitrụ bằng nhôm để bảovệ. cao. Các tụđiệngiải nhôm thông dụng thường làm việcvới điệnápmột + Tụ gốm: chất điệnmôilàgốm. Màng kim loại đượclắng đọng trên mỗimặt chiềulớnhơn 400 Vdc, trong trường hợp này, điện dung không quá củamột đĩagốmmỏng và dây dẫnnốitớimàngkimloại. Tấtcảđượcbọc 100 μF. Điệnáplàmviệcthấp và dòng rò tương đốilớn trong mộtvỏ chấtdẻo. +Tụ tantan: (chất điệngiải Tantan) Đây là mộtloạitụđiệngiải, Bột Giá trịđiện dung củatụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ 1 pF đến0,1 μF, với điệnáp tantan đượccôđặc thành dạng hình trụ, sau đó đượcnhấnchìmvào làm việcmộtchiều đến 1000 Vdc mộthộpchứachất điện phân. Dung dịch điện phân sẽ thấm vào chất Đặc điểmcủatụ gốmlàkíchthướcnhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định rấttốt, có tantan. Khi đặtmột điệnápmộtchiều lên hai chân tụ thì mộtlớpoxit thể làm việc lâu dài mà không lão hoá. mỏng đượctạothànhở vùng tiếp xúc củachất điện phân và tantan. + Tụ dầu: chất điệnmôilàdầu Tụ tantan có điệnáplàmviệclênđến 630 Vdc nhưng giá trịđiện dung Tụ dầucóđiện dung lớn, chịu được điệnápcao chỉ khoảng 3,5 μF. Có tính năng cách điệntốt, có thể chế tạothànhtụ cao áp. Kếtcấu đơngiản, dễ sảnxuất. 36/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 43 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 44
2.6 Phân loạitụđiện Ứng dụng b. Tụđiệncótrị sốđiện dung thay đổi + Tụ không cho dòng điệnmộtchiều qua nhưng lạidẫn dòng điện xoay + Loại đadụng còn gọilàtụ xoay: Tụ xoay được dùng làm tụđiềuchỉnh chiều, nên tụ thường dùng để cho qua tín hiệu xoay chiều đồng thờivẫn thu sóng trong các máy thu thanh, v.v Tụ xoay có thể có 1 ngănhoặc ngăn cách được dòng mộtchiềugiữamạch này vớimạch khác, gọilà nhiềungăn. Mỗingăn có các lá động xen kẽ, đốinhauvới các lá tĩnh tụ liên lạc. (lá giữ cốđịnh) chế tạotừ nhôm. Chất điệnmôicóthể là không khí, mi + Tụ dùng để triệtbỏ tín hiệu không cầnthiếttừ một điểmtrênmạch ca, màng chấtdẻo, gốm, v.v xuống đất (ví dụ như tạp âm), gọilàtụ thoát. + Tụ vi điềuchỉnh (thường gọitắt là Trimcap), có nhiềukiểu. Chất điện + Tụ dùng làm phầntử dung kháng trong các mạch cộng hưởng LC gọilà môi cũng dùng nhiềuloạinhư không khí, màng chấtdẻo, thuỷ tinh hình tụ cộng hưởng. ống Trong các loại Trimcap chuyên dùng, thường gặpnhấtlàloại + Tụ dùng trong mạch lọcgọilàtụ lọc. Tụ dùng trong các mạch chia dải chất điện môi gốm. Để thay đổitrị sốđiện dung ta thay đổivị trí giữa tầnlàmviệc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích này thuộc hai lá động và lá tĩnh. Khoảng điềuchỉnh củatụ từ 1,5 pF đến3 pF, nhóm chính xác. hoặctừ 7 pF đến 45 pF và từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệtcần + Các tụ trong nhóm đadụng dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, thoát tín thiết. hiệu ngoài ra tụ còn dùng để trữ năng lượng, định thời + Do có tính nạp điện và phóng điện, tụ dùng để tạomạch định giờ, mạch phát sóng răng cưa, mạch vi phân và tích phân. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 45 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 46 Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Tụ hoá (Electrolytic Capacitors) Tụ gốm ( Ceramic Capacitors ) Tụ gốmnhiềutầng (Multilayer Ceramic Capacitors ) Tụ Tantan (Tantalum Capacitors) Tụ film nhựa (Polystyrene Film Capacitors) Tụ Mica 37/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 47 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 48
Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Various types of capacitors. Capacitors: SDM ceramic at top left; SMD tantalum tantalum Polypropylene Polyester High at bottom left; through- capacitor Capacitor capacitor Voltage/power hole tantalum at top right; Capacitors through-hole electrolytic at bottom right. Major scale divisions are cm. Surface mount technology (SMT) Multilayer Chip Tuning/Air Ceramic Capacitor Motor Running & Variable Variable Start Capacitors Capacitor Capacitor Ha M. Do - PTIT Lecture 2 49 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 50 Mộtsố hình ảnh củaTụđiện 3. Cuộncảm(Inductor) 3.1. Định nghĩa 3.2 Ký hiệucủacuộn dây. 3.3 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củacuộndây 3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộndây 3.5. Mạch tương đương Paper capacitor (300pF - 3.6. Phân loại Mica capacitor Ceramic Capacitor (1pF -0.01µF); 4µF); max 600Volts max 30kVolts (50pF -0.02µF) Top view of MEMS capacitor built at (Aluminum) Electrolytic Oil capacitor (nF –sevaral Stanford. The resonant frequency is Capacitor; (4µF ~ sevaral hundred µF) several ten Kvolts 1.64 MHz with a Q of 18 thousand F); max 500Volts 38/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 51 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 52
3.1 Định nghĩa Ký hiệucủacuộncảm L -Cuộncảmlàphầntử sinh ra hiệntượng tự cảm khi dòng điệnchạy L L qua nó biến thiên. Khi dòng điện qua cuộncảmbiến thiên sẽ tạoratừ thông thay đổivàmộtsức điệntừđượccảm ứng ngay trong cuộncảm Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit Cuộndâylõisắttừ hoặccóthể cảm ứng mộtsức điệntừ sang cuộncảmkề cậnvới nó. -Mức độ cảm ứng trong mỗitrường hợpphụ thuộcvàođộ tự cảmcủa cuộncảmhoặcsự hỗ cảmgiữa hai cuộncảm. Các cuộncảm đượccấu trúc để có giá trịđộcảm ứng xác định. -Cuộncảmcũng có thểđấunốitiếphoặc song song. Ngay cả một đoạndâydẫnngắnnhấtcũng có sự cảm ứng. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 53 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 54 3.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng củacuộncảm a. Độ tự cảm(L) - Độ tự cảm(L) S L = μ.N 2. - Hệ số phẩmchấtcủacuộncảm(Q) l 2 - Tầnsố làm việcgiớihạn(fg.h.) Trong đó: S - là tiếtdiệncủacuộndây(m) N - là số vòng dây l - là chiềudàicủacuộndây(m) μ - độ từ thẩmtuyệt đốicủavậtliệu lõi (H/ m) μ = μr. μ0 - Đơnvịđo: μH, mH, H - Độ từ thẩmtuyệt đốicủamộtsố loạivậtliệu Chân không: 4π x 10-7 H/m Ferrite T38 1.26x10-2 H/m Không 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 39/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 55 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 56
