Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lại Nguyễn Duy

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 2: Các linh kiện bán dẫn - Lại Nguyễn Duy

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG BỘ MƠN: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG CÁC LINH KIỆN BÁN DẪN Lại Nguyễn Duy Bộ Mơn Điện Tử Viễn Thơng Email: lainguyenduy@hcmutrans.edu.vn 21/05/2021 1
2. 1. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện. 2. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu. 3. Diode bán dẫn. 4. Transistor 2 cực tính (BJT – Bipolar Junction Transistor) . 5. Transistor trường (FET: Field Effect Transistor). 21/05/2021 2
3. Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 1. Mạng tinh thể và liên kết hố trị. 2. Điện tử tự do và lỗ trống – bán dẫn loại i. 3. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. 4. Chuyển động trơi và khuếch tán của hạt dẫn. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 3
4. Mạng tinh thể và liên kết hố trị Si hay Ge cĩ 4 điện tử hố trị. Cần liên kết ->cĩ 8 điện tử, và trở thành bền vững ->bán dẫn thuần khiết – bán dẫn loại i Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 4
5. Điện tử tự do và lỗ trống Năng lượng Vùng dẫn e- Vùng hĩa trị Khe năng lượng Khơng cĩ e- Vùng 2 Vùng 1 Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 5
6. Điện tử tự do và lỗ trống Năng lượng Vùng dẫn e- Vùng hĩa trị Lỗ trống Năng lượng to Vùng 2 Vùng 1 Giản đồ năng lượng Điện tử và lỗ trống được gọi là hạt dẫn Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 6
7. Dịng e và lỗ trống e- Lỗ trống Dịng lỗ Dịng e- trống V Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 7
8. Chất bán dẫn, chất dẫn và chất cách điện Năng Năng Năng lượng Vùng dẫn lượng lượng Khe năng lượng Vùng dẫn Khe năng lượng Vùng dẫn Vùng hĩa trị Vùng Vùng hĩa trị hĩa trị Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 8
9. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện * Bán dẫn loại N - Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết với As (đối với Ge) hoặc P (đối với Si). - As/P cĩ 5 điện tử ở lớp ngồi cùng. Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với các nguyên tử xung quanh và hạt nhân nên dễ trở thành hạt dẫn tự do. Nguyên tử tạp chất lúc này thành ion dương. - Khi cĩ điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động cĩ hướng tạo thành dịng điện. Tạp chất nhĩm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho. - Trong chất bán dẫn loại N, ne > pe, điện tử là hạt dẫn đa số và lỗ trống là 9 hạt dẫn thiểu số.
10. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện * Bán dẫn loại P - Được tạo nên bằng cách pha chất bán dẫn tinh khiết với In ( đối với Ge) hoặc B (đối với Si). - B/In cĩ 3 điện tử ở lớp ngồi cùng. Khi tham gia liên kết với các nguyên tử khác, liên kết thứ 4 bị bỏ hở. Khi cĩ kích thích 1 trong những điện tử ở các mối liên kết hồn chỉnh sẽ đến thế chỗ vào liên kết nĩi trên. Nguyên tử tạp chất lúc này thành ion âm và lỗ trống xuất hiện. - Khi cĩ điện trường, các hạt dẫn sẽ chuyển động cĩ hướng tạo thành dịng điện. Tạp chất nhĩm 3 tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất nhận. - Trong chất bán dẫn loại P, pe > ne, lỗ trống là hạt21/05/2021dẫn đa số và điện tử là hạt dẫn thiểu số. 10
