Giáo trình Linh kiện điện tử

86 trang ngocly 3420

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Linh kiện điện tử", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_linh_kien_dien_tu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Linh kiện điện tử

GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I. LINH KIỆN THỤ ĐỘNG Trạng thái điện của mỗi linh kiện điện tử được đặc trưng bởi 2 thông số: điện áp u và cường độ dòng điện i. Mối quan hệ tương hỗ i=f(u) được biểu diễn bởi đặc tuyến Volt-Ampere. Người ta có thể phân chia các linh kiện điện tử theo hàm quan hệ trên là tuyến tính hay phi tuyến. Nếu hàm i=f(u) là tuyến tính (hàm đại số bậc nhất hay phương trình vi phân, tích phân tuyến tính), phần tử đó được gọi là phần tử tuyến tính (R, L, C) và có thể áp dụng được nguyên lý xếp chồng. 1 Điện trở: i .u R du Tụ điện:i C. dt 1 Cuộn dây: i u.dt L Nếu hàm i=f(u) là quan hệ phi tuyến (phương trình đại số bậc cao, phương trình vi phân hay tích phân phi tuyến), phần tử đó được gọi là phần tử phi tuyến (diode, Transistor). 2.1. Điện trở (Resistor) Như đã đề cập trong chương trước, dòng điện là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện và trong vật dẫn các hạt mang điện đó là các electron tự do. Các electron tự do có khả năng dịch chuyển được do tác động của điện áp nguồn và trong quá trình dịch chuyển các electron tự do va chạm với các nguyên tử nút mạng và các electron khác nên bị mất một phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Sự va chạm này cản trở sự chuyển động của các electron tự do và được đặc trưng bởi giá trị điện trở. 2.1.1. Định nghĩa: Điện trở là linh kiện cản trở dòng điện, giá trị điện trở càng lớn dòng điện trong mạch càng nhỏ. Định luật Ohm: Cường độ dòng điện trong mạch thuần trở tỷ lệ thuận với điện áp cấp và tỷ lệ nghịch với điện trở của mạch. Page 1
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ E I R [E]: Volt (V) [I]: Ampere (A) [R]: Ohm (Ω) 2.1.2. Các thông số của điện trở a. Giá trị điện trở Giá trị điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của điện trở. Yêu cầu cơ bản đối với giá trị điện trở đó là ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và thời gian, Điện trở dẫn điện càng tốt thì giá trị của nó càng nhỏ và ngược lại. Giá trị điện trở được tính theo đơn vị Ohm (Ω), kΩ, MΩ, hoặc GΩ. Giá trị điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, kích thước của điện trở và nhiệt độ của môi trường. l R . S Trong đó: ρ: điện trở suất [Ωm] l: chiều dài dây dẫn [m] S: tiết diện dây dẫn [m2] Trong thực tế điện trở được sản xuất với một số thang giá trị xác định. Khi tính toán lý thuyết thiết kế mạch, cần chọn thang điện trở gần nhất với giá trị được tính. b. Sai số Sai số là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị thực tế của điện trở và giá trị danh định, được tính theo % R R  tt dd 100% Rdd Page 2
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Trong đó: Rtt: Giá trị thực tế của điện trở Rdd: Giá trị danh định của điện trở c. Hệ số nhiệt điện trở (TCR-Temperature Co-efficient of Resistor): TCR là sự thay đổi tương đối của giá trị điện trở khi nhiệt độ thay đổi 1oC, được tính theo phần triệu R/ T .106 ( ppm/oC) (parts per million) R Khi nhiệt độ tăng, số lượng các electron bứt ra khỏi quỹ đạo chuyển động tăng và va chạm với các electron tự do làm tăng khả năng cản trở dòng điện của vật dẫn. Trong hầu hết các chất dẫn điện khi nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở tăng, hệ số 0(PTC: Positive Temperature Co-efficient). Đối với các chất bán dẫn, khi nhiệt độ tăng số lượng electron bứt ra khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do được gia tăng đột ngột, tuy sự va chạm trong mạng tinh thể cũng tăng nhưng không đáng kể so với sự gia tăng số lượng hạt dẫn, làm cho khả năng dẫn điện của vật liệu tăng, hay giá trị điện trở giảm, do đó có hệ số 0 (NTC: Negative Temperature Coefficient). Hệ số nhiệt càng nhỏ, độ ổn định của giá trị điện trở càng cao. R Hệ số góc= T o 0 K Hình 2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới giá trị điện trở của vật dẫn Tại một nhiệt độ xác định có hệ số nhiệt xác định, giả sử tại nhiệt độ T1 điện trở có giá trị là R1 và hệ số nhiệt là 1 , giá trị điện trở tại nhiệt độ T2: R2 R11 1  T2 T1  Page 3
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ d.Công suất tối đa cho phép Khi có dòng điện cường độ I chạy qua điện trở R, năng lượng nhiệt tỏa ra trên R với công suất: P U.I I 2.R Nếu dòng điện có cường độ càng lớn thì nhiệt lượng tiêu thụ trên R càng lớn làm cho điện trở càng nóng, do đó cần thiết kế điện trở có kích thước lớn để có thể tản nhiệt tốt. Công suất tối đa cho phép là công suất nhiệt lớn nhất mà điện trở có thể chịu được nếu quá ngưỡng đó điện trở bị nóng lên và có thể bị cháy. Công suất tối đa cho phép đặc trưng cho khả năng chịu nhiệt. U 2 P max I 2 .R max R max Trong các mạch thực tế, tại khối nguồn cấp, cường độ dòng điện mạnh nên các điện trở có kích thước lớn. Tại khối xử lý tín hiệu, cường độ dòng điện yếu nên các điện trở có kích thước nhỏ do chỉ phải chịu công suất nhiệt thấp. 2.1.3. Phân loại và ký hiệu điện trở a. Điện trở có giá trị xác định  Điện trở than ép (Điện trở hợp chất Cacbon): Được chế tạo bằng cách trộn bột than với vật liệu cản điện, sau đó được nung nóng hóa thể rắn, nén thành dạng hình trụ và được bảo vệ bằng lớp vỏ giấy phủ gốm hay lớp sơn. Hợp chất Carbon Dây dẫn Dây dẫn Các điện cực Hình 2.2. Điện trở than ép Page 4
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Điện trở than ép có dải giá trị tương đối rộng (từ1Ω đến 100MΩ), công suất danh định (1/8W-2W), nhưng phần lớn có công suất là 1/4W hoặc 1/2W. Một ưu điểm nổi bật của điện trở than ép đó chính là có tính thuần trở nên được sử dụng nhiều trong phạm vi tần số thấp (trong các bộ xử lý tín hiệu âm tần).  Điện trở dây quấn được chế tạo bằng cách quấn một đoạn dây không phải là chất dẫn điện tốt (Nichrome) quanh một lõi hình trụ. Trở kháng phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn, đường kính và độ dài của dây dẫn. Điện trở dây quấn có giá trị nhỏ, độ chính xác cao và có công suất nhiệt lớn. Tuy nhiên nhược điểm của điện trở dây quấn là nó có tính chất điện cảm nên không được sử dụng trong các mạch cao tần mà được ứng dụng nhiều trong các mạch âm tần. Nichrome Dây dẫn Dây dẫn Lõi cách điện Hình 2.3. Điện trở dây quấn  Điện trở màng mỏng: Được sản xuất bằng cách lắng đọng Cacbon, kim loại hoặc oxide kim loại dưới dạng màng mỏng trên lõi hình trụ. Điện trở màng mỏng có giá trị từ thấp đến trung bình, và có thể thấy rõ một ưu điểm nổi bật của điện trở màng mỏng đó là tính chất thuần trở nên được sử dụng trong phạm vi tần số cao, tuy nhiên có công suất nhiệt thấp và giá thành cao. Màng mỏng Dây dẫn Dây dẫn Hình 2.4. Điện trở màng mỏng Page 5