b. Hệ số phẩmchấtcủacuộncảm(Q) c. Tầnsố làm việcgiớihạn(fg.h.) - Dung sai của độ tự cảm: Đây là tham số chỉđộchính xác của độ từ - Khi tầnsố làm việcnhỏ bỏ qua điện dung phân tán giữa các vòng dây cảmthựctế so vớitrị số danh định của nó. Dung sai được tính theo củacuộncảm, nhưng khi làm việc ở tầnsố cao điện dung này là đáng công thức: L − L t.t d.d .100% kể. L d.d -Do đó ở tầnsốđủcao cuộncảmtrở thành mộtmạch cộng hưởng song -Mộtcuộncảmlýtưởng không có tổn hao khi có dòng điệnchạy qua, song. Tầnsố cộng hưởng củamạch cộng hưởng song song này gọilà thựctế luôn tổnhaođó là công suất điệntổnhaođể làm nóng cuộndây. tầnsố cộng hưởng riêng củacuộndâyf0 . Tổn hao này đượcbiểuthị bởimột điệntrở tổnhaoRS. -Nếucuộndâylàmviệc ở tầnsố cao hơntầnsố cộng hưởng riêng này - Để đánh giá chấtlượng củacuổncảm dùng Hệ số phẩmchấtQ của thì cuộn dây mang dung tính nhiềuhơn. Do đótầnsố làm việc cao nhất cuộncảm: (Cuộncảmtổnhaonhỏ dùng sơđồtương đương nốitiếp, củacuộndâyphảithấphơntầnsố cộng hưởng riêng của nó. cuộncảmtổnhaolớn dùng sơđồtương đương song song. L LRS Rp 1 flvmax < f gh = f0 = 1 Ppk X L ωL 1 Ppk RP Rp Qnt = = = = Q// = = = = 2π LC D Pth RS RS D Pth X L ωL Ha M. Do - PTIT Lecture 2 57 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 58 3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộncảm 3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộncảm - Ghi trựctiếp: cách ghi đầy đủ các tham sốđộtự cảm L, dung sai, loại Bảng mã mầu dùng cho các cuộncảm lõi cuộncảm Cách này chỉ dùng cho các loạicuộncảmcókíchthước lớn. Màu Giá trị củacácsố Dung sai - Cách ghi gián tiếp theo qui ước : + Ghi quy ướctheomầu: Dùng cho các cuộncảmnhỏ: Đen 0 - -Loại4 vạch màu Nâu 1 - Đỏ 2 - 1 2 3 4 Cam 3 - Vàng 4 - Xanh lá cây 5 - Xanh lam 6 - Vòng màu 1: chỉ số có nghĩathứ nhấthoặcchấmthập phân Tím 7 - Vòng màu 2: chỉ số có nghĩathứ hai hoặcchấmthập phân Xám 8 - Vòng màu 3: chỉ số 0 cần thêm vào, đơnvịđolàμH Trắng 9 - Vòng màu 4: chỉ dung sai %. Bạch kim - 10% Vàng kim Chấmthậpphân 5% Không vạch màu - 20% 40/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 59 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 60
3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộncảm 3.5 Phân loạivàứng dụng -Dựatheoứng dụng: + Cuộncộng hưởng –cuộncảm dùng trong các mạch cộng hưởng LC. + Cuộnlọc –cuộncảm dùng trong các bộ lọcmộtchiều. + Cuộnchặn dùng để ngăncản dòng cao tần, v.v - Dựa vào loại lõi củacuộncảm: + Cuộn dây lõi không khí: Loạicuộn dây không lõi hoặccuốntrêncác cốt không từ tính, thường dùng là các cuộncộng hưởng làm việc ở tầo số cao và siêu cao. Các yêu cầu chính củacuộn dây không lõi là: - Điệncảmphải ổn định ở tầnsố làm việc. -Hệ số phẩmchất cao ở tầnsố làm việc. - Điện dung riêng nhỏ. -Hệ số nhiệtcủa điệncảmthấp. -Bềnchắc, kích thướcvàgiáthànhphảihợplý. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 61 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 62 3.5 Phân loạivàứng dụng 3.6 Mộtsố hình ảnh củacuộncảm + Cuộncảm lõi sắtbụi: Dùng bộtsắt nguyên chấttrộnvớichấtdínhkết không từ tính là lõi cuộncảm, thường dùng ở tầnsố cao và trung tần. A core material with greater magnetic Cuộndâylõisắtbụicótổnthấtthấp, đặcbiệtlàtổnthất do dòng điện permeability results in greater magnetic field flux for any given amount of field xoáy ngược, và độ từ thẩmthấphơnnhiềuso vớiloại lõi sắttừ. force (amp-turns). + Cuộncảm lõi Ferit : thường là các cuộncảmlàmviệc ở tầnsố cao và trung tần. Lõi Ferit có nhiềuhìnhdạng khác nhau như: thanh, ống, hình chữ E, chữ C, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điệncảm cao, tuy vậylạidễ bị bão hòa từ khi có thành phầnmột chiều. + Cuộncảm lõi sắttừ: Lõi củacuộncảmthường hợpchấtsắt - silic, hoặcsắt- niken . Đây là các cuộncảmlàmviệc ở tầnsố thấp. Dùng dây đồng đã được tráng men cách điệnquấn thành nhiềulớp có cách điệngiữa các lớpvàđượctẩmchống ẩm. Variable inductors: providing a way Fixed-value inductor: another Inductor (of greater inductance to vary the number of wire turns in antique air-core unit built for value), also intended for radio use at any given time, or by varying radios. The connection terminals applications. Its wire coil is the core material (a sliding core that can be seen at the bottom, as well wound around a white ceramic can be moved in and out of the coil). as the few turns of relatively thick tube for greater rigidity 41/176 wire Ha M. Do - PTIT Lecture 2 63 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 64
3.6 Mộtsố hình ảnh củacuộncảm 4. Biếnáp(Transformer) 4.1. Định nghĩa 4.2. Các tham số kỹ thuậtcủabiếnáp 4.3. Ký hiệucủabiếnáp 4.6. Phân loạivàứng dụng Ferrite Rod Inductor SMD Wound Chip Inductor Spiral inductor with N=1.5 DC filter Roller inductor for turns, W=20 μm, S=10 μm choke FM diplexer and R =100 μm Inductor in (area=0.14 mm2). (called On-chip inductor) Ha M. Do - PTIT Lecture 2 65 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 66 4.1. Định nghĩa Nguyên lý hoạt động củabiếnáp -Biếnáplàthiếtbị gồm hai hay nhiềucuộndâyghéphỗ cảmvới nhau -Hoạt động dựa theo nguyên lý để biến đổi điện áp. Cuộndâyđấu vào nguồn điệngọilàcuộnsơ cấp, cảm ứng điệntử. các cuộn dây khác đấuvàotảigọilàcuộnthứ cấp. -Hệ số tự cảmcủacuộnsơ cấp, thứ cấp: S S L = μ.N 2 L = μ.N 2 1 1 l 2 2 l - Khi dòng điệnI1 biến thiên tạoratừ thông biến thiên, từ thông này liên kết sang cuộnsơ cấpvàtạorađiệnápcảm ứng eL trên cuộnthứ cấp theo hệ số tỉ lệ gọilàhệ số hỗ cảm M. Lượng từ thông liên kếtgiữa cuộnsơ cấp sang cuộnthứ cấp được đánh giá bằng hệ số ghép biếnáp K. e ΔΦ.N S M = L H 2 2 [] eL = ; ΔΦ2 =K.ΔΦ1 =K.μ.Δi1.N1. Δi1 / Δt Δt l S M K = M = K.N1N2.μ. = K. L1L2 l L1L2 42/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 67 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 68
4.2. Các tham số kỹ thuậtcủabiếnáp a. Hệ số ghép biếnápK M -Hệ số ghép biếnápK K = - Điệnápcuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấp L1 L 2 - Dòng điệnsơ cấp và dòng điệnthứ cấp M - hệ số hỗ cảmcủabiếnáp -Hiệusuấtcủabiếnáp L1 và L2 -hệ số tự cảmcủacuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấptương ứng. - Khi K = 1 là trường hợpghéplýtưởng, khi đótoànbộ số từ thông sinh ra do cuộnsơ cấp được đi qua cuộnthứ cấpvàngượclại. -Trênthựctế sử dụng, khi K ≈ 1 gọi là hai cuộn ghép chặt khi K N thì U > U ta có biếnáptăng áp -Muốngiảmtổnhaonăng lượng trong lõi sắttừ, dây đồng và từ thông 2 1 2 1 rò người ta dùng loạilõilàmtừ các lá sắttừ mỏng, có quét sơn cách + N2 < N1 thì U2 < U1 ta có biếnáphạ áp điện, dùng dây đồng có tiếtdiệnlớnvàghépchặt. 43/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 71 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 72
