Bài giảng môn Cấu kiện điện tử

116 trang ngocly 1490

Download

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

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_cau_kien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn Cấu kiện điện tử

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 1 1 1/116
Nôi dung môn học CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 1- Giớithiệu chung ELECTRONIC DEVICES Lecture 2- Cấukiệnthụđộng Lecture 3- Vật lý bán dẫn Lecture 4- P-N Junctions (TiếpgiápP-N) Lecture 5- Diode (Điốt) KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT Lecture 7- FET (Transistor hiệu ứng trường) Lecture 8- Other Semiconductor Devices: Thyristor – Triac- Diac-UJT Lecture 9- OptoElectronic Devices 7/2008 (Cấukiện quang điệntử) FEE1-PTIT Lecture 1 1 FEE1-PTIT Lecture 1 2 Tài liệuhọctập Yêu cầumônhọc - Sinh viên phảinắm đượckiếnthứccơ bảnvề vậtlýbándẫn, về tiếp - Tài liệu chính: giáp PN, cấutạo, nguyên lý, sơđồtương đương, tham số, phân cực, + Lecture Notes chếđộxoay chiều, phân loại, mộtsốứng dụng của các loạicấukiện + Giáo trình Cấukiện điệntử và quang điệntử, TrầnThị Cầm, Họcviện điệntửđượchọc. CNBCVT, 2002 - Sinh viên phải đọctrước các Lecture Notes trướckhilênlớp. -Tàiliệuthamkhảo: -Tíchcựctrả lờivàđặt câu hỏitrênlớphoặc qua email: 1. Electronic Devices and Circuit Theory, Ninth edition, Robert caukien@gmail.com Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice - Hall International, Inc, 2006. -Làmbàitậpthường xuyên, nộpvở bài tậpbấtcứ khi nào Giảng viên 2. Linh kiện bán dẫnvàvi mạch, Hồ văn Sung, NXB GD, 2005 yêu cầu, hoặc qua email: caukien@gmail.com -Tự thựchànhtheoyêucầuvới các phầnmềm EDA. - Điểm môn học: + Chuyên cần : 10 % Kiểmtra: -Câuhỏingắn + Bài tập : 10 % -Bàitập + Kiểm tra giữa kỳ : 10 % Thi kết thúc: -Lýthuyết: + Trắc nghiệm + Thí nghiệm : 10 % + Câu hỏingắn + Thi kết thúc : 60 % -Bàitập 2/116 FEE1-PTIT Lecture 1 3 FEE1-PTIT Lecture 1 4
Lecture 1 – Giớithiệu chung 1. Giớithiệuchungvề Cấukiện điệntử -Giớithiệu chung về cấukiện điệntử -Cấukiện điệntử là các phầntử linh kiên rờirạc, mạch tích hợp (IC) -Phânloạicấukiện điệntử tạonênmạch điệntử, các hệ thống điệntử. -Giớithiệuvề vậtliệu điệntử -Cấukiện điệntửứng dụng trong nhiềulĩnh vực. Nổibậtnhấtlàứng dụng trong lĩnh vực điệntử -viễn thông, CNTT. -Nhắclạikiếnthứclýthuyếtmạch cầnbiết -Cấukiện điệntử rất phong phú, nhiềuchủng loại đadạng. -Giớithiệu các phầnmềmEDA hỗ trợ môn học - Công nghệ chế tạo linh kiện điệntử phát triểnmạnh mẽ, tạoranhững vi mạch có mật độ rấtlớn(Vi xử lý Pentium 4 - khoảng hơn 40 triệu Transistor ) -Xuthế các cấukiện điệntử có mật độ tích hợp ngày càng cao, có tính năng mạnh, tốc độ lớn FEE1-PTIT Lecture 1 5 FEE1-PTIT Lecture 1 6 Vi mạch và ứng dụng Ứng dụng củalinhkiện điệntử Processors –CPU, DSP, Controllers Memory chips –RAM, ROM, EEPROM Analog –Thông tin di động, xử lý audio/video Programmable –PLA, FPGA Embedded systems –Thiếtbị ô tô, nhà máy Chips –Network cards System-on-chip (SoC) Sand Chips on Silicon wafers Images: amazon.com 3/116 FEE1-PTIT Lecture 1 7 FEE1-PTIT Lecture 1 8
Lịch sử phát triểncôngnghệ Lịch sử phát triểncôngnghệ •Cácthiếtbị bán dẫnnhư diodes, transistors và mạch tích hợp (ICs) có Audion (Triode) 1906 thể tìm thấykhắpnơi trong cuộcsống (Walkman, TV, ôtô, máy giặt, 1906, Lee De Forest 1883 Thomas Alva Edison (“Edison Effect”) máy điều hoà, máy tính, ). Chúng ta ngày càng phụ thuộc vào chúng 1904 John Ambrose Fleming (“Fleming và những thiếtbị nàycóchấtlượng ngày càng cao với giá thành rẻ hơn. Diode”) • PCs minh hoạ rấtrõxuhướng này. 1906 Lee de Forest (“Triode”) •Nhântố chính đem lạisự phát triển thành công củanền công nghiệp Vacuum tube devices continued to evolve máy tính là việc thông qua các kỹ thuậtvàkỹ năng công nghiệptiên 1940 Russel Ohl (PN junction) tiếnngườitachế tạo được các transistor vớikíchthước ngày càng nhỏ 1947 Bardeen and Brattain (Transistor) → giảm giá thành và công suất 1947 •Bàihọc khám phá các đặctínhbêntrongcủathiếtbị bán dẫn, từđóSV 1952 Geoffrey W. A. Dummer (IC concept) có thể hiểu đượcmốiquanhệ giữacấutạohìnhhọcvàcácthamsố của 1954 First commercial silicon transistor vậtliệu, ngoài ra hiểu đượccácđặc tính vềđiệncủa chúng. 1955 First field effect transistor - FET First point contact transistor (germanium) 1947, John Bardeen and Walter Brattain Bell Laboratories FEE1-PTIT Lecture 1 9 FEE1-PTIT Lecture 1 10 Lịch sử phát triểncôngnghệ (cont.) Đặc điểmpháttriểncủamạch tích hợp(IC) 1958 Jack Kilby (Integrated circuit) Tỷ lệ giá thành/tính năng củaIC giảm 25% –30% mỗinăm. 1958 1959 Planar technology invented Số chứcnăng, tốc độ, hiệusuấtchomỗiIC tăng: 1960 First MOSFET fabricated Kích thước wafer hợptăng –At Bell Labs by Kahng Mật độ tích hợptăng nhanh 1961 First commercial ICs –Fairchild and Texas Instruments 1962 TTL invented First integrated circuit 1963 First PMOS IC produced by RCA (germanium), 1958 Jack S. Kilby, Texas 1963 CMOS invented Instruments –Frank Wanlass at Fairchild Contained five Semiconductor components, three –U. S. patent # 3,356,858 types: transistors resistors –Standby power reduced by six orders and capacitors of magnitude 4/116 FEE1-PTIT Lecture 1 11 FEE1-PTIT Lecture 1 12
Định luậtMOORE Ví dụ: Intel Processor Silicon Process 1.5μ 1.0μ 0.8μ 0.6μ 0.35μ 0.25μ Technology Intel386TM DX Processor 45nm Intel486TM DX Processor Nowadays! Pentium® Processor Pentium® Pro & Pentium® II Processors FEE1-PTIT Lecture 1 13 FEE1-PTIT Lecture 1 14 2. Phân loạicấukiện điệntử 2.1 Phân loạidựatrênđặctínhvậtlý -Linhkiệnhoạt động trên nguyên lý điệntừ và hiệu ứng bề mặt: điện 2.1 Phân loạidựatrênđặctínhvậtlý trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS IC từ mật độ 2.2 Phân loạidựatrênchứcnăng xử lý tín hiệu thấp đếnmật độ siêu cỡ lớn UVLSI 2.3 Phân loạitheoứng dụng -Linhkiệnhoạt động trên nguyên lý quang điệnnhư: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ linh kiện phát quang LED, LASER, họ linh kiện chuyển hoá năng lượng quang điệnnhư pin mặttrời, họ linh kiện hiểnthị, IC quang điệntử -Linhkiệnhoạt động dựa trên nguyên lý cảmbiến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang bứcxạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh trên cơ sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor. -Linhkiệnhoạt động dựatrênhiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các linh kiện đượcchế tạobằng công nghệ nano có cấutrúcsiêunhỏ như : Bộ nhớ một điệntử, Transistor một điệntử, giếng và dây lượng tử, linh kiệnxuyênhầmmột điệntử, 5/116 FEE1-PTIT Lecture 1 15 FEE1-PTIT Lecture 1 16
2.2 Phân loạidựatrênchứcnăng xử lý tín hiệu 2.3 Phân loạitheoứng dụng Linh kiệnthụđộng: R,L,C Linh kiệntíchcực: DIOT, BJT, JFET, MOSFET Vi mạch tích hợp IC: IC tượng tự, IC số, Vi xử lý Linh kiệnchỉnh lưucóđiều khiển Linh kiện quang điệntử: Linh kiện thu quang, phát quang FEE1-PTIT Lecture 1 17 FEE1-PTIT Lecture 1 18 3. Giớithiệuvề vậtliệu điệntử Cơ sở vậtlýcủavậtliệu điệntử 3.1. Chấtcáchđiện -Lýthuyếtvậtlýchấtrắn 3.2. Chấtdẫn điện -Lýthuyếtvậtlýcơ họclượng tử 3.3. Vậtliệutừ -Lýthuyếtdảinăng lượng củachấtrắn 3.4. Chấtbándẫn (Lecture 3) - Lý thuyếtvậtlýbándẫn 6/116 FEE1-PTIT Lecture 1 19 FEE1-PTIT Lecture 1 20
Lý thuyếtvậtlýchấtrắn Lý thuyếtvậtlýcơ họclượng tử -Vậtliệu để chế tạophầnlớn các linh kiện điệntừ là loạivậtliệutinh - Trong cấu trúc nguyên tử, điệntử chỉ có thể nằmtrêncácmứcnăng thể rắn lượng gián đoạnnhất định nào đógọi là các mứcnăng lượng nguyên - Cấutrúcđơntinhthể: Trong tinh thể rắn nguyên tửđượcsắpxếp tử. theo mộttrậttự nhất định, chỉ cầnbiếtvị trí và mộtvàiđặc tính của - Nguyên lý Pauli: mỗi điệntử phảinằmtrênmộtmứcnăng lượng khác mộtsố ít nguyên tử chúng ta có thểđoán vị trí và bảnchất hóa họccủa nhau. tấtcả các nguyên tử trong mẫu. -Mộtmứcnăng lượng được đặctrưng bởimộtbộ 4 số lượng tử: - Tuy nhiên trong mộtsố vậtliệucóthể nhấnthấyrằng các sắpxếp chính + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4 . xác của các nguyên tử chỉ tồntại chính xác tạicỡ vài nghìn nguyên tử. Những miềncótrậttự như vậy đượcngăn cách bởibờ biên và dọc theo + l – số lượng tử quỹđạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h } bờ biên này không có trậttự - cấutrúcđatinhthể + ml–số lượng tử từ: 0,±1, ±2, ±3 ±l -Tínhchấttuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính + ms–số lượng tử spin: ±1/2 chất điệncủavậtliệu. - n, l tăng thì mứcnăng lượng của nguyên tử tăng, e- đượcsắpxếp ở lớp, phân lớpcónăng lượng nhỏ trước. FEE1-PTIT Lecture 1 21 FEE1-PTIT Lecture 1 22 Sự hình thành vùng năng lượng Sự hình thành vùng năng lượng -Giả sửđểtạo thành vậtliệugiả sử có N nguyên tử giống nhau ở xa vô tậntiếnlạigần liên kếtvới nhau: 2 2 2 + Nếu các NT cách xa nhau đếnmứccóthể coi chúng là hoàn toàn độc C6 1s2s 2p lậpvới nhau thì vị trí của các mứcnăng lượng của chúng là hoàn toàn Si 14 1s22s22p63s23p2 trùng nhau (tứclàmộtmức trùng chập). Ge 32 1s22s22p63s23p63d104s24p2 + Khi các NT tiếnlạigần nhau đến khoảng cách cỡ Ao, thì chúng bắt đầu tương tác với nhau thì không thể coi chúng là độclậpnữa. Kếtquả là Sn 50 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p2 các mứcnăng lượng nguyên tử không còn trùng chậpnữa mà tách ra thành các mứcnăng lượng rờirạc khác nhau. Ví dụ mức1s sẽ tạothành 2.N mứcnăng lượng khác nhau. -Nếusố lượng các NT rấtlớnvàgần nhau thì các mứcnăng lượng rời rạc đórấtgần nhau và tạo thành một vùng năng lượng như liên tục -Sự tách mộtmứcnăng lượng NT ra thành vùng năng lượng rộng hay (Si) hẹpphụ thuộcvàosự tương tác giữa các điệntử thuộc các NT khác nhau với nhau. 7/116 FEE1-PTIT Lecture 1 23 FEE1-PTIT Lecture 1 24
Minh họasự hình thành vùng năng lượng Cấutrúcdảinăng lượng củavậtchất E Dải E E - Các vùng năng lượng cho phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm dẫn -Cácđiệntử trong chấtrắnsẽđiền đầy vào các mứcnăng lượng trong E Điệntử C EC Dải các vùng cho phép từ thấp đến cao. dẫn E EG > 2 eV E < 2 eV V -Cóthể có : vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng G E trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầymộtphần. V E = 0 E Lỗ trống EC G - Xét trên lớp ngoài cùng: V Dải hoá + Vùng năng lượng đã được điền đầycácđiệntử hóa gọilà“Vùng hóa Dải trị trị” hoá trị + Vùng năng lượng trống hoặcchưa điền đầy trên vùng hóa trị gọilà “Vùng dẫn” a- Chấtcáchđiện; b - Chấtbándẫn; c- Chấtdẫn điện + Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫnlà“Vùng cấm” + Độ dẫn điệncủacủavậtchấtcũng tăng theo nhiệt độ + Chấtbándẫn: Sự mất1 điệntử trong dảihóatrị sẽ hình thành mộtlỗ trống - Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắncótínhchất điện (Mứcnăng lượng bỏ trống trong dải hóa trịđiền đầy, lỗ trống cũng dẫn điệnnhư khác nhau: Chất cách điện–dẫn điệnkém, Chấtdẫn điện–dẫn điện các điệntử tự do) tốt, Chấtbándẫn. + Cấutrúcdảinăng lượng củakimloại không có vùng cấm, Dướitácdụng của điệntrường ngoài các e- tự do có thể nhậnnăng lượng và di chuyển lên các trạng thái cao hơn, sự di chuyểnnàytạo lên dòng điện. FEE1-PTIT Lecture 1 25 FEE1-PTIT Lecture 1 26 Các loạivậtliệu điệntử 3.1 CHẤT CÁCH ĐIỆN (CHẤT ĐIỆN MÔI) a. Định nghĩa 7 Các vậtliệusử dụng trong kỹ thuật điệntử thường được phân Là chấtdẫn điện kém, là các vậtchấtcóđiệntrở suất cao vào khoảng 10 ÷ 1017Ωm ở nhiệt độ bình thường. Chất cách điệngồmphầnlớncácvật chia thành 4 loại: liệuvôcơ cũng như hữucơ. -Chất cách điện(chất điệnmôi). Đặc tính ảnh hưởng rấtlớn đếnchấtlượng củalinhkiện. Các đặctính- -Chấtdẫn điện. trị số giớihạn độ bềnvềđiện, nhiệt, cơ học, độ cách điện, sự tổnhaođiện -Vậtliệutừ. môi Các tính chấtcủachất điện môi lạiphụ thuộc vào nhiệt độ và độ -Chấtbándẫn (Lecture 3). ẩmmôitrường. b. Các tính chấtcủachất điệnmôi. b.1 Độ thẩmthấu điệntương đối (hay còn gọilàhằng sốđiện môi) b.2 Độ tổn hao điệnmôi(Pa) b.3 Độ bềnvềđiệncủachất điệnmôi(Eđ.t.) b.4 Nhiệt độ chịu đựng b.5 Dòng điện trong chất điện môi (I) b.6 Điệntrở cách điệncủachất điệnmôi 8/116 FEE1-PTIT Lecture 1 27 FEE1-PTIT Lecture 1 28