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ b. Điện trở có giá trị thay đổi  Biến trở (Variable Resistor) có cấu tạo gồm một điện trở màng than hoặc dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay ở giữa nối với con trượt. Con trượt tiếp xúc động với với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên khi con trượt dịch chuyển điện trở giữa cực thứ 3 và 1 trong 2 cực còn lại có thể thay đổi. Có thể có loại biến trở tuyến tính (giá trị điện trở thay đổi tuyến tính theo góc xoay) hoặc biến trở phi tuyến (giá trị điện trở thay đổi theo hàm logarit theo góc xoay). Biến trở được sử dụng điều khiển điện áp (potentiometer: chiết áp) hoặc điều khiển cường độ dòng điện (Rheostat) Trục điều khiển 2 Con trượt Vành điện trở 1 VR 3 potentiometer 2 1 VR 3 Rheostat  Điện trở nhiệt (Thermal Resistor -Thermistor): Hình 2.5. Biến trở (VR) Là linh kiện có giá trị điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Có 2 loại nhiệt trở: Nhiệt trở có hệ số nhiệt âm: Giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (NTC), thông thường các chất bán dẫn có hệ số nhiệt âm do khi nhiệt độ tăng cung cấp đủ năng lượng cho các electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn nên số lượng hạt dẫn tăng đáng kể, ngoài ra tốc độ dịch chuyển của hạt dẫn cũng tăng nên giá trị điện trở giảm Nhiệt trở có hệ số nhiệt dương: Giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, các nhiệt trở được làm bằng kim loại có hệ số nhiệt dương (PTC) do khi nhiệt độ Page 6
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ tăng, các nguyên tử nút mạng dao động mạnh làm cản trở quá trình di chuyển của electron nên giá trị điện trở tăng. Nhiệt trở được sử dụng để điều khiển cường độ dòng điện, đo hoặc điều khiển nhiệt độ: ổn định nhiệt cho các tầng khuếch đại, đặc biệt là tầng khuếch đại công suất hoặc là linh kiện cảm biến trong các hệ thống tự động điều khiển theo nhiệt độ.  Điện trở quang (Photo Resistor) λ λ Quang trở là linh kiện nhạy cảm với bức xạ điện từ quanh phổ ánh sáng nhìn thấy. Quang trở có giá trị điện trở thay đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó. Cường độ ánh sáng càng mạnh thì giá trị điện trở càng giảm và ngược lại. Khi bị che tối: R n.100k  n.M Khi được chiếu sáng: R n.100  n.k Quang trở thường được sử dụng trong các mạch tự động điều khiển bằng ánh sáng:(Phát hiện người vào cửa tự động; Điều chỉnh độ sáng, độ nét ở Camera; Tự động bật đèn khi trời tối; Điều chỉnh độ nét của LCD; ) 2.1.4. Cách ghi và đọc các tham số điện trở a. Biểu diễn trực tiếp  Chữ cái đầu tiên và các chữ số biểu diễn giá trị của điện trở: R(E) – Ω; K - K Ω; M - M Ω;  Chữ cái thứ hai biểu diễn dung sai: F=1% J=5% G=2% K=10% H=2,5% M=20% Ví dụ: 8K2J: R=8,2KΩ; δ=5% R=8,2KΩ 0,41KΩ=7,79KΩ8,61KΩ Page 7
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Hoặc có thể các chữ số để biểu diễn giá trị của điện trở và chữ cái để biểu diễn dung sai. Khi đó chữ số cuối cùng biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10). Ví dụ: 4703G: R=470K Ω; δ=2% b. Biểu diễn bằng các vạch màu Đối với các điện trở có kích thước nhỏ không thể ghi trực tiếp các thông số khi đó người ta thường vẽ các vòng màu lên thân điện trở.  3 vòng màu: . 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực . Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) . Sai số δ=20%  4 vòng màu . 2 vòng đầu biểu diễn 2 chữ số có nghĩa thực . Vòng thứ 3 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) . Vòng thứ 4 biểu diễn dung sai (tráng nhũ)  5 vòng màu: . 3 vòng đầu biểu diễn 3 chữ số có nghĩa thực . Vòng thứ 4 biểu diễn số chữ số 0 (bậc của lũy thừa 10) . Vòng thứ 5 biểu diễn dung sai (tráng nhũ) Bảng quy ước mã vạch màu Màu Trị số Sai số Đen 0 Nâu 1 1% Đỏ 2 2% Cam 3 Vàng 4 Lục 5 Lam 6 Page 8
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Tím 7 Vạch 3 Xám 8 Vạch 1 Vạch 5 Trắng 9 Vàng kim -1 5% Bạc kim -2 10% Vạch 2 Vạch 4 2.1.5. Ứng dụng  Điện trở được sử dụng trong các mạch phân áp để phân cực cho Transistor đảm bảo cho mạch khuếch đại hoặc dao động hoạt động với hiệu suất cao nhất.  Điện trở đóng vai trò là phần tử hạn dòng tránh cho các linh kiện bị phá hỏng do cường độ dòng quá lớn. Một ví dụ điển hình là trong mạch khuếch đại, nếu không có điện trở thì Transistor chịu dòng một chiều có cường độ tương đối lớn.  Được sử dụng để chế tạo các dụng cụ sinh hoạt (bàn là, bếp điện hay bóng đèn, ) hoặc các thiết bị trong công nghiệp (thiết bị sấy, sưởi, ) do điện trở có đặc điểm tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt.  Xác định hằng số thời gian: Trong một số mạch tạo xung, điện trở được sử dụng để xác định hằng số thời gian.  Phối hợp trở kháng: Để tổn hao trên đường truyền là nhỏ nhất cần thực hiện phối hợp trở kháng giữa nguồn tín hiệu và đầu vào của bộ khuếch đại, giữa đầu ra của bộ khuếch đại và tải, hay giữa đầu ra của tầng khuếch đại trước và đầu vào của tầng khuếch đại sau. 2.2. Tụ điện 2.2.1. Định nghĩa Tụ điện gồm 2 bản cực làm bằng chất dẫn điện được đặt song song với nhau, ở giữa là lớp cách điện gọi là chất điện môi (giấy tẩm dầu, mica, hay gốm, Page 9 Lớp điện môi Bản cực (không khí) kim loại
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ không khí). Chất cách điện được lấy làm tên gọi cho tụ điện (tụ giấy, tụ dầu, tụ gốm hay tụ không khí). C Ký hiệu Nếu điện trở tiêu thụ điện năng và chuyển thành nhiệt năng thì tụ điện tích năng lượng dưới dạng năng lượng điện trường, sau đó năng lượng được giải phóng. Điều này được thể hiện ở đặc tính tích và phóng điện của tụ điện. 2.2.2. Các tham số của tụ điện a. Điện dung của tụ điện Giá trị điện dung đặc trưng cho khả năng tích lũy năng lượng của tụ điện.  S C o d Trong đó: ε: Hệ số điện môi của chất cách điện -12 εo=8,85.10 (F/m): Hằng số điện môi của chân không S: Diện tích hiệu dụng của 2 bản cực d: Khoảng cách giữa 2 bản cực Điện dung có đơn vị là F, tuy nhiên trong thực tế 1F là giá trị rất lớn nên thường sử dụng các đơn vị khác: 1μF=10-6F; 1nF=10-9F; 1pF=10-12F Một số hệ số điện môi thông dụng: Chân không ε=1 Không khí ε=1,0006 Gốm ε =30-7500 Mica ε =5,5 Dầu ε =4 Giấy khô ε =2,2 Polystyrene ε =2,6 Page 10
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Gốm (b) C=1,5 F với chất điện môi là gốm (a) C=200pF với chất điện môi là không khí μ b. Sai số: Là độ chênh lệch tương đối giữa giá trị điện dung thực tế và giá trị danh định của tụ điện, được tính theo % C C  tt dd Cdd Ctt: Điện dung thực tế Cdd: Điện dung danh định Tùy theo yêu cầu của mạch mà dung sai của tụ điện có giá trị lớn hay nhỏ. c. Trở kháng của tụ điện Trở kháng của tụ điện đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện xoay chiều của tụ điện 1 Z j.X c j2 fC c 1 X : dung kháng của tụ c 2 fC f 0 : Zc : hở mạch đối với thành phần một chiều f : Zc 0 : ngắn mạch đối với thành phần xoay chiều d. Hệ số nhiệt của tụ điện (TCC – Temperature Co-efficient of Capacitor) Là độ thay đổi tương đối của giá trị điện dung khi nhiệt độ thay đổi 1oC, o được tính theo /oo: C TCC T 106 ( ppm/ oC) C TCC càng nhỏ thì giá trị điện dung càng ổn định, do đó mỗi loại tụ chỉ hoạt động trong một dải nhiệt độ nhất định. Page 11