f. Đặctínhcủalõibiếnáp f. Đặctínhcủalõibiếnáp CORE CHARACTERISTICS CORE CHARACTERISTICS The composition of a transformer core depends on such factors as voltage, current, and frequency. Size limitations Core Type Transformers and construction costs are also factors to be considered. There are two main shapes of cores used in laminated-steel-core transformers. Commonly used core materials are air, soft iron, and steel. One is the CORE Type, so named because the core is shaped with a hollow Each of these materials is suitable for particular applications square through the center. Notice that the core is made up of many laminations and unsuitable for others. Generally, air-core transformers of steel. are used when the voltage source has a high frequency (> 20 The figure illustrates how the transformer windings are wrapped around both kHz). Iron-core transformers are usually used when the sides of the core. source frequency is low (< 20 kHz). A soft-iron-core transformer is very useful where the transformer must be Fig - Windings wrapped physically small, yet efficient. The iron-core transformer around laminations. provides better power transfer than does the air-core transformer. A transformer whose core is constructed of laminated sheets of steel dissipates heat readily; thus it Shell-Core Transformers provides for the efficient transfer of power. These steel The most popular and efficient transformer core is the SHELL laminations (see figure) are insulated with a non conducting CORE, as illustrated in figure (4). As shown, each layer of the material, such as varnish, and then formed into a core. The Fig - Hollow-core construction. core consists of E- and I-shaped sections of metal. These sections purpose of the laminations is to reduce certain losses. An are butted together to form the laminations. The laminations are important point to remember is that the most efficient insulated from each other and then pressed together to form the transformer core is one that offers the best path for the most lines of flux with the least loss in magnetic and electrical core. energy. Fig - Shell-type core construction. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 73 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 74 f. Đặctínhcủalõibiếnáp 4.3. Ký hiệucủabiếnáp CORE CHARACTERISTICS TRANSFORMER WINDINGS The figure shows an exploded view of a shell-type transformer. The primary is wound in layers directly on a rectangular cardboard form. a. Biếnápâmtầnb. Biếnápnguồnlõisắtvàbiếnáptự ngẫu c. Biếnápcaotầnkhônglõi d. BiếnáplõiFerit Fig - Exploded view of shell-type transformer construction In the transformer shown in the cutaway view in fig., the primary consists of many turns of relatively small wire. The wire is coated with varnish so that each turn of the winding is insulated from every other turn. In a transformer designed for e. Biếnáptrungtần high-voltage applications, sheets of insulating material, such as paper, are placed between the layers of windings to Fig - Cutaway view of shell-type core provide additional insulation. with windings. 44/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 75 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 76
4.4 Phân loạivàứng dụng 4.4 Phân loạivàứng dụng - Ứng dụng để biến đổi điệnápxoaychiều. + Biếnápcấp điện (biếnápnguồn) : Là biếnáplàmviệcvớitầnsố 50 - Dùng để cách ly giữamạch các mạch điện, dùng loạibiếnápcóhai Hz, 60 Hz. Biếnápnguồncónhiệmvụ là biến đổi điệnápvàothành điện áp và dòng điện ra theo yêu cầuvàngăn cách thiếtbị khỏikhỏi cuộndâysơ cấpvàthứ cấp cách điệnvới nhau. nguồn điện. Các yêu cầu chính: -Biến đổibiến đổitổng trở, dùng biếnápghépchặt • Điệncảmcuộnsơ cấp cao để giảm dòng điện không tảixuống giá trị -Biếnápcaotần dùng để truyềntínhiệucóchọnlọc, dùng loại ghép nhỏ nhất. lỏng. •Hệ số ghép K cao để điệnápthứ cấpítsụt khi có tải. •Tổnthất trong lõi càng thấp càng tốt(chọnvậtliệu -Tuỳ theo ứng dụng cụ thể mà biếnápcónhững yêu cầu khác nhau và lõi và bề dày lá thép thích hợp). thường được phân loại theo ứng dụng: •Kíchthướcbiếnápcàngnhỏ càng tốt. + Biếnápcộng hưởng : Đây là biếnáptrungtầnhoặc cao tầncólõi •Kếtcấu bên ngoài có thể dùng: không khí hoặcsắtbụihoặc ferit, ghép lỏng và có mộttụđiệnmắc ở Loạihở có tẩm (giá thành thấp) cuộnsơ cấphoặccuộnthứ cấp để tạocộng hưởng đơn. Thông thường Loạibọckíncótẩm(bảovệ cơ họctốt) tầnsố cộng hưởng được thay đổibằng cách điềuchỉnh vị trí của lõi Loại hàn kín, đổ dầu(thíchhợpvới khí hậu nhiệt đới, dễ sửachữa) Loại đổ khuôn nhựa (thích hợpvới khí hậu nhiệt đới, không sửachữa được) Ha M. Do - PTIT Lecture 2 77 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 78 4.4 Phân loạivàứng dụng 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp + Biếnápâmtần: là biếnápđượcthiếtkếđểlàm việc ở dảitầnsố âm TYPES AND APPLICATIONS OF TRANSFORMERS The transformer has many useful applications in an electrical circuit. A brief discussion of some of thanh khoảng từ 20 Hz đến 20000 Hz, yêu cầubiến đổi điện áp không these applications will help you recognize the importance of the transformer in electricity and đượcgâyméodạng sóng trong cả dảitầnsố âm thanh, dùng để ngăn electronics. cách điệnmộtchiều trong mạch này vớimạch khác, để biến đổitổng trở, để đảo pha, v.v POWER TRANSFORMERS Power transformers are used to supply voltages to the various circuits in electrical equipment. These -Biếnápâmtầnphảilàmviệctrênđảitầnsố âm thanh khá rộng và transformers have two or more windings wound on a laminated iron core. The number of windings and phải đáp ứng nhiềumục đích khác nhau nên yêu cầu cao hơnbiếnáp the turns per winding depend upon the voltages that the transformer is to supply. Their coefficient of cấp điện. coupling is 0.95 or more. + Biến áp xung : Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệuvàloại công suất. Biến áp xung có yêu cầuvề dải thông tầnkhắt khe hơn so vớibiếnápâm tần. Để hoạt động tốt ở cả tầnsố thấpvàở tầnsố cao (sườn xung), biến áp xung cầnphảicóđiệncảmsơ cấplớn, đồng thời điệncảmrònhỏ và điện dung giữacáccuộndâynhỏ. - Để khắcphục các yêu cầu đối kháng này vậtliệu lõi cầncóđộ từ thẩm cao và kếtcấuhìnhhọccủacuộn dây thích hợp. Vậtliệu lõi củabiếnáp Siemens Oil filled final step-down Kuhlman Power Transformers-2500 to xung đượcchọn tùy thuộcvàodảitầnhoạt động có thể là sắttừ hoặc transformers, with conservator or Power transformers 5MVA to 10,000 kVA, both single and three-phase, hermetically encapsulated 50 kVA to 3 ferit. 575MVA/525kV are self-cooled with additional single stage MVA with operation voltages ~ 36 kV 45/176 forced-air cooling available Ha M. Do - PTIT Lecture 2 79 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 80