b.1 Hằng sốđiệnmôi b.2 Độ tổnhaođiệnmôi(Pa) Độ tổnhaođiện môi là công suất điệntổnhaođể làm nóng chất điệnmôi C ε= d (kh«ng thø nguyªn) khi đặt nó trong điệntrường , đượcxácđịnh thông qua dòng điệnrò. 2 C0 PUCtga =ωδ Trong đó: U là điệnápđặtlêntụđiện(V) -C là điện dung củatụđiệnsử dụng chất điện môi; d C là điện dung củatụđiện dùng chất điện môi (F) -C là điện dung củatụđiệnsử dụng chất điện môi là chân không 0 ω là tầnsố góc đobằng rad/s hoặc không khí. tgδ là góc tổnhaođiệnmôi Do đó ε biểuthị khả năng phân cựccủachất điện môi. Chất điệnmôi Nếutổnhaođiện môi trong tụđiệncơ bản là do điệntrở của các bảncực, dùng làm tụđiệncầncóhằng sốđiệnmôiε lớn, còn chất điệnmôi dây dẫnvàtiếpgiáp(vídụ lớpbạcmỏng trong tụ mi ca và tụ gốm) thì dùng làm chất cách điệncóε nhỏ. tổnhaođiện môi sẽ tăng tỉ lệ vớibìnhphương củatầnsố: 2 2 2 Pa = U ω C R Do đó, trên thựctế các tụđiệnlàmviệc ở tầnsố cao cầnphảicóđiệntrở của các bảncực, dây dẫnvàtiếpgiápnhỏ nên các chi tiếtnàythường được tráng bạc để giảm điệntrở của chúng FEE1-PTIT Lecture 1 29 FEE1-PTIT Lecture 1 30 b3. Độ bềnvềđiệncủachất điệnmôi(Eđ.t) b5. Dòng điệntrongchất điệnmôi(I) - Đặtmộtchất điện môi vào trong một điệntrường, khi tăng cường độ - Dòng điện chuyểndịch IC.M. (hay gọi là dòng điệncảm ứng): điệntrường lên quá mộtgiátrị giớihạnthìchất điệnmôiđómấtkhả Quá trình chuyểndịch phân cựccủacácđiện tích liên kết trong chất năng cách điện → hiệntượng đánh thủng chất điện môi. điện môi xảyrachođến khi đạt đượctrạng thái cân bằng sẽ tạonên -Cường độ điệntrường tương ứng với điểm đánh thủng gọilàđộ bền dòng điện phân cựchay còngọi là dòng điện chuyểndịch trong chất điệnmôiIC.M. vềđiệncủachất điệnmôiđó(Eđ.t.). U - Dòng điệnròIrò : đượctạo ra do các điện tích tự do và điệntử phát E= ®.t [KV / mm;KV / cm] xạ ra chuyển động dướitácđộng của điệntrường. ®.t d Nếu dòng rò lớnsẽ làm mất tính chất cách điệncủachất điện môi. U -làđiệnápđánh thủng chất điệnmôi đ.t. Dòng điệntổng qua chất điện môi sẽ là: d - độ dày củachất điệnmôi I = I + I -Hiệntượng đánh thủng chất điệnmôicóthể do nhiệt, do điệnvàdo C.M. rò quá trình điện hóa. Sau khi quá trình phân cựckết thúc thì qua chất điệnmôichỉ còn dòng điệnrò 9/116 FEE1-PTIT Lecture 1 31 FEE1-PTIT Lecture 1 32
Phân loạivàứng dụng củachất điệnmôi. 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN Phân loại: Chất điệnmôithụđộng và tích cực a. Định nghĩa -Chấtdẫn điệnlàvậtliệucóđộ dẫn điệncao. Trị sốđiệntrở suấtcủanó - Chất điệnmôithụđộng còn gọilàvậtliệu cách điệnvàvậtliệutụ nhỏ hơn so với các loạivậtliệu khác. Điệntrở suấtcủachấtdẫn điệnnằm -8 -5 điện. Đây là các vậtchất được dùng làm chất cách điệnvàlàmchất trong khoảng 10 ÷ 10 Ωm. điện môi trong các tụđiệnnhư mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến - Trong tự nhiên chấtdẫn điệncóthể là chấtrắn – kim loại, chấtlỏng–kim tính, cao su, sơn, giấy, bộttổng hợp, keo dính, loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặcchất khí ởđiệntrường cao. b. Các tính chấtcủachấtdẫn điện - Chất điện môi tích cực là các vậtliệucóε có thểđiều khiển được b.1 Điệntrở suất bằng: b.2 Hệ số nhiệtcủa điệntrở suất(α) + Điệntrường (VD: gốm, thuỷ tinh, ) b.3 Hệ số dẫn nhiệt: λ + Cơ học(chấtápđiệnnhư thạch anh) + Ánhsáng(chấthuỳnh quang) b.4 Công thoát của điệntử trong kim loại b.5 Điệnthế tiếpxúc FEE1-PTIT Lecture 1 33 FEE1-PTIT Lecture 1 34 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN 3.2 CHẤT DẪN ĐIỆN b.1 Điệntrở suất b.4 Công thoát của điệntử trong kim loại: - Điệntrở củavậtliệu trong một đơnvị thiếtdiệnvàchiều dài: - Công thoát củakimloạibiểuthị năng lượng tốithiểucần cung cấpcho S 0 ρ=R [ Ω .m],[ Ω .mm],[ μΩ .m] điệntửđang chuyển động nhanh nhất ở 0 K để điệntử nàycóthể thoát l ra khỏibề mặt kim loại. E = E -E - Điệntrở suấtcủachấtdẫn điệnnằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m W B F (bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (hợpkimsắt - crôm - nhôm) b.2 Hệ số nhiệtcủa điệntrở suất(α) b.5 Điệnthế tiếpxúc -Hệ số nhiệtcủa điệntrở suấtbiểuthị sự thay đổicủa điệntrở suấtkhi -Sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểmA vàB được tính theo công nhiệt độ thay đổi100C. thức: A B - Khi nhiệt độ tăng thì điệntrở suấtcũng tăng lên theo quy luật: VAB= EAB = EW2 -EW1 ρ=ρt0(1 +α t ) b.3 Hệ số dẫn nhiệt: λ [w/ (m.K)] 1 2 -Hệ số dẫn nhiệtlàlượng nhiệttruyền qua một đơnvị diện tích trong một đơnvị thời gian khi gradien nhiệt độ bằng đơnvị. ΔT C QSt=λ Δl 10/116 FEE1-PTIT Lecture 1 35 FEE1-PTIT Lecture 1 36
Phân loạivàứng dụng củachấtdẫn điện 3.3 VẬT LIỆU TỪ a. Định nghĩa. Phân loại: 2 loại Vậtliệutừ là vậtliệu khi đặt vào trong mộttừ trường thì nó bị nhiễm từ. - Chấtdẫn điệncóđiệntrở suấtthấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb và một b. Các tính chất đặctrưng cho vậtliệutừ số hợpkim–Thường dùng làm vậtliệudẫn điện. b.1 Từ trở và từ thẩm b.2 Độ từ thẩmtương đối(μr) - Chấtdẫn điệncóđiệntrở suấtcaonhư Hợp kim Manganin, b.3 Đường cong từ hóa Constantan, Niken-Crôm, Cacbon – thường dùng để chế tạocác dụng cụđo điện, các điệntrở, biếntrở, các dây may so, các thiếtbị nung nóng bằng điện. FEE1-PTIT Lecture 1 37 FEE1-PTIT Lecture 1 38 Phân loạivàứng dụng củavậtliệutừ 4. Nhắclạikiếnthứclýthuyếtmạch cầnbiết -Vậtliệutừ mềmcóđộ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và μ lớn). để làm lõi biến áp, nam châm điện, lõi cuộncảm - Các phầntử mạch điệncơ bản: R, L, C; Nguồn dòng, nguồn áp không đổi; Nguồn dòng, nguồnápcóđiều khiển -Vậtliệutừ cứng có độ từ thẩmnhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớnvàμ nhỏ). - Phương pháp cơ bảnphântíchmạch điện: + Theo ứng dụng thì vậtliệutừ cứng có 2 loại: + M1 (Method 1) : Các định luật Kirchhoff : KCL, KVL Vậtliệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu. + M2: Xếpchồng (Superposition) Vậtliệutừđểghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v + M3: Biến đổitương đương Thevenin, Norton + Theo công nghệ chế tạo thì chia vậtliệutừ cứng thành: -Mạng bốncực: tham số hỗnhợpH - Hợpkimthépđược tôi thành Martenxit (là vậtliệu đơngiảnvàrẻ nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu) -Hợpkimlátừ cứng. - Nam châm từ bột. -Ferittừ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng ở tầnsố cao. -Băng, sợikimloại và không kim loại dùng để ghi âm thanh. 11/116 FEE1-PTIT Lecture 1 39 FEE1-PTIT Lecture 1 40
5. Giớithiệu các phầnmềm EDA hỗ trợ môn học - OrCAD (R 9.2): Phân tích, mô phỏng cấukiệnvàmạch điệntử dùng Pspice. Cài đặt các tool sau: + OrCAD Capture CIS + OrCAD Capture CIS Option + PSpice A/D + PSpice Optimizer + PSpice Advanced Analysis + SPECCTRA 6U for OrCAD (Hướng dẫnsử dụng Pspice: Tutorial on Pspice (McGill), Pspice Tutorial (UIUC), CircuitMaker User Manual ) - Multisim (R 7)-Electronic Workbench, Circuit Maker, Proteus - Mathcad (R 11): Tính toán biểuthức, giảiphương trình toán họcphức tạp. (Sinh viên nên sử dụng Circuit Maker/OrCAD (R 9.2) để thực hành, làm bài tập, phân tích, mô phỏng cấukiệnvàmạch điệntửởnhà) FEE1-PTIT Lecture 1 41 12/116
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 2- Passive Components (Cấukiệnthụđộng) ELECTRONIC DEVICES 1. Điệntrở (Resistor) 2. Tụđiện (Capacitor) 3. Cuộncảm (Inductor) Lecture 2- Passive Components (Cấukiệnthụđộng) 4. Biếnáp(Transformer) KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 2 1 FEE1-PTIT Lecture 2 2 1. Điệntrở (Resistors) 1.1 Định nghĩa 1.1. Định nghĩa - Điệntrở là phầntử có chứcnăng ngăncản dòng điệntrongmạch 1.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng của điệntrở -Mức độ ngăncản dòng điện được đặctrưng bởitrị sốđiệntrở 1.3. Ký hiệucủa điệntrở U R = 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở I 1.5. Điệntrở cao tầnvàmạch tương đương - Đơnvịđo: μΩ, mΩ, Ω, kΩ, MΩ, GΩ, TΩ 1.6. Phân loại - Điệntrở có rất nhiều ứng dụng như: định thiên cho các cấukiệnbán dẫn, điều khiểnhệ số khuyếch đại, cốđịnh hằng số thời gian, phốihợp trở kháng, phân áp, tạo nhiệt Tùy theo ứng dụng, yêu cầucụ thể và dựavàođặc tính của các loại điệntrởđểlựachọn thích hợp -Kếtcấu đơngiảncủamột điệntrở thường: Mũ chụpvàchânđiệntrở Vỏ bọc Lõi Vậtliệucản điện 13/116 FEE1-PTIT Lecture 2 3 FEE1-PTIT Lecture 2 4
1.2. Các tham số kỹ thuậtvàđặctínhcủa điệntrở a. Trị sốđiệntrở và dung sai -Trị số của điệntrở: (Resistance [Ohm]-Ω) được tính theo công thức: l R = ρ a. Trị sốđiệntrở và dung sai S ρ - điệntrở suấtcủavậtliệudâydẫncản điện b. Hệ số nhiệtcủa điệntrở l - chiềudàidâydẫn c. Công suất tiêu tán danh định S- tiếtdiệncủadâydẫn d. Tạpâmcủa điệntrở - Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểuthị mức độ chênh lệch củatrị số thựctế của điệntrở so vớitrị số danh định và được tính theo %. R − R t.t d.d 100 % R d.d + Tùy theo dung sai phân chia điệntrở thành 5 cấp chính xác (tolerance levels ): Cấp005: cósaisố ± 0,5 % Cấp01: cósaisố ± 1 % CấpI: cósaisố ± 5 % Cấp II: có sai số ± 10 % Cấp III: có sai số ± 20 % FEE1-PTIT Lecture 2 5 FEE1-PTIT Lecture 2 6 b. Hệ số nhiệtcủa điệntrở -TCR c. Công suấttiêutándanhđịnh của điệntrở (Pt.t.max ) -Pt.t.max: công suất điện cao nhấtmàđiệntrở có thể chịu đựng được - TCR (temperature coefficient of resistance): biểuthị sự thay đổitrị trong điềukiệnbìnhthường, làm việc trong mộtthời gian dài không số của điệntrở theo nhiệt độ. bị hỏng. 2 1 ΔR R U TCR = . .106 [ppm/ 0C] ΔR = TCR.ΔT P = R.I2 = max [W] R ΔT 106 t.t.max max R -Hệ số nhiệtcủa điệntrở có thể âm hoặcdương tùy loạivậtliệu: -Pt.t.max tiêu chuẩn cho các điệntrở dây quấnnằm trong khoảng từ 1W + Kim loạithuầnthường có hệ số nhiệtdương. đến 10W hoặc cao hơn nhiều. Để tỏa nhiệtcầnyêucầudiện tích bề + Mộtsố hợp kim (constantin, manganin) có hệ số nhiệtbằng 0 mặtcủa điệntrở phảilớn → các điệntrở công suất cao đềucókích thướclớn. + Carbon, than chì có hệ số nhiệtâm -Các điệntrở than là các linh kiện có công suất tiêu tán danh định thấp, khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W và 2W. 14/116 FEE1-PTIT Lecture 2 7 FEE1-PTIT Lecture 2 8
d. Tạpâmcủa điệntrở d. Tạpâmcủa điệntrở -Tạpâmcủa điệntrở gồm: + Tạp âm dòng điện(Current Noise) : sinh do các thay đổi bên trong của điệntrở khi có dòng điệnchạy qua nó + Tạp âm nhiệt(Thermal noise): sinh ra do sự chuyển động của các hạtmangđiện bên trong điệntrở do nhiệt độ ⎛ f ⎞ ⎛U ⎞ E = U .10NI / 20 log⎜ 2 ⎟ NI = 20log ⎜ noise ⎟ E = 4.k.R.T.Δf RMS DC ⎜ f ⎟ 10 ⎜ ⎟ RMS ⎝ 1 ⎠ ⎝ U DC ⎠ -Trongđó: ERMS = the Root-Mean-Square or RMS voltage level k = Boltzmans constant (1,38.10-23) + NI: Noise Index (Hệ số nhiễu). T = temperature in Kelvin (Room temp = 27°C = 300°K) + UDC: điện áp không đổi đặttrên2 đầu điệntrở R = resistance + Unoise: điệnáptạp âm dòng điện Δf = Circuit bandwidth in Hz (Δf= f2-f1) + f1 –> f2: khoảng tầnsố làm việccủa điệntrở Mứctạpâmphụ thuộcchủ yếuvàoloạivậtliệucản điện. Bột than nén có mứctạp âm cao nhất. Màng kim loạivàdâyquấncómứctạpâmrất thấp. FEE1-PTIT Lecture 2 9 FEE1-PTIT Lecture 2 10 1.3 Ký hiệucủa điệntrở trên các sơđồmạch 1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở - Cách ghi trựctiếp: ghi đầy đủ các tham số chính và đơnvịđotrên Điệntrở thường thân của điệntrở, ví dụ: 220KΩ 10%, 2W - Cách ghi theo quy ước: có rất nhiều các quy ước khác nhau. Xét một số cách quy ước thông dụng: + Quy ước đơngiản: Không ghi đơnvị Ôm, R (hoặcE) = Ω, Điệntrở công suất M = MΩ, K = KΩ Ví dụ: 2M=2MΩ, 0K47 =0,47KΩ = 470Ω, 100K = 100 KΩ, 0,25W 0,5W 220E = 220Ω, R47 = 0,47Ω + Quy ướctheomã: Mã này gồm các chữ số và mộtchữ cái để chỉ % 1 W 10 W dung sai. Trong các chữ số thì chữ số cuối cùng chỉ số số 0 cầnthêm vào. Các chữ cái chỉ % dung sai qui ướcgồm: F = 1 %, G = 2 %, Biếntrở J = 5 %, K = 10 %, M = 20 %. Ví dụ: 103F = 10000 Ω±1% = 10K ± 1% Sườn nhôm 153G = 15000 Ω±2% = 15 KΩ±2% 4703J = 470000 Ω±5% = 470KΩ±5% 15/116 FEE1-PTIT Lecture 2 11 FEE1-PTIT Lecture 2 12
1.4 Cách ghi và đọcthamsố trên thân điệntrở 1.5 Điệntrở cao tầnvàmạch tương đương + Quy ướcmầu: Màu Giá trị -Loại 4 vòng màu: Đen 0 - Khi làm việc ở tầnsố cao điệncảmvàđiện dung ký sinh là đáng kể, 1 2 3 4 Nâu 1 Sơđồtương đương của điệntrởởtầnsố cao như sau: Đỏ 2 Cam 3 (Nâu-đen-đỏ-Không mầu) = Vàng 4 Lục 5 -Loại5 vạch màu: Lam 6 -Tầnsố làm việchiệudụng của điệntrởđượcxácđịnh sao cho sự sai Tím 7 khác giữatrở kháng tương đương của nó so với giá trịđiệntrở danh 1 2 3 4 5 Xám 8 định không vượt quá dung sai. Trắng 9 - Đặc tính tầnsố của điệntrở phụ thuộcvàocấutrúc, vậtliệuchế tạo Kích thước điệntrở càng nhỏ thì đặctínhtầnsố càng tốt, điện Vàng kim 0,1 / 5% (Nâu-cam-vàng-đỏ-Bạch kim) = trở cao tầnthường có tỷ lệ kích thướclàtừ 4:1 đến 10:1 Bạch kim 0,001 / 10% Không màu - / 20% FEE1-PTIT Lecture 2 13 FEE1-PTIT Lecture 2 14 1.6 Phân loại điệntrở 1.6 Phân loại điệntrở + Điệntrở có trị số cốđịnh -Cácđặc tính chính của điệntrở cốđịnh + Điệntrở có trị số thay đổi 0 Loại điệntrở Trị số R Pt.t.max t làmviệc TCR a. Điệntrở cốđịnh [w] 0C ppm/0C -Thường đượcphânloạitheovậtliệucản điện Chính xác Dây quấn 0,1Ω÷1,2M 1/8 ÷3/4 ở1250C -55÷+145 ± 10 + Điệntrở than tổng hợp (than nén): cấutrúctừ hỗnhợpbột cacbon (bột Màng hợpkim 10Ω÷ 5M 1/20÷ 1/2 ở1250C -55÷+125 ± 25 than chì) được đóng thành khuôn, kích thướcnhỏ và giá thành rấtrẻ. Bán chính xác Oxit kim loại 10Ω÷1,5M 1/4 ÷ 2 ở 700C -55÷+150 ± 200 + Điệntrở than nhiệtgiảihoặc than màng (màng than tinh thể). Cermet 10Ω÷1,5M 1/20÷1/2 ở1250C -55÷+175 ± 200 Than màng 10Ω÷5M 1/8 ÷ 1 ở 700C -55÷+165 ± 200; + Điệntrở dây quấn Đadụng ± 510 0 + Điệntrở màng hợp kim, màng oxit kim loạihoặc điệntrở miếng. Than tổng hợp 2,7Ω÷100M 1/8 ÷ 2 ở 70 C -55÷+130 ±1500 Công suất 0,1Ω÷180K 1 ÷ 21 ở 250C -55÷+275 ± 200 + Điệntrở cermet (gốmkimloại). Dây quấn 1,0Ω÷3,8K 5 ÷ 30 ở 250C -55÷+275 ± 50 Hình ống 0,1Ω÷40K 1 ÷ 10 ở 250C -55÷+275 ± 20 Bắtsườnmáy 20Ω÷2M 7 ÷1000 ở 250C -55÷+225 ±500 - Ngoài ra còn phân loạitheokếtcấu đầunối để phụcvụ lắpráp; phân Chính xác loại theo loạivỏ bọc để dùng ở những môi trường khác nhau; phân loại Màng kim loại Điệntrở miếng 1Ω÷22M -55÷+125 ±25đến ± 200 theo loại ứng dụng . (màng vi điệntử) 16/116 FEE1-PTIT Lecture 2 15 FEE1-PTIT Lecture 2 16