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ e. Điện áp đánh thủng Khi đặt vào 2 bản cực của tụ điện áp một chiều, sinh ra một điện trường giữa 2 bản cực. Điện áp càng lớn thì cường độ điện trường càng lớn, do đó các electron có khả năng bứt ra khỏi nguyên tử trở thành các electron tự do, gây nên dòng rò. Nếu điện áp quá lớn, cường độ dòng rò tăng, làm mất tính chất cách điện của chất điện môi, người ta gọi đó là hiện tượng tụ bị đánh thủng. Điện áp một chiều đặt vào tụ khi đó gọi là điện áp đánh thủng. Khi sử dụng tụ cần chọn tụ có điện áp đánh thủng lớn hơn điện áp đặt vào tụ vài lần. Điện áp đánh thủng phụ thuộc vào tính chất và bề dày của lớp điện môi. Các tụ có điện áp đánh thủng lớn thường là các tụ có kích thước lớn và chất điện môi tốt (Mica hoặc Gốm). f. Dòng điện rò Thực tế trong chất điện môi vẫn tồn tại dòng điện có cường độ rất nhỏ, được gọi là dòng rò, khi đó có thể coi tụ điện tương đương với một điện trở có giá trị rất lớn, cỡ MΩ. Dòng rò du i C dt 2.2.3. Phân loại và ký hiệu a.Tụ có điện dung xác định Tụ điện được phân chia thành 2 dạng chính: Tụ không phân cực (không có cực tính) và tụ phân cực hoặc cũng có thể phân loại theo chất điện môi.  Tụ giấy ( Paper Capacitors): Tụ giấy là tụ không phân cực gồm các lá kim loại xen kẽ với các lớp giấy tẩm dầu được cuộn lại theo dạng hình trụ. Điện dung C=1nF0,1μF, điện áp đánh thủng của tụ giấy cỡ khoảng vài trăm Volt. Hoạt động trong dải trung tần. Ký hiệu: Page 12
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ C Lá kim loại Lớp điện môi Lá kim loại  Tụ gốm (Ceramic Capacitors): Tụ gốm là tụ không phân cực được sản xuất bằng cách lắng đọng màng kim loại mỏng trên 2 mặt của đĩa gốm hoặc cũng có thể ở mặt trong và mặt ngoài của ống hình trụ, hai điện cực được gắn với màng kim loại và được bọc trong vỏ chất dẻo. Điện dung thay đổi trong phạm vi rộng C=n.pF0,5μF, điện áp đánh thủng cỡ khoảng vài trăm Volt. Hoạt động trong dải cao tần (dẫn tín hiệu cao tần xuống đất), có đặc điểm là tiêu thụ ít năng lượng. Ký hiệu:  Tụ Mica (Mica Capacitors): Tụ Mica là tụ không phân cực được chế tạo bằng cách đặt xen kẽ các lá kim loại với các lớp Mica (hoặc cũng có thể lắng đọng màng kim loại lên các lớp Mica để tăng hệ số phẩm chất). Điện dung C=n.pF0,1μF, điện áp đánh thủng vài nghìn Volt. Độ ổn định cao, dòng rò thấp, sai số nhỏ, tiêu hao năng lượng không đáng kể, hoạt động trong dải cao tần (được sử dụng trong máy thu phát sóng Radio). Ký hiệu: Bản cực kim loại Lớp điện môi (giữa các bản cực) Bản cực kim loại Page 13
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  Tụ màng mỏng (Plastic – film Capacitors): Là tụ không phân cực, được chế tạo theo phương pháp giống tụ giấy, chất điện môi là Polyester, Polyethylene hoặc Polystyrene có tính mềm dẻo. Điện dung C=50pF-n.10μF (thông thường: 1nF-10μF), điện áp đánh thủng cỡ khoảng vài nghìn Volt, hoạt động trong các dải tần audio (âm tần) và radio (cao tần). Ký hiệu: C  Tụ điện phân (Electrolytic Capacitors): Tụ điện phân còn được gọi là tụ oxi hóa (hay tụ hóa), đây là loại tụ phân cực, gồm các lá nhôm được cách ly bởi dung dịch điện phân và được cuộn lại thành dạng hình trụ. Khi đặt điện áp một chiều lên hai bản cực của tụ điện, xuất hiện màng oxide kim loại cách điện đóng vai trò là lớp điện môi. Tụ điện phân có điện dung lớn, màng oxit kim loại càng mỏng thì giá trị điện dung càng lớn (0,1μF –n.1000μF), điện áp đánh thủng thấp (vài trăm Volt), hoạt động trong dải âm tần, dung sai lớn, kích thước tương lớn và giá thành thấp. Ký hiệu: _ + Page 14
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  Tụ Tantal: Tụ Tantal cũng là tụ phân cực trong đó Tantal được sử dụng thay cho Nhôm. Tụ Tantal cũng có giá trị điện dung lớn (0,1μF-100μF) nhưng kích thước nhỏ, dung sai nhỏ, độ tin cậy và hiệu suất cao, điện áp đánh thủng vài trăm Volt. Thường được sử dụng trong các mục đích quân sự, trong các mạch âm tần và trong các mạch số. Ký hiệu: b. Tụ xoay (Air-Varialbe Capacitors ) Có thể thay đổi giá trị điện dung của tụ điện bằng cách thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực hoặc thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực  Tụ xoay: gồm các lá động và lá tĩnh được đặt xen kẽ với nhau, hình thành nên bản cực động và bản cực tĩnh. Khi các lá động xoay làm thay đổi diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực do đó thay đổi giá trị điện dung của tụ. Giá trị điện dung của tụ xoay phụ thuộc vào số lượng các lá kim loại và khoảng không gian giữa các lá kim loại (Giá trị cực đại: 50μF-1000μF và giá trị cực tiểu: n.pF). Điện áp đánh thủng cực đại cỡ vài kV. Tụ xoay là loại tụ không phân cực và thường được sử dụng trong máy thu Radio để chọn tần Ký hiệu: C Các lá động Trục điều khiển Các lá tĩnh  Tụ vi chỉnh (Trimmer): Khác với tụ xoay là điều chỉnh diện tích hiệu dụng giữa các bản cực, tụ vi chỉnh có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi khoảng cách giữa các bản cực. Tụ vi chỉnh gồm các lá kim loại được đặt xen kẽ Page 15
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ với nhau, ở giữa là lớp điện môi, khoảng cách giữa các bản cực được thay đổi nhờ ốc vit điều chỉnh. Vit điều chỉnh Bản cực trên Lớp điện môi Bản cực dưới Đế Hình 2.Tụ vi chỉnh Thông thường tụ vi chỉnh được nối song song với tụ xoay để tăng khả năng điều chỉnh. Giá trị điện dung C (n.pF-200pF), điện áp đánh thủng trung bình, hiệu suất cao (tổn hao năng lượng thấp). Tụ vi chỉnh cũng là tụ không phân cực.  Tụ đồng trục chỉnh: Tụ đồng trục gồm 2 ống hình trụ kim loại được bọc lớp nhựa lồng vào nhau. Lớp nhựa đóng vai trò là lớp điện môi. Ống ngoài cố định đóng vai trò là bản cực tĩnh, ống bên trong có thể trượt đóng vai trò là bản cực động, do đó diện tích hiệu dụng giữa 2 bản cực có thể thay đổi làm thay đổi điện dung của tụ. Giá trị điện dung (C=n.pF-100pF), được ứng dụng trong dải cao tần. Ống cố định Ống trượt (bên ngoài) (bên trong) Lớp điện môi Điện cực 2.2.4. Cách ghi và đọc thamHình số 2. của Tụ đồngtụ điện trục chỉnh a. Ghi trực tiếp: Đồi với các tụ có kích thước lớn (Tụ hóa, Tụ tantal) có thể ghi trực tiếp các thông số trên thân của tụ  Giá trị điện dung  Điện áp đánh thủng Page 16
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ b. Ghi theo quy ước  3 chữ số và 1 chữ cái: . Đơn vị là pF . 2 chữ số đầu có nghĩa thực . Chữ số thứ 3 biểu diễn bậc của lũy thừa 10 . Chữ cái biểu diễn sai số Ví dụ: 0.047/200V: C=0,047μF; UBR=200V 2.2/35: C=2,2μF; UBR=35V 102J: C=10.102pF=1nF; δ=5% .22K:C=0,22μF; δ=10% Bảng ý nghĩa của chữ số thứ 3 Sai số Chữ số Hệ số nhân B=0,1% H=3% 0 100 C=0,25% J=5% 1 1 10 D (E)=0,5% K=10% 2 102 F=1% M=20% 3 103 G=2% N=0,05% 4 104 5 105 8 10-2 9 10-1 2.2.5. Ứng dụng Dung kháng của tụ: Page 17
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1 X c 2 fC Nhận xét: Dung kháng của tụ tỷ lệ nghịch với tần số f của dòng điện. Tần số càng cao thì dung kháng của tụ càng nhỏ và ngược lại. Vậy có thể nói, tụ có tác dụng chặn thành phần một chiều ( f 0; Xc ) và dẫn tín hiệu cao tần. Dựa vào tính chất đó mà tụ điện được ứng dụng trong các mạch: . Tụ ghép tầng: Ngăn thành phần một chiều mà chỉ cho thành phần xoay chiều qua, cách ly các tầng về thành phần một chiều, đảm bảo điều kiện hoạt động độc lập của từng tầng trong chế độ một chiều. Đối với tín hiệu cao tần có thể sử dụng tụ phân cực hoặc tụ không phân cực, tuy nhiên đối với tín hiệu tần số thấp phải sử dụng tụ phân cực (Tụ hóa, tụ Tantal có điện dung lớn). . Tụ thoát: Loại bỏ tín hiệu không hữu ích xuống đất (tạp âm) . Tụ lọc: Được sử dụng trong các mạch lọc (thông cao, thông thấp, thông dải hoặc chặn dải) (Kết hợp với tụ điện hoặc cuộn dây để tạo ra mạch lọc thụ động). . Tụ cộng hưởng: Dùng trong các mạch cộng hưởng LC để chọn tần Ngoài ra tụ còn có tính chất tích và phóng điện nên được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu để là phẳng điện áp một chiều. 2.3. Cuộn cảm 2.3.1. Định nghĩa và ký hiệu Cuộn dây là môt dây dẫn được bọc lớp sơn cách điện quấn nhiều vòng liên tiếp trên lõi sắt. Lõi của cuộn dây có thể là: Lõi không khí, lõi sắt bụi hay lõi sắt lá Lõi không khí Lõi sắt lá Lõi sắt bụi 2.3.2. Đặc tính của cuộn dây a. Tạo từ trường bằng dòng điện Page 18