4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp The typical power transformer has several secondary windings, each providing a different voltage. The AUTOTRANSFORMERS schematic symbol for a typical power-supply transformer is shown in figure. For any given voltage It is not necessary in a transformer for the primary and secondary to be separate and distinct windings. across the primary, the voltage across each of the secondary windings is determined by the number of The figure is a schematic diagram of what is known as an AUTOTRANSFORMER. Note that a single turns in each secondary. A winding may be center-tapped like the secondary 350 volt winding shown in coil of wire is "tapped" to produce what is electrically a primary and secondary winding. The voltage the figure. To center tap a winding means to connect a wire to the center of the coil, so that between this across the secondary winding has the same relationship to the voltage across the primary that it would center tap and either terminal of the winding there appears one-half of the voltage developed across the have if they were two distinct windings. The movable tap in the secondary is used to select a value of entire winding. Most power transformers have colored leads so that it is easy to distinguish between the output voltage, either higher or lower than EP, within the range of the transformer. That is, when the tap various windings to which they are connected. Usually, red is used to indicate the high-voltage leads, but is at point A, ES is less than EP; when the tap is at point B, ES is greater than E P. it is possible for a manufacturer to use some other colors. Fig. : An adjustable autotransformer or regulator. These have a range of turns ratios that includes unity, so they are neither step-down, Fig.: Schematic diagram of an autotransformer step-up, nor isolation Fig. - Schematic diagram of a typical power transformers. transformer. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 81 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 82 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp AUDIO-FREQUENCY TRANSFORMERS RADIO-FREQUENCY TRANSFORMERS Audio-frequency (AF) transformers are used in (AF) circuits as coupling devices. Audio-frequency Radio-frequency (RF) transformers are used to couple circuits to transformers are designed to operate at frequencies in the audio frequency spectrum (generally which frequencies above 20,000 Hz are applied. The windings are considered to be 15 Hz to 20kHz). wound on a tube of nonmagnetic material, have a special powdered- They consist of a primary and a secondary winding wound on a laminated iron or steel core. Because iron core, or contain only air as the core material. In standard these transformers are subjected to higher frequencies than are power transformers, special grades of broadcast radio receivers, they operate in a frequency range of from steel such as silicon steel or special alloys of iron that have a very low hysteresis loss must be used for 530 kHz to 1550 kHz. In a short-wave receiver, rf transformers are core material. These transformers usually have a greater number of turns in the secondary than in the subjected to frequencies up to about 20 MHz - in radar, up to and even primary; common step-up ratios being 1 to 2 or 1 to 4. With audio transformers the impedance of the above 200 MHz. primary and secondary windings is as important as the ratio of turns, since the transformer selected IMPEDANCE-MATCHING TRANSFORMERS should have its impedance match the circuits to which it is connected. For maximum or optimum transfer of power between two circuits, it is necessary for the impedance of one circuit to be matched to that of the other circuit. One common impedance-matching device is the transformer. N Z To obtain proper matching, you must use a transformer having the P = P correct turns ratio. The number of turns on the primary and NS Z S Fig. audio transformer is a grain oriented silicone steel, secondary windings and the impedance of the transformer have the multi-sectioned design, with excellent frequency and following mathematical relationship. square wave response. Turns ratio is 1:90, power Because of this ability to match impedances, the impedance- handling conservatively set at 150 watts continuous and matching transformer is widely used in electronic equipment. 500 watts impulse. (<200 ms). Weight 4.5K 46/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 83 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 84
4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp With an internal impedance of 500 Ω, the amplifier can only deliver full power to a load (speaker) also Pulse transformer: having 500 Ω of impedance. Such a load would drop higher voltage and draw less current than an 8 Ω speaker dissipating the same amount of power. If an 8 Ω speaker were connected directly to the 500 Ω A pulse transformer is a transformer that is amplifier as shown, the impedance mismatch would result in very poor (low peak power) performance. optimised for transmitting rectangular Additionally, the amplifier would tend to dissipate more than its fair share of power in the form of heat electrical pulses (that is, pulses with fast rise trying to drive the low impedance speaker. and fall times and a relatively constant To make this system work better, we can use a transformer to match these mismatched impedances. amplitude). Small versions called signal types Since we're going from a high impedance (high voltage, low current) supply to a low impedance (low voltage, high current) load, we'll need to use a step-down transformer: are used in digital logic and telecommunications circuits, often