1.6 Phân loại điệntrở Mộtsốđiệntrởđặcbiệt b. Biếntrở - Điệntrở nhiệt: Tecmixto -Dạng kiểm soát dòng công suấtlớndùngdâyquấn(ítgặp trong các Tecmixto mạch điệntrở) t0 -Chiết áp: so với điệntrở cốđịnh thì n có thêm mộtkếtcấu con chạy - Điệntrở Varixto: gắnvớimộttrục xoay để điềuchỉnh trị sốđiệntrở. Con chạycókếtcấu VDR kiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểutrượt(chiếtáptrượt). Chiếtáp 8 15 có 3 đầura, đầugiữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng vớihaiđầucủa - Điệntrở Mêgôm : có trị sốđiệntrở từ 10 ÷ 10 Ω điệntrở. - Điệntrở cao áp: Là điệntrở chịu được điệnápcao5 KV ÷ 20 KV. - Điệntrở chuẩn: Là các điệntrở dùng vậtliệudâyquấn đặcbiệtcóđộ ổn định cao. - Mạng điệntrở: Mạng điệntrở là mộtloạivi mạch tích hợpcó2 hàng chân. Mộtphương pháp chế tạo là dùng công nghệ màng mỏng, trong đó dung dịch chấtdẫn điện đượclắng đọng trong mộthìnhdạng theo yêu cầu. a. loạikiểm soát dòng b. loạichiếtáp FEE1-PTIT Lecture 2 17 FEE1-PTIT Lecture 2 18 2. Tụđiện(Capacitors) 2.1 Định nghĩa 2.1. Định nghĩa -Tụđiệnlàlinhkiện dùng để chứa điện tích. Mộttụđiệnlýtưởng có 2.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện điện tích ở bảncựctỉ lệ thuậnvớihiệu điệnthếđặt trên nó theo công thức: Q = C . U [culông] 2.3. Ký hiệucủatụđiện Bảncực -Dung lượng củatụđiệnC [F] 2.4 Cách ghi và đọcthamsố trên tụđiện Chân tụ 2.5. Sơđồtương đương Q ε rε 0.S C = = Vỏ bọc 2.6. Phân loại U d Chất điệnmôi εr -hằng sốđiện môi củachất điệnmôi ε0 -hằng sốđiện môi của không khí hay chân không 1 ε = = 8,84.10−12 0 36π.109 S - diện tích hữudụng củabảncực[m2] d - khoảng cách giữa2 bảncực[m] - ĐơnvịđoC: F, μF, nF, pF 17/116 FEE1-PTIT Lecture 2 19 FEE1-PTIT Lecture 2 20
2.2 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện 2.2 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củatụđiện -Trị số dung lượng và dung sai - Điệnáplàmviệc a. Trị số dung lượng (C) -Hệ số nhiệt Dung sai củatụđiện: Đây là tham số chỉđộchính xác củatrị số - Dòng điệnrò dung lượng thựctế so vớitrị số danh định của nó. Dung sai củatụ -Sự phân cực điện được tính theo công thức: C − C t.t d.d .100% Cd.d b. Điệnáplàmviệc: Điệnápcực đạicóthể cung cấp cho tụđiệnhay còn gọilà"điện áp làm việcmộtchiều“, nếu quá điệnápnàylớp cách điệnsẽ bịđánh thủng và làm hỏng tụ. FEE1-PTIT Lecture 2 21 FEE1-PTIT Lecture 2 22 c. Hệ số nhiệt d. Dòng điệnrò -Do chất cách điện đặtgiữa2 bảncựcnênsẽ có một dòng điệnròrấtbé -Mỗimộtloạitụđiệnchịumột ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ do nhà chạy qua giữa2 bảncựccủatụđiện. Trị số Irò phụ thuộcvàođiệntrở sảnxuấtxácđịnh. Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩnthường từ: cách điệncủachất điện môi. -200C đến+650C - Đặctrưng cho Irò có thể dùng tham sốđiệntrở cách điệncủatụ (có trị -400C đến+650C số khoảng vài MΩ và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếutụ có dòng -550C đến +1250C điệnrònhỏ -Tụđiện màng Plastic có điệntrở cách điện cao hơn 100000 MΩ, còn tụ - Để đánh giá sự thay đổicủatrị sốđiện dung khi nhiệt độ thay đổi điện điệngiải thì dòng điệnròcóthể lên tớivàiμA khi điệnápđặtvào người ta dùng hệ số nhiệt TCC và tính theo công thứcsau: 2 bảncựccủatụ chỉ 10 Vôn. - Đốivới điện áp xoay chiều, tổn hao công suất trong tụđượcthể hiện 1CΔ TCC = .1060 [ppm/ C] qua hệ số tổnhaoD: 1 P CTΔ D = = th Q Ppk -Tụ tổnhaonhỏ dùng sơđồtương đương nốitiếp: -Tụ tổnhaolớn dùng sơđồtương đương song song: 18/116 FEE1-PTIT Lecture 2 23 FEE1-PTIT Lecture 2 24
e. Sự phân cực 2.3 Ký hiệucủatụ -Cáctụđiện điệngiải ở các chân tụ thường có đánh dấucực tính dương + + (dấu+) hoặcâm(dấu -) gọilàsự phân cựccủatụđiện. Khi sử dụng phải đấutụ vào mạch sao cho đúng cực tính củatụ. Như vậychỉ sử Tụ thường TụđiệngiảiTụ có điện dung thay đổi dụng loạitụ này vào những vị trí có điệnáplàmviệc không thay đổi cực tính. Tụđiệnlớnthường có tham sốđiện dung ghi trựctiếp, tụ điệnnhỏ thường dùng mã: XYZ = XY * 10Z pF FEE1-PTIT Lecture 2 25 FEE1-PTIT Lecture 2 26 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ 2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ - Hai tham số quan trọng nhấtthường được ghi trên thân tụđiệnlàtrị số + Ghi theo quy ướcmàu: điện dung (kèm theo dung sai sảnxuất) và điệnáplàmviệc(điệnáp - Loạicó4 vạch màu: lớnnhất). Có 2 cách ghi cơ bản: Hai vạch đầulàsố có nghĩathựccủanó - Ghi trựctiếp: cách ghi đầy đủ các tham số và đơnvịđocủa chúng. Vạch thứ ba là số nhân (đơnvị pF) hoặcsố số 0 cầnthêmvào Cách này chỉ dùng cho các loạitụđiệncókíchthướclớn. Vạch thứ tư chỉđiệnáplàmviệc. Ví dụ: Trên thân mộttụ mi ca có ghi: 5.000PF ± 20% 600V -Loạicó5 vạch màu: - Cách ghi gián tiếp theo qui ước : Ba vạch màu đầugiống như loai 4 vạch màu Vạch màu thứ tư chỉ % dung sai + Ghi theo qui ướcsố: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen Vạch màu thứ 5 chỉđiện áp làm việc Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trịđiện dung là 47 pF, điện áp làm việcmộtchiều là 630 Vdc. TCC 1 1 1 2 3 Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tứclàgiátrịđiện dung là 0,01 μF 2 3 2 và điệnáplàmviệcmộtchiều là 100 Vdc. 3 4 4 4 5 + Quy ước theo mã: Giống nhưđiệntrở: 123K/50V =12000 pF ± 10% và + điệnáplàmviệclớnnhất 50 Vdc Tụ hình ống Tụ hình kẹoTụ Tantan 19/116 FEE1-PTIT Lecture 2 27 FEE1-PTIT Lecture 2 28
2.4 Cách đọcvàghitrị số trên tụ 2.5 Sơđồtương đương củatụ RP RL L RS RS C C C a. Sơđồtương đương b. Sơđồtương đương c. sơđồtương đương tổng quát song song nốitiếp L - là điệncảmcủa đầunối, dây dẫn(ở tầnsố thấpL ≈ 0) RS -làđiệntrở của đầunối, dây dẫnvàbảncực(RS thường rấtnhỏ) RP -làđiệntrở rò củachất cách điệnvàvỏ bọc. RL, RS -làđiệntrở rò củachất cách điện C - là tụđiệnlýtưởng FEE1-PTIT Lecture 2 29 FEE1-PTIT Lecture 2 30 2.6 Phân loạitụđiện 2.6 Phân loạitụđiện -Tụđiệncótrị sốđiện dung cốđịnh + Tụ mi ca: chất điệnmôilàmi ca, tụ mi ca tiêu chuẩncógiátrịđiện dung -Tụđiệncótrị sốđiện dung thay đổi được. khoảng từ 1 pF đến0,1 μF và điệnáplàmviệc cao đến 3500V tuỳ. Nhược điểm: giá thành củatụ cao. a. Tụđiệncótrị sốđiện dung cốđịnh: Ưu điểm:Tổnhaođiện môi nhỏ, Điệntrở cách điệnrất cao, chịu được nhiệt độ + Tụ giấy: chất điện môi là giấy, thường có trị sốđiện dung khoảng từ cao. 500 pF đến 50 μF và điệnáplàmviệc đến 600 Vdc. Tụ giấycógiá + Tụ gốm: chất điệnmôilàgốm. Màng kim loại đượclắng đọng trên mỗimặt thành rẻ nhất so với các loạitụ có cùng trị sốđiện dung. củamột đĩagốmmỏng và dây dẫnnốitớimàngkimloại. Tấtcảđượcbọc Ưu điểm: kích thướcnhỏ, điện dung lớn. trong mộtvỏ chấtdẻo. Nhược điểm: Tổnhaođiện môi lớn, TCC lớn. Giá trịđiện dung củatụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ 1 pF đến0,1 μF, với điệnáp + Tụ màng chấtdẻo: chất điệnmôilàchấtdẻo, có điệntrở cách điệnlớn làm việcmộtchiều đến 1000 Vdc hơn 100000 MΩ. Điệnáplàmviệc cao khoảng 600V. Dung sai tiêu Đặc điểmcủatụ gốmlàkíchthướcnhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định rấttốt, có chuẩncủatụ là ± 2,5%; hệ số nhiệttừ 60 đến 150 ppm/0C thể làm việc lâu dài mà không lão hoá. + Tụ dầu: chất điệnmôilàdầu Tụ màng chấtdẻonhỏ hơntụ giấynhưng đắthơn. Giá trịđiện dung của tụ tiêu chuẩnnằm trong khoảng từ 5 pF đến 0,47 μF. Tụ dầucóđiện dung lớn, chịu được điệnápcao Có tính năng cách điệntốt, có thể chế tạothànhtụ cao áp. Kếtcấu đơngiản, dễ sảnxuất. 20/116 FEE1-PTIT Lecture 2 31 FEE1-PTIT Lecture 2 32
2.6 Phân loạitụđiện 2.6 Phân loạitụđiện + Tụđiệngiải nhôm: Cấutrúccơ bảnlàgiống tụ giấy. Hai lá nhôm b. Tụđiệncótrị sốđiện dung thay đổi mỏng làm hai bảncực đặt cách nhau bằng lớpvảimỏng đượctẩmchất + Loại đadụng còn gọilàtụ xoay: Tụ xoay được dùng làm tụđiềuchỉnh điện phân (dung dịch điện phân), sau đó đượcquấnlại và cho vào trong thu sóng trong các máy thu thanh, v.v Tụ xoay có thể có 1 ngănhoặc mộtkhốitrụ bằng nhôm để bảovệ. nhiềungăn. Mỗingăn có các lá động xen kẽ, đốinhauvới các lá tĩnh Các tụđiệngiải nhôm thông dụng thường làm việcvới điệnápmột (lá giữ cốđịnh) chế tạotừ nhôm. Chất điệnmôicóthể là không khí, mi chiềulớnhơn 400 Vdc, trong trường hợp này, điện dung không quá ca, màng chấtdẻo, gốm, v.v 100 μF. Điệnáplàmviệcthấp và dòng rò tương đốilớn + Tụ vi điềuchỉnh (thường gọitắt là Trimcap), có nhiềukiểu. Chất điện +Tụ tantan: (chất điệngiải Tantan) Đây là mộtloạitụđiệngiải, Bột môi cũng dùng nhiềuloạinhư không khí, màng chấtdẻo, thuỷ tinh hình tantan đượccôđặc thành dạng hình trụ, sau đó đượcnhấnchìmvào ống Trong các loại Trimcap chuyên dùng, thường gặpnhấtlàloại mộthộpchứachất điện phân. Dung dịch điện phân sẽ thấm vào chất chất điện môi gốm. Để thay đổitrị sốđiện dung ta thay đổivị trí giữa tantan. Khi đặtmột điệnápmộtchiều lên hai chân tụ thì mộtlớpoxit hai lá động và lá tĩnh. Khoảng điềuchỉnh củatụ từ 1,5 pF đến3 pF, mỏng đượctạothànhở vùng tiếp xúc củachất điện phân và tantan. hoặctừ 7 pF đến 45 pF và từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệtcần Tụ tantan có điệnáplàmviệclênđến 630 Vdc nhưng giá trịđiện dung thiết. chỉ khoảng 3,5 μF. FEE1-PTIT Lecture 2 33 FEE1-PTIT Lecture 2 34 Ứng dụng Mộtsố hình ảnh củaTụđiện + Tụ không cho dòng điệnmộtchiều qua nhưng lạidẫn dòng điện xoay Tụ hoá (Electrolytic Capacitors) chiều, nên tụ thường dùng để cho qua tín hiệu xoay chiều đồng thờivẫn ngăn cách được dòng mộtchiềugiữamạch này vớimạch khác, gọilà tụ liên lạc. + Tụ dùng để triệtbỏ tín hiệu không cầnthiếttừ một điểmtrênmạch xuống đất (ví dụ như tạp âm), gọilàtụ thoát. + Tụ dùng làm phầntử dung kháng trong các mạch cộng hưởng LC gọilà tụ cộng hưởng. + Tụ dùng trong mạch lọcgọilàtụ lọc. Tụ dùng trong các mạch chia dải Tụ Tantan (Tantalum Capacitors) tầnlàmviệc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích này thuộc nhóm chính xác. + Các tụ trong nhóm đadụng 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 tạomạch định giờ, mạch phát sóng răng cưa, mạch vi phân và tích phân. 21/116 FEE1-PTIT Lecture 2 35 FEE1-PTIT Lecture 2 36
Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Tụ gốm ( Ceramic Capacitors ) Tụ gốmnhiềutầng (Multilayer Tụ Mica Ceramic Capacitors ) Biến dung Tụ film nhựa (Polystyrene Film Capacitors) FEE1-PTIT Lecture 2 37 FEE1-PTIT Lecture 2 38 Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Mộtsố hình ảnh củaTụđiện Various types of capacitors. Capacitors: SDM ceramic at top left; SMD tantalum tantalum Polypropylene Polyester High at bottom left; through- capacitor Capacitor capacitor Voltage/power hole tantalum at top right; Capacitors through-hole electrolytic at bottom right. Major scale divisions are cm. Surface mount technology (SMT) Multilayer Chip Tuning/Air Ceramic Capacitor Motor Running & Variable Variable Start Capacitors Capacitor Capacitor 22/116 FEE1-PTIT Lecture 2 39 FEE1-PTIT Lecture 2 40
3. Cuộncảm(Inductor) 3.1 Định nghĩa 3.1. Định nghĩa -Cuộncảmlàphầntử sinh ra hiệntượng tự cảm khi dòng điệnchạy 3.2 Ký hiệucủacuộn dây. qua nó biến thiên. Khi dòng điện qua cuộncảmbiến thiên sẽ tạoratừ 3.3 Các tham số kỹ thuật đặctrưng củacuộndây thông thay đổivàmộtsức điệntừđượccảm ứng ngay trong cuộncảm hoặccóthể cảm ứng mộtsức điệntừ sang cuộncảmkề cậnvới nó. 3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộndây -Mức độ cảm ứng trong mỗitrường hợpphụ thuộcvàođộ tự cảmcủa 3.5. Mạch tương đương cuộncảmhoặcsự hỗ cảmgiữa hai cuộncảm. Các cuộncảm đượccấu 3.6. Phân loại trúc để có giá trịđộcảm ứng xác định. -Cuộncảmcũng có thểđấunốitiếphoặc song song. Ngay cả một đoạndâydẫnngắnnhấtcũng có sự cảm ứng. FEE1-PTIT Lecture 2 41 FEE1-PTIT Lecture 2 42 Ký hiệucủacuộncảm 3.2. Các tham số kỹ thuật đặctrưng củacuộncảm L L L - Độ tự cảm(L) - Hệ số phẩmchấtcủacuộncảm(Q) Cuộndâylõisắttừ Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit - Tầnsố làm việcgiớihạn(fg.h.) 23/116 FEE1-PTIT Lecture 2 43 FEE1-PTIT Lecture 2 44