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Khi cho dòng điện một chiều qua cuộn dây, dòng điện sẽ tạo nên từ trường đều trong lõi cuộn dây (được xác định theo quy tắc vặn nút chai). n Cường độ từ trường: H I [A/m] l n: Số vòng dây l: Chiều dài của lõi [m] I: cường độ dòng điện [A] Cường độ từ cảm: B oH [T] (Tesla) -7 μo: Độ từ thẩm của chân không μo=4π.10 (H/m) μ : Độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ so với chân không Nếu cường độ dòng điện I không đổi thì H và B là từ trường đều Nếu cường độ dòng điện i thay đổi thì H và B là từ trường biến thiên b. Tạo dòng điện bằng từ trường  Hiện tượng cảm ứng điện từ Định luật Faraday: Nếu từ thông qua một cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra trong cuộn dây một sức điện động cảm ứng có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông. Định luật Lentz: Sức điện động cảm ứng sinh ra dòng điện cảm ứng có chiều chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó.  Sức điện động cảm ứng:e n. cu t Page 19
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ n : số vòng dây  : lượng từ thông biến thiên qua cuộn dây t : khoảng thời gian biến thiên  Hiện tượng tự cảm: Nếu dòng điện qua một cuộn dây biến thiên sẽ sinh ra một sức điện động tự cảm trong lòng cuộn dây chống lại sự biến thiên của dòng điện sinh ra nó và có độ lớn tỷ lệ với tốc độ biến thiên của dòng điện. i Sức điện động tự cảm: e L. (L: Hệ số tự cảm [H]) tc t  Hiện tượng hỗ cảm: Khi có hai cuộn dây được quấn chung trên một lõi hoặc được đặt gần nhau, khi đó dòng điện biến thiên ở cuộn này sinh điện áp hỗ cảm ở cuộn kia. i Sức điện động hỗ cảm: e M (M: Hệ số hỗ cảm) hc t 2.3.3. Các tham số của cuộn cảm a. Hệ số tự cảm L Đặc trưng cho khả năng cảm ứng của cuộn dây  n2 L n =  . S i o l b.Trở kháng của cuộn dây Trong thực tế luôn tồn tại điện trở thuần R bên trong cuộn dây ZL RL j2 fL Cảm kháng của cuộn dây: X L 2 fL Page 20
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ RL > R , tổn hao trên cuộn dây càng nhỏ, dây cuốn là kim loại dẫn điện tốt. d. Tần số làm việc giới hạn của cuộn dây Do các vòng dây được cách ly với nhau bởi lớp cách điện nên tồn tại tụ điện ký sinh trong cuộn dây, trong miền tần số thấp có thể bỏ qua ảnh hưởng của điện dung ký sinh nhưng trong miền tần số cao cuộn dây tương đương với một mạch cộng hưởng song song. Tần số cộng hưởng: C 1 fo 2 LC L Nếu f>fo, cuộn dây mang tính dung nhiều hơn tính cảm, nên fo được gọi là tần số làm việc giới hạn của cuộn dây. 2.3.4. Phân loại và ứng dụng a. Theo lõi cuộn dây  Cuộn dây lõi không khí (air-core coils) Cuộn dây có lõi bằng nhựa, gỗ hay vật liệu không từ tính. Cuộn dây lõi không khí có hệ số tự cảm nhỏ (<1mH) và thường được ứng dụng trong miền tần số cao (trong máy thu phát sóng vô tuyến hay trong mạng anten). Do không Page 21
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ tiêu hao năng lượng điện dưới dạng nhiệt nên cuộn dây lõi không khí có hiệu suất cao.  Cuộn dây lõi sắt bụi Có lõi là bột sắt nguyên chất trộn với chất dính không từ tính. Cuộn dây lõi sắt bụi có hệ só tự cảm lớn hơn so với cuộn dây lõi không khí phụ thuộc vào tỷ lệ pha trộn. Thường được sử dụng ở khu vực tần số cao và trung tần  Cuộn dây lõi sắt lá Độ từ thẩm của lõi sắt từ lớn hơn rất nhiều so với độ từ thẩm của sắt bụi nên cuộn dây lõi sắt từ có hệ số tự cảm lớn, thường được ứng dụng trong miền tần số thấp (âm tần). b.Theo ứng dụng: Cuộn lọc, cuộn cộng hưởng hay cuộn chặn. Ngoài ra trong thực tế cuộn dây còn được ứng dụng trong lĩnh vực truyền vô tuyến, Relay điện từ hoặc máy phát điện, 2.4. Máy biến áp 2.4.1. Định nghĩa và ký hiệu Máy biến áp được sử dụng để tăng hoặc giảm điện áp của nguồn xoay chiều mà vẫn giữ nguyên tần số. Biến áp gồm hai hay nhiều cuộn dây tráng sơn cách điện được quấn chung trên một lõi. Lõi của máy biến áp có thể là sắt lá, sắt ferit hay lõi không khí. Cuộn sơ cấp Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp Cuộn thứ cấp Cuộn dây được nối với nguồn cấp được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây được nối với tải được gọi là cuộn sơ cấp. Ký hiệu: Lõi sắt lá Lõi sắt bụi Lõi không khí Page 22
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Trong thực tế để tiết kiệm người ta có thể chỉ cần sử dụng một cuôn dây được gọi là biến áp tự ngẫu, tuy nhiên giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp không được cách ly về điện. Nguyên lý: Khi cho nguồn điện xoay chiều qua cuộn sơ cấp, dòng điện biến thiên sinh ra từ trường biến đổi và được cảm ứng sang cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng e2, mặt khác trên cuộn sơ cấp cũng xuất hiện sức điện động cảm ứng e1  Cuộn sơ cấp: e n . 1 1 t  Cuộn thứ cấp: e n . 2 2 t Trong đó: n1, n2 lần lượt là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. 2.4.2. Các tỷ lệ của biến áp u e n Tỷ lệ về điện áp: 1 1 1 u2 e2 n2 i n Tỷ lệ về dòng điện: 1 2 i2 n1 Tỷ lệ về công suất Công suất tiêu thụ ở cuộn sơ cấp: P1 u1.i1 Công suất tiêu thụ ở cuộn thứ cấp: P2 u2.i2 Page 23
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Một biến áp lý tưởng coi như không có sự tiêu hao năng lượng trên hai cuộn dây sơ cấp, thứ cấp và mạch từ nên khi đó : P1=P2 Tuy nhiên một máy biến áp thực tế luôn có công ở cuộn thứ cấp nhỏ hơn công suất của cuộn sơ cấp do cuộn sơ cấp và thứ cấp có điện trở thuần tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt ngoài ra dòng điện Foucault xuất hiện trong lõi từ cũng tiêu hao một phần năng lượng. Hiệu suất của máy biến áp: P  2 .100% P1 max (80 90)% Để tăng hiệu suất của máy biến áp cần phải giảm tổn hao bằng cách sử dụng các lá sắt mỏng tráng sơn cách điện, dây quấn có tiết diện lớn và ghép chặt. 2 R1 n1 Tỷ lệ về tổng trở: R2 n2 2.4.3. Phân loại và ứng dụng của máy biến áp Biến áp nguồn: Cấp điện áp xoay chiều cho các mạch điện và điện tử, có thể có kích thước từ nhỏ tới lớn, được sử dụng trong các trạm biến áp, đồng thời có tác dụng cách ly các linh kiện với nguồn cao áp. Biến áp cao tần: Được sử dụng trong các bộ thu phát sóng Radio, lõi có thể là lõi sắt bụi hoặc lõi không khí, tuy nhiên nhược điểm của lõi không khí là phần lớn các đường cảm ứng từ đều đi ra ngoài, điều này ảnh hưởng đến đặc tính của máy biến áp. Biến áp âm tần: Dải tần làm việc (20Hz-20kHz), thực hiện phối hợp trở kháng (tối thiểu hóa thành phần điện cảm trong mạch), tuy nhiên kích thước và trọng lượng lớn nên ngày càng ít được sử dụng. Page 24