11. Chuyển động trơi và khuếch tán của hạt dẫn * Chuyển động trơi Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường gọi là chuyển động trơi. Chuyển động trơi tạo thành dịng điện trơi. * Chuyển động khuếch tán - Dịng chuyển động khuếch tán xảy ra khi cĩ sự phân bố khơng đều đồng nồng độ hạt dẫn trong một khối thể tích, khuếch tán từ nơi cĩ nồng độ cao –thấp. Dịng điện do chuyển động cĩ hướng này gây ra được gọi là dịng điện khuếch tán. 11 Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 1: Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện
12. Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 1. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng. 2. Chuyển tiếp P – N khi cĩ điện áp ngồi & Đặc tính chỉnh lưu. 3. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N (đọc giáo trình). Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 12
13. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng - Trước tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn cân bằng về điện tích. - Khi tiếp xúc, do chênh lệch nồng đồ nên lỗ trống khuếch tán từ P sang N, điện tử khuếch tán N -> P. - Trên đường khuếch tán, các hạt dẫn trái dấu tái hợ p làm tại bề mặt ranh giới, nồng độ hạt giảm rất thấp: bên P chỉ cịn lại các ion âm, N cịn lại các ion dương . Xuât hiện hiệu điện thế và điện trường tiếp xúc. Vùng hẹp gọi là vùng nghèo. - Do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên lỗ trống t ừ N chạy sang P và điện tử từ P chạy sang N tạo thà nh dịng điện trơi, ngược chiều với dịng khuếch tán. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 13
14. Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng (tt) - Nồng độ hạt dẫn đa số trong 2 khối càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán và tái hợp càng nhiều => điện trường tiếp xúc càng tăng nên dịn g điện trơi cũng tăng. Sau 1 thời gian dịng khuếc h tán và dịng trơi cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dịng qua mặt ranh giới bằng 0. Chuyển tiế p P – N đạt trạng thái cân bằng. - Ứng với trạng thái cân bằng thì hiệu điện thế tiế p xúc giữa P và N cĩ giá trị nhất định. Thơng t hường là 0.3 V đối với Ge và 0.7V đối với Si. Hiệu điện thế này ngăn khơng cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng gọi là “hàng rào điện thế”. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 14
15. Chuyển tiếp P – N khi phân cực nghịch - Giả thiết điện trở chất bán dẫn ở vùng trung hồ là khơng đáng kể. Khi đĩ điện áp V gần như đặt tồn bộ lên vùng nghèo, chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc . Tình trạng cân bằng khơng cịn. Điện trường E do V gây ra cùng chiều Etx làm hạt dẫn đa số của 2 bán dẫn xa khỏi mặt ranh giới đi về 2 phía. => Vùng nghèo bị mở rộng và điện trở vùng nghèo tăng. - Hàng rào điện thế trở thành V + Vtx khiến dịng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm rất nhỏ cịn dịng trơi của hạt dẫn tăng theo V. Nhưng nồng độ hạt dẫn thiểu số rất nhỏ nên trị số dịng này rất thấp. Nĩ nhanh chĩng đạt trạng thái bão hồ khi V cịn rất thấp. Dịng điện qua chuyển tiếp P – N rất bé và mang dấu âm I = -Is. Is là dịng ngược bão hồ. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 15
16. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu Chuyển tiếp P – N khi phân cực thuận - Trong trường hợp này hàng rào điện thế chỉ cịn Vtx – V nên hạt dẫn đa số của 2 bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện . Tình trạng thiếu hạt dẫn bị giảm bớt nên bề dày vùng nghèo bị thu hẹp và điện trở vùng nghèo giảm. Dịng khuếch tán tăng nhanh theo V cịn dịng điện trơi giảm theo V. Dịng điện trơi rất bé và coi như khơng đổi. Dịng qua chuyển tiếp P – N lúc này là dịng điên thuận và lớn hơn rất nhiều so với dịng điện ngược. - Khi V càng tăng, bề dày vùng nghèo càng giảm và hàng rào thế càng giảm. Khi V = Vtx thì dịng thuận vơ cùng lớn, phá hỏng miền ti ếp xúc. Đây là hiện tượng cần tránh. 16
17. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 2: Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu Đặc tính chỉnh lưu - Chuyển tiếp P – N là bộ phận quan trọng nhất của 2 bán dẫn khác loại. Khi phân cực thuận, vùng nghèo nhỏ, điện trở thấp và dịng điện lớn và tăng nhanh theo điện áp. Khi phân cực ngược, điện trở rất lớn, dịng rất nhỏ và hâu như khơng thay đổi theo V. - Khi cĩ điện áp xoay chiều đặt vào thì nĩ chủ yếu dẫn điện theo 1 chiều. Đĩ là đặc tính chỉnh lưu. 17
18. Phần 3: Diode bán dẫn 1. Diode chỉnh lưu. 2. Diode zener. 3. Diode biến dung (đọc giáo trình). 4. Diode tunnel (đọc giáo trình). 18
19. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn DIODE CHỈNH LƯU •Cấu tạo: A + P N K - Lớp Tiếp Giáp P-N 19
20. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn DIODE CHỈNH LƯU Vạch màu trắng Ký hiệu và hình dáng (Cực âm) + D A K 20
21. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn DIODE CHỈNH LƯU - Bộ phận cơ bản của diode là chuyển tiếp P – N, cĩ đặc tính chủ yếu là dẫn điện theo 1 chiều. - Ứng dụng: biến điện xoay chiều thành điện 1 chiều nên cĩ tên là diode chỉnh lưu. 21
22. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn DIODE CHỈNH LƯU * Đặc tuyến Volt - Ampere - Khi điện áp thuận nhỏ hơn V = 0.7V (đối với Ge là 0.3V) thì dịng điện thuận cịn bé, chưa đáng kể. Chỉ khi điện áp vượt quá điện áp mở V thì dịng điện mới tăng nhanh theo điện áp. Đoạn đặc tuyến này gần như 1 đường thẳng cĩ độ dốc khơng đổi. - Dịng điện ngược cĩ giá trị rất nhỏ. Khi điện áp ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến điện áp đánh thủng VB thì dịng điện ngược tăng rất nhanh. 22
23. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn Các loại Diode khác 1. Diode zener 2. Diode biến dung (đọc giáo trình). 3. Diode tunnel (đọc giáo trình). 23
24. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn Diode zener * Cấu tạo: - Vẫn là chuyển tiếp P – N nhưng được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và toả nhiệt tốt, do đĩ khi cĩ điện áp ngược đủ lớn để xảy ra quá trình đánh thủng về điện (khơng xảy ra quá trình đánh thủng về nhiệt) vẫn khơng phá hỏng diode. * Đặc tuyến Volt – Ampere - Điện áp trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục dịng điện nên diode zener thường được dùng đ ể ổn định áp. 24
25. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 3: Diode bán dẫn Diode zener (tt) - Giới hạn trên của phạm vi làm việc là trị số dịng ngược tối đa cho phép, xác định bởi cơng suất tiêu hao cực đại của diode Pmax. - Mạch ổn áp dùng zener: 25
26. Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 1. Cấu tạo 2. Nguyên lý hoạt động. 3. Ba sơ đồ cơ bản của BJT. 4. Đặc tuyến Volt – Ampere. 5. Các tham số giới hạn của BJT. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 26
27. Cấu tạo C C B B E E Chương 2: Các linh kiện bán dẫnLoại – Phần NPN 4: Transistor 2 Loạicực tính PNP (BJT) 27
28. Nguyên lý hoạt động của BJT - Ban đầu khi khơng cĩ 2 nguồn E1 và E2 tác dụng, nhờ hàng rào điện thế duy trì trạng thái cân bằng của các chuyển tiếp. - Khi nguồn E2 tác dụng, JC bị phân cực nghịch, hàng rào điện thế và điện trường tiếp xúc tăng lên, xuất hiện dịng ICBO. - Khi thêm nguồn E1 tác dụng, JE phân cực thuận. Hàng rào điện thế hạ thấp khiến điện tử từ miền N+ tràn qua miền P, lỗ trống từ miền P tràn qua miền N+ . Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 28