a. Độ tự cảm(L) b. Hệ số phẩmchấtcủacuộncảm(Q) S - Dung sai của độ tự cảm: Đây là tham số chỉđộchính xác của độ từ L = μ.N 2. l cảmthựctế so vớitrị số danh định của nó. Dung sai được tính theo công thức: L − L Trong đó: S - là tiếtdiệncủacuộndây(m2) t.t d.d .100% L N - là số vòng dây d.d -Mộtcuộncảmlýtưởng không có tổn hao khi có dòng điệnchạy qua, l - là chiềudàicủacuộndây(m) thựctế luôn tổnhaođó là công suất điệntổnhaođể làm nóng cuộndây. μ - độ từ thẩmtuyệt đốicủavậtliệu lõi (H/ m) Tổn hao này đượcbiểuthị bởimột điệntrở tổnhaoRS. μ = μr. μ0 - Để đánh giá chấtlượng củacuổncảm dùng Hệ số phẩmchấtQ của - Đơnvịđo: μH, mH, H cuộncảm: (Cuộncảmtổnhaonhỏ dùng sơđồtương đương nốitiếp, - Độ từ thẩmtuyệt đốicủamộtsố loạivậtliệu cuộncảmtổnhaolớn dùng sơđồtương đương song song. L Chân không: 4π x 10-7 H/m Ferrite T38 1.26x10-2 H/m LRS -6 -4 Không khí: 1.257x10 H/m Ferrite U M33 9.42x10 H/m Rp Nickel 7.54x10-4 H/m Iron 6.28x10-3 H/m -2 Silicon GO steel 5.03x10 H/m supermalloy 1.26 H/m 1 Ppk X L ωL 1 Ppk RP Rp Qnt = = = = Q// = = = = D Pth RS RS D Pth X L ωL FEE1-PTIT Lecture 2 45 FEE1-PTIT Lecture 2 46 c. Tầnsố làm việcgiớihạn(fg.h.) 3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộncảm - Khi tầnsố làm việcnhỏ bỏ qua điện dung phân tán giữa các vòng dây - Ghi trựctiếp: cách ghi đầy đủ các tham sốđộtự cảm L, dung sai, loại củacuộncảm, nhưng khi làm việc ở tầnsố cao điện dung này là đáng lõi cuộncảm Cách này chỉ dùng cho các loạicuộncảmcókíchthước kể. lớn. -Do đó ở tầnsốđủcao cuộncảmtrở thành mộtmạch cộng hưởng song - Cách ghi gián tiếp theo qui ước : song. Tầnsố cộng hưởng củamạch cộng hưởng song song này gọilà + Ghi quy ướctheomầu: Dùng cho các cuộncảmnhỏ tầnsố cộng hưởng riêng củacuộndâyf . 0 1,2,3,4 -Nếucuộndâylàmviệc ở tầnsố cao hơntầnsố cộng hưởng riêng này thì cuộn dây mang dung tính nhiềuhơn. Do đótầnsố làm việc cao nhất củacuộndâyphảithấphơntầnsố cộng hưởng riêng của nó. Vòng màu 1: chỉ số có nghĩathứ nhấthoặcchấmthập phân Vòng màu 2: chỉ số có nghĩathứ hai hoặcchấmthập phân Vòng màu 3: chỉ số 0 cần thêm vào, đơnvịđolàμH 1 Vòng màu 4: chỉ dung sai %. f < f = f = lvmax gh 0 2π LC 24/116 FEE1-PTIT Lecture 2 47 FEE1-PTIT Lecture 2 48
3.4 Cách ghi và đọcthamsố trên cuộncảm 3.5 Phân loạivàứng dụng Bảng mã mầu dùng cho các cuộncảm -Dựatheoứng dụng: + Cuộncộng hưởng –cuộncảm dùng trong các mạch cộng hưởng LC. Màu Giá trị củacácsố Dung sai + Cuộnlọc –cuộncảm dùng trong các bộ lọcmộtchiều. + Cuộnchặn dùng để ngăncản dòng cao tần, v.v Đen 0 - - Dựa vào loại lõi củacuộncảm: Nâu 1 - Đỏ 2 - + Cuộn dây lõi không khí: Loạicuộn dây không lõi hoặccuốntrêncác Cam 3 - cốt không từ tính, thường dùng là các cuộncộng hưởng làm việc ở tần Vàng 4 - số cao và siêu cao. Các yêu cầu chính củacuộn dây không lõi là: Xanh lá cây 5 - - Điệncảmphải ổn định ở tầnsố làm việc. Xanh lam 6 - -Hệ số phẩmchất cao ở tầnsố làm việc. Tím 7 - Xám 8 - - Điện dung riêng nhỏ. Trắng 9 - -Hệ số nhiệtcủa điệncảmthấp. Bạch kim - 10% -Bềnchắc, kích thướcvàgiáthànhphảihợplý. Vàng kim Chấmthậpphân 5% Không vạch màu - 20% FEE1-PTIT Lecture 2 49 FEE1-PTIT Lecture 2 50 3.5 Phân loạivàứng dụng 3.6 Mộtsố hình ảnh củacuộncảm + Cuộncảm lõi sắtbụi: Dùng bộtsắt nguyên chấttrộnvớichấtdínhkết không từ tính là lõi cuộncảm, thường dùng ở tầnsố cao và trung tần. Cuộndâylõisắtbụicótổnthấtthấp, đặcbiệtlàtổnthất do dòng điện xoáy ngược, và độ từ thẩmthấphơnnhiềuso vớiloại lõi sắttừ. + Cuộncảm lõi Ferit : thường là các cuộncảmlàmviệc ở tầnsố cao và trung tần. Lõi Ferit có nhiềuhìnhdạng khác nhau như: thanh, ống, hình Ferrite Rod Inductor SMD Wound Chip Inductor chữ E, chữ C, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điệncảm cao, tuy vậylạidễ bị bão hòa từ khi có thành phầnmột chiều. + Cuộncảm lõi sắttừ: Lõi củacuộncảmthường hợpchấtsắt - silic, hoặcsắt- niken . Đây là các cuộncảmlàmviệc ở tầnsố thấp. Dùng dây đồng đã được tráng men cách điệnquấn thành nhiềulớp có cách Spiral inductor with N=1.5 điệngiữa các lớpvàđượctẩmchống ẩm. DC filter Roller inductor for turns, W=20 μm, S=10 μm choke FM diplexer and R =100 μm Inductor in (area=0.14 mm2). 25/116 (called On-chip inductor) FEE1-PTIT Lecture 2 51 FEE1-PTIT Lecture 2 52
4. Biếnáp(Transformer) 4.1. Định nghĩa 4.1. Định nghĩa -Biếnáplàthiếtbị gồm hai hay nhiềucuộndâyghéphỗ cảmvới nhau 4.2. Các tham số kỹ thuậtcủabiếnáp để biến đổi điện áp. Cuộndâyđấu vào nguồn điệngọilàcuộnsơ cấp, 4.3. Ký hiệucủabiếnáp các cuộn dây khác đấuvàotảigọilàcuộnthứ cấp. 4.6. Phân loạivàứng dụng FEE1-PTIT Lecture 2 53 FEE1-PTIT Lecture 2 54 Nguyên lý hoạt động củabiếnáp 4.2. Các tham số kỹ thuậtcủabiếnáp -Hoạt động dựa theo nguyên lý -Hệ số ghép biếnápK cảm ứng điệntử. - Điệnápcuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấp -Hệ số tự cảmcủacuộnsơ cấp, - Dòng điệnsơ cấp và dòng điệnthứ cấp thứ cấp: -Hiệusuấtcủabiếnáp S S L = μ.N 2 L = μ.N 2 1 1 l 2 2 l - Khi dòng điệnI1 biến thiên tạoratừ thông biến thiên, từ thông này liên kết sang cuộnthứ cấpvàtạorađiệnápcảm ứng eL trên cuộnthứ cấp theo hệ số tỉ lệ gọilàhệ số hỗ cảm M. Lượng từ thông liên kếtgiữa cuộnsơ cấp sang cuộnthứ cấp được đánh giá bằng hệ số ghép biếnáp K. e ΔΦ.N S M = L H 2 2 [] eL = ; ΔΦ2 =K.ΔΦ1 =K.μ.Δi1.N1. Δi1 / Δt Δt l S M K = M = K.N1N2.μ. = K. L1L2 l L1L2 26/116 FEE1-PTIT Lecture 2 55 FEE1-PTIT Lecture 2 56
a. Hệ số ghép biếnápK b. Điệnápcuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấp M K = L1 L 2 M - hệ số hỗ cảmcủabiếnáp L1 và L2 -hệ số tự cảmcủacuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấptương ứng. - Khi K = 1 là trường hợpghéplýtưởng, khi đótoànbộ số từ thông sinh ra do cuộnsơ cấp được đi qua cuộnthứ cấpvàngượclại. - Điệnápcảm ứng ở cuộnsơ cấpvàthứ cấp quan hệ với nhau theo tỉ số: -Trênthựctế sử dụng, khi K ≈ 1 gọi là hai cuộn ghép chặt U N N khi K N1 thì U2 > U1 ta có biếnáptăng áp + N2 < N1 thì U2 < U1 ta có biếnáphạ áp FEE1-PTIT Lecture 2 57 FEE1-PTIT Lecture 2 58 c. Dòng điệnsơ cấpvàdòngđiệnthứ cấp d. Hiệusuấtcủabiếnáp 4.3. Ký hiệucủabiếnáp -Quanhệ giữa dòng điện ở cuộnsơ cấpvàcuộnthứ cấptheotỉ số: I U N N 1 = 2 = K 2 ≈ 2 I2 U1 N1 N1 -Cácbiếnápthựctếđềucótổnthất, do đó để đánh giá chấtlượng dùng thông số hiệusuấtcủabiến áp. Hiệusuấtcủabiếnáplàtỉ số giữacông a. Biếnápâmtầnb. Biếnápnguồnlõisắtvàbiếnáptự ngẫu suấtravàcôngsuất vào tính theo %: P P η = 2 .100% = 2 .100% P1 P2 + Ptôn thât c. Biếnápcaotầnkhônglõi d. BiếnáplõiFerit Trong đóP1 - công suất đưa vào cuộnsơ cấp P2 - công suấtthuđược ở cuộnthứ cấp Ptổnthất - Công suất điệnmất mát do tổnthấtcủalõi và tổnthấtcủa dây cuốn. -Muốngiảmtổnhaonăng lượng trong lõi sắttừ, dây đồng và từ thông rò người ta dùng loạilõilàmtừ các lá sắttừ mỏng, có quét sơn cách e. Biếnáptrungtần điện, dùng dây đồng có tiếtdiệnlớnvàghépchặt. 27/116 FEE1-PTIT Lecture 2 59 FEE1-PTIT Lecture 2 60
4.4 Phân loạivàứng dụng (1) 4.4 Phân loạivàứng dụng (2) - Ứng dụng để biến đổi điệnápxoaychiều. + Biếnápcấp điện (biếnápnguồn) : Là biếnáplàmviệcvớitầnsố 50 - Dùng để cách ly giữamạch các mạch điện, dùng loạibiếnápcóhai Hz, 60 Hz. Biếnápnguồncónhiệmvụ là biến đổi điệnápvàothành điện áp và dòng điện ra theo yêu cầuvàngăn cách thiếtbị khỏikhỏi cuộndâysơ cấpvàthứ cấp cách điệnvới nhau. nguồn điện. Các yêu cầu chính: -Biến đổibiến đổitổng trở, dùng biếnápghépchặt • Điệncảmcuộnsơ cấp cao để giảm dòng điện không tảixuống giá trị -Biếnápcaotần dùng để truyềntínhiệucóchọnlọc, dùng loại ghép nhỏ nhất. lỏng. •Hệ số ghép K cao để điệnápthứ cấpítsụt khi có tải. •Tổnthất trong lõi càng thấp càng tốt(chọnvậtliệu -Tuỳ theo ứng dụng cụ thể mà biếnápcónhững yêu cầu khác nhau và lõi và bề dày lá thép thích hợp). thường được phân loại theo ứng dụng: •Kíchthướcbiếnápcàngnhỏ càng tốt. + Biếnápcộng hưởng : Đây là biếnáptrungtầnhoặc cao tầncólõi •Kếtcấu bên ngoài có thể dùng: không khí hoặcsắtbụihoặc ferit, ghép lỏng và có mộttụđiệnmắc ở Loạihở có tẩm (giá thành thấp) cuộnsơ cấphoặccuộnthứ cấp để tạocộng hưởng đơn. Thông thường Loạibọckíncótẩm(bảovệ cơ họctốt) tầnsố cộng hưởng được thay đổibằng cách điềuchỉnh vị trí của lõi Loại hàn kín, đổ dầu(thíchhợpvới khí hậu nhiệt đới, dễ sửachữa) Loại đổ khuôn nhựa (thích hợpvới khí hậu nhiệt đới, không sửachữa được) FEE1-PTIT Lecture 2 61 FEE1-PTIT Lecture 2 62 4.4 Phân loạivàứng dụng (3) + Biếnápâmtần: là biếnápđượcthiếtkếđểlàm việc ở dảitầnsố âm thanh khoảng từ 20 Hz đến 20000 Hz, yêu cầubiến đổi điện áp không đượcgâyméodạng sóng trong cả dảitầnsố âm thanh, dùng để ngăn cách điệnmộtchiều trong mạch này vớimạch khác, để biến đổitổng trở, để đảo pha, v.v -Biếnápâmtầnphảilàmviệctrênđảitầnsố âm thanh khá rộng và phải đáp ứng nhiềumục đích khác nhau nên yêu cầu cao hơnbiếnáp cấp điện. + Biến áp xung : Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệuvàloại công suất. Biến áp xung có yêu cầuvề dải thông tầnkhắt khe hơn so vớibiếnápâm tần. Để hoạt động tốt ở cả tầnsố thấpvàở tầnsố cao (sườn xung), biến áp xung cầnphảicóđiệncảmsơ cấplớn, đồng thời điệncảmrònhỏ và điện dung giữacáccuộndâynhỏ. - Để khắcphục các yêu cầu đối kháng này vậtliệu lõi cầncóđộ từ thẩm cao và kếtcấuhìnhhọccủacuộn dây thích hợp. Vậtliệu lõi củabiếnáp xung đượcchọn tùy thuộcvàodảitầnhoạt động có thể là sắttừ hoặc ferit. 28/116 FEE1-PTIT Lecture 2 63
Lecture 3- Semiconductor (Chấtbándẫn) CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ELECTRONIC DEVICES 1. Định nghĩachất bán dẫn 2. Cấutrúcmạng tinh thể chất bán dẫn 3. Chất bán dẫnthuần Lecture 3- Semiconductor (Chất bán dẫn) 4. Chất bán dẫn không thuần 5. Dòng điện trong chất bán dẫn 6. Độ dẫn điệncủachất bán dẫn KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 3 1 FEE1-PTIT Lecture 3 2 1. Định nghĩa 2. Cấutrúcmạng tinh thể chấtbándẫn đơnSi -Chấtbándẫnlàvậtchấtcóđiệntrở suấtnằm ở giữatrị sốđiệntrở suấtcủa chấtdẫn điệnvàchất điệnmôikhiở nhiệt độ phòng, ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m Mỗi nguyên tử Si liên kếtvới -Chấtbándẫnlàchất mà trong cấutrúcdảinăng lượng có độ rộng 4 nguyên tử bên cạnh vùng cấmlà0<EG<2eV. -Chấtbándẫntrongtự nhiên: Bo (B), Indi (In), Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si), Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Selen (Se), lưuhuỳnh (S) ở nhóm 6, Asen o (As), P, Sb (Antimony) thuộc nhóm 5, v.v hoặchợpchấtnhư clorua đồng 2.35A (CuCl), Asenic Canxi CaAs, Oxit đồng CuO, v.v -Trongkỹ thuật điệntử hiệnnay sử dụng mộtsố chấtbándẫncócấutrúc o đơn tinh thể. Quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic. 5.43A - Đặc điểmcủacấutrúcmạng tinh thể này là độ dẫn điệncủanórấtnhỏ khi ở nhiệt độ thấpvànósẽ tăng theo lũythừavớisự tăng củanhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộnthêmíttạpchất. Do đó đặc điểmcơ bảncủachấtbándẫnlàđộ dẫn điệnphụ thuộcnhiềuvàonhiệt độ môi trường và nồng độ tạpchất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bứcxạ ion hóa, v.v 29/116 FEE1-PTIT Lecture 3 3 FEE1-PTIT Lecture 3 4
Cấutrúcmạng tinh thể củachấtbándẫnghép 3. Chấtbándẫnthuần (Intrinsic semiconductor) -Chấtbándẫnmàở mỗi nút củamạng tinh thể củanóchỉ có nguyên tử củamộtloại nguyên tố, ví dụ như các tinh thể Ge (gecmani) Si (silic) nguyên chất 0 -Vídụ xét tinh thể Si, EG= 1,21eV (tại nhiệt độ 300 K) Ga Si Dải Si Si E +4 +4 +4 dẫn Điệntử EC As Si EG < 2 eV Si Si +4 +4 +4 EV Lỗ trống Chất bán dẫnghép: Hợpchấtcủa các nguyên tử thuộc phân nhóm chính Si nhóm III và phân nhóm chính nhóm V: GaAs, GaP, GaN, quan trọng Si Si Dải trong các cấukiện quang điệnvàIC tốc độ cao +4 +4 +4 hoá trị FEE1-PTIT Lecture 3 5 FEE1-PTIT Lecture 3 6 Sự tạo thành lỗ trống và điệntử tự do Giải thích các thuậtngữ Si - Ở nhiệt độ phòng mộtsố liên kết Si Si - Nồng độ điệntử tự do trong chất bán dẫn (Electron cộng hóa trị bị phá vỡ tạorađiện +4 +4 +4 Concentration): n [cm-3]-số lượng điệntử tự do trong một đơnvị thể tử tự do và lỗ trống. tích chấtbándẫn(ni, nn, np). -Lỗ trống cũng có khả năng dẫn -3 Si - Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn (Hole Concentration):p[cm ] điệnnhưđiệntử tự do, mang điện Si Si -số lượng lỗ trống trong một đơnvị thể tích chấtbándẫn(p, p , p ). tích dương và có cùng độ lớnvới +4 +4 +4 i n p - Độ linh động của điệntử tự do (Electron Mobility): μ [cm2/(V.s)] – điệntíchđiệntử. Điệntử n -Bándẫnthuầncónồng độ hạtdẫn Lỗ trống tự do Tham số xác định mức độ phân tán của điệntử trong chấtbándẫn, tỉ lệ Si thuậnvớivậntốc khuyếch tán của điệntử và cường độ trường điệntừ, lỗ trống và nồng độ hạtdẫn điệntử Si Si +4 +4 +4 cũng như tỉ lệ giữanồng độ điệntử và độ dẫn điệncủachấtbándẫn. bằng nhau: p = n = pi = ni 2 - Độ dẫn điệncủachấtbándẫn σ: - Độ linh động củalỗ trống (Hole Mobility) : μp[cm /(V.s)] - Tham số xác định mức độ phân tán củalỗ trống trong chấtbándẫn, tỉ lệ thuận μn - độ linh động của điệntử tự do vớivậntốc khuyếch tán củalỗ trống và cường độ trường điệntừ, cũng μp - độ linh động củalỗ trống σ=(n. μnp + p. μ ).q q – điện tích của điệntử q=1,6.10-19C như tỉ lệ giữanồng độ lỗ trống và độ dẫn điệncủachấtbándẫn J – mật độ dòng điện khi chấtbán - Độ dẫn điện (Electrical conductivity): σ [Ω.m]-1 -thamsốđokhả dẫn đặttrongđiệntrường ngoài E: J(n.p.).q.E.E=μ+μnp =σ năng dẫn dòng điện thông qua một đơnvị vậtliệu, σ = 1/ρ. 30/116 FEE1-PTIT Lecture 3 7 FEE1-PTIT Lecture 3 8