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG II. CÁC LINH KIỆN TÍCH CỰC I. Chất bán dẫn (Semiconductor) 1.1.1. Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể Trong mạng tinh thể của chất rắn, tùy theo các mức năng lượng mà các điện tử có thể chiếm chỗ hay không chiếm chỗ, người ta phân biệt ba vùng năng lượng khác nhau: Vùng hóa trị (vùng đầy): Tất cả các mức năng lượng đều đã bị điện tử chiếm chỗ, không có mức năng lượng tự do. Vùng dẫn (vùng trống): Các mức năng lượng đều còn trống hoặc có thể bị chiếm chỗ một phần. Vùng cấm: Trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 vùng trên, các chất rắn được chia làm 3 loại (xét tại 0oK). Năng lượng vùng cấm: EEEg c v Trong đó Ec: Năng lượng đáy vùng dẫn Ev: Năng lượng đỉnh vùng hóa trị Vùng dẫn Ec Vùng dẫn Vùng cấm E Eg c Vùng cấm Vùng dẫn Eg Ev Ev Vùng hóa trị Vùng hóa trị Vùng hóa trị Eg 2 eV : Chất cách điện 02eV Eg eV : Chất bán dẫn Eg 0 eV : Chất dẫn điện Hình 1. Phân loại chất rắn theo cấu trúc vùng năng lượng Để tạo dòng điện trong chất rắn cần phải thực hiện 2 quá trình: quá trình tạo hạt dẫn tự do nhờ năng lượng kích thích và quá trình chuyển động có hướng của các hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường. Page 25
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1.2. Chất bán dẫn thuần (intrinsic) Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Ge và Si có năng lượng vùng cấm: Eg(Ge)=0,72eV và Eg(Si)=1,12eV, thuộc nhóm IV trong hệ thống tuần hoàn. Trong mạng tinh thể, các nguyên tử Ge (Si) liên kết với nhau theo kiểu cộng hóa trị (các nguyên tử đưa ra các electron hóa trị liên kết với các nguyên tử xung quanh). Chất bán dẫn thuần thực chất không phải là một chất cách điện tốt và cũng không phải là một chất dẫn điện tốt. Tại nhiệt độ phòng, độ dẫn điện của Si bằng khoảng 10-10 độ dẫn điện của một vật dẫn kim loại và bằng khoảng 1014 lần so với một chất cách điện tốt. Tuy nhiên có thể tăng độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần bằng cách đốt nóng hoặc chiếu sáng tinh thể bán dẫn để tăng số lượng hạt dẫn. Khi được một nguồn năng lượng bên ngoài kích thích, xảy ra hiện tượng ion hóa các nguyên tử nút mạng và sinh ra từng cặp hạt dẫn tự do: điện tử và lỗ trống. Điều này tương đương với sự dịch chuyển của một điện tử từ 1 mức năng lượng trong vùng hóa trị lên 1 mức năng lượng trong vùng dẫn và đồng thời để lại 1 mức năng lượng tự do trong vùng hóa trị được gọi là lỗ trống. Các hạt dẫn tự do này dưới tác dụng của điện trường ngoài hoặc do sự chênh lệch về nồng độ có khả năng dịch chuyển có hướng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn. Một đặc điểm quan trọng trong chất bán dẫn đó là điện tử không phải là hạt mang điện duy nhất mà lỗ trống cũng được coi là hạt mang điện nên dòng điện trong chất bán dẫn luôn gồm hai thành phần do sự chuyển dời có hướng của điện tử và lỗ trống. : Điện tử : Lỗ trống Hình 2. Cơ chế phát sinh cặp hạt dẫn tự do trong chất bán dẫn thuần . Trong chất bán dẫn thuần, mật độ của điện tử và lỗ trống là bằng nhau: ni=pi Page 26
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Một phương pháp hiệu quả và đơn giản hơn để tăng khả năng dẫn điện của chất bán dẫn là pha tạp chất. 1.1.3.Chất bán dẫn pha tạp a. Chất bán dẫn pha tạp loại n Tiến hành pha các nguyên tử thuộc nhóm 5 trong bảng tuần hoàn (Antimony hoặc Phosphorus) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần nhờ công nghệ đặc biệt với nồng độ cao (1010 đến 1018 nguyên tử/cm3). Nguyên tử tạp chất liên kết với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thừa một điện tử hóa trị, liên kết yếu với hạt nhân và dễ dàng bị ion hóa nhờ 1 nguồn năng lượng yếu, tách khỏi hạt nhân và trở thành electron tự do và tạo nên ion dương tạp chất bất động. Tại nhiệt độ phòng, toàn bộ các nguyên tử tạp chất đều bị ion hóa. Ngoài ra, hiện tượng phát sinh hạt dẫn giống như cơ chế của chất bán dẫn thuần vẫn xảy ra nhưng với mức độ yếu hơn. Mức năng lượng tạp chất loại n hay loại cho điện tử (donor) phân bố bên trong vùng cấm, sát đáy vùng dẫn. Nếu một nguyên tử chất bán dẫn thuần được thay thế bởi một nguyên tử tạp chất thì độ dẫn điện của chất bán dẫn pha tạp tăng 105 lần so với chất bán dẫn thuần. Trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion dương tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn pha tạp loại n gồm 2 thành phần : điện tử- hạt dẫn đa số (majority) có nồng độ là nn và lỗ trống- hạt dẫn thiểu số (minority) có nồng độ là pn (nn pn ). Mức năng lượng tạp chất loại n Hình 3. Cơ chế phát sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn pha tạp loại n b. Chất bán dẫn pha tạp loại p Tiến hành pha tạp chất thuộc nhóm 3 trong bảng tuần hoàn (Boron hoặc Aluminum) vào mạng tinh thể chất bán dẫn thuần với nồng độ cao. Nguyên tử Page 27
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ tạp chất khi liên kết với các nguyên tử chất bán dẫn thuần trong mạng tinh thể sẽ thiếu một điện tử hóa trị nên 1 liên kết bị khuyết và được gọi là lỗ trống dễ dàng nhận điện tử, và khi đó nguyên tử tạp chất bị ion hóa tạo nên ion âm tạp chất bất động đồng thời phát sinh lỗ trống tự do . Mức năng lượng tạp chất loại p hay loại nhận điện tử (acceptor) nằm trong vùng cấm sát đỉnh vùng hóa trị. Ngoài ra, vẫn xảy ra cơ chế phát sinh hạt dẫn giống trong chất bán dẫn thuần với mức độ yếu hơn. Trong mạng tinh thể tồn tại nhiều ion âm tạp chất bất động và dòng điện trong chất bán dẫn pha tạp loại p gồm 2 thành phần: lỗ trống- hạt dẫn đa số có nồng độ pp và điện tử-hạt dẫn thiểu số có nồng độ np ( p p np ). Mức năng lượng tạp chất loại p Hình 4. Cơ chế phát sinh hạt dẫn trong chất bán dẫn pha tạp loại p Kết luận:  Ở trạng thái cân bằng, tích số nồng độ 2 loại hạt dẫn luôn là hằng số Eg 2 kT nn  pn n p  p p ni  pi ni Nc  Nv  e  Trong chất bán dẫn pha tạp loại n: nn ni pn nên: nn ND  Trong chất bán dẫn pha tạp loại p: pp pi np nên: p p N A 1.2. Diode bán dẫn Khi cho 2 đơn tinh thể bán dẫn tạp chất loại p và n tiếp xúc công nghệ với nhau hình thành nên chuyển tiếp p-n (junction p-n). 1.2.1. Sự hình thành miền điện tích không gian: Page 28
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Do có sự chênh lệch về nồng độ p p pn và nn np nên tại miền tiếp xúc xảy ra hiện tượng khuếch tán các hạt dẫn đa số (lỗ trống chuyển động từ p→n và điện tử chuyển động từ n→p), gây nên dòng khuếch tán gồm 2 thành phần: dòng chuyển dời có hướng của điện tử và của lỗ trống có chiều quy ước p→n. Nếu mức pha tạp của 2 miếng bán dẫn loại p và loại n bằng nhau thì 2 thành phần dòng có cường độ bằng nhau, nhưng thông thường người ta pha tạp 2 miếng bán dẫn với nồng độ khác nhau ( N A ND ). E Ikt tx p n p n Jp_n Hình 5. Cấu trúc của chuyển tiếp p-n Khi các hạt dẫn đa số dịch chuyển để lại các ion tạp chất gần bề mặt tiếp giáp, do đó xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo nên, có độ rộng lo, nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở rất lớn, được gọi là miền nghèo, hay tiếp giáp Jp-n hoặc chuyển tiếp Jp-n, miền nghèo ăn sâu vào miền bán dẫn được pha tạp với nồng độ thấp hơn ( N A ND lop lon ), đồng thời xuất hiện một điện trường trong có hướng từ n→p, được gọi là điện trường tiếp xúc Etx. Hình thành nên một hàng rào điện thế hay một điện thế tiếp xúc Utx Etx lo . Điện trường Etx cản trở chuyển động khuếch tán và nhưng gây nên chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số qua miền tiếp xúc, dòng trôi ngược chiều với dòng khuếch tán. Nếu chuyển động khuếch tán xảy ra mạnh, độ rộng miền nghèo tăng, điện trường Etx tăng, cản trở chuyển động khuếch tán và kích thích chuyển động trôi và dẫn tới trạng thái cân bằng động: Ikt=Itrôi, tức là vẫn tồn tại 2 dòng điện nhưng ngược chiều nhau. Hiệu điện thế tiếp xúc được xác định: kT p kT n U ln p ln n (2) tx q pn q np Page 29