for To obtain an impedance transformation ratio matching logic drivers to transmission lines. of 500:8, we would need a winding ratio Medium-sized power versions are used in equal to the square root of 500:8 (the square root of 62.5:1, or 7.906:1). With such a power-control circuits such as camera flash transformer in place, the speaker will load controllers. Larger power versions are used in the amplifier to just the right degree, the electrical power distribution industry to drawing power at the correct voltage and interface low-voltage control circuitry to the current levels to satisfy the Maximum high-voltage gates of power semiconductors. Power Transfer Theorem and make for the Special high voltage pulse transformers are most efficient power delivery to the load. also used to generate high power pulses for The use of a transformer in this capacity is radar, particle accelerators, or other high called impedance matching. energy pulse power applications. Ha M. Do - PTIT Lecture 2 85 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 86 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp 4.5 Hình ảnh củamộtsố loạibiếnáp Resonant transformers Switching Transformers A resonant transformer operates at the resonant frequency of one or more of its coils and (usually) an Switch mode power transformers (and supplies) get their name from the external capacitor. The resonant coil, usually the secondary, acts as an inductor, and is connected in switching action needed to sustain transformer operation. By controlling the series with a capacitor. When the primary coil is driven by a periodic source of alternating current, such amount of “on time” and “off time” of the switches, one can also control the as a square or sawtooth wave at the resonant frequency, each pulse of current helps to build up an amount of power delivered to the transformer’s load (or load circuit). The oscillation in the secondary coil. Due to resonance, a very high voltage can develop across the voltage can be fed to the switch mode power transformer in voltage pulses. secondary, until it is limited by some process such as electrical breakdown. These devices are used to The pulse duration is a portion of an overall cycle time. The cycle time is generate high alternating voltages, and the current available can be much larger than that from equal to the inverse of the operating frequency. The terms “duty cycle” and electrostatic machines such as the Van de Graaff generator. “pulse width modulation” arise from the control of the switching “on time” and “off time”. Applications: switching power supplies, alarm system, chargers, TV & CRT monitor displays, UPS, VCD / DVD players, audio & visual equipment, OA machines, inverter A 25 kV flyback transformer being used to generate an arc. 47/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 87 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 88
Ghi chú Ghi chú Ha M. Do - PTIT Lecture 2 89 Ha M. Do - PTIT Lecture 2 90 48/176
Lecture 3- Semiconductor (Chấtbándẫn) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1. Định nghĩachất bán dẫn ELECTRONIC DEVICES 2. Cấutrúcmạng tinh thể chất bán dẫn 3. Chất bán dẫnthuần 4. Chất bán dẫn không thuần Lecture 3- Semiconductor (Chất bán dẫn) 5. Dòng điện trong chất bán dẫn 6. Độ dẫn điệnchất bán dẫn Đỗ Mạnh Hà KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 8/2009 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 1 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 2 1. Định nghĩa 2. Cấutrúcmạng tinh thể chấtbándẫn đơnSi -Chấtbándẫnlàvậtchấtcóđiệntrở suấtnằm ở giữatrị sốđiệntrở suấtcủa chấtdẫn điệnvàchất điệnmôikhiở nhiệt độ phòng, ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m Mỗi nguyên tử Si liên kếtvới -Chấtbándẫnlàchất mà trong cấutrúcdảinăng lượng có độ rộng 4 nguyên tử bên cạnh vùng cấmlà0<EG<2eV. -Chấtbándẫntrongtự nhiên: Bo (B), Indi (In), Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si), Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Selen (Se), lưuhuỳnh (S) ở nhóm 6, Asen o (As) thuộc nhóm 5, v.v hoặchợpchấtnhư clorua đồng (CuCl), Asenic Canxi 2.35A CaAs, Oxit đồng CuO, v.v -Trongkỹ thuật điệntử hiệnnay sử dụng mộtsố chấtbándẫncócấutrúc o đơn tinh thể. Quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic. 5.43A - Đặc điểmcủacấutrúcmạng tinh thể này là độ dẫn điệncủanórấtnhỏ khi ở nhiệt độ thấpvànósẽ tăng theo lũythừavớisự tăng củanhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộnthêmíttạpchất. Do đó đặc điểmcơ bảncủachấtbándẫnlàđộ dẫn điệnphụ thuộcnhiềuvàonhiệt độ môi trường và nồng độ tạpchất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bứcxạ ion hóa, v.v 49/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 3 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 4
Cấutrúcmạng tinh thể củachấtbándẫnghép 3. Chấtbándẫnthuần (Intrinsic semiconductor) -Chấtbándẫnmàở mỗi nút củamạng tinh thể củanóchỉ có nguyên tử củamộtloại nguyên tố, ví dụ như các tinh thể Ge (gecmani) Si (silic) nguyên chất -Vídụ xét tinh thể Si, EG= 1,21eV (tại nhiệt độ 300K) Ga Si Dải Si Si E +4 +4 +4 dẫn Điệntử EC As Si EG < 2 eV Si Si +4 +4 +4 EV Lỗ trống •Chấtbándẫn ghép: Hợpchấtcủa các nguyên tử thuộc phân nhóm chính Si nhóm III và phân nhóm chính nhóm V: GaAs, GaP, GaN, quan trọng Si Si Dải trong các cấukiện quang điệnvàIC tốc độ cao +4 +4 +4 hoá trị Ha M. Do - PTIT Lecture 3 5 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 6 Sự tạo thành lỗ trống và điệntử tự do Độ dẫn điệncủachấtbándẫn σ Si 1 - Ở nhiệt độ phòng mộtsố liên kết Si Si σ = cộng hóa trị bị phá vỡ tạorađiện +4 +4 +4 ρ tử tự do và lỗ trống. -Lỗ trống cũng có khả năng dẫn Si σ=(n. μnp + p. μ ).q điệnnhưđiệntử tự do, mang điện Si Si +4 +4 +4 tích và có cùng độ lớnvới điện tích μ - độ linh động của điệntử tự do Điệntử n điệntử. μ - độ linh động củalỗ trống Lỗ trống tự do p Si -19 -Bándẫnthuầncónồng độ hạtdẫn Si Si q – điện tích của điệntử q=1,6.10 C lỗ trống và nồng độ hạtdẫn điệntử +4 +4 +4 bằng nhau: p = n = pi = ni + Mật độ dòng điện khi chấtbándẫn đặt trong điệntrường ngoài E: J = σ.E = (n.μn + p.μ p ).q.E 50/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 7 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 8