Quá trình tạohạttải điệnvàquátrìnhtáihợp Quá trình tạohạttải điệnvàquátrìnhtáihợp - Quá trình tạorahạttải điện trong chấtbándẫnthuầnchủ yếulàdo năng lượng nhiệt“thermal generation”, tốc độ tạohạttải điệntăng theo hàm mũ -Tốc độ tạohạttải điệnphụ thuộcvàoT nhưng lại độclậpvới n và p - củanhiệt độ T. nồng độ của điệntử tự do và củalỗ trống : - Ngoài ra mộtquátrìnhtạohạttải điện khác là do năng lượng quang học G = Gthermal(T) +Goptical “optical generation”. Điệntử trong dải hóa trị có thể nhậnnăng lượng của - Trong khi đótốc độ tái hợplạitỷ lệ thuậnvớicả n và p photon ánh sáng truyềntớivànhảylêndảidẫn. Ví dụ trong bán dẫnthuầnSi năng lượng tốithiểucầnthiết là 1.1eV, tương đương vớiánhsángbước sóng R ∝ np ~1 μm. -Trạng thái ổn định xảy ra khi tốc độ tạovàtáihợpcânbằng - Trong chấtbándẫncũng xảyraquátrìnhtáihợpgiữa điệntử tự do và lỗ trống và giải phóng năng lượng theo cách: G = R ⇒ np = f (T ) 1. Tạoranhiệtlượng làm nóng chấtbándẫn: “thermal recombination”- Tái hợp toả nhiệt -Nếu trong trường hợp không có các nguồn quang và nguồn điệntrường 2. Phát xạ ra photon ánh sáng : “optical recombination”- Tái hợp phát quang ngoài, trạng thái ổn định đượcgọilàtrạng thái cân bằng nhiệt “Optical recombination” rấthiếmxảyratrongtrongchấtbándẫnthuầnSi, “thermal equilibrium” Ge mà chủ yếuxảy ra trong các loạivậtliệubándẫn ghép 2 - Quá trình tạovàtáihợpliêntụcxảyratrongchấtbándẫn, và đạttrạng thái np = ni (T ) cân bằng khi tốc độ của 2 quá trình đóbằng nhau. FEE1-PTIT Lecture 3 9 FEE1-PTIT Lecture 3 10 So sánh các đặctínhcủaSivàGe Hàm phân bố Fermi-Dirac Các đặc tính Ge Si - Khi xét mộthệ gồmnhiềuhạtgiống hệtnhaucóthể nằm trên nhiều Số nguyên tử 32 14 mứcnăng lượng khác nhau bao giờ cũng nảysinhvấn đề hàm phân bố, Nguyên tử lượng 72,6 28,1 bởivìđể xét các tính chất khác nhau củahệ trướchếttacầnphảibiết Tỷ trọng (g/cm3) 5,32 2,33 các hạt này phân bố theo các mứcnăng lượng trên như thế nào? Hằng sốđiện môi 16 12 Số nguyên tử/cm3 4,4.1022 5,0.1022 0 -Xéthệ gồm N điệntử tự do nằm ở trạng thái cân bằng nhiệttại nhiệt EG0,eV, ở 0 K (năng lượng vùng cấm) 0,785 1,21 0 độ T. Phân bố các điệntửđó tuân theo nguyên lý loạitrừ Pauli. Tìm EG, eV, ở 300 K 0,72 1,1 0 -3 13 10 phân bố của các điệntử theo các mứcnăng lượng? ni ở 300 K , cm (nồng độ hạtdẫn điệntử) 2,5.10 1,5.10 Điệntrở suất nguyên tính ở 3000K [Ω.cm] 45 230 μ , cm2/ V-sec 3800 1300 n -Ápdụng nguyên lý năng lượng tốithiểu: “xác suất để mộthệ gồmN 2 μp ,cm / V-sec 1800 500 2 hạtgiống hệt nhau nằm trong trạng thái năng lượng E tỷ lệ nghịch với Dn , cm / sec = μn.VT 99 34 2 E theo hàm mũ exp, cụ thể là: Dp , cm / sec = μp.VT 47 13 PN(E) ~ exp(-E/kT). 31/116 FEE1-PTIT Lecture 3 11 FEE1-PTIT Lecture 3 12
Hàm phân bố Fermi-Dirac Hàm phân bố Fermi-Dirac -Bằng cách áp dụng nguyên lý trên kèm theo với nguyên lý loạitrừ Pauli - Phân tích hàm Fermi-Dirac: ngườitađãtínhtoánralờigiải là hàm phân bố Fermi-Dirac: Xác suất 1 f (E) = E mứcnăng lượng E [eV] bịđiệntử lấp đầytại nhiệt độ T tuân theo hàm ⎛ E − E ⎞ exp⎜ F ⎟ +1 phân bố Fermi- Dirac như sau: ⎝ KT ⎠ Vùng dẫn T = 10000K f(E) 0 1 T = 00K T = 300 K f (E) = EC ⎛ E − EF ⎞ T=00K E > EF => f(E) = 0 E f(E) = 1 exp⎜ ⎟ +1 11 ⎝ KT ⎠ F 0 0 -3 E T > 0 K (T=300 K; KT=26.10 eV) F EG -Trong đó T = 00K 0 (EF −E) E 0 0,5 T=300 K E - E >> KT ⇒ KT V K: Hằng số Boltzmann (eV/ K) T=25000K F f (E) ≈ e Vùng hoá trị -5 0 K= 8,62×10 eV/ K (E−EF ) KT E - EF 00K đềuluônbằng 1/2 tạiE = + N(E) - là mật độ trạng thái trong dảidẫn(số lượng trạng thái/ eV/ m3). E , không phụ thuộc vào nhiệt độ. F 1/ 2 4π 3/ 2 3/ 2 N()E = γ .(E − E ) γ = (2mn ) .(qn ) -Hàmf(E) đốixứng qua điểm F. Do đó, xác suất điệntử chiếm đóng ở C h3 ∞ ∞ mứcnăng lượng E + ΔE bằng xác suất các mứcnăng lượng mà điện (EF −E) F 1/ 2 KT n = 2.N(E). f (E).dE ≅ 2.γ .()E − EC .e dE tử không chiếm đóng ở mứcEF - ΔE . ∫ ∫ EC EC -Xácsuấtmứcnăng lượng không bịđiệntử chiếm đóng sẽ là: 3/ 2 (EF −EC ) ⎛ 2πmnkT ⎞ KT NC = 2.⎜ 2 ⎟ n = N .e ⎝ h ⎠ 1 C 1− f (E) = 1− ⎛ E − E ⎞ Mật độ trạng thái hiệudụng trong vùng dẫn exp⎜ F ⎟ +1 ⎝ KT ⎠ mn –Khốilượng hiệudụng của điệntử tự do k[J/0K] – Hằng số Boltzmann, h – hằng số Plank , T [0K] 32/116 FEE1-PTIT Lecture 3 15 FEE1-PTIT Lecture 3 16
Tính nồng độ hạttải điệntrongchấtbándẫn Khốilượng hiệudụng - Tính nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị (p): -Khảosátgiatốccủa điệntử khi đặt trong điệntrường ở môi trường + Nồng độ hạtdẫnlỗ trống nằm trong mứcnăng lượng từ E đếnE+dEtrong chân không và chấtbándẫn: dải hóa trị là dp [số lỗ trống/m3]: Trong chân không Trong chấtbándẫn 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 4π 3/ 2 3/ 2 N()E = γ .(E − E) γ = (2mp ) .(q p ) V h3 EV EV (E−EF ) p = 2.N(E).(1− f (E)).dE ≅ 2.γ .()E − E 1/ 2.e KT dE F = (-q) = m a ∫ ∫ V F = (-q) = moa n 0 0 3/ 2 : cường độ điệntrường m khốilượng hiệudụng của điệntử ⎛ 2πm kT ⎞ n (EV −EF ) N = 2.⎜ p ⎟ − q qε KT V ⎜ 2 ⎟ ε Lỗ trống: a = p = N .e ⎝ h ⎠ Điệntử: a = V mp mn Mật độ trạng thái hiệudụng trong vùng hóa trị Si Ge GaAs m –Khốilượng hiệudụng củalỗ trống p m n /m 0 0.26 0.12 0.068 k[J/0K] – Hằng số Boltzman, h – hằng số Plank , T [0K] m p /m 0 0.39 0.30 0.50 FEE1-PTIT Lecture 3 17 FEE1-PTIT Lecture 3 18 Tính nồng độ hạttải điệntrongchấtbándẫn 4. Chấtbándẫn không thuần E −E − C V Xét tích: KT −EG / KT -Chấtbándẫnmàmộtsố nguyên tửởnút củamạng tinh thể củanóđược n.p = NC NV .e = NC NV .e 3 thay thế bằng nguyên tử củachất khác gọilàchấtbándẫn không thuần. 2 2 3 −EG / KT ⎛ 2π.k ⎞ 3/ 2 n.p = ni = pi = A.T .e A = 4.⎜ ⎟ .()mn.mp -Cóhailoạichấtbándẫn không thuần: ⎝ h2 ⎠ + Chấtbándẫn không thuầnloạiN–gọitắtlàBándẫnloạiN E + E 3 m Vớibándẫnthuần n = p ⇒ E = C V + kT ln p + Chấtbándẫn không thuầnloạiP–gọitắtlàBándẫnloạiP i i Fi 2 4 m n Donors: P, As, Sb Acceptors: B, Al, Ga, In mp, mn là khốilượng hiệudụng củahạttải điệnlỗ trống và điệntử tự do, chúng phụ thuộcvàocấutrúcdảinăng lượng. E + E E = C V Fi -Nếump≅ mn thì mứcFermi EFi nằmgiữavùngcấm. 2 0 -Nếump≠mn mức Fermi chỉ nằmgiữavùngcấm khi T=0 K Nồng độ hạttải điện trong chấtbándẫnthuần ở nhiệt độ phòng rấtnhỏ, nên chấtbándẫnthuầncókhả năng dẫn điệnkém. −EG / 2kT ni = Nc Nv e 33/116 FEE1-PTIT Lecture 3 19 FEE1-PTIT Lecture 3 20
a. ChấtbándẫnloạiN (chấtbándẫn không thuầnloạicho) a. ChấtbándẫnloạiN (chấtbándẫn không thuầnloạicho) -Thêmmộtíttạpchất là nguyên tố thuộc nhóm 5, thí dụ As, P, Sb vào -Nồng độ điệntử tự do trong chấtbándẫnloạiN tăng nhanh nhưng tốc chấtbándẫnthuầnGehoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạpchấtsẽ độ tái hợptăng nhanh nên nồng độ lỗ trống giảmxuống nhỏ hơnnồng đưa4 điệntử trong 5 điệntử hóa trị của nó tham gia vào liên kếtcộng độ có thể có trong bán dẫnthuần. hóa trị với 4 nguyên tử Ge (hoặcSi) ở bên cạnh; còn điệntử thứ 5 sẽ thừa - Trong chấtbándẫnloại N, nồng độ hạtdẫn điệntử (nn) nhiềuhơn ra và liên kếtcủa nó trong mạng tinh thể là rấtyếu, ở nhiệt độ phòng nhiềunồng độ lỗ trống pn và điệntửđượcgọilàhạtdẫn đasố, lỗ trống cũng dễ dàng tách ra trở thành hạttải điện điệntử tự do trong tinh thể và đượcgọilàhạtdẫnthiểusố. nguyên tử tạpchấtchođiệntử trở thành các ion dương cốđịnh. nn >> pn E Si n =Nd+pn≈ Nd Si Si n +4 +4 +4 Vùng dẫn Nd –Nồng độ ion nguyên tử tạpchất cho (Donor) Si e5 0,01eV Sb Si EC +4 +5 +4 ED Mứccho Si E Si Si E G +4 +4 +4 V Vùng hoá trị FEE1-PTIT Lecture 3 21 FEE1-PTIT Lecture 3 22 b. ChấtbándẫnloạiP (chấtbándẫn không thuầnloạinhận) b. ChấtbándẫnloạiP (chấtbándẫn không thuầnloạinhận) - Thêm mộtíttạpchất là nguyên tố thuộc nhóm 3, thí dụ In, Bo, Ga vào chất -Nồng độ lỗ trống trong chấtbándẫnloạiP tăng nhanh nhưng tốc độ tái bán dẫnthuầnGehoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạpchấtchỉ có 3 điệntử hợptăng nhanh nên nồng độ điệntử tự do giảmxuống nhỏ hơnnồng độ hóa trịđưaratạoliênkếtcộng hóa trị với 3 nguyên tử Ge (hoặcSi) ở bên cạnh, có thể có trong bán dẫnthuần. mối liên kếtthứ 4 để trống và tạo thành mộtlỗ trống. Điệntử củamối liên kết - Trong chấtbándẫnloại P, nồng độ hạtdẫnlỗ trống (p ) nhiềuhơn gần đócóthể nhảysang để hoàn chỉnh mối liên kếtthứ 4 còn để trống đó. p Nguyên tử tạpchấtvừanhậnthêmđiệntử sẽ trở thành ion âm và ngượclại ở nhiềunồng độ điệntử tự do np và lỗ trống đượcgọilàhạtdẫn đasố, nguyên tử Ge/Si vừacó1 điệntử chuyển đisẽ tạoramộtlỗ trống và nguyên tử điệntử tự do đượcgọilàhạtdẫnthiểusố. này sẽ trở thành ion dương cốđịnh. pp >> np E p =N +n ≈ N Si Si Si p a p a +4 Vùng dẫn +4 +4 Na –Nồng độ ion nguyên tử tạpchấtnhận (Acceptor) Si In Si EC +4 +3 +4 EG E Mứcnhận 0,01eV Si Si Si A +4 +4 +4 EV Vùng hoá trị 34/116 FEE1-PTIT Lecture 3 23 FEE1-PTIT Lecture 3 24
Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Tổng quát trong chấtbándẫn ta có: (Định luật“mass-action”) - Trong thựctế Silicon thường được pha tạpcả chất Donor và Acceptor. 2 2 3 −EG / KT Giả sử nồng độ pha tạptương ứng là Nd, Na . n.p = ni = pi = A.T .e - Để tạo thành bán dẫnN thìNd>Na, Điệntử cho của nguyên tử Donor sẽ - Trong chấtbándẫnloạiN: ion hóa tấtcả các nguyên tử Acceptor để hoàn thành liên kết còn thiếu 2 2 n n điệntử, nồng độ nguyên tử Donor tạorađiệntử tự do là: Nd-Na, quá p = i = i n n N trình như vậygọi là quá trình bù “Compensation”. Điện tích trong chất n d bán dẫn N trung hòa nên: - Trong chấtbándẫnloạiP: Nd-Na + p - n = 0. 2 2 ni ni np = = N − N N − N 4n2 p N ()d a ()d a i p a n = + 1+ 2 2 2 ()Nd − Na -NếuNd>>Na nên Nd-Na>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạttải điệnnhư như sau: 2 ni nN≅−da N; p ≅ NNda− FEE1-PTIT Lecture 3 25 FEE1-PTIT Lecture 3 26 Nồng độ hạttải điện trong bán dẫn không thuần Mức Fermi trong chấtbándẫn không thuần -Tương tựđểtạo thành bán dẫnP thìNa>Nd, trong bán dẫncũng xảyra -Mức Fermi trong chấtbándẫnN (Nd càng tăng mức Fermi càng tiếngần quá trình bù, tính toán tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp tới đáy củadảidẫn): này được tính như sau: (EF −EC ) N KT E = E − KT ln C 2 nn = NC .e = Nd F C ()Na − Nd ()Na − Nd 4ni Nd p = + 1+ 2 2 2 ()Na − Nd -NếuNa>>Nd nên Na-Nd>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạttải điệnnhư như sau: 2 ni p ≅ Na − Nd n ≅ Na − Nd E F i 35/116 FEE1-PTIT Lecture 3 27 FEE1-PTIT Lecture 3 28
Mức Fermi trong chấtbándẫn không thuần Quan hệ nồng độ hạtdẫntrongbándẫnthuần và không thuần -Mức Fermi trong chấtbándẫnP (Na càng tăng mức Fermi càng tiếngần -Giả sử mứcmứcFermi củabándẫnthuầnlàEF = EFi xuống đỉnh củadải hóa trị): -Nồng độ hạtdẫn trong bán dẫnthuầnni=pi : (E −E ) V F NV KT p = N .e = N EF = EV + KT ln V a −−()/EcFiEKT −−()/EEKTFi v Na nn==ic Ne pp==iv Ne ()/EEcFi− KT ()/EEKTFi− v ⇒=Nneci ⇒=Nnevi -Nồng hạtdẫntrongchấtbándẫn không thuầnlà: ()EEFC− ()/EFFi−EKT KT nne= nNe= C . i i ()EE− EF VF pNe= . KT ()/EFi−EKT F V pne= i FEE1-PTIT Lecture 3 29 FEE1-PTIT Lecture 3 30 5. Dòng điện trong chấtbándẫn 5. Dòng điện trong chấtbándẫn - Dòng điệnkhuếch tán: Dòng điệntạo ra do sự chuyển động ngẫu nhiên do - Dòng tổng cộng trong chất bán dẫn: nhiệtcủa các hạttải điện(thôngthường giá trị trung bình =0) và sự khuếch tán các hạttải điệntừ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấphơn: J = Jdriff + Jdiff = Jn + Jp dn dp dn dp J = q.D J = −q.D J n = J driff (n) + J diff ()n = qnμn E + qDn J p = J driff ( p) + J diff ()p = qpμ p E − qDp diff ( n ) n dx diff ( p ) p dx 3 2 dx dx 1 -( D[m2/sec] - là hệ số khuếch tán củalỗ trống; P 4 electron - “Einstein Relation”: Độ linh động μ và hệ số khuếch tán D đượcxác D -làhệ số khuếch tán của điệntử; n 5 theo mô hình vậtlýdựatrêncơ sở mộtsố lượng lớnhạttảichịunhững dp/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống và điệntử tự do) chuyển động nhiệtngẫu nhiên vớisự va chạmthường xuyên, 2 hằng số này tỉ lệ với nhau theo “Einstein Relation”như sau: 2 -23 0 3 1 D kT Hằng số Boltzmann k =1,38.10 [J/ K] = q [C] – điệntíchhạttải, T [0K ] 4 electron μ q 5 -Ápdụng công thứctrênchođiệntử tự do và lỗ trống trong chấtbándẫn E kT kT D = μ D = μ - Dòng diệntrôi(Dòngđiệncuốn): Dòng chuyểndịch của các hạttải điệndo n n q p p q tác động của điệntrường E: kT - Điệnápnhiệt “Thermal Voltage”: V = Jdriff =Jdriff(n) + Jdriff(p) = σ.E = q(nμn + pμp).E th 36/116 q FEE1-PTIT Lecture 3 31 FEE1-PTIT Lecture 3 32