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Chuyển động trôi là sự chuyển dời có hướng của các hạt dẫn dưới tác động của từ trường còn chuyển động khuếch tán được gây nên bởi sự chênh lệch về nồng độ. Với những điều kiện tiêu chuẩn và tại nhiệt độ phòng, hiệu điện thế tiếp xúc (Utx) có giá trị khoảng 0,3V với tiếp giáp làm từ Ge và 0,6V với tiếp giáp làm từ Si. 1.2.2. Tiếp giáp Jp-n khi có điện trường ngoài a. Phân cực thuận Điện trường ngoài Eng tập trung chủ yếu trong miền điện tích không gian có chiều ngược chiều với Etx (cực dương→p và cực âm→n). Theo nguyên lý xếp chồng, điện trường tổng Et Etx Eng hay Et Etx Eng . Vậy cường độ điện trường tổng Et Etx , độ rộng miền nghèo giảm, làm tăng chuyển động khuếch tán của hạt dẫn đa số, hay cường độ dòng điện Ikt tăng, cường độ dòng điện trôi Itrôi giảm. Người ta gọi đó là hiện tượng phun hạt dẫn đa số qua tiếp giáp Jp-n và trường hợp này được gọi là phân cực thuận cho chuyển tiếp p-n. (Thường điện áp phân cực thuận nhỏ hơn điện áp tiếp xúc hay hàng rào thế). Etx p n + _ Eng Hình 6. Phân cực thuận cho Jp-n b. Phân cực ngược Điện trường ngoài Eng cùng chiều với Etx (cực dương→n, cực âm→p). Khi đó cường độ điện trường tổng Et Etx Eng hay Et Etx Eng Etx độ rộng miền nghèo tăng, cản trở chuyển động khuếch tán, dòng khuếch tán Ikt giảm tới 0, dòng trôi Itr tăng chút ít và nhanh chóng đạt được giá trị bão hòa được gọi là dòng ngược bão hòa. Trường hợp này được gọi là phân cực ngược cho chuyển tiếp p-n. Etx p n Page 30 _ + Eng
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.2.3. Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý làm việc của diode bán dẫn a.Cấu tạo và ký hiệu Diode bán dẫn có cấu tạo là một chuyển tiếp p-n với một điện cực nối tới miền p gọi là Anode(A) và một điện cực được nối tới miền n được gọi là Cathode (K), liên kết đó được gọi là liên kết Ohmic và có thể coi là một điện trở có giá trị nhỏ nối tiếp với diode ở mạch ngoài. Etx p n A K A K Jp-n Hình 8. Cấu tạo và ký hiệu của Diode b.Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt_Ampere Dưới tác động của điện trường ngoài diode hoạt động như van một chiều:  Khi phân cực thuận (UAK>0)  Ban đầu, khi điện áp UAK vẫn còn nhỏ dòng ID tăng theo hàm số mũ của điện áp: U AK m.UT I D I S e 1 (3) Trong đó: Is(T) là dòng ngược bão hòa, phụ thuộc vào nồng độ của hạt dẫn thiểu số tại trạng thái cân bằng, phụ thuộc vào bản chất cấu tạo của chất bán dẫn pha tạp và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. Page 31
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ kT -23 UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage); UT= 26mV ; k=1,38.10 J/K: q hằng số Boltzman; q=1,6.10-19 (C) điện tích của hạt mang điện; K: nhiệt độ được đo bằng đơn vị Kenvil. m: hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế. ID(mA) ID(mA) U AK UAK(V) UAK(V) a) b) Hình 9. (a) Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode, (b) Miền gần gốc  Nếu UAK>0,1V có thể biểu diễn hàm quan hệ giữa ID và UAK: U AK m.UT ID IS . e (4) Tuy nhiên với giá trị UAK đủ lớn thì quan hệ giữa dòng ID và điện áp UAK không theo phương trình trên. Khi UAK đạt giá trị bằng điện áp ngưỡng Uth diode dẫn mạnh, dòng ID tăng mạnh, tiếp giáp p-n được coi là điện trở thuần có giá trị rất nhỏ.  Khi phân cực ngược (UAK<0)  Khi điện áp phân cực ngược U AK còn nhỏ, dòng ID quan hệ với điện áp UAK theo phương trình (3) U AK m.U T  Khi U AK 0,1V có thể biểu diễn: ID=-Is (do e 1). Page 32
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng ID có giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược dòng qua diode chỉ là dòng ngược bão hòa Is có giá trị rất nhỏ. Điều này thể hiện tính chất van một chiều của diode. IS (mA) UAK(V) Hình 10. Phân cực ngược cho diode  Vùng đánh thủng (UAK<0 và U AK đủ lớn): Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn đạt được giá trị điện áp đánh thủng (UBR), dòng ID tăng đột ngột nhưng điện áp UAK không tăng. Khi đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng và diode mất tính chất van. Có hai hiện tượng đánh thủng chính: Đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện. Đánh thủng vì nhiệt: Do các hạt dẫn thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh nên va chạm với các nguyên tử nút mạng làm cho nhiệt độ tại miền tiếp xúc tăng, làm phát sinh cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống. Số hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục va chạm với các nguyên tử nút mạng, càng làm nhiệt độ tăng và số lượng hạt dẫn tăng một cách đột ngột, cường độ dòng ngược tăng đột biến và làm phá hỏng tiếp giáp p-n. Đánh thủng vì điện: theo hai cơ chế là cơ chế thác lũ và cơ chế xuyên hầm (Tunnel hay Zener). Page 33
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  Cơ chế đánh thủng thác lũ: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh va chạm với các nguyên tử nút mạng, cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do, hiện tượng ion hóa nguyên tử này được gọi là hiện tượng ion hóa do va chạm, làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống tự do. Và các hạt dẫn mới được phát sinh tiếp tục được gia tốc trong điện trường mạnh và ion hóa các nguyên tử khác khi đó số hạt dẫn trong miền điện tích không gian tăng lên đột ngột như “thác lũ” làm cho điện trở suất giảm và cường độ dòng ngược tăng đột biến, chuyển tiếp p-n bị đánh thủng. Trong hầu hết các chuyển tiếp p-n, đánh thủng theo cơ chế thác lũ luôn chiếm ưu thế.  Cơ chế đánh thủng xuyên hầm: Cường độ điện trường mạnh cũng cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị của nguyên tử chất bán dẫn thuần để có thể bứt ra khỏi hạt nhân trở thành electron tự do. Hiện tượng ion hóa này được gọi là ion hóa do điện trường. Nếu cường độ điện trường ngược đủ lớn làm số lượng các hạt dẫn tăng lên một cách đáng kể hay cường độ dòng điện ngược tăng đột ngột và tiếp giáp p-n bị đánh thủng. Có thể hình dung trong cơ chế đánh thủng xuyên hầm các electron tự do từ vùng hóa trị của miền p dịch chuyển xuyên qua độ rộng đường hầm sang vùng dẫn của miền n. 1.2.4. Ứng dụng a. Chỉnh lưu: Biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều (nắn điện)  Chỉnh lưu nửa chu kỳ (half-wave Rectifier) : D -12/12V vs R=1kΩ 1kHz Diode được coi là lý tưởng: UAK 0 : diode thông hoàn toàn Page 34
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ UAK <0: diode ngắt Trong nửa chu kỳ dương, UAK 0 , diode cho tín hiệu qua, vo=vi Trong nửa chu kỳ âm, UAK<0, diode ngắt, hở mạch, vo=0. Page 35
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  Chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ(Full-wave Rectifier) : Trong nửa chu kỳ dương: diode D1 thông, D2 ngắt, dòng qua D1 và tải RL Trong nửa chu kỳ âm: diode D1 ngắt và D2 thông, dòng qua D2 và tải RL Vậy trên tải RL xuất hiện điện áp trong cả 2 nửa chu kỳ D1 vi v1 D2 RL  Chỉnh lưu cầu(Bridge Rectifier) : Hình 11. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ V1 -12/12V DB v s 50 Hz R= 1k Hình 12.Chỉnh lưu cầu Page 36