Giải thích các thuậtngữ Quá trình tạohạttải điệnvàquátrìnhtáihợp - Nồng độ điệntử tự do trong chất bán dẫn (Electron - Quá trình tạorahạttải điệntrongchấtbándẫnthuầnchủ yếu là do năng lượng Concentration): n [cm-3]-số lượng điệntử tự do trong một đơnvị thể nhiệt “thermal generation”, tốc độ tạohạttải điện tăng theo hàm mũ của nhiệt tích chấtbándẫn(ni, nn, np). độ T. - Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn (Hole Concentration):p[cm-3] - Ngoài ra một quá trình tạohạttải điện khác là do năng lượng quang học -số lượng lỗ trống trong một đơnvị thể tích chấtbándẫn(pi, pn, pp). “optical generation”. Điệntử trong dảihóatrị có thể nhậnnăng lượng của 2 photon ánh sáng truyềntớivànhảylêndảidẫn. Ví dụ trong bán dẫnthuầnSi - Độ linh động của điệntử tự do (Electron Mobility): μn[cm /(V.s)] – Tham số xác định mức độ phân tán của điệntử trong chấtbándẫn, tỉ lệ năng lượng tốithiểucầnthiết là 1.1eV, tương đương vớiánhsángbước sóng thuậnvớivậntốc khuyếch tán của điệntử và cường độ trường điện ~1 μm. trường, cũng như tỉ lệ giữanồng độ điệntử và độ dẫn điệncủachấtbán - Trong chấtbándẫncũng xảy ra quá trình tái hợpgiữa điệntử tự do và lỗ trống dẫn. và giải phóng năng lượng theo cách: - Độ linh động củalỗ trống (Hole Mobility) : μ [cm2/(V.s)] - Tham số p 1.Tạoranhiệtlượng làm nóng chấtbándẫn: “thermal recombination” xác định mức độ phân tán củalỗ trống trong chấtbándẫn, tỉ lệ thuận vớivậntốc khuyếch tán củalỗ trống và cường độ trường điệntrường, 2. Phát xạ ra photon ánh sáng “optical recombination” cũng như tỉ lệ giữanồng độ lỗ trống và độ dẫn điệncủachấtbándẫn “Optical recombination”rấthiếmxảyratrongtrongchấtbándẫnthuầnSi, -1 - Độ dẫn điện (Electrical conductivity): σ [Ω.m] -thamsốđokhả Ge mà chủ yếuxảy ra trong các loạivậtliệubándẫn ghép năng dẫn dòng điện thông qua một đơnvị vậtliệu, σ = 1/ρ. -Quátrìnhtạovàtáihợpliêntụcxảy ra trong chấtbándẫn, và đạttrạng thái cân bằng khi tốc độ của 2 quá trình đóbằng nhau. Ha M. Do - PTIT Lecture 3 9 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 10 Quá trình tạohạttải điệnvàquátrìnhtáihợp So sánh các đặctínhcủaSivàGe -Tốc độ tạohạttải điệnphụ thuộcvàoT nhưng lại độclậpvới n và p - Các đặc tính Ge Si nồng độ của điệntử tự do và củalỗ trống : Số nguyên tử 32 14 G = Gthermal(T) +Goptical Nguyên tử lượng 72,6 28,1 - Trong khi đótốc độ tái hợplạitỷ lệ thuậnvớicả n và p Tỷ trọng (g/cm3) 5,32 2,33 R ∝ np Hằng sốđiện môi 16 12 Số nguyên tử/cm3 4,4.1022 5,0.1022 -Trạng thái ổn định xảy ra khi tốc độ tạovàtáihợpcânbằng 0 EG0,eV, ở 0 K (năng lượng vùng cấm) 0,785 1,21 0 EG, eV, ở 300 K 0,72 1,1 G = R ⇒ np = f (T ) 0 -3 13 10 ni ở 300 K , cm (nồng độ hạtdẫn điệntử) 2,5.10 1,5.10 Điệntrở suất nguyên tính ở 3000K [Ω.cm] 45 230 2 -Nếu trong trường hợp không có các nguồn quang và nguồn điệntrường μn , cm / V-sec 3800 1300 2 ngoài, trạng thài ổn định đượcgọilàtrạng thái cân bằng nhiệt μp ,cm / V-sec 1800 500 2 “thermal equilibrium” hay định luật Mass-action: Dn , cm / sec = μn.VT 99 34 D , cm2/ sec = μ .V 47 13 2 p p T np = ni (T ) 51/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 11 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 12
Hàm phân bố Fermi-Dirac Hàm phân bố Fermi-Dirac -Làcơ sởđểxét sự phân bố hạttải điệntrongchấtbándẫn. -Bằng cách áp dụng nguyên lý trên kèm theo với nguyên lý loạitrừ Pauli - Khi xét mộthệ gồmnhiềuhạtgiống hệtnhaucóthể nằm trên nhiều ngườitađãtínhtoánralờigiải là hàm phân bố Fermi-Dirac: Xác suất mứcnăng lượng khác nhau bao giờ cũng nảy sinh vấn đề hàm phân bố, mứcnăng lượng E [eV] bịđiệntử lấp đầytại nhiệt độ T tuân theo hàm bởivìđể xét các tính chất khác nhau củahệ trướchếttacầnphảibiết phân bố Fermi- Dirac như sau: các hạt này phân bố theo các mứcnăng lượng trên như thế nào? f(E) 1 -Xéthệ gồm N điệntử tự do nằm ở trạng thái cân bằng nhiệttại nhiệt f (E) = ⎛ E − EF ⎞ T=00K độ T. Phân bố các điệntửđó tuân theo nguyên lý loạitrừ Pauli. Tìm exp⎜ ⎟ +1 11 phân bố của các điệntử theo các mứcnăng lượng? ⎝ KT ⎠ - Nguyên lý loạitrừ Pauli là hệ quả củamột nguyên lý cơ bảnhơn, đólà -Trong đó 0 0,5 T=3000K nguyên lý không phân biệtgiữa các hạtgiống nhau áp dụng vào trường K: Hằng số Boltzmann (eV/ K) T=25000K hợphệ gồm các hạt farmion (các hạt có spin là bội1/2). K= 8,62×10-5 eV/0K -Ápdụng nguyên lý năng lượng tốithiểu: “xác suất để mộthệ gồmN T - Nhiệt độ đobằng 0K 0 -1 (E-E ) hạtgiống hệt nhau nằm trong trạng thái năng lượng E tỷ lệ nghịch với E -Mức Fermi (eV) 0 0,2 1 F E theo hàm mũ exp, cụ thể là: F -E: mứcnăng lượng Fermi là mứcnăng lượng lớnnhấtcònbị e- lấp đầy P (E) ~ exp(-E/kT). F N tại nhiệt độ T=00 K Ha M. Do - PTIT Lecture 3 13 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 14 Hàm phân bố Fermi-Dirac Hàm phân bố Fermi-Dirac - Phân tích hàm Fermi-Dirac: Nhận xét hàm phân bố Fermi-Dirac: 1 -Tại00K, f(E) = 1 khi E 0 K đềuluônbằng 1/2 tạiE = T = 00K T = 300 K E EF , không phụ thuộc vào nhiệt độ. E > E => f(E) = 0 E f(E) = 1 C F F -Hàmf(E) đốixứng qua điểm F, do đó, xác suất điệntử chiếm đóng ở F 0 0 -3 E mứcnăng lượng E + ΔE bằng xác suất các mứcnăng lượng mà điện T > 0 K (T=300 K; KT=26.10 eV) F EG F T = 00K tử không chiếm đóng ở mứcE - ΔE . (EF −E) E F E - E >>KT ⇒ KT V F f (E) ≈ e Vùng hoá trị -Xácsuấtmứcnăng lượng không bịđiệntử chiếm đóng sẽ là: (E−EF ) KT 1 E - EF <<- KT ⇒ f (E) ≈1− e 0 0.5 1 f(E) 1− f (E) = 1− ⎛ E − EF ⎞ EC [eV]- Đáy của vùng dẫn exp⎜ ⎟ +1 1 E [eV]- Đỉnh của vùng hóa trị ⎝ KT ⎠ f (EF ) = ∀T V 2 - Trong chấtbándẫn, xác suấtmứcnăng lượng E [eV] bịđiệntử điền đầy E [eV]- Mứcnăng lượng Fermi F 52/176 cũng tuân theo hàm phân bố Fermi-Dirac. Ha M. Do - PTIT Lecture 3 15 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 16