6. Độ dẫn điệncủachấtbándẫn Tổng kết - Độ dẫn điệncủachấtbándẫn khi có cả 2 hạttải điệnthamgia -Chấtbándẫnthuần, không thuần. - Hàm phân bố Fermi-Dirac, MứcFermi σ = q(nμn + pμp) -Vớibándẫnloại n, n>>p, độ dẫn điệnlà: -Nồng độ hạttảitrongchấtbándẫn: (E −E )/ kT σ = qN μ [(Ω.m)-1] 2 2 Fi F ( E F − E Fi ) / kT n D n n.p = ni = pi p = nie n = ni e -Vớibándẫnloại p, p>>n, độ dẫn điệnlà: -Nồng độ điệntử tự do và lỗ trống trong chấtbándẫncóthể thay đổido: -1 σp = qNAμp [(Ω.m) ] Pha tạp, Điệntừ trường, Nhiệt độ, Chiếu sáng. -Mức Fermi trong chấtbándẫnthayđổitheonồng độ pha tạp + Tạpchất càng nhiềuthìđiệntrở suất càng giảm, tuy nhiên độ linh động -Chấtbándẫnthuầncóđộ dẫn điệnnhỏ, chấtbándẫn không thuần độ dẫn điệnlớn. μnvà μp lạigiảm khi nồng độ chất pha tạptăng, như vậycơ chế dẫn điện trong vùng pha tạpmạnh tương đốiphứctạp σ = q (n.μ n + q.μ q ) -Nồng độ giớihạn các nguyên tử tạpchấtmuốn đưa vào tinh thể bán dẫn dn dp J = J + J = qnμ E + qD J = J + J = qpμ E − qD được quyết định bởigiớihạn hòa tan củatạpchất ấy. Nếuvượt quá giới n driff (n) diff ()n n n dx p driff ( p) diff ()p p p dx hạnnàythìhiệntượng kếttủasẽ xảy ra, khi đótạpchấtsẽ không còn kT kT kT có các tính chấtnhư mong muốnnữa. J = J + J D = μ D = μ V = n p n n q p p q th q FEE1-PTIT Lecture 3 33 FEE1-PTIT Lecture 3 34 Mộtsố hằng số - Electronic charge, q = 1,6×10-19 C -14 - Permittivity of free space, εo = 8,854×10 F/cm -Boltzmann constant, K = 8,62×10-5 eV/K, k=1,38 × 10-23 J/K - Planck constant, h = 4.14×10-15 eV•s -31 - Free electron mass, m0= me = 9.1×10 kg 0 - Thermal voltage Vth= kT/q = 26 mV (at T= 300 K) Si Ge GaAs m n /m 0 0.26 0.12 0.068 m p /m 0 0.39 0.30 0.50 at T= 300 K Si Ge GaAs InAs 2 μ n (cm /V·s) 1400 3900 8500 30000 2 μ p (cm /V·s) 470 1900 400 500 37/116 FEE1-PTIT Lecture 3 35
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Phân loạicấukiệnbándẫnvàvi điệntử ELECTRONIC DEVICES Cấukiệnbándẫnvàvi điệntử - TiếpxúcKim loạibándẫn: ĐiốtSốtki, Tranzitor Sốtki - TiếpxúcP-N: MộttiếpgiápP-N:Điốtchỉnh lưu, Điốt ổnáp, ĐiốtTunen, Điốttháclũ, Điốtngược, Điốtbiến dung, Điốthaiđáy (UJT) Lecture 4 Hai tiếpgiápP-N: BJT Ba tiếpgiápP-N:Thyristor,Triac,Các cấukiệnchỉnh lưucó ĐK khác P-N Junctions (TiếpgiápP-N) - Hiệu ứng trường: JFET, MOSFET - Không có tiếpxúcP-N:Tesmisto, Varisto, ĐiốtGan, - Quang bán dẫn: KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 Hiệu ứng quang áp và quang trở: Điệntrở quang, Điốtquang, HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT Tranzitor quang, Tranzitor trường quang, Thyristor quang, Hiệu ứng điện phát quang: Điốtphátquang(LED),Laserbándẫn -Cấukiệnthụđộng tích hợp: R, L, C 7/2008 Vi điệntử FEE1-PTIT Lecture 4 1 FEE1-PTIT Lecture 4 2 Lecture 4- P-N Junctions (TiếpgiápP-N) Quan hệ Boltzman(Quan hệ giữa φ(x) và nồng độ hạttải điện) 1. Trường tĩnh điện trong chấtbándẫn ở ĐK cân bằng nhiệt Điệntrường trong chấtbándẫn Điệnthế tĩnh điện φ(x) Quan hệ Boltzman(Quan hệ giữa điệnthế φ(x) và nồng độ hạt dE ρ dφ tải điện) = = −E dx ε s dx 2. TiếpgiápPN 2.0 Giớithiệu chung Ta chứng minh được: φ= φref khi n0=ni .Vậytacóquanhệ Boltzman: 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực 2.3. ĐặctuyếnV-A củatiếpgiápPN 2.4. Cơ chếđánh thủng trong tiếpgiápPN Tương tự vớilỗ trống ta có: 2.5. Điện dung củachuyểntiếpPN 38/116 FEE1-PTIT Lecture 4 3 FEE1-PTIT Lecture 4 4
Quan hệ Boltzman(Quan hệ giữa φ(x) và nồng độ hạttải điện) 2. TiếpgiápPN Luật “60mV” 2.0 Giớithiệu chung -Tạinhiệt độ phòng 3000K , vớibándẫn dùng Si ta có: 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt n n φ = (26mV )ln 0 = (26mV )ln(10)log 0 2.2. Chuyểntiếp PN khi có điệnápphâncực ni ni 2.3. ĐặctuyếnV-A củatiếpgiápPN n 2.4. Cơ chếđánh thủng trong tiếpgiápPN φ = (60mV )log 0 1010 2.5. Điện dung của chuyểntiếpPN 0 -Tại 300 K, nếun0 tăng 1 decac (10 lần) thì điệnthế tĩnh điện trong chất bán dẫn ởđiềukiện cân bằng tăng 60mV. -Vớilỗ trống ta cũng có: p p φ = −(26mV )ln 0 = −(26mV )ln(10)log 0 ni ni p φ = −(60mV )log 0 1010 FEE1-PTIT Lecture 4 5 FEE1-PTIT Lecture 4 6 Giớithiệu chung 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt - Khi bán dẫnP, N tiếp xúc với nhau, -Phânbố tạpchất có tính chất độtbiến. metal tạimiềntiếp xúc hình thành chuyển SiO SiO -Nồng độ hạttải điện khi chưatiếpxúc tiếp P-N. ChuyểntiếpP-N được ứng 2 2 dụng để chế tạo ra nhiềuloạicấukiện n-type Si bán dẫn khác nhau. - Nghiên cứunắmvững các đặctính p-type Si của chuyểntiếpPN làrấtcầnthiết để hiểu nguyên lý làm việccủa các cấu metal kiệnbándẫn. - Theo công nghệ chế tạocấukiệnbándẫn, ngườitalấymộtmẫutinhthể bán dẫnloạip (vídụ) có nồng độ pha tạpNA, sau đó cho khuyếch tán vào mẫubándẫn đótạpchất Donor vớinồng độ ND>NA từ một phía bề mặttinhthể với độ sâu phụ thuộc vào quá trình khuyếch tán tạoramột - Khi có tiếpxúcP-N thì ’ lớpbándẫnn cónồng độ pha tạpND= ND-NA tạo thành tiếpgiápPN. Sự sẽ xảyrahiệntượng gì? phân bố tạpchất trong tiếpgiápPN thứctế rấtphứctạp, để đơngiảnbài toán chúng ta sẽ xét một chuyểntiếplýtưởng vớisự phân bố tạpchấtcó tính chất độtbiến. 39/116 FEE1-PTIT Lecture 4 7 FEE1-PTIT Lecture 4 8
2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt pn p-type n-type pn Ion Ion cho Vậy trong tiếpgiápPN hìnhthành3 - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + nhận -Khi tiếpxúcpn đượcmới được vùng: - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + Lỗ Điện hình thành, do sự chênh lệch nồng - 1 vùng điện tích không gian - - - - - - + + + + + + - - - - - - + + + + + + trống tử tự độ nên sẽ có sự khuếch tán điệntử - 2 vùng bán dẫn n, p cận trung hòa - - - - - - + + + + + + do và lỗ trống qua bề mặttiếp xúc và - - - - - - + + + + + + tái hợpvới nhau. -Xác định n0(x), p0(x), ρ(x), E(x), và x -xp0 0xn0 -x 0x x φ(x)? p = N log p (x) -Miềnlâncậnmặttiếp xúc mất p0 n0 0 a 0 đặc tính trung hòa vềđiện, bên - Để đơngiảnhơntaxấpxỉ chuyển bán dẫnn tíchđiện+, bênbándẫn J diff 2 tiếp như sau: ni Et p0 = p tích điện–, tạothànhmiền điện N d tích không gian và hình thành một điệntrường nộiEt − x x p0 n0 -Elạilàmtăng sự di chuyểncủa log n (x) n = N t 0 0 d các hạtdẫnthiểusố của2 lớpbán dẫn qua tiếpgiáptạo ra dòng điện 2 J diff ni trôi Jdriff . n0 = Et N a -ChuyểntiếpPN đạttrạng thái cân bằng khi dòng khuếch tán Jdiff ––+ + bằng dòng trôi. FEE1-PTIT Lecture 4 9 FEE1-PTIT Lecture 4 10 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt + Mật độ điện tích không gian: ρ(x) = q[Nd(x) − n0(x)+ p0(x)-Na(x)] Đuờng xấpxỉ Đường chính xác ⎧0 x < −x p0 ⎪ ⎪− qN a − x p0 < x < 0 ρ()x = ⎨ ⎪qN d 0 < x < xn0 ⎪ ⎩0 xn0 < x 40/116 FEE1-PTIT Lecture 4 11 FEE1-PTIT Lecture 4 12
2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt + Điệntrường trong chuyểntiếpPN: + Điệnthế tĩnh điện trong tiếpgiápPN x2 -Nhưđãxácđịnh ở phầntrước, điệnthế tĩnh điện trong bán dẫn n, p là: 1 Ex()−= Ex () ρ () xdx. 21ε ∫ s x1 ⎧0 x < −x p0 ⎪ ⎪− qN a − x p0 < x < 0 ρ()x = ⎨ - Trong vùng bán dẫnp cận trung hòa: ⎪qN d 0 < x < xn0 ⎪0 x < x ⎩ n0 - Trong vùng bán dẫnn cận trung hòa: ⎧0 khi x < −x p0 ⎪ ⎪− qN a ()x + x p0 khi − x p0 < x < 0 ⎪ ε s E()x = ⎨ qN ? ⎪ d ()x − x khi 0 < x < x ⎪ n0 n0 φ – Hiệu điệnthế tiếpxúc ε s B ⎪ trong chuyểntiếpPN (Hàng ? ⎩⎪0 khi xn0 < x rào thế năng). FEE1-PTIT Lecture 4 13 FEE1-PTIT Lecture 4 14 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt -Xácđịnh điệnthế tĩnh điện trong vùng chuyểntiếpPN (xấpxỉ chuyểntiếp)? ⎧ − qN a ⎪ ()x + x p 0 khi − x p 0 < x < 0 ⎪ ε s E ()x = ⎨ qN ⎪ d ()x − x khi 0 < x < x ⎪ n 0 n 0 ⎩ ε s ⎧φp khi x < −xp0 ⎪ ⎪ qNa 2 φp + ()x+ xp0 khi− xp0 < x < 0 Câu hỏi đặtra ⎪ 2εs φ()x = ⎨ -Nếu dùng Vôn kế ngoài liệucóđo đươchiệu điệnthế tiếp xúc trong φB ? qNd 2 -Nếu2 đầunốitiếpgiápramạch ngoài liệu có dòng điện ở mạch ngoài ? ⎪φ − ()x− x khi 0<x < x ⎪ n 2ε n0 n0 ⎪ s ⎪φ khi x < x ⎩ n n0 41/116 FEE1-PTIT Lecture 4 15 FEE1-PTIT Lecture 4 16
2.1. ChuyểntiếpPN ở trạng thái cân bằng nhiệt 2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực - Điềugìsẽ xảyrađốivớitrường tĩnh điện trong chuyểntiếp PN khi có Câu trả lời điện áp ngoài đặt qua 2 đầuvào? - Không thể dùng Vôn kếđểđohiệu điệnthế tiếp xúc trong chuyểntiếpPN φB -Không có dòng điện ở mạch ngoài. => Vì cầntínhđến điệnthế tiếp xúc giữakimloại–bándẫn 0 =+φBmpmnφφ + φBmpmn=−()φφ + V > 0 – phân cựcthuận V φB :Trong trường hợp phân cựcngược - Điệnáprơi trên 5 vùng như thế nào? 42/116 FEE1-PTIT Lecture 4 19 FEE1-PTIT Lecture 4 20
2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực 2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực Chuyển động của các hạttải điện khi có điệnápphâncực: + Phân cựcthuận: - Khi đặt điệnápphâncựcthuận: -Điệnthế tiếp xúc -Cânbằng dòng điệnbị phá vỡ trong giảm. + Phầnlớn các hạtdẫn đasố có năng lượng đủ lớndễ dàng khuếch tán - Điệntrường tiếp xúc qua CT P-N. Kếtquả là dòng điện qua CT P-N tăng lên và đây là thành giảm. phần dòng điệnkhuếch tán. Dòng điệnchạy qua chạy qua tiếp xúc P-N -Độ rộng vùng điện khi nó phân cựcthuậngọi là dòng điệnthuậnIth. tích không gian giảm + Những hạtdẫn đasố sau khi vượt qua lớptiếp xúc P-N vào các phần bán dẫn P và N thì chúng trở thành các hạtdẫnthiểusố của các chất + Phân cựcngược: bán dẫn này, như vậycóhiệntượng “phun" các hạtdẫnthiểusố qua - Điệnthế tiếp xúc vùng điện tích không gian. trong tăng. + Khi tăng điệnápthuận lên, tiếp xúc P-N được phân cựcthuận càng - Điệntrường tiếp xúc mạnh, hiệu điệnthế tiếp xúc càng giảm, hàng rào thế năng càng thấp tăng. xuống, các hạtdẫn đasố khuếch tán qua tiếp xúc P-N càng nhiềunên -Độ rộng vùng điện dòng điệnthuận càng tăng và nó tăng theo qui luậthàmsố mũ với điện tích không gian tăng. áp ngoài. FEE1-PTIT Lecture 4 21 FEE1-PTIT Lecture 4 22 2.2. ChuyểntiếpPN khicóđiệnápphâncực 2.2 Chuyểntiếp PN khi có điệnápphâncực - Khi đặt điệnápphâncựcngược - Minh họa dòng dịch chuyểncủa các hạttải điện qua chuyểntiếpPN -Cânbằng dòng điệnbị phá vỡ -Do điệntrường củalớptiếp xúc tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình chuyển + Phân cựcthuận + Phân cựcngược động trôi của các hạtdẫnthiểusố qua chuyểntiếpPN, tạonêndòng điện trôi có chiềutừ bán dẫn N sang bán dẫnP vàđượcgọi là dòng điệnngượcI . Dòng trôi lỗ trống ngược Dòng khuếch tán lỗ trống -Nếutatăng điệnápngược lên, hiệu điệnthế tiếp xúc càng tăng lên làm cho dòng điệnngượctăng lên, nhưng do nồng độ các hạtdẫnthiểusố có rất ít nên dòng điệnngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa nào đóvì Dòng trôi điệntử Dòng khuếch tán điệntử thế nó còn đượcgọi là dòng điệnngược bão hòa IS có giá trị rấtnhỏ. -Như vậy chuyểntiếpPN cótínhchấtchỉnh lưu dòng điện, cho phép dòng điện qua theo mộtchiềunhất định. 43/116 FEE1-PTIT Lecture 4 23 FEE1-PTIT Lecture 4 24