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Chỉnh lưu với tụ lọc C: Tín hiệu sau chỉnh lưu có hệ số gợn lớn, tụ C đóng vai trò là phẳng điện áp do hiện tượng phóng nạp hay còn gọi là lọc để giảm hệ số gợn. b. Hạn biên (clipper) Tín hiệu xoay chiều đầu ra bị giới hạn tại một giá trị điện áp xác định. Mạch hạn biên trên hoặc mạch hạn biên dưới được mắc theo kiểu nối tiếp hay kiểu song song  Mạch hạn biên mắc nối tiếp: Hạn chế trên mức E (a) Hạn chế dưới mức E (b) D D -12/12V -12/12V R =10kΩ v R=10kΩ s vs + 1kHz 1kHz E =5V E=5V +  Mạch hạn biên mắc song song: Hạn chế trên mức E (a) Hạn chế dưới mức E (b) R R Ω -10/10V 22kΩ D -12/12V 47k D v + v + s E s E 2kHz 5V 2kHz 5V Page 37
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Page 38
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ c. Mạch ghim (clamper) Tín hiệu ac đầu ra được dịch (shift) một giá trị điện áp dc so với tín hiệu điện áp đầu vào để khôi phục thành phần dc của tín hiệu đầu vào. Tại thời điểm ban đầu, tụ chưa tích điện. Trong nửa chu kỳ dương đầu tiên của tín hiệu đầu vào, khi điện áp đầu vào lớn hơn điện áp ngưỡng của diode, diode thông hoàn toàn, tụ được tích điện đến giá trị cực đại: Ucmax=vi-E (trong đó Vi là biên độ điện áp đầu vào). Do tụ không thể phóng điện qua diode nên, vo=vi- Ucmax, hay có thể nói điện áp đầu ra được dịch so với điện áp đầu vào một giá trị điện áp dc (Ucmax). C -10/10V D vs + 1kHz E = 2V Hình 14. Mạch ghim điện áp Page 39
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.2.5. Một số diode đặc biệt a. Diode Zener (diode ổn áp) Diode Zener là một diode đặc biệt được pha tạp chất với nồng độ rất cao và có thể hoạt động trong miền đánh thủng của đặc tuyến Volt-Ampere. Trong miền phân cực thuận, diode Zener hoạt động như một diode chỉnh lưu thường. Trong miền phân cực ngược, khi điện áp phân cực ngược đạt được giá trị điện áp Uz=-UBR, dòng qua diode (Iz) tăng mạnh, nhưng điện áp Uz=const, nên diode Zener được sử dụng để ổn định điện áp một chiều. b. Varactor diode (diode biến dung) Tiếp giáp p-n khi được phân cực ngược có thể được coi tương đương như một tụ điện (do miền điện tích không gian nghèo hạt dẫn đa số nên có điện trở suất lớn), độ rộng của miền điện tích không gian phụ thuộc vào điện áp phân cực ngược nên giá trị điện dung của miền điện tích không gian thay đổi theo giá trị điện áp phân cực ngược. Diode biến dung được ứng dụng trong các mạch cộng hưởng chọn tần: Mạch điều chỉnh tần số tự động - AFC (Automatic frequency Controller) hay VCO (Voltage-Controlled Oscillator). Page 40
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ c. Photo diode (Diode thu quang) Là một linh kiện biến đổi quang năng thành điện năng. Có cấu tạo giống diode chỉnh lưu nhưng vỏ bọc cách điện bên ngoài có một phần là kính hoặc thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng chiếu vào tiếp giáp p-n. Diode thu quang cũng hoạt động trong miền phân cực ngược. Khi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp p- n cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị để có thể bứt ra khỏi hạt nhân nguyên tử, làm phát sinh cặp hạt dẫn điện tử-lỗ trống tự do. Cường độ dòng ngược tăng tuyến tính với cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp. Diode thu quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động theo cường độ ánh sáng. d. LED (Light Emitting Diode- diode phát quang) Là linh kiên biến đổi điện năng thành quang năng, được pha tạp với nồng độ cao tinh thể bán dẫn tạp chất loại p hoặc loại n tới mức suy biến, độ rộng vùng cấm hẹp lại. Khi một điện áp thuận được đặt vào chuyển tiếp p-n, các hạt dẫn đa số chuyển động khuếch tán qua tiếp giáp p-n và trở thành hạt thiểu số trội, sau đó chúng khuếch tán sâu vào đơn tinh thể bán dẫn trung hòa về điện và tái hợp với hạt dẫn đa số và khi đó phát ra ánh sáng. Hiện tượng đó là khi các electron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp kèm theo phát xạ các photon, được gọi là hiện tượng tái hợp hạt dẫn. LED có thể phát ra ánh sáng trông thấy phụ thuộc vào điện áp ngưỡng. Điện áp ngưỡng rơi trên LED thường cao hơn diode chỉnh lưu. Page 41
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.3. Transisor Transistor là một linh kiện điện tử gồm 3 điện cực có khả năng khuếch đại dòng, điện áp hay công suất. Nguyên lý cơ bản của Transistor đó là điện áp giữa 2 cực của nó điều khiển cường độ dòng điện của cực thứ 3. Có 2 loại Transistor: Transistor lưỡng cực ( Bipolar Juction Transistor BJT) và Transistor trường (Field-Effect Transistor FET). Mỗi Transistor có một ưu điểm và đặc tuyến riêng và do đó cũng được ứng dụng trong những phạm vi riêng. Transistor BJT FET npn pnp MOSFET JFET Kênh cảm ứng Kênh đặt sẵn Kênh n Kênh p Kênh n Kênh p Kênh n Kênh p Hình 15. Sơ đồ phân loại Transistor 3.3. Transisor lưỡng cực (Bipolar Junction Transistor - BJT) BJT gồm 3 lớp bán dẫn tạp chất tiếp xúc công nghệ xen kẽ nhau, hình thành nên 2 tiếp giáp Jp-n (phi tuyến) kết hợp với 3 tiếp xúc Ohmic (tuyến tính) và đưa ra 3 điện cực: Emitter (Cực phát), Base (Cực gốc) và Collector (Cực góp). Có 2 kết cấu đặc trưng: npn và pnp nhưng Transistor loại npn được sử dụng rộng rãi hơn. 1.3.1. Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của Transistor a. Cấu tạo, ký hiệu Page 42
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Ba miền của Transistor được pha tạp với nồng độ khác nhau và có độ rộng cũng khác nhau: + Miền Emitter pha tạp với nồng độ cao nhất và độ rộng trung bình + Miền Base pha tạp với nồng độ nhỏ nhất và mỏng nhất + Miền Collector pha tạp với nồng độ trung bình nhưng độ rộng lớn nhất Tiếp giáp Emitter - Base được gọi là: JB-E (JE) Tiếp giáp Collector - Base được gọi là: JB-C (JC) Hình 16. Cấu tạo và ký hiệu của BJT Có thể coi Transistor tương đương với 2 diode mắc đối nhau nhưng không có nghĩa cứ mắc 2 diode đối nhau có thể hoạt động giống như Transistor vì khi đó không có sự tương hỗ lẫn nhau giữa 2 tiếp giáp JB-E và JB-C. Transistor có 2 tiếp giáp p-n nên có thể có 4 khả năng phân cực cho 2 tiếp giáp JE JC Miền làm việc Ứng dụng Phân cực ngược Phân cực ngược Miền cắt Khóa Phân cực thuận Phân cực ngược Miền tích cực Khuếch Page 43
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ đại Phân cực thuận Phân cực thuận Miền bão hòa Khóa Tích cực Phân cực ngược Phân cực thuận ngược Để Transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại (hay trong miền tích cực), JE được phân cực thuận và JC phân cực ngược. Nếu JE và JC đều được phân cực thuận hoặc đều được phân cực ngược thì Transistor hoạt động như một khóa điện tử với hai trạng thái: Trạng thái ngắt và trạng thái thông bão hòa, được ứng dụng trong các mạch xung và mạch số. b. Nguyên lý hoạt động ( npn) Khi JE được phân cực thuận (UBE>0), dòng điện qua JE chủ yếu là dòng khuếch tán của các hạt dẫn đa số, điện tử từ miền Emitter được phun vào miền Base đồng thời lỗ trống từ miền Base khuếch tán sang miền Emitter, tuy nhiên do nồng độ pha tạp của miền Base rất thấp nên cường độ dòng lỗ trống nhỏ hơn rất nhiều so với cường độ dòng điện tử, nên có thể coi dòng IE là dòng của các điện tử, phụ thuộc chủ yếu vào điện áp UBE. Khi các điện tử được phun từ miền Emitter sang miền Base, tiếp tục khuếch tán sâu vào trong miền Base và xảy ra hiện tượng tái hợp hạt dẫn, dòng IB gồm 2 thành phần: dòng lỗ trống (hạt dẫn đa số) khuếch tán sang miền Emitter (IB1) và dòng lỗ trống tái hợp với electron (IB2). Do độ rộng của miền Base rất mỏng nên chỉ có một số rất ít các điện tử tái hợp với lỗ trống trong miền Base còn đa số điện tử tới được chuyển tiếp JC, JC phân cực ngược nên electron được cuốn sang miền Collector. Dòng điện IC trong miền Collector gồm 2 thành phần: ICBo: dòng ngược bão hòa (dòng trôi của hạt dẫn thiểu số) và dòng cuốn của các hạt thiểu số trội từ miền Base sang miền Collector. Dòng ngược bão hòa ICBo có giá trị rất nhỏ nên dòng cuốn của các hạt dẫn thiểu số trội là thành phần chủ yếu của dòng IC, hay IC IE nên chỉ phụ thuộc vào điện áp UBE mà độc lập với điện áp UCB, tức là dòng IC được điều khiển bởi điện áp UBE, đó là nguyên lý hoạt động cơ bản của Transistor. Page 44