Nồng độ hạttải điệntrongchấtbándẫn Tính nồng độ hạttải điệntrongchấtbándẫn - Tính nồng độ điệntử tự do trong vùng dẫnn: - Tính nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị p: + Nồng độ hạtdẫn điệntử tự do nằm trong mứcnăng lượng từ E đến + Nồng độ hạtdẫnlỗ trống nằm trong mứcnăng lượng từ E đếnE+dEtrong E+dE trong dảidẫnlàdn[sốđiệntử/m3]: dải hóa trị là dp [số lỗ trống/m3]: dn=2.N(E).f(E).dE dp=2.N(E).(1-f(E)).dE + N(E) - là mật độ trạng thái trong dảidẫn(số lượng trạng thái/ eV/ m3). + N(E) - là mật độ trạng thái trong dải hóa trị (số lượng trạng thái/ eV/ m3). 1/ 2 4π 3/ 2 3/ 2 1/ 2 4π 3/ 2 3/ 2 N()E = γ .(E − E ) γ = (2mn ) .(qn ) N()E = γ .(E − E) γ = (2mp ) .(q p ) C h3 V h3 ∞ ∞ EV EV (EF −E) (E−EF ) n = 2.N(E). f (E).dE ≅ 2.γ . E − E 1/ 2.e KT dE p = 2.N(E).(1− f (E)).dE ≅ 2.γ . E − E 1/ 2.e KT dE ∫ ∫ ()C ∫ ∫ ()V EC EC 0 0 3/ 2 3/ 2 (E −E ) ⎛ 2πm kT ⎞ ⎛ 2πmpkT ⎞ F C N = 2. n (EV −EF ) N = 2.⎜ ⎟ KT C ⎜ 2 ⎟ KT V ⎜ 2 ⎟ n = NC .e ⎝ h ⎠ p = NV .e ⎝ h ⎠ Mật độ trạng thái hiệudụng trong vùng dẫn Mật độ trạng thái hiệudụng trong vùng hóa trị mn –Khốilượng hiệudụng của điệntử tự do mp –Khốilượng hiệudụng củalỗ trống k[J/0K] – Hằng số Boltzmann, h – hằng số Plank , T [0K] k[J/0K] – Hằng số Boltzman, h – hằng số Plank , T [0K] Ha M. Do - PTIT Lecture 3 17 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 18 Khốilượng hiệudụng Tính nồng độ hạttải điệntrongchấtbándẫn E −E − C V -Khảosátgiatốccủa điệntử khi đặt trong điệntrường ở môi trường Xét tích: KT −EG / KT n.p = NC NV .e = NC NV .e chân không và chấtbándẫn: 3 Trong chân không 2 2 3 −EG / KT ⎛ 2π.k ⎞ 3/ 2 Trong chấtbándẫn n.p = ni = pi = A.T .e A = 4.⎜ ⎟ .()mn.mp = ⎝ h2 ⎠ E + E 3 m Vớibándẫnthuần n = p ⇒ E = C V + kT ln p i i Fi 2 4 m n mp, mn là khốilượng hiệudụng củahạttải điệnlỗ trống và điệntử tự do, F = (-q) = m a F = (-q) = m a chúng phụ thuộcvàocấutrúcdảinăng lượng. E + E o n E = C V Fi : cường độ điệntrường mn khốilượng hiệudụng của điệntử -Nếump≅ mn thì mứcFermi EFi nằmgiữavùngcấm. 2 − qε qε -Nếum≠m mức Fermi chỉ nằmgiữavùngcấm khi T=00K Điệntử: a = Lỗ trống: a = p n m mp n Nồng độ hạttải điện trong chấtbándẫnthuần ở nhiệt độ phòng rấtnhỏ, Si Ge GaAs nên chấtbándẫnthuầncókhả năng dẫn điệnkém. m n /m 0 0.26 0.12 0.068 −EG / 2kT m /m 0.39 0.30 0.50 ni = Nc Nv e p 0 53/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 19 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 20
Bán dẫnthuầnSi 4. Chấtbándẫn không thuần -Chấtbándẫnmàmộtsố nguyên tửởnút củamạng tinh thể củanóđược thay thế bằng nguyên tử của chất khác gọilàchấtbándẫn không thuần. conduction -Cóhailoạichấtbándẫn không thuần: + Chấtbándẫn không thuần loạiN–gọitắtlàBándẫnloạiN + Chấtbándẫn không thuần loạiP–gọitắtlàBándẫnloạiP Donors: P, As, Sb Acceptors: B, Al, Ga, In 10 -3 ni ≅ 10 cm at room temperature Ha M. Do - PTIT Lecture 3 21 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 22 a. ChấtbándẫnloạiN (chấtbándẫn không thuầnloạicho) a. ChấtbándẫnloạiN (chấtbándẫn không thuầnloạicho) -Thêmmộtíttạpchất là nguyên tố thuộc nhóm 5, thí dụ As, P, Sb vào -Nồng độ điệntự tự do trong chấtbándẫnloạiN tăng nhanh, nên tốc độ chấtbándẫnthuầnGehoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạpchấtsẽ tái hợptăng nhanh, do đónồng độ lỗ trống giảmxuống nhỏ hơnnồng đưa4 điệntử trong 5 điệntử hóa trị của nó tham gia vào liên kếtcộng độ có thể có trong bán dẫnthuần. hóa trị với 4 nguyên tử Ge (hoặcSi) ở bên cạnh; còn điệntử thứ 5 sẽ thừa - Trong chấtbándẫnloại N, nồng độ hạtdẫn điệntử (nn) nhiềuhơn ra và liên kếtcủa nó trong mạng tinh thể là rấtyếu, ở nhiệt độ phòng nhiềunồng độ lỗ trống pn và điệntửđượcgọilàhạtdẫn đasố, lỗ trống cũng dễ dàng tách ra trở thành hạttải điện-điệntử tự do trong tinh thể đượcgọilàhạtdẫnthiểusố. và nguyên tử tạpchấtchođiệntử trở thành các ion dương cốđịnh. nn >> pn E Si n =Nd+pn≈ Nd Si Si n +4 +4 +4 Vùng dẫn Nd –Nồng độ ion nguyên tử tạpchất cho (Donor) Si e5 0,01eV Sb Si EC +4 +5 +4 ED Mứccho Si E Si Si E G +4 +4 +4 V Vùng hoá trị 54/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 23 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 24
b. ChấtbándẫnloạiP (chấtbándẫn không thuầnloạinhận) b. ChấtbándẫnloạiP (chấtbándẫn không thuầnloạinhận) - Thêm mộtíttạpchất là nguyên tố thuộc nhóm 3, thí dụ In, Bo, Ga vào chất -Nồng độ lỗ trống trong chấtbándẫnloạiP tăng nhanh, nên tốc độ tái bán dẫnthuầnGehoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạpchấtchỉ có 3 điệntử hợptăng nhanh, đo đónồng độ lỗđiệntử tự do giảmxuống nhỏ hơn hóa trịđưaratạoliênkếtcộng hóa trị với 3 nguyên tử Ge (hoặcSi) ở bên cạnh, nồng độ có thể có trong bán dẫnthuần. mối liên kếtthứ 4 để trống và tạo thành mộtlỗ trống. Điệntử củamối liên kết - Trong chấtbándẫnloại P, nồng độ hạtdẫnlỗ trống (p ) nhiềuhơn gần đócóthể nhảysang để hoàn chỉnh mối liên kếtthứ 4 còn để trống đó. p Nguyên tử tạpchấtvừanhậnthêmđiệntử sẽ trở thành ion âm và ngượclại ở nhiềunồng độ điệntử tự do np và lỗ trống đượcgọilàhạtdẫn đasố, nguyên tử Ge/Si vừacó1 điệntử chuyển đisẽ tạoramột lỗ trống và nguyên tử điệntử tự do đượcgọilàhạtdẫnthiểusố. này sẽ trở thành ion dương cốđịnh. pp >> np E p =N +n ≈ N Si Si Si p a p a +4 Vùng dẫn +4 +4 Na –Nồng độ ion nguyên tử tạpchấtnhận (Acceptor) Si In Si EC +4 +3 +4 EG E Mứcnhận 0,01eV Si Si Si A +4 +4 +4 EV Vùng hoá trị Ha M. Do - PTIT Lecture 3 25 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 26 Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Tổng quát trong chấtbándẫn ta có: (Định luật“mass-action”) - Trong thựctế Silicon thường được pha tạpcả chất Donor và Acceptor. Giả sử nồng độ pha tạptương ứng là N , N . 2 2 3 −EG / KT 3/ 2 −EG / 2KT −3 d a n.p = ni = pi = A.T .e = 3,9.T e [cm ] - Để tạo thành bán dẫnN thìNd>Na, Điệntử cho của nguyên tử Donor sẽ - Trong chấtbándẫnloạiN: ion hóa tấtcả các nguyên tử Acceptor để hoàn thành liên kết còn thiếu 2 2 n n điệntử, nồng độ nguyên tử Donor tạorađiệntử tự do là: Nd-Na, quá p = i = i n n N trình như vậygọi là quá trình bù “Compensation”. Điện tích trong chất n d bán dẫn N trung hòa nên: - Trong chấtbándẫnloạiP: Nd-Na + p - n = 0. 2 2 n n n2 n = i = i p = n − (N − N ) = i 2 2 p d a n − ()Nd − Na .n − ni = 0 p p Na n 2 ()Nd − Na ()Nd − Na 4ni n = + 1+ 2 2 2 ()Nd − Na -NếuNd>>Na nên Nd-Na>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạttải điệnnhư như sau: n 2 n ≅ N − N p ≅ i d a N − N 55/176 d a Ha M. Do - PTIT Lecture 3 27 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 28
Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Mức Fermi trong chấtbándẫn không thuần -Tương tựđểtạo thành bán dẫnP thìNa>Nd, trong bán dẫncũng xảyra -Mức Fermi trong chấtbándẫnN (Nd càng tăng mức Fermi càng tiếngần quá trình bù, tính toán tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp tới đáy củadảidẫn): này được tính như sau: (EF −EC ) N KT E = E − KT ln C 2 nn = NC .e = Nd F C ()Na − Nd ()Na − Nd 4ni Nd p = + 1+ 2 2 2 ()Na − Nd -NếuNa>>Nd nên Na-Nd>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạttải điệnnhư như sau: 2 ni p ≅ Na − Nd n ≅ EF Na − Nd i Ha M. Do - PTIT Lecture 3 29 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 30 Mức Fermi trong chấtbándẫn không thuần Mức Fermi trong chấtbándẫn không thuần -Mức Fermi trong chấtbándẫnP (Na càng tăng mức Fermi càng tiếngần -Mức Fecmi trong bán dẫn không thuầnlàmộthàmcủa nhiệt độ cho các xuống đỉnh củadải hóa trị): giá trị nồng độ tạpchất khác nhau (Ví dụ vớiSi). (E −E ) V F NV KT E = E + KT ln p = NV .e = Na F V Na i EF 56/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 31 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 32
Quan hệ nồng độ hạtdẫntrongbándẫnthuần và không thuần 5. Dòng điện trong chấtbándẫn -Giả sử mứcmứcFermi củabándẫnthuầnlàEF = EFi - Dòng điệnkhuếch tán: Dòng điệntạo ra do sự chuyển động ngẫunhiêndo -Nồng độ hạtdẫn trong bán dẫnthuầnn=p : nhiệtcủa các hạttải điện(thôngthường giá trị trung bình =0, nên bỏ qua) và i i sự khuếch tán các hạttải điệntừ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp hơn: dn dp −(E −E )/ kT −(E −E )/kT c Fi Fi v J diff ( n ) = q.D n J diff ( p ) = −q.D p 3 2 n = ni = Nce p = ni = Nve dx dx 1 2 electron (E −E )/ kT -( DP [m /sec] - là hệ số khuếch tán củalỗ trống; 4 c F i (EFi −Ev )/kT ⇒ N = n e 5 c i ⇒ Nv = nie Dn -làhệ số khuếch tán của điệntử; -Nồng hạtdẫntrongchấtbándẫn không thuầnlà: dP/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống và điệntử tự do) 2 (E −E ) 3 1 F C (EF −EFi )/ kT kT n = N .e n = nie 4 electron C 5 (EV −EF ) E p = N .e kT (EFi −EF )/ kT V p = nie - Dòng diệntrôi(Dòngđiệncuốn): Dòng chuyểndịch của các hạttải điệndo tác động của điệntrường E: Jdriff =Jdriff(n) + Jdriff(p) = σ.E = q(nμn + pμp).E Ha M. Do - PTIT Lecture 3 33 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 34 5. Dòng điện trong chấtbándẫn 6. Độ dẫn điệnchấtbándẫn - Dòng tổng cộng trong chất bán dẫn: - Độ dẫn điệncủachấtbándẫn khi có cả 2 hạttải điệnthamgia J = Jdriff + Jdiff = Jn + Jp σ = q(nμn + pμp) dn dp -Vớibándẫnloại n, n>>p, độ dẫn điệnlà: J n = J driff (n) + J diff n = qnμn E + qDn J = J + J = qpμ E − qD () dx p driff ( p) diff ()p p p dx -1 σn = qNDμn [(Ω.m) ] - “Einstein Relation”: Độ linh động μ và hệ số khuếch tán D đượcxác -Vớibándẫnloại p, p>>n, độ dẫn điệnlà: theo mô hình vậtlýdựatrêncơ sở mộtsố lượng lớnhạttảichịunhững -1 σp = qNAμp [(Ω.m) ] chuyển động nhiệtngẫu nhiên vớisự va chạmthường xuyên, 2 hằng số + Chấttạpcàngnhiềuthìđiệntrở suất càng giảm, tuy nhiên độ linh động này tỉ lệ với nhau theo “Einstein Relation”như sau: μ và μ lạigiảm khi nồng độ chất pha tạptăng, như vậycơ chế dẫn điện -23 0 n p D kT Hằng số Boltzmann k =1,38.10 [J/ K] trong vùng pha tạpmạnh tương đốiphứctạp = q [C] – điệntíchhạttải, T [0K ] μ q -Nồng độ giớihạn các nguyên tử tạpchấtmuốn đưa vào tinh thể bán dẫn -Ápdụng công thứctrênchođiệntử tự do và lỗ trống trong chấtbándẫn được quyết định bởigiớihạn hòa tan củatạpchất ấy. Nếuvượt quá giới kT kT hạnnàythìhiệntượng kếttủasẽ xảy ra, khi đótạpchấtsẽ không còn D = μ D = μ n n q p p q có các tính chấtnhư mong muốnnữa. kT - Điệnápnhiệt “Thermal Voltage”: V th = q 57/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 35 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 36
Độ linh động củahạttải điện Tổng kết -Chấtbándẫnthuần, không thuần. Vậntốcdịch chuyểncủahạttải điệntỷ lệ thuậnvới điệntrường ngoài: - Hàm phân bố Fermi-Dirac, MứcFermi | v | = μ E μ Độ linh động -Nồng độ hạttảitrongchấtbándẫn: 2 2 (E −E )/ kT ( E − E ) / kT 2 Fi F F Fi (Units: cm /V•s) n.p = ni = pi p = nie n = ni e -Nồng độ điệntử tự do và lỗ trống trong chấtbándẫncóthể thay đổido: Pha tạp, Điệntừ trường, Nhiệt độ, Chiếu sáng. -Mức Fermi trong chấtbándẫnthayđổitheonồng độ pha tạp μn Note: Độ linh động phụ thuộcvàonồng -Chấtbándẫnthuầncóđộ dẫn điệnnhỏ, chấtbándẫn không thuần độ dẫn độ chất pha tạptổng điệnlớn. μp σ = q (n.μ n + q.μ q ) cộng (ND + NA) ! dn dp J = J + J = qnμ E + qD J = J + J = qpμ E − qD n driff (n) diff ()n n n dx p driff ( p) diff ()p p p dx kT kT kT J = J + J D = μ D = μ V = n p n n q p p q th q Ha M. Do - PTIT Lecture 3 37 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 38 Mộtsố hằng số Ghi chú - Electronic charge, q = 1,6×10-19 C -14 - Permittivity of free space, εo = 8,854×10 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 -31 - Free electron mass, m0= me = 9.1×10 kg 0 - Thermal voltage Vth= kT/q = 26 mV (at T= 300 K) Si Ge GaAs m n /m 0 0.26 0.12 0.068 m p /m 0 0.39 0.30 0.50 at T= 300 K Si Ge GaAs InAs 2 μ n (cm /V·s) 1400 3900 8500 30000 2 μ p (cm /V·s) 470 1900 400 500 58/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 39 Ha M. Do - PTIT Lecture 3 40
Ghi chú Ha M. Do - PTIT Lecture 3 41 59/176
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loạicấukiệnbándẫnvàvi điệntử ELECTRONIC DEVICES Cấukiệnbándẫnvàvi điệntử - TiếpxúcKim loạibándẫn: ĐiốtSốtki, Transistor Sốtki - TiếpxúcP-N: MộttiếpgiápP-N:Điốtchỉnh lưu, Điốt ổnáp, ĐiốtTunen, Điốttháclũ, Điốtngược, Điốtbiến dung, Điốthay đáy (UJT) Lecture 4- P-N Junctions (TiếpgiápP-N) Hai tiếpgiápP-N: BJT Ba tiếpgiápP-N:Thyristor,Triac,Các cấukiệnchỉnh lưucó ĐK khác - Hiệu ứng trường: JFET, MOSFET Đỗ Mạnh Hà - Không có tiếpxúcP-N:Tesmisto, Varisto, ĐiốtGan, - Quang bán dẫn: KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Hiệu ứng quang áp và quang trở: Điệntrở quang, Điốtquang, HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT Transistor quang, Transistor trường quang, Thyristor quang, Hiệu ứng điện phát quang: Điốtphátquang(LED),Laserbándẫn -Cấukiệnthụđộng tích hợp: R, L, C 8/2009 Vi điệntử Ha M. Do - PTIT Lecture 4 1 Ha M. Do - PTIT Lecture 4 2 Lecture 4- P-N Junctions (TiếpgiápP-N) 1. Trường tĩnh điệntrongchấtbándẫn ở ĐK cân bằng nhiệt -Xácđịnh mối quan hệ giữa điệntrường, điệnthế tĩnh điện, và mật độ 1. Trường tĩnh điện trong chấtbándẫn ở ĐK cân bằng nhiệt điệntíchtrongcáccấutrúcbándẫn. 1.1 Chấtbándẫnnồng độ pha tạp không đồng đều -Quanhệ giữa điệnthế và nồng độ hạttải điện trong điềukiện cân bằng 1.2 Quan hệ Boltzman(Quan hệ giữa điệnthế φ(x) và nồng độ nhiệt hạttải điện) 2. TiếpgiápPN 2.0 Giớithiệu chung 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực 2.3. ĐặctuyếnV-A củatiếpgiápPN 2.4. Cơ chếđánh thủng trong tiếpgiápPN 2.5. Điện dung củachuyểntiếpPN 60/176 Ha M. Do - PTIT Lecture 4 3 Ha M. Do - PTIT Lecture 4 4