2.3 ĐặctuyếnV-A củatiếpgiápPN 2.3 ĐặctuyếnV-A củatiếpgiápPN - Khi tính đếnsự tái hợpcủa điệntử và lỗ trống tại chuyểntiếpPN, phương trình đặctuyếncủatiếpgiápPN như sau: V ⎛ ηVth ⎞ I = I0 ⎜e −1⎟ ⎝ ⎠ - Trong đó: Io- dòng bão hòa; Vth – điệnápnhiệt; η -hệ số phát xạ: + η=1÷2 đốivớitiếp giáp PN dùng Si. + η≈1 đốivớitiếp giáp PN dùng Ge, và GaAs + η cũng phụ thuộcvàođộ rộng của chuyểntiếpPN vànhư vậycũng phụ thuộcvàođiệnáplàmviệccủatiếpgiápPN + Thông thường không có ghi chú thì thường chọn η=1 FEE1-PTIT Lecture 4 25 FEE1-PTIT Lecture 4 26 2.4 Cơ chếđánh thủng trong chuyểntiếpPN 2.4 Cơ chếđánh thủng trong chuyểntiếpPN - Dòng phân cựcngượcrấtnhỏ, nhưng khi điệnápngược đặt trên chuyểntiếp - Trong thựctế 2 cơ chếđánh thủng xảyrarấtphứctạp, khó phân biệt. PN tăng vượt qua mộtgiátrị nhất định dòng ngượcsẽ tăng độtngột–đólà + Đánh thủng xuyên hầmxảyragầnnhư tứcthời và do điệntrường trên hiệntượng đánh thủng, hiệntượng này có thể làm hỏng dụng cụ nhưng có miền điện tích không gian quyết định, không phụ thuộcvàodiện tích mộtsố loạidụng cụ hoạt động dựatrêncơ chế này. miền điện tích không gian. -Haicơ chếđánh thủng chuyểntiếpPN là: + Đánh thủng thác lũđòi hỏiphải có quá trình gia tốc cho các hạtdẫn để + Cơ chế thác lũ: Khi điệnápngượctăng, điệntrường trong miền điện tích chúng có động năng đủ lớn, phụ thuộc nhiềuvàođộ rộng củamiền điện không gian tăng, hạtdẫnthiểusố bị cuốn qua điệntrường có động năng ngày tích không gian. càng lớn, khi chuyển động chúng va đậpvới các nguyên tử làm bắnrađiện tử lớp ngoài của chúng, sốđiệntử tự do mới phát sinh do va chạmnàycũng -Bằng thực nghiệmngười ta phân biệt được, đổivớibándẫn Si, chuyển được điệntrường mạnh gia tốc, chúng tiếptục đập vào các NT mớilàmbắn tiếpPN bịđánh thủng ởđiệnáp 6V thì chủ yếu là do cơ chế thác lũ, còn lại là do cả 2 cơ chế này trong bán dẫntăng độtngột, điệntrở suất chuyểntiếpgiảm đi, dòng qua gây ra. chuyểntiếpPN tăng độtngột. - Điệnápđánh thủng phụ thuộcvàoloạibándẫn, giảmtuyến tính theo + Cơ chế xuyên hầm: Khi điệntrường ngượctăng lên, còn cung cấpnăng nồng độ pha tạp, điệnápđánh thủng của chuyểntiếpPN cónồng độ lượng cho các điệntử lớp ngoài cùng củaNT bándẫn, nếu các điệntử này có pha tạptuyếntínhcaohơn chuyểntiếp PN có phân bốđộtbiến, nếu năng lượng đủ lớn chúng tách ra khỏiNT tạo thành điệntử tự do, NT bị ion chuyểntiếpcósự pha tạptuyến tính biến đổi càng chậmthìđiệnáp hóa. Nếu điệntrường ngược đủ lớnhiệntượng ion hóa xảy ra nhiểudẫn đến đánh thủng càng cao số lượng hạtdẫn trong bán dẫntăng độtngột, làm cho dòng ngượctăng nhanh. 44/116 FEE1-PTIT Lecture 4 27 FEE1-PTIT Lecture 4 28
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 5- Diode (Điốt) ELECTRONIC DEVICES Điôt bán dẫn 3.0. Giớithiệu chung. 3.1 Cấutạocủa điôt và kí hiệutrongsơđồmạch . Lecture 5- Diode (Điốt) 3.2 Nguyên lý hoạt động của điôt. 3.3 Đặctuyến Vôn-Ampe của điôt bán dẫn. 3.4 Các tham số tĩnh của điôt. KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 3.5 Sự phụ thuộccủa đặctuyến Vôn- Ampe vào nhiệt độ HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 3.6 Phân loại điốt 3.7 Ứng dụng của điốt 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 5 1 FEE1-PTIT Lecture 5 2 Giớithiệu chung 3.1 Cấutạocủa điôt chỉnh lưuvàkíhiệutrongsơđồmạch + ID Vùng chuyểntiếp p n metal AKAK SiO2 SiO2 I p-type Si AKD VD n-type Si + VD – metal – - Điốtbándẫnlàcấukiện điệntử có một chuyểntiếpp-n - Nguyên lý làm việcdựa trên các hiệu ứng vậtlýcủa chuyểntiếpPN: + Điốtchỉnh lưu: Dựavàohiệu ứng chỉnh lưucủa chuyểntiếpPN + Điốt ổnápZener: Dựavàohiệu ứng đánh thủng thác lũ và đánh thủng Zener + Điốtngược, Điốt tunen: Dựavàohiệu ứng xuyên hầmtrênchuyểntiếpPN pha tạpnhiều + Điốt Varicap: Đựavàohiệu ứng điện dung của chuyểntiếpPN thayđổikhi điệnápphâncựcngượcthayđổi - Nguyên lý làm việc, đặctuyếnV-A, ứng dụng củamỗiloại điốtlàrất khác nhau 45/116 FEE1-PTIT Lecture 5 3 FEE1-PTIT Lecture 5 4
3.2 Nguyên lý hoạt động của điôt 3.3 ĐặctuyếnVôn-Ampecủa điôt bán dẫn Vùng chuyểntiếphẹp U i =i Vùng chuyểntiếprộng ⎛⎞D D th ηUth IfUIeDAKS==()⎜⎟ − 1 ⎝⎠ + UT- Điệnápngưỡng của điốt(Điện áp thông thuận) U UT = 0,5V-0,8V(điốt Si) U =U UAK AK U D AK 0,2-0,4V(điốt Ge) đt - + U - điệnápnhiệt U • Phân cựcthuận(UAK>0): thúc đẩycáce trong bán dẫnn vàcáclỗ trống trong th T bán dẫnp táihợpvới các ion gần đường bao của vùng chuyểntiếpvàlàmgiảm độ rộng của vùng chuyểntiếp. Thông thường UAK > I và >>1 M 0 e. Điệnápngượccực đạichophép:Ungượcmax η Vth θ -Là giá trịđiệnápngượclớnnhấtcóthểđặtlênđiôt mà nó vẫnlàmviệcbình θ1 2 η V UD th thường. Thông thường trị số này đượcchọn khoảng 0,8Uđ.t. Ri = IM - Điệnápngượccực đạiU đượcxácđịnh bởikếtcấucủa điốtvànónằm UM ng. ma x trong khoảng vài V đến 10 ngàn V. 46/116 FEE1-PTIT Lecture 5 7 FEE1-PTIT Lecture 5 8
3.4 Tham số cơ bảncủa điốt 3.5. Các mô hình tương đương của điốt f. Khoảng nhiệt độ làm việc: -Làkhoảng nhiệt độ đảmbảo điôt làm việcbìnhthường. Tham số này 3.5.1. Mô hình tương đương trong chếđộmộtchiều và xoay chiều quan hệ với công suấttiêutánchophépcủa điôt. tín hiệulớn. a. Cácmôhìnhtương đương của điốtphâncựcthuận Pttmax = ImaxUAKmax b. Cácmôhìnhtương đương của điốtphâncựcngược 0 0 t maxP -N − t 0 P P 0 . 3.5.2 Mô hình tương đương xoay chiều tín hiệunhỏ t tmax = max(20 C) 0 0 t maxP - N − 20 C 0 Trong đó: t maxP-N - nhiệt độ cực đại cho phép củatiếp xúc P-N 0 t 0 - nhiệt độ môi trường - Điôt Ge : - 600C đến+850C - Điôt Si : - 600C đến +1500C. FEE1-PTIT Lecture 5 9 FEE1-PTIT Lecture 5 10 Các mô hình tương đương của điốt phân cựcthuận Các mô hình tương đương của điốt phân cựcthuận 1. Sơđồmộtkhóađiệntửởtrạng thái đóng: Điốtlàmviệc ởđiệnáplớn, 2. Sơđồmộtnguồnáplýtưởng : tầnsố nhỏ. Điệnápphâncựcthuậncóthể bỏ qua vì UT = 0,6V cho điôt Si, và UT = 0,2V cho điôt Ge là quá nhỏ. Đặctuyến Vôn- Ampe lúc này I coi như trường hợpngắnmạch. I + - A K A K Đặctuyến Vôn-Ampe là đường thẳng trùng vớitrụcI. UT = 0,6V U = UT UT = 0,6V UAK I I I A K A K U = UT VT ≈ 0 0 UAK 47/116 FEE1-PTIT Lecture 5 11 FEE1-PTIT Lecture 5 12
Các mô hình tương đương của điốt phân cựcthuận 3.5.1. Các mô hình tương đương của điốt phân cựcngược 3. Sơđồmộtnguồn điệnápthực: Trong trường hợpnàyđiốt đượccoi - Sơđồmộtkhóaở trạng thái hở như mộtnguồn điệnápthựcgồm có nguồn điệnápvànộitrở củanó chính là RT (điệntrở trong của điôt và nó là điệntrở thuận). . ΔUD UM −UT RT = = ΔID IM I - Sơđồmộtnguồn dòng lý tưởng I Ri IM M U = UT UT UT UM UAK FEE1-PTIT Lecture 5 13 FEE1-PTIT Lecture 5 14 3.5.2 Các mô hình tương đương xoay chiềutínhiệunhỏ 3.5.2 Các mô hình tương đương xoay chiềutínhiệunhỏ a. Sơđồmột điệntrởđộng Ri ở chếđộtín hiệunhỏ tầnsố thấp: Trong b. Sơđồtương đương ở chếđộtín hiệunhỏ tầnsố cao: Ở chếđộnày trường hợpnàyĐiốt luôn phân cựcthuận, đốivới tín hiệu xoay chiều điôt được coi như một điệntrở thuậnRi mắc song song vớimột điện dung biên độ nhỏđáp ứng của điôt được coi như mộtphầntử tuyến tính: khuếch tán Ck.t Ck.t. xuấthiện trong khoảng thờigianτ là khoảng thời gian lệch pha giữa i và u. C là điện dung khuếch tán củatiếpxúcP-N e k.t. u = R i = R và đượcxácđịnh: i i τ R +Ri Ck.t = τ = vài ns ÷μs R i dU ηVthη V th η V R == th C Ri = i U Ri ≈ k.t I+IM0 I dI IeηVth M 0 48/116 FEE1-PTIT Lecture 5 15 FEE1-PTIT Lecture 5 16
3.5.2 Các mô hình tương đương xoay chiềutínhiệunhỏ 3.6 Phân loại điôt (1) c. Sơđồmột điện dung chuyểntiếp ở chếđộtín hiệunhỏ (Phân cực Điốtchỉnh lưu: Điốtchỉnh lưusử dụng tính dẫn điệnmộtchiều để chỉnh lưu ngược) dòng điện xoay chiều thành mộtchiều. AKAK Điốt xung: Ở chếđộxung, điốt đượcsử dụng như khóa điệntử gồmcóhai trạng thái: "dẫn" khi điệntrở của điốtrấtnhỏ và "khóa" khi điệntrở củanórất lớn. Yêu cầuthờigianchuyểntừ trạng thái này sang trạng thái khác phảithật nhanh. Thời gian chuyểntrạng thái xác định tốc độ hoạt động của điốtvàdo đóxácđịnh tốc độ làm việccủathiếtbị. C0 Ctx = 1 n= 2÷3 Các điốtxungcócácloại điốthợpkim, điốt mêza, điốt Sôtky. Trong đó điốt V n Sốtky được dùng rộng rãi nhất. ĐiốtSốtky sử dụng tiếp xúc bán dẫn-kim nguoc loại. Trong điốtSốtky không có quá trình nạphoặcxảđiện tích trong miền nền. Do đótốc độ làm việcchủ yếucủa điốtSốtky chỉ phụ thuộcvàođiện dung rào thế củatiếpxúcP-N rấtnhỏ. Thờigianphụchồichứcnăng ngắtcủa điốtSốtkycóthểđạttới 100psec. Điệnápphâncựcthuậnchođiôt Sôtky khoảng UD = 0,4V, tầnsố làm việccaođến 100 GHz. FEE1-PTIT Lecture 5 17 FEE1-PTIT Lecture 5 18 3.6 Phân loại điôt (2) 3.4 Phân loại điôt (3) Điốt ổnáp: Ngườitasử dụng chếđộđánh thủng vềđiệncủa chuyểntiếp Điốt tunen (hay điốt xuyên hầm): Điốt đượcchế tạotừ chấtbándẫncó P-N để ổn định điện áp. Điốt ổnápđượcchế tạotừ bán dẫn Silíc vì nó nồng độ tạpchấtrất cao thông thường n = (1019 ÷ 1023)/cm3. Loại điốt bảo đảm được đặc tính kỹ thuậtcầnthiết.VD: điốtZener nàycókhả năng dẫn điệncả chiềuthuậnvàchiềungược. Điốtbiến dung (varicap): Là loại điốtbándẫn đượcsử dụng như mộttụ Điốt cao tần:Dùng để xử lý các tín hiệu cao tầnnhư: điệncótrị sốđiện dung điều khiển đượcbằng điện áp. Nguyên lý làm - Điốt tách sóng. việccủa điốtbiến dung là dựavàosự phụ thuộccủa điện dung rào thế - Điốttrộn sóng. củatiếp xúc P-N với điệnápngược đặt vào nó. - Điốt điềubiến Các điốtcaotầnthường là loại điốttiếp điểm. 49/116 FEE1-PTIT Lecture 5 19 FEE1-PTIT Lecture 5 20
Mộtsố hình ảnh của Điốt ĐiốtZener(1) • Vùng Zener được dùng để thiếtkếđiốt Zener • ĐiệnápZener(VZ): là điệnápphâncựcngượcmàtại đó dòng điện có xu hướng tăng độtbiến trong khi điệnáptăng không đáng kể. • ĐiệnápZenerrấtnhạycảm đốivới nhiệt độ làm việc. FEE1-PTIT Lecture 5 21 FEE1-PTIT Lecture 5 22 ĐiốtZener(2) 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(1) • Các đặctínhcủa điốtZenervớimôhìnhtương đương ở mỗi vùng - Điốt đượcsử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Ví dụ mộtsốứng dụng đơngiảnnhư sau: + + Mạch chỉnh lưu điệnápxoaychiều + + Mạch nhân đôi điệnáp + + Mạch ghim và mạch hạnbiên - 0,7 V - + Mạch ổnáp - + Mạch tách sóng + Mạch logic + + VZ - - 50/116 FEE1-PTIT Lecture 5 23 FEE1-PTIT Lecture 5 24
3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(2) 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(3) -Chỉnh lưumộtnửachukỳđơngiản -Chỉnh lưu2 nửa chu kỳ FEE1-PTIT Lecture 5 25 FEE1-PTIT Lecture 5 26 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(4) 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(5) -Mạch nhân đôi biên độ điệnáp 51/116 FEE1-PTIT Lecture 5 27 FEE1-PTIT Lecture 5 28
3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(6) Mộtsốứng dụng của Điốt(7) - Mạch ghim (dịch mức) và mạch hạnchế (ghim đỉnh) - Mạch hạnchế dùng điốt Zener - Mạch ổn áp dùng điốt Zener (Zener Limiter): (Zener Regulator): Một điốt Zener có thể hạnchế 1 phía Điệnápngược không đổi(VZ) của điốt củamột sóng sin tới điện áp Zener Zener được dùng để ổn định điệnápra (VZ), trong khi đó ghim phía kia tới chống lạisự thay đổicủa điệnápđầu gần giá trị 0. vào từ mộtnguồn điệnápthayđổihay Vớihaiđiốt Zener mắcngược nhau sự thay đổicủa điệntrở tải. I chạyqua (hvẽ), sóng sin có thể bị hạnchế cả 2 điốt Zener sẽ thay đổi để giữ cho điện phía tới điện áp Zener áp nằm trong giớihạncủangưỡng của vùng làm việccủa điốt Zener R RL FEE1-PTIT Lecture 5 29 FEE1-PTIT Lecture 5 30 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(8) 3.7 Mộtsốứng dụng của Điốt(9) -Mạch hạnbiên -Mạch giớihạnbiênđộ 2 phía 52/116 FEE1-PTIT Lecture 5 31 FEE1-PTIT Lecture 5 32
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) ELECTRONIC DEVICES 1. Cấutạovàkýhiệucủalưỡng cực trong các sơđồmạch 1.1. CấutạoBJT loại pnp, npn, 1.2. Nguyên lý hoạt động củaBJT Lecture 6- BJT (Transistor lưỡng cực) 1.3. Mô hình Ebers-Moll 2. Các cách mắcBJT vàcáchọđặctuyếntương ứng 3. Phân cựcchoBJT 4. Các mô hình tương đương củaBJT. KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 5. Mộtsốứng dụng củaBJT HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PTIT 7/2008 FEE1-PTIT Lecture 6 1 FEE1-PTIT Lecture 6 2 1.1. CấutạoBJT loại pnp, npn 1.1. CấutạoBJT loại pnp, npn I + C IE I VEB Collector (N) B + Emitter (P+) + − + V CE V Base (N) EC Base (P) V BE − I I B − − E I Emitter (N+) Collector (P) C Transistor npn - Transistor gồmcó2 tiếp giáp PN do 3 lớptương ứng 3 miền phát, gốc, góp -Nồng độ pha tạpcủamiền E là khá cao, MiềnB cónồng độ vừaphảikích và có 3 điệncựcnốitới3 miền: Cực Phát-E (Emitter), CựcGốc - B (Base), thước khá mỏng, miềnC cónồng độ pha tạpthấp. Miền phát có khả năng Cực Góp-C(Collector). BJT thuậncó3 miềnPNP, BJT ngượccó3 miền phát xạ các hạtdẫnsang miềngốcB, miền góp có khả năng thu nhậntấtcả NPN các hạtdẫn được phát xạ từ miền phát E qua miềngốcB tới. - ChuyểntiếpPN giữamiền E-B là chuyểntiếp Emitter TE, giữaB-C là -MiềnC thường được nuôi trên phiếnbándẫn đế, có lớpbándẫn vùi sâu chuyểntiếp collector TC có nồng độ cao (Buried layer n++) để giảmtrị sốđiệntrở nốitiếp. 53/116 - Độ rộng củamiềnB nhỏ hơn độ dài khuếch tán trung bình rất nhiều FEE1-PTIT Lecture 6 3 FEE1-PTIT Lecture 6 4
