Bài giảng Cấu kiện điện tử - Trần Thúy Hà

455 trang ngocly 3110

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu kiện điện tử - Trần Thúy 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_tran_thuy_ha.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Trần Thúy Hà

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG BÀI GIẢNG MÔN CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Giảng viên: ThS. Trần Thúy Hà Điện thoại/E-mail: 0912166577 / thuyhadt@gmail.com Bộ môn: Kỹ thuật điện tử- Khoa KTDT1 Học kỳ/Năm biên soạn: Học kỳ 1 năm 2009
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu môn học Mục đích môn học: - Trang bị cho sinh viên những kiến thức về nguyên lý hoạt động, đặc tính, tham số và lĩnh vực sử dụng của các loại cấu kiện (linh kiện) điện tử để làm nền tảng cho các môn học chuyên ngành. - Môn học khám phá các đặc tính bên trong của linh kiện bán dẫn, từ đó SV có thể hiểu được mối quan hệ giữa cấu tạo hình học và các tham số của cấu kiện, ngoài ra hiểu được các đặc tính về điện, sơ đồ tương đương, phân loại và ứng dụng của chúng. Cấu kiện điện tử? Là các phần tử linh kiên rời rạc, mạch tích hợp (IC) tạo nên mạch điện tử, các hệ thống điện tử. Gồm các nội dung chính sau: + Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử. + Vật liệu điện tử + Cấu kiện thụ động: R, L, C, Biến áp + Điốt + Transistor lưỡng cực – BJT. + Transistor hiệu ứng trường – FET + Cấu kiện quang điện tử. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 2 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu kiện điện tử GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 3 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu chung về Cấu kiện điện tử - Cấu kiện điện tử ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Nổi bật nhất là ứng dụng trong lĩnh vực điện tử - viễn thông, CNTT. - Cấu kiện điện tử rất phong phú, nhiều chủng loại đa dạng. - Công nghệ chế tạo linh kiện điện tử phát triển mạnh mẽ, tạo ra những vi mạch có mật độ rất lớn (Vi xử lý Intel COREi7 - khoảng hơn 1,3 tỉ Transistor ) - Xu thế các cấu kiện điện tử có mật độ tích hợp ngày càng cao, có tính năng mạnh, tốc độ lớn GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 4 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Ứng dụng của cấu kiện điện tử - Các linh kiện bán dẫn như diodes, transistors và mạch tích hợp (ICs) có thể tìm thấy khắp nơi trong cuộc sống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, máy điều hoà, máy tính, ). Chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng và những thiết bị này có chất lượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn. - PCs minh hoạ rất rõ xu hướng này. - Nhân tố chính đem lại sự phát triển thành công của nền công nghiệp máy tính là việc thông qua các kỹ thuật và kỹ năng công nghiệp tiên tiến người ta chế tạo được các Transistor với kích thước ngày càng nhỏ → giảm giá thành và công suất. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 5 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu trúc chương trình Chương 1- Giới thiệu chung Chương 2 – Vật liệu điện tử Chương 3 - Cấu kiện thụ động Chương 4 -Điốt Chương 5 -Transistor lưỡng cực Chương 6 - Transistor hiệu ứng trường Chương 7 - Thyristor Chương 8 - Cấu kiện quang điện tử GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 6 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tài liệu học tập - Tài liệu chính: + Bài giảng: Cấu kiện Điện tử - Đỗ Mạnh Hà, Trần Thục Linh, Trần Thúy Hà. + Slide bài giảng Cấu kiện Điện tử - Trần Thúy Hà - Tài liệu tham khảo: 1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006. 2. MicroElectronics, an Intergrated Approach, Roger T. Home - University of California at Berkeley, Charles G. Sodini – MIT , 1997 3. Giáo trình Cấu kiện điện tử và quang điện tử, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, 2002 4. Electronic Devices, Second edition, Thomas L.Floyd, Merill Publishing Company, 1988. 5. Introductory Electronic Devices and Circuits, conventional Flow Version, Robert T. Paynter, Prentice Hall, 1997. 6. Linh kiện bán dẫn và vi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 7 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 8 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Chương 1 – Giới thiệu chung 1.1 Khái niệm cơ bản 1.2 Phần tử mạch điện cơ bản 1.3 Phương pháp cơ bản phân tích mạch điện 1.4 Phương pháp phân tích mạch phi tuyến 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử 1.6 Giới thiệu về vật liệu điện tử GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 9 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1 Khái niệm cơ bản + Điện tích và dòng điện + DC và AC + Tín hiệu điện áp và dòng điện + Tín hiệu (Signal) và Hệ thống (System) + Tín hiệu Tương tự (Analog) và Số (Digital) + Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dòng điện GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 10 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Điện tích và dòng điện + Mỗi điện tử mang điện tích: –1.602 x 10-19 C (Coulombs) + 1C = Điện tích của 6.242 x 1018 điện tử (electron) + Ký hiệu điện tích: Q. Đơn vị: coulomb (C) Dòng điện (Current) – Là dòng dịch chuyển của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện – Ký hiệu: I, i(t) – Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s – Mối quan hệ giữa dòng điện và điện tích d i(t) q(t) dt t q(t) i(t)dt q(t ) 0 t0 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 11 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ DC và AC DC (Direct current): Dòng một chiều – Dòng điện có chiều không đổi theo thời gian. – Tránh hiểu nhầm: DC = không đổi, – Ví dụ I=3A, i(t)=10 + 5 sin(100 t) (A) AC (Alternating Current): Dòng xoay chiều Thomas Edison (1847 – 1931) – Dòng điện có chiều thay đổi theo thời gian – Tránh hiểu nhầm: AC = Biến thiên theo thời gian – Ví dụ: i(t) 2cos 2 t ; i(t) 5 12cos 200 t Nikola Tesla (1856 – 1943) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 12 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Signal (Tín hiệu) • Tín hiệu: là đại lượng vật lý mang thông tin vào và ra của hệ thống. • Ví dụ – Tiếng nói, âm nhạc, âm thanh – Dao động từ các hệ thống cơ học – Chuỗi video và ảnh chụp – Ảnh cộng hưởng từ (MRI), Ảnh x-ray – Sóng điện từ phát ra từ các hệ thống truyền thông – Điện áp và dòng điện trong cấu kiện, mạch, hệ thống – Biểu đồ điện tâm đồ (ECG), Điện não đồ – Emails, web pages . GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 13 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hệ thống (Systems) và mô hình • Mô hình (Model): Các hệ thống trong thực tế có thể mô tả bằng mô hình thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của hệ thống. • Một hệ thống có thể chứa nhiều hệ thống con. • Mô hình hệ thống có thể được biểu diễn bằng biểu thức toán học, bảng biểu, đồ thị, giải thuật • Ví dụ hệ thống liên tục: GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 14 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tín hiệu Tƣơng tự (Analog) và Số (Digital)  Tương tự (Analog)  Tín hiệu có giá trị biến đổi liên tục theo thời gian  Hầu hết tín hiệu trong tự nhiên là tín hiệu tương tự  Digital  Tín hiệu có giá trị rời rạc theo thời gian  Tín hiệu lưu trong các hệ thống máy tính là tín hiệu số, theo dạng nhị phân x(t) x[n] t n Analog Signal Digital Signal t, x(t)  n, x[n]  GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 15 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tín hiệu điện áp và Tín hiệu dòng điện Dòng điện (Current) – Là dòng dịch chuyển của các điện tích thông qua vật dẫn hoặc phần tử mạch điện – Ký hiệu: I, i(t) – Đơn vị: Ampere (A). 1A=1C/s – Nguồn tạo tín hiệu dòng điện: Nguồn dòng Điện áp (Voltage) – Hiệu điện thế giữa 2 điểm – Năng lượng được truyền trong một đơn vị thời gian của điện tích dịch chuyển giữa 2 điểm. – Ký hiệu: v(t), Vin; Uin; Vout; V1;U2 . – Đơn vị: Volt (V) – Nguồn tạo tín hiệu điện áp: Nguồn áp GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 16 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.2 Các phần tử mạch điện cơ bản + Nguồn độc lập + Nguồn có điều khiển + Phần tử thụ động + Ký hiệu các phần tử mạch điện trong sơ đồ mạch (Schematic) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 17 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn độc lập Nguồn áp Nguồn Pin Nguồn áp độc lập lý tưởng Nguồn áp độc lập không lý tưởng + R + S V _+ V; v(t) _+ V; v(t) _ Nguồn dòng Nguồn dòng độc lập lý tưởng Nguồn dòng độc lập không lý tưởng I, i(t) I, i(t) I, i(t) RS GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 18 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn có điều khiển Nguồn áp Nguồn áp có điều khiển lý tưởng Nguồn áp có điều khiển không lý tưởng RS RS _+ U(I) _+ U(U) _+ U(I) _+ U(U) Nguồn dòng Nguồn dòng có điều khiển lý tưởng Nguồn dòng có điều khiển không lý tưởng R I(I) I(U) I(I) RS I(U) S GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 19 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.3 Phƣơng pháp cơ bản phân tích mạch điện + m1 (method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2: Luật kết hợp (Composition Rules) + m3:Xếp chồng (Superposition) + m4:Biến đổi tương đương Thevenin, Norton GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 20 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ m1: Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL Mục tiêu: Tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch. Các bƣớc thự hiện: 1. Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện 2. Viết KCL cho tất cả các nút 3. Viết KVL cho tất cả các vòng Rút ra được hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay để giảm số phương trình số ẩn. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 21 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ KCL - Kirchhoff‟s Current Law Kirchhoff’s current law (KCL) N a = 1 Nếu i (t) đi vào nút a i (t) 0 n n  n n a =-1 Nếu i (t) đi ra khỏi nút n 1 n n –Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng không – Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cương độ dòng điện đi ra khỏi nút. Nút i1 i3 i2 i i i 0 Gustav Kirchhoff i1 i2 i3 1 2 3 (1824 – 1887) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 22 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ KVL - Kirchhoff‟s Voltage Law Kirchhoff’s voltage law (KVL) N bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng bnvn (t) 0  bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng n 1 Tổng điện áp trong một vòng kín bằng không loop 3 _ _ +1 3 + + + + _9 loop 1 _5 loop 2 12_ Ví dụ: _ _ 3 + + 4 Loop 1: 1V 5V 3V 9V 0 Loop 2 : 3V 12V 4V 5V 0 Loop 3: 1V 3V 12V 4V 3V 9V 0 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 23 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ m2: Luật kết hợp (Composition Rules) Ví dụ GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 24 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + m3: Xếp chồng (Superposition) - Trong mạch tuyến tính (gồm các phần tử tuyến tính và nguồn độc lập hoặc nguồn có điều khiển) có thể phân tích mạch theo nguyên lý xếp chồng như sau: + Cho lần lượt mỗi nguồn tác động làm việc riêng rẽ, các nguồn khác không làm việc phải theo nguyên tắc sau đây: Nguồn áp ngắn mạch, Nguồn dòng hở mạch. + Tính tổng cộng các đáp ứng của mạch do tất cả các nguồn tác động riêng rẽ gây ra. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 25 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + m3: Xếp chồng (Superposition) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 26 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + m4: Xếp chồng (Superposition) e=? GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 27 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + m4: Biến đổi tƣơng đƣơng Thevenin, Norton VTH: Điện áp hở mạch IN : Dòng điện ngắn mạch RTH=RN=VTH/IN GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 28 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ + m4: Biến đổi tƣơng đƣơng Thevenin, Norton Ví dụ: Biến đổi tƣơng đƣơng Nguồn dòng ↔ Nguồn áp RS _+ V I RS V I RS RS _+ U(V) I(V) RS U(V ) I(V ) RS GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 29 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.4 Phƣơng pháp phân tích mạch điện phi tuyến Mạch điện có phần tử phi tuyến (D) R - Phƣơng 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 hiệu nhỏ - small signal method) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 30 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phƣơng pháp phân tích - Áp dụng phương pháp m1, m2, m3 cho các phần tử tuyến tính và R phi tuyến, được hệ 2 phương trình, 2 ẩn iD và vD - Giải hệ phương trình: + Dùng phương pháp thử sai + Dùng phương pháp số => Việc giải hệ phương trình phức tạp GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 31 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phƣơng pháp đồ thị - Giải hệ 2 phương trình (1) và (2) bằng phương pháp đồ thị Đường tải (Loadline) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 32 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân tích gia số (Phƣơng pháp tín hiệu nhỏ - small signal method Thực hiện theo các bước sau: 1. Xác định chế độ làm việc một chiều của mạch (ID, VD) 2. Xác định mô hình tín hiệu nhỏ của các phần tử phi tuyến tại điểm làm việc một chiều đã tính. 3. Vẽ mô hình tương đương tín hiệu nhỏ của toàn mạch và tính toán các tham số tín hiệu nhỏ (id, vd) 4. Viết kết quả của tham số cần tính trong mạch GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 33 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Mô hình hình tƣơng đƣơng của phần tử phi tuyến - Chế độ một chiều: R - Mô hình tín hiệu nhỏ của phần tử phi tuyến: - Sơ đồ mạch tương đương tín hiệu nhỏ: R GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 34 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.5 Phân loại cấu kiện điện tử • Phân loại dựa trên đặc tính vật lý • Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu • Phân loại theo ứng dụng GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 35 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại dựa trên đặc tính vật lý - Linh kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI - Linh kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá năng lượng quang điện như pin mặt trời, họ linh kiện hiển thị, IC quang điện tử - Linh kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, 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. - Linh kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các linh kiện được chế tạo bằng công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ như : Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giếng và dây lượng tử, linh kiện xuyên hầm một điện tử, cấu kiện dựa vào cấu trúc sinh học phân tử GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 36 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại dựa trên loại tín hiệu làm việc GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 37 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại theo chức năng Linh kiện thụ động: R,L,C Linh kiện tích cực: 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 điện và có thể tạo ra chức năng hoạt động chuyển mạch trong mạch "Devices with smarts!" ; + Linh kiện thụ động (Passive Devices) là linh kiện không thể có tính năng điều khiển dòng và điện áp, cũng như không thể tạo ra chức năng khuếch đại công suất, điện áp, dòng diện trong mạch, không yêu cầu tín hiệu khác điều khiển ngoài tín hiệu để thực hiện chức năng của nó “Devices with no brains!“) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 38 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 39 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Giới thiệu về vật liệu điện tử • Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử • Chất cách điện • Chất dẫn điện • Vật liệu từ • Chất bán dẫn GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 40 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2.1. Cơ sở vật lý của vật liệu điện tử - Lý thuyết vật lý chất rắn - Lý thuyết vật lý cơ học lƣợng tử - Lý thuyết dải năng lƣợng của chất rắn - Lý thuyết vật lý bán dẫn GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 41 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a. Lý thuyết vật lý chất rắn - Vật liệu để chế tạo phần lớn các linh kiện điện từ là loại vật liệu tinh thể rắn - Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít nguyên tử chúng ta có thể dự đoán vị trí và bản chất hóa học của tất cả các nguyên tử trong mẫu. - Tuy nhiên trong một số vật liệu có thể nhấn thấy rằng các sắp xếp chính xác của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tử. Những miền có trật tự như vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trật tự - cấu trúc đa tinh thể - Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điện của vật liệu. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 42 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b. Lý thuyết vật lý cơ học lƣợng tử - Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức năng lượng gián đoạn nhất định nào đó gọi là các mức năng lượng nguyên tử. - Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau. - Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lƣợng tử: + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4 . + l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h } + ml– số lượng tử từ: 0, 1, 2, 3 l + ms– số lượng tử spin: 1/2 - n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 43 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c. Sự hình thành vùng năng lƣợng (1) - Để tạo thành vật liệu giả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tận tiến lại gần liên kết với nhau: + Nếu các NT các xa nhau đến mức có thể coi chúng là hoàn toàn độc lập với nhau thì vị trí của các mức năng lượng của chúng là hoàn toàn trùng nhau (tức là một mức trùng chập). + Khi các NT tiến lại gần nhau đến khoảng cách cỡ Ao, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì không thể coi chúng là độc lập nữa. Kết quả là các mức năng lượng nguyên tử không còn trùng chập nữa mà tách ra thành các mức năng lượng rời rạc khác nhau. Ví dụ mức 1s sẽ tạo thành 2.N mức năng lượng khác nhau. - Nếu số lượng các NT rất lớn và gần nhau thì các mức năng lượng rời rạc đó rất gần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục - Sự tách một mức năng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay hẹp phụ thuộc vào sự tương tác giữa các điện tử thuộc các NT khác nhau với nhau. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 44 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c. Sự hình thành vùng năng lƣợng (2) C 6 1s22s22p2 Si 14 1s22s22p63s23p2 Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 (Si) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 45 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Minh họa sự hình thành vùng năng lƣợng (1) Mức Số trạng Số trạng Số trạng Số trạng thái thái thái thái 2p 6 12 12 6N 2s 2 4 4 2N 1s 2 4 4 2N a. Một NT b. 2 NT không c. 2 NT d. N Nguyên tử độc lập tương tác tương tác tương tác GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 46 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Minh họa sự hình thành vùng năng lƣợng (1) - Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm - Các điện tử trong chất rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao. - Có thể có : vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần. - Xét trên lớp ngoài cùng: + Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là“Vùng hóa trị” + Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng dẫn” + Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm” - Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 47 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Minh họa sự tạo thành những vùng năng lƣợng khi các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm IV đƣợc đƣa vào để tạo ra tinh thể E vùng 4N trạng thái dẫn không có điện tử Năng lƣợng của các P 6N trạng thái có trạng 2N điện tử thái S Cấm 2N trạng thái có 2N điện tử vùng hoá trị 4N trạng thái có 4N điện tử Các mức năng lƣợng của lớp trong cùng không bị ảnh hƣởng bởi cấu trúc mạng tinh thể X1 X2 X3 X4 X GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 48 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Cấu trúc dải năng lƣợng của vật chất E Dải E E dẫn EC Điện tử EC Dải E > 2 eV dẫn EV G EG < 2 eV EV E E EG = 0 V Lỗ trống C Dải hoá Dải trị hoá trị a- Chất cách điện; b - Chất bán dẫn; c- Chất dẫn điện + Độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ + Chất bán dẫn: Sự mất 1 điện tử trong dải hóa trị sẽ hình thành một lỗ trống (Mức năng lượng bỏ trống trong dải hóa trị điền đầy, lỗ trống cũng dẫn điện như các điện tử tự do) + Cấu trúc dải năng lượng của kim loại không có vùng cấm, điện tử hóa trị liê kết yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngoài các e này có thể dễ dàng di chuyển lên các trạng thái cao hơn tạo thành các e tự do, nên kim loại dẫn điện tốt. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 49 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2.2. Các loại vật liệu điện tử Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử thƣờng đƣợc phân chia thành 4 loại: - Chất cách điện (chất điện môi). - Chất dẫn điện. - Vật liệu từ. - Chất bán dẫn GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 50 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1. CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) a. Định nghĩa - Là chất dẫn điện kém, là các vật chất có điện trở suất cao vào khoảng 107  1017m ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu hữu cơ và một số vật liệu vô cơ. - Đặc tính của vật liệu ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện. Các đặc tính gồm: trị số giới hạn độ bền về điện, nhiệt, cơ học, độ cách điện, sự tổn hao điện môi Các tính chất của chất điện môi lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường. b. Các tính chất của chất điện môi. b.1 Độ thẩm thấu điện tương đối (hay còn gọi là hằng số điện môi) b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) b.3 Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng b.5 Dòng điện trong chất điện môi (I) b.6 Điện trở cách điện của chất điện môi GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 51 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b.1 Hằng số điện môi tƣơng đối - Hằng số điện môi tương đối của của 1 chất cách điện được xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện có chất điện môi và điện dung của tụ điện có cùng kích thước nhưng là điện môi chân không C  d C0 Trong đó: + Cd là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi; + C0 là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí. - Do đó  biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi. Chất điện môi dùng làm tụ điện cần có hằng số điện môi  lớn, còn chất điện môi dùng làm chất cách điện có  nhỏ. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 52 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b.2 Độ tổn hao điện môi (Pa) Độ tổn hao điện môi là công suất điện tổn hao để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường, được xác định thông qua dòng điện rò. 2 Pa U  Ctg  Trong đó: U là điện áp đặt lên tụ điện (V) C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi (F)  là tần số góc đo bằng rad/s tg là góc tổn hao điện môi - Nếu tổn hao điện môi trong tụ điện cơ bản là do điện trở của các bản cực, dẫn và tiếp giáp (ví dụ lớp bạc mỏng trong tụ mi ca và tụ gốm) thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tần số: 2 2 2 Pa = U  C R GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 53 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c.Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t.) - Nếu ta đặt một chất điện môi vào trong một điện trường, khi ta tăng cường độ điện trường lên quá một giá trị giới hạn thì chất điện môi đó mất khả năng cách điện - ta gọi đó là hiện tượng đánh thủng chất điện môi. - Cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện của chất điện môi đó (Eđ.t.). U E dt [KV / mm;KV / cm] dt d Trong đó: Uđ.t. - là điện áp đánh thủng chất điện môi d - độ dày của chất điện môi - Hiện tượng đánh thủng chất điện môi có thể do nhiệt, do điện và do quá trình điện hóa. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 54 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ e.Dòng điện trong chất điện môi (I): Khi đặt điện môi trong điện trường, trong điện môi diễn ra 2 hiện tượng cơ bản là: Hiện tượng phân cực điện môi (trên bề mặt điện môi xuất hiện các điện tích trái dấu với điện tích trên bề mặt bản cực) và Hiện tượng dẫn điện của điện môi (trong điện môi xuất hiện sự chuyển dời của các điện tích tự do tạo thành dòng điện có trị số nhỏ giữa các bản cực. Có 2 thành phần dòng điện như sau: - Dòng điện chuyển dịch IC.M. (hay gọi là dòng điện cảm ứng): Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi xảy ra cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng sẽ tạo nên dòng điện phân cực hay còn gọi là dòng điện chuyển dịch trong chất điện môi IC.M. - Dòng điện rò Irò : được tạo ra do các điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác động của điện trường, tạo ra dòng điện chạy từ bản cực này sang bảng cực kia. Nếu dòng rò lớn sẽ làm mất tính chất cách điện của chất điện môi. + Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là: I = IC.M. + Irò + Sau khi quá trình phân cực kết thúc thì chất điện môi chỉ còn dòng điện rò. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 55 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại và ứng dụng của chất điện môi. Phân loại: Chất điện môi thụ động và tích cực - Chất điện môi thụ động còn gọi là vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện. Đây là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện môi trong các tụ điện như mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính, Đối với vật liệu dùng để cách điện thì cần có độ thẩm thấu điện  nhỏ, còn vật liệu dùng làm chất điện môi cho tụ điện cần có  lớn. - Chất điện môi tích cực là các vật liệu có  thể điều khiển được bằng: + Điện trường có gốm, thuỷ tinh, + Cơ học có chất áp điện như thạch anh + Ánh sáng có chất huỳnh quang Loại điện môi này dùng trong các bộ tạo tín hiệu dao động, bộ lọc GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 56 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2. CHẤT DẪN ĐIỆN a. Định nghĩa - Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao. Trị số điện trở suất của nó nhỏ hơn so với các loại vật liệu khác. Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng 10-8  10-5 m. - Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn – Kim loại, chất lỏng – Kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặc chất khí ở điện trường cao. b. Các tính chất của chất dẫn điện b.1 Điện trở suất: b.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất ( ): b.3 Hệ số dẫn nhiệt :  b.4 Công thoát của điện tử trong kim loại: b.5 Điện thế tiếp xúc: GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 57 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điện trở suất: - Điện trở của vật liệu trong một đơn vi thiết diện và chiều dài: S R [  .m] , [  .mm] , [  .m] l - Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ: = 0,016 .m (của bạc Ag) đến = 10 .m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm) b.2 Hệ số nhiệt của điện trở suất ( ): - Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C. - Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng lên theo quy luật: t0 (1 t) b.3 Hệ số dẫn nhiệt :  [w/ (m.K)]. - Hệ số dẫn nhiệt là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong T một đơn vị thời gian khi gradien nhiệt độ bằng đơn vị. Q  St l GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 58 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.4 Công thoát của điện tử trong kim loại: - Công thoát của kim loại biểu thị năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho điện tử đang chuyển động nhanh nhất ở 00C để điện tử này có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại. EW = EB - EF Trong đó EB: năng lượng cần để điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loại EF: động năng của điện tử. b.5 Điện thế tiếp xúc - Sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểm A và B được tính theo công thức: A B VAB= EAB = EW2 - EW1 1 2 C GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 59 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại và ứng dụng của chất dẫn điện Phân loại: 2 loại - Chất dẫn điện có điện trở suất thấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb và một số hợp kim – Thường dùng làm vật liệu dẫn điện. - Chất dẫn điện có điện trở suất cao như Hợp kim Manganin, Constantan, Niken-Crôm, Cacbon – thường dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biến trở, các dây may so, các thiết bị nung nóng bằng điện. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 60 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3. VẬT LIỆU TỪ (Magnetic material) a. Định nghĩa. - Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ (bị từ hóa). Ví dụ: Thỏi sắt đặt cạnh nam châm, thỏi sắt sẽ bị nam châm hút, nghĩa là nó bị từ hóa và trở thành nam châm b. Các tính chất đặc trƣng cho vật liệu từ b.1 Từ trở và từ thẩm b.2 Độ từ thẩm tương đối (r) b.3 Đường cong từ hóa GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 61 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguồn gốc của từ trƣờng - Nguồn gốc của từ trƣờng: dòng điện là nguồn gốc của từ trường hay nói một cách bản chất, chuyển động của các điện tích là nguồn gốc của từ trường. Mỗi điện tích chuyển động sinh ra một từ trường, hay một lưỡng cực từ (tạo thành một mômen từ, xem hình vẽ). Mômen từ của một nguyên tử sinh ra có thể do 2 nguyên nhân: + Chuyển động quỹ đạo của các điện tử (mômen quỹ đạo L) + Chuyển động tự quay của các điện tử (mômen spin S). Spin là một đặc trưng của một hạt cơ bản. - Mô men từ m=i.S, chiều của m xác định theo quy tắc vặn nút chai và hướng vuông góc với diện tích S. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 62 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Tính chất từ hóa - Vật liệu từ đặt trong từ trường nó bị từ hóa. Khi đó chúng trở nên có từ tính và sinh ra một từ trường phụ (từ trường riêng B’), do đó từ trường tổng hợp B trong chất bị từ hóa như sau: B B0 B' Trong đó: B0: Vectơ cảm ứng từ của từ trường ban đầu (từ trường ngoài đặt vào). - Tùy theo tính chất và mức độ từ hóa, phân biệt ba loại tính chất của vật liệu như sau: ’ - Nghịch từ: B ngược chiều với B0 ’ - Thuận từ: B cùng chiều với B0 ’ - Sắt từ: B cùng chiều với B0 và lớn hơn B0 ban đầu nhiều lần GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 63 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Các tính chất đặc trƣng cho vật liệu từ B0 0 H - Trong đó H: cường độ từ trường ngoài. Độ từ thẩm tƣơng đối µ: B B0 .0.H - Trong đó µ: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu Từ trở: - Từ điện trở, hay còn gọi tắt là từ trở, là tính chất của một số vật liệu, có thể thay đổi điện trở suất dưới tác dụng của từ trường ngoài - Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức: Trong đó: ρ(H),ρ(0),R(H),R(0) lần lượt là điện trở suất và điện trở tại từ trường H và từ trường H = 0. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 64 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Đƣờng cong từ hóa - Đƣờng cong từ hóa (hay đầy đủ là đường cong từ hóa ban đầu) là đồ thị mô tả quá trình từ hóa vật từ từ trạng thái ban đầu chưa nhiễm từ (trạng thái khử từ), mà thể hiện trên đồ thị là sự thay đổi của tính chất từ (thông qua giá trị của từ độ, cảm ứng từ ) theo giá trị của từ trường ngoài. Ở phạm vi cấu trúc vi mô, quá trình từ hóa chính là sự thay đổi về cấu trúc từ thông qua các cơ chế khác nhau. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 65 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ - Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và  lớn). để làm lõi biến áp, nam châm điện, lõi cuộn cảm các loại sắt từ mềm thường gặp: Sắt thỏi chứa một lượng nhỏ tạp chất C, Mn, Si, - Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớn và  nhỏ). + Phân chia theo ứng dụng chia vật liệu từ cứng thành 2 loại: Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v + Phân chia theo công nghệ chế tạo, chia vật liệu từ cứng thành: - Hợp kim thép được tôi thành Martenxit là vật liệu đơn giản và rẻ nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu. - Hợp kim lá từ cứng. - Nam châm từ bột. - Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng ở tần số cao. - Băng, sợi kim loại và không kim loại dùng để ghi âm thanh. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 66 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.CHẤT BÁN DẪN 1. Định nghĩa chất bán dẫn 2. Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn 3. Chất bán dẫn thuần 4. Chất bán dẫn không thuần 5. Dòng điện trong chất bán dẫn 6. Độ dẫn điện chất bán dẫn GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 67 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.1. Định nghĩa - Chất bán dẫn là vật chất có điện trở suất nằm ở giữa trị số điện trở suất của chất dẫn điện và chất điện môi khi ở nhiệt độ phòng, = 10-4  107 .m - Chất bán dẫn là chất mà trong cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm là 0<EG<2eV. - Chất bán dẫn trong tự nhiên: Bo (B), Indi (In), Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si), Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Selen (Se), lưu huỳnh (S) ở nhóm 6, Asen (As) thuộc nhóm 5, v.v hoặc hợp chất như clorua đồng (CuCl), Asenic Canxi CaAs, Oxit đồng CuO, v.v - Trong kỹ thuật điện tử hiện nay sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể. Quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 68 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.2. Cấu trúc mạng tinh thể chất bán dẫn đơn Si Mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử bên cạnh 2.35A 5.43A GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 69 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.2. Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn ghép Ga As •Chất bán dẫn ghép: Hợp chất của các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm III và phân nhóm chính nhóm V: GaAs, GaP, GaN, quan trọng trong các cấu kiện quang điện và IC tốc độ cao GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 70 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) - Chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ có nguyên tử của một loại nguyên tố, ví dụ như các tinh thể Ge (gecmani) Si (silic) nguyên chất - Ví dụ xét tinh thể Si, EG= 1,21eV (tại nhiệt độ 300K) Si Dải Si Si E +4 +4 +4 dẫn Điện tử EC Si EG < 2 eV Si Si +4 +4 +4 EV Lỗ trống Si Si Si Dải +4 +4 +4 hoá trị GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 71 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Sự tạo thành lỗ trống và điện tử tự do - Ở nhiệt độ phòng một số liên Si kết cộng hóa trị bị phá vỡ tạo ra Si Si điện tử tự do và lỗ trống. +4 +4 +4 - Lỗ trống cũng có khả năng dẫn Si điện như điện tử tự do, mang Si Si điện tích và có cùng độ lớn với +4 +4 +4 điện tích điện tử. Điện tử Lỗ tự do - Bán dẫn thuần có nồng độ hạt trốngSi Si Si dẫn lỗ trống và nồng độ hạt dẫn +4 +4 +4 điện tử bằng nhau: p = n = pi = ni GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 72 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Độ dẫn điện của chất bán dẫn  1   (n. np p.  ).q n - độ linh động của điện tử tự do p - độ linh động của lỗ trống q – điện tích của điện tử q=1,6.10-19C + Mật độ dòng điện khi chất bán dẫn đặt trong điện trường ngoài E: J .E n.n p. p .q.E GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 73 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Quá trình tạo hạt tải điện và quá trình tái hợp - Tốc độ tạo hạt tải điện phụ thuộc vào T nhƣng lại độc lập với n và p - nồng độ của điện tử tự do và của lỗ trống : G Gthermal(T) Goptical - Trong khi đó tốc độ tái hợp lại tỷ lệ thuận với cả n và p R  np - Trạng thái ổn định xảy ra khi tốc độ tạo và tái hợp cân bằng G R np f (T) - - Nếu trong trƣờng hợp không có các nguồn quang và nguồn điện trƣờng ngoài, trạng thài ổn định đƣợc gọi là trạng thái cân bằng nhiệt “thermal equilibrium” hay định luật Mass-action: 2 np ni (T) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 74 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Hàm phân bố Fermi-Dirac - Là cơ sở để xét sự phân bố hạt tải điện trong chất bán dẫn. - Xét hệ gồm N điện tử tự do nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt tại nhiệt độ T. Phân bố các điện tử đó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Tìm phân bố của các điện tử theo các mức năng lượng? - Nguyên lý loại trừ Pauli là hệ quả của một nguyên lý cơ bản hơn, đó là nguyên lý không phân biệt giữa các hạt giống nhau áp dụng vào trường hợp hệ gồm các hạt farmion (các hạt có spin là bội 1/2). - Áp dụng nguyên lý năng lượng tối thiểu: “xác suất để một hệ gồm N hạt giống hệt nhau nằm trong trạng thái năng lượng E tỷ lệ nghịch với E theo hàm mũ exp, cụ thể là: PN(E) ~ exp(-E/kT). GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 75 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Hàm phân bố Fermi-Dirac - Bằng cách áp dụng nguyên lý trên kèm theo với nguyên lý loại trừ Pauli người ta đã tính toán ra lời giải là hàm phân bố Fermi-Dirac: Xác suất mức năng lượng E [eV] bị điện tử lấp đầy tại nhiệt độ T tuân theo hàm phân bố Fermi- Dirac như sau: f(E) 1 f (E) E E T=00K exp F 1 1 KT -Trong đó 0,5 T=3000K 0 K: Hằng số Boltzmann (eV/ 0K) T=2500 K K= 8,62 10-5 eV/0K T - Nhiệt độ đo bằng 0K 0 -1 0 0,2 1 (E-EF) EF - Mức Fermi (eV) - EF: mức năng lƣợng Fermi là mức năng lƣợng lớn nhất còn bị e- lấp đầy tại nhiệt độ T=00 K GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 76 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) - Phân tích hàm Fermi-Dirac: 1 f (E) E E E exp F 1 KT Vùng dẫn T = 10000K T = 00K T = 3000K EC E > EF => f(E) = 0 E f(E) = 1 F 0 0 -3 E T > 0 K (T=300 K; KT=26.10 eV) F EG T = 00K (EF E) E E - E >>KT KT V F f (E) e Vùng hoá trị (E EF ) KT E - EF <<- KT f (E) 1 e 0 0.5 1 f(E) 1 EC [eV]- Đáy của vùng dẫn f (E ) T F 2 EV [eV]- Đỉnh của vùng hóa trị EF [eV]- Mức năng lƣợng Fermi GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 77 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Nhận xét hàm phân bố Fermi-Dirac: 0 - Tại 0 K, f(E) = 1 khi E 0 K đều luôn bằng 1/2 tại E = EF , không phụ thuộc vào nhiệt độ. - Hàm f(E) đối xứng qua điểm F, do đó, xác suất điện tử chiếm đóng ở mức năng lượng EF + E bằng xác suất các mức năng lượng mà điện tử không chiếm đóng ở mức EF - E . - Xác suất mức năng lượng không bị điện tử chiếm đóng sẽ là: 1 1 f (E) 1 E E exp F 1 KT - Trong chất bán dẫn, xác suất mức năng lƣợng E [eV] bị điện tử điền đầy cũng tuân theo hàm phân bố Fermi-Dirac. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 78 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) Nồng độ hạt tải điện trong chất bán dẫn - Tính nồng độ điện tử tự do trong vùng dẫn n: + Nồng độ hạt dẫn điện tử tự do nằm trong mức năng lượng từ E đến E+dE trong dải dẫn là dn [số điện tử/m3]: dn=2.N(E).f(E).dE + N(E) - là mật độ trạng thái trong dải dẫn (số lượng trạng thái/ eV/ m3). 1/ 2 4 3/ 2 3/ 2 N E .(E E )  (2mn ) .(qn ) C h3 (EF E) n 2.N(E). f (E).dE  2.. E E 1/ 2.e KTdE C EC EC 3/ 2 (EF EC ) 2 mnkT KT NC 2. 2 n NC .e h Mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn mn – Khối lƣợng hiệu dụng của điện tử tự do k[J/0K] – Hằng số Boltzmann, h – hằng số Plank , T [0K] GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 79 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) - Tính nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị p: + Nồng độ hạt dẫn lỗ trống nằm trong mức năng lượng từ E đến E+dE trong dải hóa trị là dp [số lỗ trống/m3]: dp=2.N(E).(1-f(E)).dE + N(E) - là mật độ trạng thái trong dải hóa trị (số lượng trạng thái/ eV/ m3). 1/ 2 4 3/ 2 3/ 2 N E .(E E)  (2mp ) .(qp ) V h3 EV EV (E EF ) p 2.N(E).(1 f (E)).dE  2.. E E 1/ 2.e KTdE V 0 0 3/ 2 2 m kT (EV EF ) N 2. p KT V 2 p NV .e h Mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hóa trị mp – Khối lƣợng hiệu dụng của lỗ trống k[J/0K] – Hằng số Boltzman, h – hằng số Plank , T [0K] GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 80 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.3. Chất bán dẫn thuần (Intrinsic semiconductor) E E C V Xét tích: KT EG / KT n.p NC NV .e NC NV .e 3 2 2 3 EG / KT 2 .k 3/ 2 n.p ni pi A.T .e A 4. . mn.mp h2 E E 3 m Với bán dẫn thuần n p E C V kTln p i i Fi 2 4 mn mp, mn là khối lượng hiệu dụng của hạt tải điện lỗ trống và điện tử tự do, chúng phụ thuộc vào cấu trúc dải năng lượng. EC EV EF -Nếu mp mn thì mức Fermi EFi nằm giữa vùng cấm. i 2 0 -Nếu mp mn mức Fermi chỉ nằm giữa vùng cấm khi T=0 K Nồng độ hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ phòng rất nhỏ, nên chất bán dẫn thuần có khả năng dẫn điện kém. EG / 2kT ni Nc Nv e GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 81 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Chất bán dẫn mà một số nguyên tử ở nút của mạng tinh thể của nó được thay thế bằng nguyên tử của chất khác gọi là chất bán dẫn tạp. - Có hai loại chất bán dẫn tạp: + Chất bán dẫn tạp loại N – gọi tắt là Bán dẫn loại N (Donors) + Chất bán dẫn tạp loại P – gọi tắt là Bán dẫn loại P (Acceptors) Donors: P, As, Sb Acceptors: B, Al, Ga, In GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 82 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp a. Chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn tạp loại cho) - Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 5, thí dụ As, P, Sb vào chất bán dẫn thuần Ge hoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạp chất sẽ đưa 4 điện tử trong 5 điện tử hóa trị của nó tham gia vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge (hoặc Si) ở bên cạnh; còn điện tử thứ 5 sẽ thừa ra và liên kết của nó trong mạng tinh thể là rất yếu, ở nhiệt độ phòng cũng dễ dàng tách ra trở thành hạt tải điện - điện tử tự do trong tinh thể và nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành các ion dương cố định. E Si Si Si +4 +4 +4 Vùng dẫn e5 0,01eV Si Sb Si EC +4 +5 +4 ED Mức cho E Si Si Si E G +4 V +4 +4 Vùng hoá trị GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 83 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Nồng độ điện tự tự do trong chất bán dẫn loại N tăng nhanh, nên tốc độ tái hợp tăng nhanh, do đó nồng độ lỗ trống giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần. - Trong chất bán dẫn loại N, nồng độ hạt dẫn điện tử (nn) nhiều hơn nhiều nồng độ lỗ trống pn và điện tử được gọi là hạt dẫn đa số, lỗ trống được gọi là hạt dẫn thiểu số. nn >> pn nn=Nd+pn Nd Nd – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất cho (Donor) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 84 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp b. Chất bán dẫn loại P (chất bán dẫn tạp loại nhận) - Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 3, thí dụ In, Bo, Ga vào chất bán dẫn thuần Ge hoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử hóa trị đưa ra tạo liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử Ge (hoặc Si) ở bên cạnh, mối liên kết thứ 4 để trống và tạo thành một lỗ trống. Điện tử của mối liên kết gần đó có thể nhảy sang để hoàn chỉnh mối liên kết thứ 4 còn để trống đó. Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử sẽ trở thành ion âm và ngược lại ở nguyên tử Ge/Si vừa có 1 điện tử chuyển đi sẽ tạo ra một lỗ trống và nguyên tử này sẽ trở thành ion dương cố định. E Si Si Si + + + Vùng dẫn 4 4 4 Si In Si E + + + C E 4 3 4 GMức nhận 0,01eV Si Si Si EA + + + EV Vùng hoá trị 4 4 4 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 85 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn loại P tăng nhanh, nên tốc độ tái hợp tăng nhanh, đo đó nồng độ lỗ điện tử tự do giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần. - Trong chất bán dẫn loại P, nồng độ hạt dẫn lỗ trống (pp) nhiều hơn nhiều nồng độ điện tử tự do np và lỗ trống được gọi là hạt dẫn đa số, điện tử tự do được gọi là hạt dẫn thiểu số. pp >> np pp=Na+np Na Na – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất nhận (Acceptor) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 86 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn tạp Tổng quát trong chất bán dẫn ta có: (Định luật “mass-action”) 2 2 3 EG / KT 3/2 EG / 2KT 3 n.p ni pi A.T .e 3,9.T e [cm ] n2 n2 - Trong chất bán dẫn loại N: i i pn nn Nd - Trong chất bán dẫn loại P: 2 2 ni ni np p p Na GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 87 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Trong thực tế Silicon thường được pha tạp cả chất Donor và Acceptor. Giả sử nồng độ pha tạp tương ứng là Nd, Na . - Để tạo thành bán dẫn N thì Nd>Na, Điện tử cho của nguyên tử Donor sẽ ion hóa tất cả các nguyên tử Acceptor để hoàn thành liên kết còn thiếu điện tử, nồng độ nguyên tử Donor tạo ra điện tử tự do là: Nd-Na, quá trình như vậy gọi là quá trình bù “Compensation”. Điện tích trong chất bán dẫn N trung hòa nên: Nd- Na + p - n = 0. 