29. Nguyên lý hoạt động của BJT (tt) - Do chênh lệch nồng độ nên các hạt dẫn tiếp tục khuếch tán.Trên đường khuếch tán chỉ 1 bộ phận nhỏ bị tái hợp, cịn đa số vẫn đến được miền N. Khi đến JC, do tác dụng của điện trường, các điện tử nĩi trên bị hút về phía collector tạo nên dịng điện trong mạch collector. Ic= IE + ICBO . Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 29
30. * Dịng của transistor I I I I E N P N C E P N P C IB IB IE IC IE IC IB I B IB Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 30
31. * Các thơng số của transistor I C  = 20 ÷ 200 cịn được gọi là hfe trong data sheet I B hệ số khuếch đại dịng điện I C = 0.95 ÷ 0.99 hệ số truyền đạt dịng điện phát I E  = 1− I E = IC + I B Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 31
32. Ba sơ đồ cơ bản của BJT Mạch base chung Dịng điện vào: IE. Dịng điện ra: IC. Điện áp vào: VEB. Điện áp ra: VCB. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 32
33. Ba sơ đồ cơ bản của BJT(tt) Mạch emitter chung Dịng điện vào: IB. Dịng điện ra: IC. Điện áp vào: VBE. Điện áp ra: VCE. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 33
34. Ba sơ đồ cơ bản của BJT(tt) Mạch collector chung Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 34
35. Đặc tuyến Volt – Ampere của mạch EC * Đặc tuyến vào: * Đặc tính truyền đạt dịng điện Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 35
36. Đặc tuyến Volt – Ampere của mạch EC (tt) * Đặc tuyến ra: Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 36
37. Các tham số giới hạn của BJT Dịng điện cực đại IEmax, IBmax, ICmax Điện áp cực đại VCBmax, VCEmax, VBEmax Cơng suất tiêu tán cực đại PC.max Tần số giới hạn Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 37
38. Phần 5: Transistor trường (FET) 1. Transistor trường dùng chuyển tiếp P – N (JFET). 2. Transistor trường cĩ cực cửa cách ly (MOSFET) (đọc giáo trình). Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 38
39. JFET: Junction field – Effect Transistor Drain Drain N P Gate Gate P P N N Kênh dẫn Kênh dẫn Source Source Kênh dẫn loại N Kênh dẫn loại P Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 39
40. Cấu tạo JFET Xét JFET loại N: Thỏi bán dẫn Si cĩ nồng độ tạp tương đối thấp, gắ n với 2 sợi dây kim loại: đáy trên – cực D; đáy dưới – cực S. Bao qu anh hỏi bán dẫn loại N là lớp bán dẫn loại P, hình thành chuyển tiếp P – N. Phần thể tích cịn lại của thỏi Si là kênh dẫn. Lớp bán dẫn lo ại P được gắn 1 sợi dây kim loại – cực G. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 40
41. Nguyên tắc hoạt động của JFET - ED, thơng qua RD, đặt điện áp VDS giữa cực D và cực S, gây ra dịng chuyển động qua kênh dẫn của điện tử, tạo nên dịng máng ID. - EG tạo điện áo giữa cực G và cực S, làm chuyển tiếp P – N bị phân cự c nghịch, bề dày vùng nghèo tăng lê n, thu hẹp diện tích kênh dẫn. - Nếu giữ ED khơng đổi, tăng giá trị EG, tình trạng phân cực nghịch P – N sẽ ngày càng tăng: vùng nghèo m ở rộng, kênh dẫn thu hẹp, ID càng giảm. Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 41
42. Đặc tuyến Volt - Ampere của JFE T * Đặc tuyến ra * Đặc tuyến truyền đ ạt Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 4: Transistor 2 cực tính (BJT) 42
43. Sơ đồ tương đương của JFET g : hỗ dẫn : hệ số khuếch đại m  Nếu cĩ tải mắc giữa 2 cực D – S thì dịng điện tải là: => V = - V + i r vDS DS DS D D iD = gmvGS + rD 43 Chương 2: Các linh kiện bán dẫn – Phần 5: Transistor trường (FET)
44. HỎI VÀ TRẢ LỜI 21/05/2021 44
45. CHÂN THÀNH CÁM ƠN! 21/05/2021 45