Kí hiệu trên sơđồvà các dạng đóng vỏ khác nhau củaBJT 1.2. Nguyên lý hoạt động củaBJT - Ở trạng thái cân bằng nhiệt, dòng điện qua các cực= 0. -Muốn cho Transistor làm việctaphải cung cấpmột điệnápmộtchiều thích hợp cho các chân cực. Tuỳ theo điệnápđặt vào các cựcmà Transistor làm việc ở các chếđộkhác nhau: + Chếđộngắt: Hai tiếpgiápPN đều phân cựcngược. Transistor có điệntrở rấtlớnvàchỉ có một dòng điện qua các chân cựcrấtnhỏ. + Chếđộdẫn bão hòa: Cả hai tiếpgiápPN đều phân cựcthuận. Transistor có điệntrở rấtnhỏ và dòng điện qua nó là rấtlớn. + Chếđộtích cực: TiếpgiápBE phâncựcthuận, tiếpgiápBC phân cựcngược, Transistor làm việcnhư mộtphầntử tích cực, có khả năng khuếch đại, phát tín hiệu Đây là chếđộthông dụng nhấtcủa Transistor. + Chếđộtích cực đảo(Chếđộđảo): TiếpgiápBE phâncựcngược, tiếpgiápBC phâncựcthuận, đây là chếđộkhông mong muốn -Cả hai loại Transistor pnp và npn đều có nguyên lý làm việcgiống hệt nhau, chỉ có chiều nguồn điện cung cấplàngượcdấu nhau. Chỉ cầnxét với BJT npn, vớiloạiBJT pnptương tự. FEE1-PTIT Lecture 6 5 FEE1-PTIT Lecture 6 6 1.2. Nguyên lý hoạt động củaBJT a. BJT làm việc trong chếđộtích cực(Forward Active) - Ở chếđộngắtvàchếđộdẫn bão hòa, BJT làm việcnhư mộtphầntử EBCTE TC EBCTE TC tuyến tính trong mạch điện. Trong BJT không có quá trình điều khiển dòng điệnhay điện áp. Transistor làm việc ở chếđộnày như một khóa n p n p n p điệntử và nó đượcsử dụng trong các mạch xung, các mạch logic. Các vùng làm việccủaBJT: VBE VBC VBE VBC BJT - npn BJT - pnp V BC VCB -Tiếp giáp BE phân Tích cực Tích cực Bão hòa Bão hòa cựcthuận. đảo đảo -Tiếp giáp BC phân V cựcngược. BE VEB Ngắt Ngắt Tích cực Tích cực 54/116 FEE1-PTIT Lecture 6 7 FEE1-PTIT Lecture 6 8
a. BJT làm việc trong chếđộtích cực a. BJT làm việc trong chếđộtích cực -Tphân cực thuận nên hạt dẫn đa số là điện tử từ miền E được khuếch E -Hiệusuấtcủacực phát: γ -làtỉ số giữa thành phần dòng điệncủahạt đa tán sang miền B qua chuyển tiếp TE, trở thành hạt dẫn thiểu số, do sự chênh lệch nồng độ chúng tiếp tục khuếch tán đến miền chuyển tiếp số với dòng điệncựcphát: TC, tại đây nó được cuốn sang miền C (do điện trường của tiếp giáp I I TC có tác dụng cuốn hạt thiểu số). BJTnpn : γ = nE = nE ≈ 0,98 ÷ 0,995 -Hạtdẫn đasố là lỗ trống tạimiềnB cũng khuếch tán ngượclạimiền IE IpE + InE E nhưng không đáng kể so với dòng khuếch tán điệntử do nồng độ lỗ trống ở miềnB íthơnrấtnhiều(do nồng độ pha tạpmiềnB íthơn -Hệ số khuếch đại dòng điệncực phát tĩnh : αF (α0) hay còn gọilàhệ số nhiều) truyền đạt dòng điệncựcphát: - Điệntử khuếch tán từ E sang B làm cho mật độ điệntử rất cao ở miền B tạivị trí gầnlớptiếp xúc T và ởđây điệntử và lỗ trống sẽ tái hợp I E α ===αβγC * với nhau. F 0 IE - Để các điệntử bị tái hợp ít, ngườitachế tạophần phát (E) có nồng độ tạpchấtlớnhơnrất nhiềuso vớiphầngốc(B) → thành phần dòng điệncực phát do các điệntử tạonênlớnhơnnhiều thành phần dòng điện do các lỗ trống tạonên. FEE1-PTIT Lecture 6 9 FEE1-PTIT Lecture 6 10 a. BJT làm việc trong chếđộtích cực a. BJT làm việc trong chếđộtích cực - Dòng điệnIB chủ yếugồm dòng ngượccủatiếp xúc góp TC, thành phần -Hệ số khuếch đại dòng Emitter chung (tĩnh) mộtchiều βF (β0): dòng cuốn các hạtthiểusố qua tiếp xúc phát TE và các thành phần dòng I α β = C , mà I = I + I ⇒ β = F điện do hiệntượng tái hợptronglớptiếp xúc phát và trong miềngốc 0 I E B C 0 1−α tạo nên. B F -Hệ số khuếch đại dòng Emitter chung tín hiệunhỏ: IB=IpE-InE-InC-ICB0 ∂IC α -Quanhệ giữa3 thànhphần dòng điện trong BJT trong chếđộ1 chiều: β = = ∂I B 1−α - Môhìnhkíchthước I = (1-α )I -I I = I + I = α I + I B 0 E CBo C nC CBo 0 E CBo đơngiảncủa BJT npn IE = IC + IB -Thựctế thường dùng hệ số khuếch đại dòng điệncực phát tín hiệunhỏ hay còn gọilàhệ số truyền đạt vi phân dòng điệncực phát α : ∂I α = C ∂I E 55/116 FEE1-PTIT Lecture 6 11 FEE1-PTIT Lecture 6 12
Phân bố nồng độ hạtdẫntrongBJT Phân bố nồng độ hạtdẫnthiếusố trong các vùng củaBJT -Giả sử trong chếđộtích cực, sự phân bố các hạtdẫnthiểusố trong các vùng là tuyền tính, như vậychỉ cầnxácđịnh đượcnồng độ của chúng tạicácvị trí biên sẽ xác định được đường phân bố của chúng. Ởđiềukiện cân bằng nhiệt Ở chếđộ tích cực FEE1-PTIT Lecture 6 13 FEE1-PTIT Lecture 6 14 Dòng khuếch tán chủ yếu trong BJT ở chếđộtích cực + Tính toán dòng Collector : IC - Dòng IC chủ yếu là dòng các hạtdẫnthiểusố khuếch tán trong miềnB và đượccuốn sang miền C qua chuyểntiếp collector. - Dòng collector: IS- dòng Collector bão hòa: ⎛⎞qDnpBE n0 A IS = ⎜⎟ W - Dòng điệnchủ yếu trong BJT là các dòng khuếch tán hạtdẫn. ⎝⎠B - Dòng điệntrênmiềnC chủ yếu do dòng khuếch tán hạtthiểusốởmiền B đến chuyểntiếpTC và đượccuốn qua chuyểntiếp này sang miềnC. - Dòng điệntrênmiềnB chủ yếu là dòng khuếch tán hạtdẫnthiểusố tại miềnE từ miền B sang qua chuyểntiếpTE. 56/116 FEE1-PTIT Lecture 6 15 FEE1-PTIT Lecture 6 16
+ Tính toán dòng Base : IB + Tính toán dòng Base : IB -IB chủ yếu do dòng khuếch tán lỗ trống sang miền E và dòng tái hợptại -VìVBE>>KT/q nêntacóIB=IC/β0 TE và miền B, tính toán dòng điệntrêncựcB bỏ qua dòng tái hợp. -Hệ số KĐ dòng Emiter chung -Giả sử sự phân bố hạtthiểusố lỗ trống trong miền E là tuyến tính mộtchiều: - Dòng I đượcxácđịnh: B ⎛⎞qDnpBoE n A ⎜⎟⎛⎞n IDCn⎝⎠WB ⎛⎞pB0 ⎛⎞WE βF == =⎜⎟⎜⎟⎜⎟ qD p A ⎜⎟ IDpWBpnEB⎛⎞pnEoE ⎝⎠⎝⎠0 ⎝⎠ ⎜⎟ ⎝⎠WE 2 ni mà npB0 NaB NdE = 2 = pnE0 ni NaB NdE Vậy: Dn NdEWE β F = β0 = Dp NaBWB FEE1-PTIT Lecture 6 17 FEE1-PTIT Lecture 6 18 + Dòng điệntrêncực phát IE a. BJT làm việc trong chếđộtích cực -Với quy ướcchiều các dòng điệnnhư hình vẽ, dòng điệntrêncực phát Dn NdEWE đượcxácđịnh như sau: β F = β0 = Dp NaBWB qVBE I S ⎛ qVBE ⎞ I E = IC + I B = I S exp + ⎜exp −1⎟ Nhậnxétβ0 : kT β F ⎝ kT ⎠ - Để β0 lớnchọn: NdE>>NaB; WE>>WB hay giảmtối đakíchthướcmiền Dn NdEWE IC β F = β0 = Base WB và pha tạptối đamiền Emitter NdE Dp NaBWB IB -Thựctế β0 của npn luôn lớnhơn β0 của pnp vì luôn có Dn>Dp -Hiện nay ngườitachế tạo đượcBJT cóβ0 từ khoảng 50 ÷300 ⎛⎞qDnpBE n0 A I = - β0 độclậpvớiIC S ⎜⎟ IE WB ⎝⎠ -Việc ổn định β0 trong khi sảnsuấtrất khó do đócầnsử dụng kỹ thuật mạch điệntửđểgiảiquyết. 57/116 FEE1-PTIT Lecture 6 19 FEE1-PTIT Lecture 6 20
Tóm tắt: BJT làm việctrongchếđộtích cực a. BJT làm việc trong chếđộtích cực -Tóm lạitrongchếđộlàm việc tích cực, tiếpgiápBE phâncựcthuận, Quan hệ giữa các dòng điện trong BJT-pnp (Sinh viên có thể tự suy ra từ tiếpgiápBC phâncựcngược. BJT-npn) I I -Quanhệ giữa các dòng điện trong BJT-npn là: C C IB IB IE=IB+IC ⎛⎞qDnpBE n0 A IE IE IS = ⎜⎟ ⎝⎠WB -Trongchếđộtĩnh (chếđộ1 chiều): I C IC α F Dn NdEWE α F = α0 = β = β = = β = I F 0 F E I B 1−α F Dp NaBWB -Trong chếđộđộng: ∂I ∂I α α = C β = C = ∂I E ∂I B 1−α FEE1-PTIT Lecture 6 21 FEE1-PTIT Lecture 6 22 b. BJT làm việc trong chếđộđảo (Reverse) b. BJT làm việc trong chếđộđảo (Reverse) -Phânbố nồng độ hạtdẫnthiểusố trong các miềncủaBJT ở chếđộđảo EBCTE TC EBCTE TC như hình vẽ: npn p n p VBE VBC VBE VBC -Tiếp giáp BE phân cựcngược. -Tiếp giáp BC phân cựcthuận. - Khi BJT npn ở chếđộđảo, miền C phun hạtdẫn đasố (điệntử) sang miền B, và chúng lại được thu gom bởimiềnE. 58/116 FEE1-PTIT Lecture 6 23 FEE1-PTIT Lecture 6 24
b. BJT làm việc trong chếđộđảo (Reverse) c. BJT ở chếđộngắt (Cut-off ) -Tínhtoántương tự như chếđộtích cực, dòng điệntrêncáccực được Sơđồtương đương đơngiản EBCTE TC Sơđồphân cực BJT npn tính như sau: trong chếđộngắt của BJT npn ở chếđộngắt p n C IC n E RC IB C I C VBE VBC CBo qV I ⎛ qV ⎞ ICBo BC S BC B U IC = I E + I B = I S exp + ⎜exp −1⎟ CE B kT β R ⎝ kT ⎠ T E E E BCTC B E E -Hệ số khuếch đại dòng Collector tĩnh: IE I D N W p β = E = n dC C p n R - Cung cấpnguồn sao cho hai tiếp xúc PN đều I B Dp NaBWB VBE VBC đượcphâncựcngược. Điệntrở của các chuyển tiếprấtlớn, chỉ có dòng điệnngược bão hòa rất nhỏ củatiếpgiápgópICB0. Còn dòng điệnngược củatiếp giáp phát IEB0 rấtnhỏ so vớiICB0 nên có thể bỏ qua. Như vậy, mạch cựcE coinhư hở mạch. Dòng điện trong cựcgốcB: IB=-I CB0 FEE1-PTIT Lecture 6 25 FEE1-PTIT Lecture 6 26 + Tính dòng điện trong BJT ở chếđộngắt d. BJT ở chếđộbão hòa (Saturation) - Dòng qua qua các tiếpgiápchủ yếu là dòng do ngược, là dòng cuốn các EBCTE TC Sơđồphân cực BJT npn Sơđồtương đương đơn hạtthiểusố lỗ trống của các miền qua các tiếp giáp. Lỗ trống được trong chếđộbão hòa giảncủa BJT npn ở chế n p n R độ bão hòa cuốntừ miền B sang miềnE tạo ra dòng IB1, và lỗ trống từ miềnB cuốn C EC sang miềnC tạo ra dòng IB2, các dòng này rấtnhỏ. V V I BE BC C C E -Mật độ hạtthiểusố trong các miềncủaBJT npntrongchếđộngắtnhư C R B IC C hình vẽ: C T B E E BCTC UCE EB UBE E E p n p EC IC ≈ VBE VBC UCE ≈ 0V R JpE JpC C - Cung cấpnguồn điệnmộtchiều vào các cựccủa Transistor sao cho hai tiếp xúc PN đều phân cựcthuận. Khi đó điệntrở củahaitiếp xúc phát TE và tiếp xúc góp TC rấtnhỏ nên có thể coi đơngiảnlàhaicực phát E và cựcgópC đượcnốitắt. Dòng điện qua Transistor IC khá lớnvàđượcxácđịnh bởi điện áp nguồncung cấpEC và không phụ thuộc gì vào Transistor đang sử dụng, thựctế UCE ≈ 0,2V. 59/116 FEE1-PTIT Lecture 6 27 FEE1-PTIT Lecture 6 28
+ Tính dòng trong BJTở chếđộbão hòa 1.3 Mô hình Ebers-Moll -Chếđộbão hòa có thể coi như là sự xếpchồng -Phương trình Ebers-Moll: Viếtbiểuthức dòng trên E và C theo dòng của2 chếđộtích cựcvàchếđộđảo. qua các chuyểntiếp(dựa theo dòng điện qua tiếpgiápPN -xemlại -Dòng điện ở các cực ở chếđộbão hòa đượcxác Lecture 3). định từ dòng trên các cực ở 2 chếđộtích cựcvàchế độ ngượcnhư sau: ⎛ VBE ⎞ ⎛ VBC ⎞ I S Vth Vth I E = − ⎜e −1⎟ + I S ⎜e −1⎟ α F ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎛ VBE ⎞ ⎛ VBC ⎞ Vth I S Vth IC = I S ⎜e −1⎟ − ⎜e −1⎟ ⎝ ⎠ α R ⎝ ⎠ IqVSBC⎛⎞qVBE⎛⎞ qV BE -Đặt IS=αFIES= αRICS , ta có hệ phương trình Ebers-Moll như sau: IIIECB=+=⎜⎟exp −+ 1 I S⎜⎟ exp − exp βF ⎝⎠kT⎝⎠ kT kT VBE Vth VBC Vth -DấucủaIC và IB phụ thuộc vào quan hệđộlớngiữaVBE và VBC, giữa βR I E = −I ES (e −1)+α R ICS (e −1) và β VBE Vth F VBC Vth - Ở chếđộbão hòa miền B và C dư thừacáchạtdẫnthiếusố nên sẽ mất IC = α F I ES ()e −1 − ICS ()e −1 mộtthờigiantrễđểBJT ra khỏichếđộbão hòa. FEE1-PTIT Lecture 6 29 FEE1-PTIT Lecture 6 30 1.3 Mô hình Ebers-Moll Mô hình Ebers-Moll đơngiảnchocácchếđộlàm việc -Môhìnhcóthể sử dụng cho - MôhìnhEbers-Moll đơngiảnchoBJT npntrongchếđộtích cực: BJT ở cả 3 chếđộlàm việc khác nhau: chếđộtích cực, chế VBE = 0.7 độ ngắt, chếđộbão hòa. V > 0.2 -Thường dùng cho các trường CE Dòng trên các điốt hợp mộtchiều và trường hợp IC IB tín hiệulớn. B C - Đượcxâydựng trên từ hệ phương trình Ebers-Moll VBE = 0.7 IICFB= β E -MôhìnhEbers-Moll đơngiảnchoBJT npntrong IC I =α I = α I chếđộbão hòa (2 điốt phân cựcthuận): S F ES R CS I I C IB B VBE Vth VBC Vth B C I E = −I ES (e −1)+α R ICS (e −1) VBE Vth V = 0.7 V = 0.1 I = α I e −1 − I eVBC Vth −1 BE CE IE C F ES ()CS () 60/116 E FEE1-PTIT Lecture 6 31 FEE1-PTIT Lecture 6 32
Mô hình Ebers-Moll cho BJT pnp 2. Các cách mắc BJT và các họđặctuyếntương ứng - Sinh viên tự suy ra từ mô hình Ebers-Moll của BJT pnp -Trong các mạch điện, BJT đượcxemnhư mộtmạng 4 cực: tín hiệu được đưa vào hai chân cựcvàtínhiệulấyracũng trên hai chân cực -BJT có 3 cực là E, B, C nên khi sử dụng ta phải đặtmộtchâncựclàm dây chung củamạch vào và mạch ra. Ta có thể chọnmột trong 3 chân cực để làm cực chung cho mạch vào và mạch ra. Do đó, Transistor có 3 cách mắccơ bảnlàmạch cực phát chung (CE), mạch cựcgốc chung (CB), và mạch cực góp chung (CC). i i2 1 I IE I I IE B IC C B UEB u1 4C u2 UCE UCB UEC U UBE BC IE IB IC (CE) (CB) (CC) - Đặctrưng củamạng 4 cực dùng hệ phương trình trở kháng, dẫnnạp, hỗnhợp. Hệ phương trình hỗnhợp: ⎧u1 = f ()i1,u2 ⎧u1 = h11.i1 + h12.u2 ⎨ ⎨ ⎩i2 = f ()i1,u2 ⎩i2 = h21.i1 + h22.u2 FEE1-PTIT Lecture 6 33 FEE1-PTIT Lecture 6 34 2. Các cách mắc BJT và các họđặctuyếntương ứng 2. Các cách mắc BJT và các họđặctuyếntương ứng I1 I2 IB I IE I IB IE ⎧u = h .i + h .u C U C 1 11 1 12 2 U EB ⎨ 1 4C U2 UCE UCE UEC ⎩i2 = h21.i1 + h22.u2 U UBE BC IE IB IC -Cáchọđặctuyến đặctrưng cho tham số, đặctínhcủaBJT ở mỗi cách ⎧u1 = f ()i1,u2 ⎨ mắc, chúng có vai trò quan trọng trong việcxácđịnh các điểmlàm i = f i ,u ⎩ 2 ()1 2 (CE) (CB) (CC) việc, định thiên, chếđộlàm việccủaBJT. Để vẽ các họđặctuyếnnày -Từ hệ phương trình hỗ hợp rút ra các phương trình đặctuyếnnhư sau: thường dùng mô hình BJT lý tưởng, vớinhững điềukiệnlà: Đặctuyến Tổng quát CE CB CC + ĐặctuyếnV-A củamỗi chuyểntiếpPN đều đượcmôtả bằng biểu thức: I= IS [exp(U/Uth) – 1]. Đặctuyến U = f ()I | U = f (I )| + Cường độ điệntrường trong chuyểntiếpPN nếu phân cựcngượcphải u1 = f ()i1 |u UBE = f ()IB |U EB E UCB BC B UEC vào 2 CE nhỏ hơnnhiều điệntrường gây ra đánh thủng. Đặctuyến U = f ()U | U = f (U )| U = f ()U | EB CB IE BC EC IB + Điệntrở suấtcủa các miền E, B, C coi như là rấtnhỏ. Ngoài điện u1 = f ()u2 |i BE CE IB phảnhồi 1 trường tồntại ở các chuyểntiếp PN không có điệntrường tồntại ở các Đặctuyến I = f ()I | I = f ()I | nơi khác i = f ()i | IC = f ()IB |U C E UCB E B UEC truyền đạt 2 1 u2 CE + Nồng độ phun các hạtdẫnthấp. Đặctuyến i = f u | I = f ()U | I = f ()U | - Trong BJT lý tưởng đặctuyếncủamỗi chuyểntiếpPN chịu ảnh hưởng 2 ()2 i1 I = f ()U | C CB IE E EC IB ra C CE IB tuyến tính của dòng điện đi qua chuyểntiếpkia. 61/116 FEE1-PTIT Lecture 6 35 FEE1-PTIT Lecture 6 36