2 ni 2 2 p n (Nd Na ) n N N .n n 0 n d a i 2 Nd Na Nd Na 4ni n 1 2 2 2 Nd Na - Nếu Nd>>Na nên Nd-Na>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như như sau: 2 ni n  Nd Na p  Nd Na GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 88 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Tương tự để tạo thành bán dẫn P thì Na>Nd, trong bán dẫn cũng xảy ra quá trình bù, tính toán tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp này được tính như sau: 2 Na Nd Na Nd 4ni p 1 2 2 2 Na Nd - Nếu Na>>Nd nên Na-Nd>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như như sau: 2 ni p  Na Nd n  Na Nd GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 89 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Mức Fermi trong chất bán dẫn tạp - Mức Fermi trong chất bán dẫn N (Nd càng tăng mức Fermi càng tiến gần tới đáy của dải dẫn): (EF EC ) N KT E E KT ln C nn NC .e Nd F C Nd EF i GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 90 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Mức Fermi trong chất bán dẫn P (Na càng tăng mức Fermi càng tiến gần xuống đỉnh của dải hóa trị): (E E ) V F NV KT E E KT ln p NV .e Na F V Na i EF GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 91 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Mức Fecmi trong bán dẫn tạp là một hàm của nhiệt độ cho các giá trị nồng độ tạp chất khác nhau (Ví dụ với Si). GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 92 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Quan hệ nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần và tạp -Giả sử mức mức Fermi của bán dẫn thuần là EF = EFi -Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần ni=pi : (Ec EFi )/ kT (EFi Ev )/ kT n ni Nce p ni Nve (E E )/ kT c F i (EFi Ev )/ kT Nc nie Nv nie - Nồng hạt dẫn trong chất bán dẫn tạp là: (E E ) F C (EF EFi )/ kT kT n n e n NC .e i (EV EF ) p N .e kT (EFi EF )/ kT V p nie GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 93 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Dòng điện trong chất bán dẫn - Dòng điện khuếch tán: Dòng điện tạo ra do sự chuyển động ngẫu nhiên do nhiệt của các hạt tải điện (thông thường giá trị trung bình =0, nên bỏ qua) và sự khuếch tán các hạt tải điện từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp hơn: dn dp J q.D J q.D diff (n) n dx diff ( p) p dx 2 - ( DP [m /sec] - là hệ số khuếch tán của lỗ trống; Dn - là hệ số khuếch tán của điện tử; dP/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống và điện tử tự do) - Dòng diện trôi (Dòng điện cuốn): Dòng chuyển dịch của các hạt tải điện do tác động của điện trường E: Jdriff =Jdriff(n) + Jdriff(p) = .E = q(nn + pp).E GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 94 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Dòng tổng cộng trong chất bán dẫn: J = Jdriff + Jdiff = Jn + Jp dn dp Jn Jdriff (n) Jdiff n qnn E qDn J J J qp E qD dx p driff ( p) diff p p p dx - “Einstein Relation”: Độ linh động  và hệ số khuếch tán D được xác theo mô hình vật lý dựa trên cơ sở một số lượng lớn hạt tải chịu những chuyển động nhiệt ngẫu nhiên với sự va chạm thường xuyên, 2 hằng số này tỉ lệ với nhau theo “Einstein Relation” như sau: D kT Hằng số Boltzmann k =1,38.10-23 [J/0K] 0  q q [C] – điện tích hạt tải, T [ K ] - Áp dụng công thức trên cho điện tử tự do và lỗ trống trong chất bán dẫn kT kT kT D  D  V n n q p p q th q - Điện áp nhiệt “Thermal Voltage”: GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 95 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Độ dẫn điện chất bán dẫn - Độ dẫn điện của chất bán dẫn khi có cả 2 hạt tải điện tham gia  = q(nn + pp) - Với bán dẫn loại n, n>>p, độ dẫn điện là: -1 n = qNDn [(.m) ] - Với bán dẫn loại p, p>>n, độ dẫn điện là: -1 p = qNAp [(.m) ] + Chất tạp càng nhiều thì điện trở suất càng giảm, tuy nhiên độ linh động nvà p lại giảm khi nồng độ chất pha tạp tăng, như vậy cơ chế dẫn điện trong vùng pha tạp mạnh tương đối phức tạp - Nồng độ giới hạn các nguyên tử tạp chất muốn đưa vào tinh thể bán dẫn được quyết định bởi giới hạn hòa tan của tạp chất ấy. Nếu vượt quá giới hạn này thì hiện tượng kết tủa sẽ xảy ra, khi đó tạp chất sẽ không còn có các tính chất như mong muốn nữa. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 96 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Tổng kết - Chất bán dẫn thuần, không thuần. - Hàm phân bố Fermi-Dirac, Mức Fermi - Nồng độ hạt tải trong chất bán dẫn: 2 2 (EFi EF )/ kT (EF EFi )/ kT n.p ni pi p nie n nie - Nồng độ điện tử tự do và lỗ trống trong chất bán dẫn có thể thay đổi do: Pha tạp, Điện từ trường, Nhiệt độ, Chiếu sáng. - Mức Fermi trong chất bán dẫn thay đổi theo nồng độ pha tạp - Chất bán dẫn thuần có độ dẫn điện nhỏ, chất bán dẫn không thuần độ dẫn điện lớn.  q(n.n q.q ) dn dp J J J qn E qD J J J qp E qD n driff (n) diff n n n dx p driff ( p) diff p p p dx kT kT kT J J J Dn n D  Vth n p q p p q q GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 97 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Một số hằng số - Electronic charge, q = 1,6 10-19 C -14 - Permittivity of free space, o = 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  n (cm /V∙s) 1400 3900 8500 30000 2  p (cm /V∙s) 470 1900 400 500 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 98 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Trƣờng tĩnh điện trong chất bán dẫn ở ĐK cân bằng nhiệt - Xác định mối quan hệ giữa điện trường, điện thế tĩnh điện, và mật độ điện tích trong các cấu trúc bán dẫn. - Quan hệ giữa điện thế và nồng độ hạt tải điện trong điều kiện cân bằng nhiệt GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 99 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Chất bán dẫn nồng độ pha tạp không đồng đều - Xét chất bán dẫn n có nồng độ pha tạp đồng đều + Hạt tải điện đa số là điện tử, có rất ít lỗ trống, nồng độ điện tử đồng đều không phụ thuộc vào vị trí X: n0=Nd + Mật độ điện tích trong chất bán dẫn n: [C/cm3] = (+)- (-)= q.Nd – q.n0 = q. (Nd-n0)=0 + Như vậy không hình thành các vùng tích điện không gian trong bán dẫn có nồng độ pha tạp đồng đều. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 100 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Xét chất bán dẫn n-Si có nồng độ pha tạp không đồng đều + Nồng độ điện tử trong bán dẫn xác định như thế nào ở điều kiện cân bằng nhiệt? - Ban đầu mới hình thành do có sự chênh lệch về nồng độ hạt tải điện nên có dòng khuếch tán, sau đó chất bán dẫn đạt điều kiện cân bằng nhiệt và phân bố nồng độ điện tử trong trường hợp này n0(x) Nd(x), như vậy trong chất bán dẫn sẽ tạo ra những vùng tích điện, vì vậy tạo ra trường tĩnh điện bên trong chất bán dẫn. - Ở điều kiện cân bằng nhiệt: Jn = 0 và Jp = 0 ở bất kỳ vị trị x nào Jn(x) = Jdrift(n)(x) + Jdiff(n)(x) = 0 - Vậy n0(x)=? để thỏa mãn điều kiện trên? GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 101 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Điện trường trong chất bán dẫn ? dE + Phương trình Gauss: Trong đó: s- hệ số điện môi tuyệt đối. dx  s + Điện trường trong chất bán dẫn được xác định: 1 x E x E 0 x  s 0 - Điện thế tĩnh điện (x) ? d E dx x  x  0 E x dx 0 Đặt (0)= ref GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 102 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp - Xác định n0(x), (x), E(x), và (x) ? - Xuất phát từ các PT: dn J qn  E qD 0 0 n 0 n n dx d E dx d D dn D d ln n n 0 n 0 (1) dx n n0 n dx dE d 2 q 2 Nd n0 (2) dx dx  s  s - Thay (1) và (2) ta được 2 2 d ln n0 q 2 n Nd 3 dx  skT GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 103 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp 2 2 d ln n0 q 2 n Nd 3 dx  skT Giải phương trình trên sẽ xác định được n0(x) và các tham số còn lại. - Tuy nhiên không tìm được cách giải chung cho hầu hết các trường hợp. - Nếu Nd(x) biến thiên rất nhỏ thì n0(x) cũng biến thiên rất nhỏ, do đó 2 2 d (lnn0)/dx rất nhỏ như vậy n0(x) Nd(x), không xuất hiện các vùng điện tính không gian, trường hợp này gọi là cận trung hòa. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 104 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1.6.4.4. Chất bán dẫn tạp Quan hệ Boltzman(Quan hệ giữa (x) và nồng độ hạt tải điện) d D d ln n D kT Theo PT (1) n 0 Mà n dx n dx n q Tích phân 2 vế ta có: Mà chứng minh được: = ref khi n0=ni,Vậy ta có quan hệ Boltzman: Tương tự với lỗ trống ta có: GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 105 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ CHƢƠNG 3. LINH KIỆN THỤ ĐỘNG GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 106 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ NỘI DUNG 1. Điện trở (Resistor) 2. Tụ điện (Capacitor) 3. Cuộn cảm (Inductor) 4. Biến áp (Transformer ) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 107 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1. Điện trở (Resistors) 1.1. Định nghĩa 1.2. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở 1.3. Ký hiệu của điện trở 1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở 1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương 1.6. Phân loại GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 108 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.1 Định nghĩa - Điện trở là phần tử có chức năng ngăn cản dòng điện trong mạch - Mức độ ngăn cản dòng điện được đặc trưng bởi trị số điện trở R: R=U/I - Đơn vị đo: , m, , k, M, G, T - Điện trở có rất nhiều ứng dụng như: định thiên cho các cấu kiện bán dẫn, điều khiển hệ số khuyếch đại, cố định hằng số thời gian, phối hợp trở kháng, phân áp, tạo nhiệt Tùy theo ứng dụng, yêu cầu cụ thể và dựa vào đặc tính của các loại điện trở để lựa chọn thích hợp - Kết cấu đơn giản của một điện trở thường: Mũ chụp và chân điện trở Vỏ bọc Lõi Vật liệu cản điện GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 109 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.1 Định nghĩa Định luật Ohm Định luật Ohm v(t) i(t) R i(t) R v(t) _ + i(t) v(t) Georg Ohm Biểu thức định luật Ohm theo dòng điện (1789 – 1854) i(t) v(t) G Công suất tiêu tán tức thời trên điện trở: v 2 (t) p(t) i(t) v(t) i 2 (t)R R GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 110 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.2. Các tham số kỹ thuật và đặc tính của điện trở - Trị số điện trở và dung sai - Hệ số nhiệt của điện trở - Công suất tiêu tán danh định - Tạp âm của điện trở GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 111 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ a. Trị số điện trở và dung sai - Trị số của điện trở: (Resistance [Ohm]-) được tính theo công thức: l Trong đó: R - là điện trở suất của vật liệu dây dẫn cản điện S l - là chiều dài dây dẫn S- là tiết diện của dây dẫn - Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểu thị mức độ chênh lệch của trị số thực tế của điện trở so với trị số danh định và được tính theo %. R R t.t d.d 100 % Rd.d + Tùy theo dung sai phân chia điện trở thành 5 cấp chính xác: Cấp 005: có sai số 0,5 % Cấp 01: có sai số 1 % Cấp I: có sai số 5 % Cấp II: có sai số 10 % Cấp III: có sai số 20 % GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 112 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ b. Hệ số nhiệt của điện trở - TCR - TCR (temperature coefficient of resistance): biểu thị sự thay đổi trị số của điện trở theo nhiệt độ, được tính như sau: 1 R R TCR . .106 [ppm/ 0C] R TCR. T R T 106 - TCR là trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1C (viết tắt là ppm/C). - Hệ số nhiệt của điện trở có thể âm hoặc dương tùy loại vật liệu: + Kim loại thuần thường hệ số nhiệt dương. + Một số hợp kim như constantin, manganin có hệ số điện trở nhiệt 0 + Carbon, than chì có hệ số điện trở nhiệt âm GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 113 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ c. Công suất tiêu tán danh định của điện trở (Pt.t.max ) - Pt.t.max là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được trong điều kiện bình thường, làm việc trong một thời gian dài không bị hỏng. U 2 P R.I2 max [W] t.t.max max R - Công suất tiêu tán danh định tiêu chuẩn cho các điện trở dây quấn nằm trong khoảng từ 1W đến 10W hoặc cao hơn nhiều. Để tỏa nhiệt phát sinh ra, yêu cầu diện tích bề mặt của điện trở phải lớn, do vậy, các điện trở công suất cao đều có kích thước lớn. - Các điện trở than là các linh kiện có công suất tiêu tán danh định thấp, nằm trong khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W và 2W. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 114 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ d. Tạp âm của điện trở - Tạp âm của điện trở gồm: + Tạp âm nhiệt (Thermal noise): sinh ra do sự chuyển động của các hạt mang điện bên trong điện trở do nhiệt độ ERMS 4.k.R.T. f ERMS = the Root-Mean-Square or RMS voltage level k = Boltzmans constant (1.38∙10-23) T = temperature in Kelvin (Room temp = 27 °C = 300 K) R = resistance Δf = Circuit bandwidth in Hz (Δf = f2-f1) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 115 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ d. Tạp âm của điện trở + Tạp âm dòng điện (Current Noise) : sinh do các thay đổi bên trong của điện trở khi có dòng điện chạy qua nó f U E U .10NI / 20 log 2 NI 20log noise RMS DC f 10 1 U DC - Trong đó: + NI: Noise Index (Hệ số nhiễu). + UDC: điện áp không đổi đặt trên 2 đầu điện trở + Unoise: điện áp tạp âm dòng điện + f1 –> f2: khoảng tần số làm việc của điện trở Mức tạp âm phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cản điện. Bột than nén có mức tạp âm cao nhất. Màng kim loại và dây quấn có mức tạp âm rất thấp. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 116 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.3 Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ mạch Điện trở thƣờng Điện trở công suất 0,25W 0,5W 1 W 10 W Biến trở GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 117 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở - Cách ghi trực tiếp: ghi đầy đủ các tham số chính và đơn vị đo trên thân của điện trở, ví dụ: 220K 10%, 2W - Cách ghi theo quy ƣớc: có rất nhiều các quy ước khác nhau. Xét một số cách quy ước thông dụng: + Quy ƣớc đơn giản: Không ghi đơn vị Ôm, R (hoặc E) = , M = M, K = K Ví dụ: 2M=2M, 0K47 =0,47K = 470, 100K = 100 K, 220E = 220, R47 = 0,47 + Quy ƣớc theo mã: Mã này gồm các chữ số và một chữ cái để chỉ % dung sai. Trong các chữ số thì chữ số cuối cùng chỉ số số 0 cần thêm vào. Các chữ cái chỉ % dung sai qui ước gồm: F = 1 %, G = 2 %, J = 5 %, K = 10 %, M = 20 %. XYZ = XY * 10Z  Ví dụ: 103F = 10000  1% = 10K 1% 153G = 15000  2% = 15 K 2% 4703J = 470000  5% = 470K 5% GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 118 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở + Quy ƣớc mầu: Màu Giá trị - Loại 4 vòng màu: Đen 0 1 2 3 4 Nâu 1 Đỏ 2 =>Vòng 1,2 chỉ trị số, Vòng 3 chỉ số số Cam 3 không thêm vào, Vòng 4: dung sai) Vàng 4 (Nâu-đen-đỏ-Không mầu) = Lục 5 - Loại 5 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 không thêm vào, Vòng 5: dung sai) Vàng kim 0,1 / 5% Bạch kim 0,001 / 10% (Nâu-đen-đen-đỏ-Không mầu) = Không màu - / 20% GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 119 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.4 Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 120 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.5 Điện trở cao tần và mạch tƣơng đƣơng - Khi làm việc ở tần số cao điện cảm và điện dung ký sinh là đáng kể, Sơ đồ tương đương của điện trở ở tần số cao như sau: - Tần số làm việc hiệu dụng của điện trở được xác định sao cho sự sai khác giữa trở kháng tương đương của nó so với giá trị điện trở danh định không vượt quá dung sai. - Đặc tính tần số của điện trở phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu chế tạo Kích thước điện trở càng nhỏ thì đặc tính tần số càng tốt, điện trở cao tần thường có tỷ lệ kích thước là từ 4:1 đến 10:1 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 121 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.6 Phân loại điện trở + Điện trở có trị số cố định + Điện trở có trị số thay đổi a. Điện trở cố định - Thường được phân loại theo vật liệu cản điện + Điện trở than tổng hợp (than nén): cấu trúc từ hỗn hợp bột cacbon (bột than chì) được đóng thành khuôn, có kích thước nhỏ và giá thành rất rẻ. + Điện trở than nhiệt giải hoặc than màng (màng than tinh thể). + Điện trở dây quấn + Điện trở màng hợp kim, màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng. + Điện trở cermet (gốm kim loại). - Ngoài ra còn phân loại theo kết cấu đầu nối để phục vụ lắp ráp; phân loại theo loại vỏ bọc để dùng ở những môi trường khác nhau; phân loại theo loại ứng dụng . GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 122 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.1.6 Phân loại điện trở b. Biến trở - Dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng dây quấn. Loại này ít gặp trong các mạch điện trở. - Chiết áp. Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở. Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt). Chiết áp có 3 đầu ra, đầu giữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng với hai đầu của điện trở. a. loại kiểm soát dòng b. loại chiết áp GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 123 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số điện trở đặc biệt - Điện trở nhiệt: Tecmixto Tecmixto t0 - Điện trở Varixto: VDR - Điện trở Mêgôm : có trị số điện trở từ 108  1015. - Điện trở cao áp: Là điện trở chịu được điện áp cao từ 5 KV đến 20 KV. - Điện trở chuẩn: Là các điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn định cao. - Mạng điện trở: Mạng điện trở là một loại vi mạch tích hợp có 2 hàng chân. Một phương pháp chế tạo là dùng công nghệ màng mỏng, trong đó dung dịch chất dẫn điện được lắng đọng trong một hình dạng theo yêu cầu. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 124 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh của một số loại điện trở Điện trở dây cuốn chính xác - Sai số nhỏ : 0,005% - TCR= 3ppm/0C - Đáp ứng tần số tốt, tần số cộng hưởng cao, dùng nhiều trong ứng dụng tần số RF, - Công suất nhỏ. - Thường được dùng trong các thiết bị đo DC độ chính xác cao, điện trở chuẩn cho các bộ điều chỉnh điện áp, mạch biến đổi DAC. Chuẩn NIST (National Institute of Standards and Technology) - Sai số rất nhỏ : 0,001% - TCR= 3ppm/0C - Đáp ứng tần số tốt, tần số cộng hưởng cao, dùng nhiều trong các thiết bị đo, kiểm chuẩn. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 125 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh của một số loại điện trở Điện trở dây cuốn công suất lớn Điện trở film cacbon Điện trở cầu chì Điện trở lá kim loại Điện trở film oxit kim loại GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 126 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh của một số loại điện trở Điện trở cầu chì Điện trở lá kim loại Điện trở film oxit kim loại Điện trở SMD Điện trở SMD (surface mount devices) - Loại linh kiện gắn trên bề mặt mạch in, sử dụng trong công nghệ SMT (Surface mount technology) # (through- hole technology ). GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 127 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh của một số loại điện trở Potentiometers, or Carbon composition Carbon film Metal film High Power "trimpots" (wire wound; ceramic) Thermistor Surface Mount Resistors (SMR) Varistor Light dependent resistor (LDR) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 128 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hình ảnh của một số loại điện trở Mạng điện trở Metal Film Metal film Metal Oxide Film Resistance:1ohm; Resistance Tolerance:+/-1%; Power Rating:25W; Resistor Element Cement Resistors Material:Thick Film; GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 129 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Biến trở (Variable Resistors) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 130 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3. 2. Tụ điện (Capacitors) 3.2.1. Định nghĩa 3.2.2. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện 3.2.3. Ký hiệu của tụ điện 3.2.4 Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện 3.2.5. Sơ đồ tương đương 3.2.6. Phân loại GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 131 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.1 Định nghĩa -Tụ điện là linh kiện dùng để chứa điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt trên nó theo công thức: Q = C . U [culông] Bản cực -Dung lượng của tụ điện C [F] Chân tụ Q   .S C r 0 U d Chất điện môi Vỏ bọc r - hằng số điện môi tương đối của chất điện môi 0 - hằng số điện môi tuyệt đối của không khí hay chân không 1  8,84.10 12 0 36 .109 S - diện tích hữu dụng của bản cực [m2] d - khoảng cách giữa 2 bản cực [m] - Đơn vị đo C: F, F, nF, pF GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 132 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của tụ điện - Trị số dung lượng và dung sai - Điện áp làm việc - Hệ số nhiệt - Dòng điện rò - Sự phân cực GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 133 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của tụ điện + Trị số dung lƣợng (C) + Dung sai của tụ điện: Đây là tham số chỉ độ chính xác của trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định của nó. Dung sai của tụ điện được tính theo công thức : C C t.t d.d .100% Cd.d + Điện áp làm việc: Điện áp cực đại có thể cung cấp cho tụ điện hay còn gọi là "điện áp làm việc một chiều“, nếu quá điện áp này lớp cách điện sẽ bị đánh thủng và làm hỏng tụ. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 134 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của tụ điện + Hệ số nhiệt Mỗi một loại tụ điện chịu một ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ do nhà sản xuất xác định. Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩn thường từ: -200C đến +650C; -400C đến +650C ; -550C đến +1250C - Để đánh giá sự thay đổi của trị số điện dung khi nhiệt độ thay đổi người ta dùng hệ số nhiệt TCC và tính theo công thức sau: 1 C TCC .106 [ppm/0C] C T - TCC thường tính bằng đơn vị phần triệu trên 1C (viết tắt ppm/C) và nó đánh giá sự thay đổi cực đại của trị số điện dung theo nhiệt độ. - Khi giá trị điện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ, người ta dùng giới hạn cực đại thay đổi giá trị điện dung trên khoảng nhiệt độ làm việc và tính bằng %: C T *TCC % 100 % C 106 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 135 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của tụ điện d. Dòng điện rò - Do chất cách điện đặt giữa 2 bản cực không lý tưởng nên sẽ có một dòng điện rò rất bé chạy qua giữa 2 bản cực của tụ điện. Trị số dòng điện rò phụ thuộc vào điện trở cách điện của chất điện môi. - Đặc trưng cho dòng điện rò có thể dùng tham số điện trở cách điện của tụ (có trị số khoảng vài M và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếu tụ có dòng điện rò nhỏ - Tụ điện màng Plastic có điện trở cách điện cao hơn 100000 M, còn tụ điện điện giải thì dòng điện rò có thể lên tới vài A khi điện áp đặt vào 2 bản cực của tụ chỉ 10 Vôn. - Đối với điện áp xoay chiều, tổn hao công suất trong tụ được thể hiện qua hệ số tổn hao D: 1 P D th Q Ppk GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 136 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.2 Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của tụ điện e. Sự phân cực - Các tụ điện điện giải ở các chân tụ thường có đánh dấu cực tính dương (dấu +) hoặc âm (dấu -) gọi là sự phân cực của tụ điện. Khi sử dụng phải đấu tụ vào mạch sao cho đúng cực tính của tụ. Như vậy chỉ sử dụng loại tụ này vào những vị trí có điện áp làm việc không thay đổi cực tính. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 137 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.3 Ký hiệu của tụ + + Tụ thường Tụ điện giải Tụ có điện dung thay đổi Tụ điện lớn thường có tham số điện dung ghi trực tiếp, tụ điện nhỏ thường dùng mã: XYZ = XY * 10Z pF GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 138 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc và ghi trị số trên tụ - Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc (điện áp lớn nhất). Có 2 cách ghi cơ bản: - Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng. Cách này chỉ dùng cho các loại tụ điện có kích thước lớn. Ví dụ 1: Trên thân một tụ mi ca có ghi: 5.000PF 20% 600V - Cách ghi gián tiếp theo qui ƣớc : + Ghi theo qui ước số: (Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen), Kiểu giá trị ghi bằng số nguyên thì đơn vị tương ứng là pF, nếu kiểu giá trị ghi bằng số thập phân thì đơn vị tương ứng là F. Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung là 47 pF, điện áp làm việc một chiều là 630 Vdc. Ví dụ 3: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức là giá trị điện dung là 0,01 F và điện áp làm việc một chiều là 100 Vdc. + Quy ước theo mã: (Giống như điện trở, Các chữ cái chỉ dung sai qui ước như trang bên): XYZ = XY * 10Z pF 123K/50V =12000 pF 10% và điện áp làm việc lớn nhất 50 Vdc GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 139 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc và ghi trị số trên tụ GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 140 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc và ghi trị số trên tụ + Ghi theo quy ước màu: - Loại có 4 vạch màu: Hai vạch đầu là số có nghĩa thực của nó Vạch thứ ba là số nhân (đơn vị pF) hoặc số số 0 cần thêm vào Vạch thứ tư chỉ điện áp làm việc. - Loại có 5 vạch màu: Ba vạch màu đầu giống như loại 4 vạch màu Vạch màu thứ tư chỉ % dung sai Vạch màu thứ 5 chỉ điện áp làm việc TCC 1 1 1 2 3 2 3 2 3 4 4 4 5 + Tụ hình ống Tụ hình kẹo Tụ Tantan GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 141 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc và ghi trị số trên tụ - Vạch màu chỉ TCC, đơn vị ppm/ 0C: Đỏ tím: TCC = 100 Vàng: TCC = 220 Đen: = 0 Xanh lá cây: = 330 Đỏ: = 75 Xanh lam: = 430 Cam: = 150 Tím: = 750 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 142 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.4 Cách đọc và ghi trị số trên tụ + Cách ghi bằng chấm mầu, sử dụng 3 hoặc 6 chấm mầu, Cả 2 kiểu này đều như nhau nhưng kiểu 6 chấm mầu nhiều thông tin hơn như: Hệ số nhiệt, dung sai = Tụ Mica, điện dung 1200 pF, dung sai 6%. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 143 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.5 Sơ đồ tƣơng đƣơng của tụ RP RL L RS RS C C C a. Sơ đồ tương đương b. Sơ đồ tương đương c. sơ đồ tương đương tổng quát song song nối tiếp L - là điện cảm của đầu nối, dây dẫn (ở tần số thấp L 0) RS - là điện trở của đầu nối, dây dẫn và bản cực (RS thường rất nhỏ) RP - là điện trở rò của chất cách điện và vỏ bọc. RL, RS - là điện trở rò của chất cách điện C - là tụ điện lý tưởng GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 144 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.6 Phân loại tụ điện - Tụ điện có trị số điện dung cố định - Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được. a. Tụ điện có trị số điện dung cố định: + Tụ giấy: chất điện môi là giấy, thường có trị số điện dung khoảng từ 500 pF đến 50 F và điện áp làm việc đến 600 Vdc. Tụ giấy có giá thành rẻ nhất so với các loại tụ có cùng trị số điện dung. Ưu điểm: kích thước nhỏ, điện dung lớn. Nhược điểm: Tổn hao điện môi lớn, TCC lớn. + Tụ màng chất dẻo: chất điện môi là chất dẻo, có điện trở cách điện lớn hơn 100000 M. Điện áp làm việc cao khoảng 600V. Dung sai tiêu chuẩn của tụ là 2,5%; hệ số nhiệt từ 60 đến 150 ppm/0C Tụ màng chất dẻo nhỏ hơn tụ giấy nhưng đắt hơn. Giá trị điện dung của tụ tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 5 pF đến 0,47 F. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 145 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.6 Phân loại tụ điện + Tụ mi ca: chất điện môi là mi ca, tụ mi ca tiêu chuẩn có giá trị điện dung khoảng từ 1 pF đến 0,1 F và điện áp làm việc cao đến 3500V tuỳ. Nhược điểm: giá thành của tụ cao. Ưu điểm:Tổn hao điện môi nhỏ, Điện trở cách điện rất cao, chịu được nhiệt độ cao. + Tụ gốm: chất điện môi là gốm. Màng kim loại được lắng đọng trên mỗi mặt của một đĩa gốm mỏng và dây dẫn nối tới màng kim loại. Tất cả được bọc trong một vỏ chất dẻo. Giá trị điện dung của tụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ 1 pF đến 0,1 F, với điện áp làm việc một chiều đến 1000 Vdc Đặc điểm của tụ gốm là kích thước nhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định rất tốt, có thể làm việc lâu dài mà không lão hoá. + Tụ dầu: chất điện môi là dầu Tụ dầu có điện dung lớn, chịu được điện áp cao Có tính năng cách điện tốt, có thể chế tạo thành tụ cao áp. Kết cấu đơn giản, dễ sản xuất. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 146 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.6 Phân loại tụ điện + Tụ điện giải nhôm: Cấu trúc cơ bản là giống tụ giấy. Hai lá nhôm mỏng làm hai bản cực đặt cách nhau bằng lớp vải mỏng được tẩm chất điện phân (dung dịch điện phân), sau đó được quấn lại và cho vào trong một khối trụ bằng nhôm để bảo vệ. Các tụ điện giải nhôm thông dụng thường làm việc với điện áp một chiều lớn hơn 400 Vdc, trong trường hợp này, điện dung không quá 100 F. Điện áp làm việc thấp và dòng rò tương đối lớn + Tụ tantan: (chất điện giải Tantan) Đây là một loại tụ điện giải, Bột tantan được cô đặc thành dạng hình trụ, sau đó được nhấn chìm vào một hộp chứa chất điện phân. Dung dịch điện phân sẽ thấm vào chất tantan. Khi đặt một điện áp một chiều lên hai chân tụ thì một lớp oxit mỏng được tạo thành ở vùng tiếp xúc của chất điện phân và tantan. Tụ tantan có điện áp làm việc lên đến 630 Vdc nhưng giá trị điện dung chỉ khoảng 3,5 F. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 147 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.6 Phân loại tụ điện b. Tụ điện có trị số điện dung thay đổi + Loại đa dụng còn gọi là tụ xoay: Tụ xoay được dùng làm tụ điều chỉnh thu sóng trong các máy thu thanh, v.v Tụ xoay có thể có 1 ngăn hoặc nhiều ngăn. Mỗi ngăn có các lá động xen kẽ, đối nhau với các lá tĩnh (lá giữ cố định) chế tạo từ nhôm. Chất điện môi có thể là không khí, mi ca, màng chất dẻo, gốm, v.v + Tụ vi điều chỉnh (thường gọi tắt là Trimcap), có nhiều kiểu. Chất điện môi cũng dùng nhiều loại như không khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Trong các loại Trimcap chuyên dùng, thường gặp nhất là loại chất điện môi gốm. Để thay đổi trị số điện dung ta thay đổi vị trí giữa hai lá động và lá tĩnh. Khoảng điều chỉnh của tụ từ 1,5 pF đến 3 pF, hoặc từ 7 pF đến 45 pF và từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệt cần thiết. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 148 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.2.7. Ứng dụng + Tụ không cho dòng điện một chiều qua nhưng lại dẫn dòng điện xoay chiều, nên tụ thường dùng để cho qua tín hiệu xoay chiều đồng thời vẫn ngăn cách được dòng một chiều giữa mạch này với mạch khác, gọi là tụ liên lạc. + Tụ dùng để triệt bỏ tín hiệu không cần thiết từ một điểm trên mạch xuống đất (ví dụ như tạp âm), gọi là tụ thoát. + Tụ dùng làm phần tử dung kháng trong các mạch cộng hưởng LC gọi là tụ cộng hƣởng. + Tụ dùng trong mạch lọc gọi là tụ lọc. Tụ dùng trong các mạch chia dải tần làm việc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích này thuộc nhóm chính xác. + Các tụ trong nhóm đa dụng dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, thoát tín hiệu ngoài ra tụ còn dùng để trữ năng lượng, định thời + Do có tính nạp điện và phóng điện, tụ dùng để tạo mạch định giờ, mạch phát sóng răng cưa, mạch vi phân và tích phân. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 149 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh của Tụ điện Tụ hoá (Electrolytic Capacitors) Tụ Tantan (Tantalum Capacitors) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 150 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh của Tụ điện Tụ gốm ( Ceramic Capacitors ) Tụ gốm nhiều tầng (Multilayer Ceramic Capacitors ) Tụ film nhựa (Polystyrene Film Capacitors) Tụ Mica GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 151 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh của Tụ điện Capacitors: SDM ceramic at top left; SMD tantalum at bottom left; through- hole tantalum at top right; through-hole electrolytic at bottom right. Major scale divisions are cm. Surface mount technology (SMT) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 152 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Một số hình ảnh của Tụ điện Various types of capacitors. tantalum Polypropylene Polyester High capacitor Capacitor capacitor Voltage/power Capacitors Multilayer Chip Tuning/Air Ceramic Capacitor Motor Running & Variable Variable Start Capacitors Capacitor Capacitor GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 153 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3. Cuộn cảm (Inductor) 3.3.1. Định nghĩa 3.3.2 Ký hiệu của cuộn dây. 3.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây 3.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây 3.3.5. Mạch tương đương 3.3.6. Phân loại GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 154 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.1 Định nghĩa - Cuộn cảm là phần tử sinh ra hiện tượng tự cảm khi dòng điện chạy qua nó biến thiên. Khi dòng điện qua cuộn cảm biến thiên sẽ tạo ra từ thông thay đổi và một sức điện từ được cảm ứng ngay trong cuộn cảm hoặc có thể cảm ứng một sức điện từ sang cuộn cảm kề cận với nó. -Mức độ cảm ứng trong mỗi trường hợp phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn cảm hoặc sự hỗ cảm giữa hai cuộn cảm. Các cuộn cảm được cấu trúc để có giá trị độ cảm ứng xác định. - Cuộn cảm cũng có thể đấu nối tiếp hoặc song song. Ngay cả một đoạn dây dẫn ngắn nhất cũng có sự cảm ứng. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 155 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2.Ký hiệu của cuộn cảm L L L Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit Cuộn dây lõi sắt từ GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 156 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2. Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của cuộn cảm - Độ tự cảm (L) - Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q) - Tần số làm việc giới hạn (fg.h.) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 157 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2. Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của cuộn cảm S a. Độ tự cảm (L) L .N 2. l Trong đó: S - là tiết diện của cuộn dây (m2) N - là số vòng dây l - là chiều dài của cuộn dây (m)  - độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu lõi (H/ m)  = r. 0 - Đơn vị đo: H, mH, H - Độ từ thẩm tuyệt đối của một số loại vật liệu Chân không: 4 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 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 158 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2. Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của cuộn cảm b. Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q) - Dung sai của độ tự cảm: Đây là tham số chỉ độ chính xác của độ từ cảm thực tế so với trị số danh định của nó. Dung sai được tính theo công thức : L L t.t d.d .100% Ld.d - Một cuộn cảm lý tưởng không có tổn hao khi có dòng điện chạy qua, thực tế luôn tổn hao đó là công suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây. Tổn hao này được biểu thị bởi một điện trở tổn hao RS. - Để đánh giá chất lượng của cuổn cảm dùng Hệ số phẩm chất Q của cuộn cảm: (Cuộn cảm tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp, cuộn cảm tổn hao lớn dùng sơ đồ tương đương song songL . L RS Rp 1 Ppk X L L 1 Ppk RP Rp Qnt Q D P R R // th S S D Pth X L L GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 159 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.2. Các tham số kỹ thuật đặc trƣng của cuộn cảm c. Tần số làm việc giới hạn (fg.h.) - Khi tần số làm việc nhỏ bỏ qua điện dung phân tán giữa các vòng dây của cuộn cảm, nhưng khi làm việc ở tần số cao điện dung này là đáng kể. - Do đó ở tần số đủ cao cuộn cảm trở thành một mạch cộng hưởng song song. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song này gọi là tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây f0 . - Nếu cuộn dây làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng riêng này thì cuộn dây mang dung tính nhiều hơn. Do đó tần số làm việc cao nhất của cuộn dây phải thấp hơn tần số cộng hưởng riêng của nó. 1 f f f lvmax gh 0 2 LC GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 160 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn cảm - Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ các tham số độ tự cảm L, dung sai, loại lõi cuộn cảm Cách này chỉ dùng cho các loại cuộn cảm có kích thước lớn. - Cách ghi gián tiếp theo qui ƣớc : + Ghi quy ước theo mầu: Dùng cho các cuộn cảm nhỏ: - Loại 4 vạch màu 1 2 3 4 Vòng màu 1: chỉ số có nghĩa thứ nhất hoặc chấm thập phân Vòng màu 2: chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân Vòng màu 3: chỉ số 0 cần thêm vào, đơn vị đo là H Vòng màu 4: chỉ dung sai %. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 161 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn cảm Bảng mã mầu dùng cho các cuộn cảm Màu Giá trị của các số Dung sai Đen 0 - Nâu 1 - Đỏ 2 - Cam 3 - Vàng 4 - Xanh lá cây 5 - Xanh lam 6 - Tím 7 - Xám 8 - Trắng 9 - Bạch kim - 10% Vàng kim Chấm thập phân 5% Không vạch màu - 20% GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 162 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn cảm GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 163 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.5 Phân loại và ứng dụng - Dựa theo ứng dụng: + Cuộn cộng hưởng – cuộn cảm dùng trong các mạch cộng hưởng LC. + Cuộn lọc – cuộn cảm dùng trong các bộ lọc một chiều. + Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v - Dựa vào loại lõi của cuộn cảm: + Cuộn dây lõi không khí: Loại cuộn dây không lõi hoặc cuốn trên các cốt không từ tính, thường dùng là các cuộn cộng hưởng làm việc ở tầo số cao và siêu cao. Các yêu cầu chính của cuộn dây không lõi là: - Điện cảm phải ổn định ở tần số làm việc. - Hệ số phẩm chất cao ở tần số làm việc. - Điện dung riêng nhỏ. - Hệ số nhiệt của điện cảm thấp. - Bền chắc, kích thước và giá thành phải hợp lý. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 164 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.5 Phân loại và ứng dụng + Cuộn cảm lõi sắt bụi: Dùng bột sắt nguyên chất trộn với chất dính kết không từ tính là lõi cuộn cảm, thường dùng ở tần số cao và trung tần. Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt là tổn thất do dòng điện xoáy ngược, và độ từ thẩm thấp hơn nhiều so với loại lõi sắt từ. + Cuộn cảm lõi Ferit : thường là các cuộn cảm làm việc ở tần số cao và trung tần. Lõi Ferit có nhiều hình dạng khác nhau như: thanh, ống, hình chữ E, chữ C, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điện cảm cao, tuy vậy lại dễ bị bão hòa từ khi có thành phần một chiều. + Cuộn cảm lõi sắt từ: Lõi của cuộn cảm thường hợp chất sắt - silic, hoặc sắt- niken . Đây là các cuộn cảm làm việc ở tần số thấp. Dùng dây đồng đã được tráng men cách điện quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lớp và được tẩm chống ẩm. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 165 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.6 Một số hình ảnh của cuộn cảm A core material with greater magnetic permeability results in greater magnetic field flux for any given amount of field force (amp-turns). Variable inductors: providing a way to Fixed-value inductor: another Inductor (of greater inductance vary the number of wire turns in use antique air-core unit built for value), also intended for radio at any given time, or by varying the radios. The connection terminals applications. Its wire coil is core material (a sliding core that can can be seen at the bottom, as well wound around a white ceramic be moved in and out of the coil). as the few turns of relatively thick tube for greater rigidity wire GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 166 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.3.6 Một số hình ảnh của cuộn cảm Ferrite Rod Inductor SMD Wound Chip Inductor DC filter Spiral inductor with N=1.5 choke turns, W=20 μm, S=10 μm Roller inductor for Inductor and Rin=100 μm FM diplexer (area=0.14 mm2). (called On-chip inductor) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 167 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4. Biến áp (Transformer) 3.4.1. Định nghĩa 3.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp 3.4.3. Ký hiệu của biến áp 3.4.4. Phân loại và ứng dụng GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 168 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.1. Định nghĩa - Biến áp là thiết bị gồm hai hay nhiều cuộn dây ghép hỗ cảm với nhau để biến đổi điện áp. Cuộn dây đấu vào nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, các cuộn dây khác đấu vào tải gọi là cuộn thứ cấp. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 169 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Nguyên lý hoạt động của biến áp - Hoạt động dựa theo nguyên lý cảm ứng điện tử. - Hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp, thứ cấp: S S L .N 2 L .N 2 1 1 l 2 2 l - Khi dòng điện I1 biến thiên tạo ra từ thông biến thiên, từ thông này liên kết sang cuộn sơ cấp và tạo ra điện áp cảm ứng eL trên cuộn thứ cấp theo hệ số tỉ lệ gọi là hệ số hỗ cảm M. Lượng từ thông liên kết giữa cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp được đánh giá bằng hệ số ghép biến áp K. e  .N S M L H 2 2   eL ;  2 K. 1 K.. i1.N1. i1 / t t l S M K M K.N1N2.. K. L1L2 l L1L2 GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 170 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp - Hệ số ghép biến áp K - Điện áp cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp - Dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp - Hiệu suất của biến áp GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 171 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp a. Hệ số ghép biến áp K M K L1L2 M - hệ số hỗ cảm của biến áp L1 và L2 - hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp tương ứng. - Khi K = 1 là trường hợp ghép lý tưởng, khi đó toàn bộ số từ thông sinh ra do cuộn sơ cấp được đi qua cuộn thứ cấp và ngược lại. - Trên thực tế sử dụng, khi K 1 gọi là hai cuộn ghép chặt khi K<<1 gọi là hai cuộn ghép lỏng GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 172 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp b. Điện áp cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp - Điện áp cảm ứng ở cuộn sơ cấp và thứ cấp quan hệ với nhau theo tỉ số: U N N 2 K 2 2 U N N N 1 1 1 - 2 Hệ số biến áp N 1 + N1 = N2 thì U1 = U2 ta có biến áp 1 : 1 + N2 > N1 thì U2 > U1 ta có biến áp tăng áp + N2 < N1 thì U2 < U1 ta có biến áp hạ áp GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 173 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp c. Dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp - Quan hệ giữa dòng điện ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp theo tỉ số: I U N N 1 2 K 2 2 d. Hiệu suất của biến áp I2 U1 N1 N1 - Các biến áp thực tế đều có tổn thất, do đó để đánh giá chất lượng dùng thông số hiệu suất của biến áp. Hiệu suất của biến áp là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào tính theo %: P P  2 .100% 2 .100% P1 P2 Ptôn thât Trong đó P1 - công suất đưa vào cuộn sơ cấp P2 - công suất thu được ở cuộn thứ cấp Ptổn thất - Công suất điện mất mát do tổn thất của lõi và tổn thất của dây cuốn. - Muốn giảm tổn hao năng lượng trong lõi sắt từ, dây đồng và từ thông rò người ta dùng loại lõi làm từ các lá sắt từ mỏng, có quét sơn cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn và ghép chặt. GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 174 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.3. Ký hiệu của biến áp a. Biến áp âm tần b. Biến áp nguồn lõi sắt và biến áp tự ngẫu c. Biến áp cao tần không lõi d. Biến áp lõi Ferit e. Biến áp trung tần GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 175 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.4 Phân loại và ứng dụng - Ứng dụng để biến đổi điện áp xoay chiều. - Dùng để cách ly giữa mạch các mạch điện, dùng loại biến áp có hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cách điện với nhau. - Biến đổi biến đổi tổng trở, dùng biến áp ghép chặt - Biến áp cao tần dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc, dùng loại ghép lỏng. - Tuỳ theo ứng dụng cụ thể mà biến áp có những yêu cầu khác nhau và thường được phân loại theo ứng dụng: + Biến áp cộng hưởng : Đây là biến áp trung tần hoặc cao tần có lõi không khí hoặc sắt bụi hoặc ferit, ghép lỏng và có một tụ điện mắc ở cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn. Thông thường tần số cộng hưởng được thay đổi bằng cách điều chỉnh vị trí của lõi GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 176 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1
BÀI GIẢNG MÔN : CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 3.4.4 Phân loại và ứng dụng + Biến áp cấp điện (biến áp nguồn) : Là biến áp làm việc với tần số 50 Hz, 60 Hz. Biến áp nguồn có nhiệm vụ là biến đổi điện áp vào thành điện áp và dòng điện ra theo yêu cầu và ngăn cách thiết bị khỏi khỏi nguồn điện. Các yêu cầu chính: • Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dòng điện không tải xuống giá trị nhỏ nhất. • Hệ số ghép K cao để điện áp thứ cấp ít sụt khi có tải. • Tổn thất trong lõi càng thấp càng tốt (chọn vật liệu lõi và bề dày lá thép thích hợp). • Kích thước biến áp càng nhỏ càng tốt. • Kết cấu bên ngoài có thể dùng: • Loại hở có tẩm (giá thành thấp) • Loại bọc kín có tẩm (bảo vệ cơ học tốt) • Loại hàn kín, đổ dầu (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, dễ sửa chữa) • Loại đổ khuôn nhựa (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, không sửa chữa được) GIẢNG VIÊN: ThS. TRẦN THÚY HÀ www.ptit.edu.vn Trang 177 BỘ MÔN: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- KHOA KTDT1