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ IC IE ICB0 (5) IE IC IB (6) 1 Vậy: I I I I hay I  I  I C B C CB0 C 1 B 1 CBo Đặt  ta được: 1 IC .IB 1  .ICBo .IB ICEo (7) Trong đó: α là hệ số truyền đạt dòng điện 1, càng gần 1 Transistor càng tốt. β: là hệ số khuếch đại dòng tĩnh (50-300) Vậy: α= β/(1+ β) 1.3.2. Các cách mắc của BJT Nếu coi Transistor như mạng 4 cực, khi đó phải có một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra. Có thể có 3 cách mắc (kết cấu): CE (Common Emitter); CB(Common Base) và CC (Common Collector). IC IB IE IC IC I IB E IE IB a) b) c Hình 17. Các kết cấu của BJT a. CE b. CB c.CC a. Kết cấu CE: Đặc tuyến vào: IB f UBE UCE const Do JE phân cực thuận mà I B  IE nên đặc tuyến vào trong trường hợp này giống đặc tuyến của chuyển tiếp p-n phân cực thuận. Nếu UCE tăng, mà Page 45
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ UBE=const khi đó UCB tăng, hay điện áp phân cực ngược tăng, số hạt đến được tiếp giáp Jc càng nhiều hay số hạt bị tái kết hợp trong miền Base càng ít, nên dòng IB giảm. I (μA) IC(mA) B U =0.5 I =150μA CE B V 15 125μA 150 UCE=0V 100μA 100 UCE=1V 10 50 5 IB=0 0 UBE(V) UCE(V) IC(mA) UCE(V) Hình 18. Đặc tuyến vào và đặc tuyến ra của kết cấu CE Đặc tuyến ra: IC f UCE IB const Miền khuếch đại (gần gốc), độ dốc của đặc tuyến khá lớn. Khi UCE tăng, điện áp UCB cũng tăng, độ phân cực ngược của chuyển tiếp Jc tăng nên IC tăng tuyến tính theo điện áp UCE. Khi UCE đạt giá trị đủ lớn ( 2V ) dòng Ic đạt giá trị bão hòa, IC .IB tức là không phụ thuộc vào UCE nhưng UCE quá lớn thì IC tăng đột ngột do xảy ra hiện tượng đánh thủng do hiệu ứng thác lũ hay hiệu ứng xuyên hầm. Nếu UCE<UBE(on) thì dòng IC giảm nhanh về giá trị 0. Page 46
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ b. Kết cấu CB: Đặc tuyến vào: IE f UBE UCB const Do JE phân cực thuận nên đặc tuyến vào có dạng giống với đặc tuyến của diode khi phân cực thuận. Khi UBE=const, UCB tăng, phân cực ngược tăng, vùng nghèo Jc rộng ra, khoảng cách hiệu dụng giữa 2 miền JE và Jc giảm nên dòng IE tăng. Đặc tuyến ra: IC f UCB IE const Do IE const , IC I E nên khi thay đổi UCB thì dòng IC thay đổi không đáng kể. Một điểm khác biệt đó là khi UCB giảm tới 0 nhưng dòng Ic chưa giảm tới 0. Đó là do khi UCB=0, bản thân chuyển tiếp Jc vẫn còn điện thế tiếp xúc, chính điện thế tiếp xúc này đã cuốn các hạt dẫn từ Base sang miền Collector nên dòng vẫn có giá trị khác 0. Để dòng IC 0, chuyển tiếp Jc phải được phân cực thuận, khi đó Transistor chuyển sang hoạt động trong chế độ bão hòa. Điều đáng chú ý là khi IE=0 nhưng vẫn có thành phần dòng rò ICE0 nên IC 0 . c. Kết cấu CC: Đặc tuyến vào: IB f UCB UCE const Do khi Transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại, điện áp UBE luôn giữ không đổi (UBE=0,7V đối với Si và 0,3V đối với Ge). Nên UCB=UCE- UBE=const, UCB không phụ thuộc vào IB. Đặc tuyến ra: IE f UCE IB const Do IC IE nên đặc tuyến ra trong trường hợp này có dạng giống với đặc tuyến ra trong trường hợp CE. IB(μA) IE(mA) IB=150μA UCE1 UCE2>UCE1 125μA 100μA I =0 B Page 47 UCB(V) 0 UCE(V) Hình 19. Đặc tuyến vào và đặc tuyến ra của kết cấu CC
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.3.3. Phân cực BJT: Phân cực là cấp điện áp một chiều cho các điện cực của Transistor. Để BJT hoạt động trong chế độ khuếch đại JE luôn phân cực thuận và Jc luôn phân cực ngược. Đường tải tĩnh: IO f (UO )là mối quan hệ giữa cường độ dòng điện và điện áp đầu ra khi Transistor được mắc trong một mạch cụ thế (khi có tải). Điểm công tác tĩnh là điểm nằm trên đường tải tĩnh xác định cường độ dòng điện và điện áp đầu ra khi không có tín hiệu xoay chiều đặt vào. Điểm công tác tĩnh chính là giao điểm của đường tải tĩnh và đặc tuyến ra ứng với giá trị IB=const. Đường tải tĩnh được vẽ trên cùng hệ trục tọa độ với đặc tuyến ra. IC(mA) Đường tải tĩnh ICmax IB0 IB1 Q IBQ UCE(V) VCC Hình 20. Đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh Ổn định điểm công tác tĩnh khi nhiệt độ thay đổi Transistor là một linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt độ. Hai thông số của Transistor nhạy cảm với nhiệt độ nhất đó là điện áp UBE và cường độ dòng ngược bão hòa ICBo. Nếu dòng ICBo tăng, làm cho dòng IC tăng, số lượng hạt dẫn qua chuyển tiếp Jc tăng làm cho sự va chạm giữa các hạt dẫn với mạng tinh thể tăng, khi đó làm cho nhiệt độ tăng và tiếp tục làm ICBo tăng, cứ thế nhiệt độ của Page 48
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Transistor tăng mãi. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng quá nhiệt. Hiệu ứng quá nhiệt làm thay đổi điểm công tác tĩnh và nếu không có biện pháp hạn chế sẽ làm hỏng Transistor. Khi nhiệt độ thay đổi điện áp UBE cũng thay đổi và do đó cũng làm điểm công tác tĩnh thay đổi. Tuy nhiên, trong điều kiện bình thường ảnh hưởng của dòng ngược bão hòa ICBo đến IC nhiều hơn ảnh hưởng của điện áp UBE nên khi nói đến ảnh hưởng của nhiệt độ đến điểm công tác tĩnh thường nói đến ảnh hưởng của dòng bão hòa ICBo, và đưa ra khái niệm hệ số ổn định nhiệt: I S C ICBo IC .IB 1   ICBo I 1  Nên: S C (8) I I CBo 1   B I C Hệ số S càng nhỏ, tính ổn định đối với nhiệt độ càng cao. Các phương pháp phân cực cho Transistor để ổn định điểm công tác tĩnh 1.4. C¸c ph•¬ng ph¸p ph©n cùc cho BJT 1.4.1 Ph©n cùc cho BJT Ph©n cùc cho BJT lµ x¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc ban ®Çu (®iÓm lµm viÖc tÜnh Q - Quiescent) b»ng c¸c nguån mét chiÒu. Trªn ®Æc tuyÕn vµo, ®iÓm Q cã to¹ ®é: uBE= UBEQ; iB = IBQ Trªn ®Æc tuyÕn ra, ®iÓm Q cã to¹ ®é: uCE= UCEQ; iC = ICQ Nh• vËy ®Ó ph©n cùc cho BJT ph¶i t¹o ra hai nguån mét chiÒu: UBB, RB ë cöa vµo vµ UCC, RC ë cöa ra (h×nh 3-5). *Cöa vµo Ph•¬ng tr×nh Kirchhoff cho vßng m¹ch cöa vµo: UBB iB RB uBE (3.12) §•êng t¶i cöa vµo: UBB uBE iB (3.13) RB Page 49
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ b RC C iC RB a B + uCE UCC iB + uBE - - E UBB iE ¸ b' H×nh 3-5 Ph©n cùc cho BJT §iÓm lµm viÖc cöa vµo lµ to¹ ®é giao ®iÓm Q gi÷a ®•êng t¶i (3.13) víi ®Æc tuyÕn V-A cöa vµo cña BJT (3.9). To¹ ®é Q cöa vµo trªn h×nh 3-6a sÏ lµ: uBE (Q) UBEQ U f 0,6V (3.14) U BB 0,6V iB (Q) I BQ (3.15) RB *Cöa ra Ph•¬ng tr×nh Kirchhoff cho vßng m¹ch cöa ra: UCC iCRC uCE (3.16) §•êng t¶i cöa ra: UCC uCE iC (3.17) RC u /U iB i I (e BE T 1) iC UCC uCE B B0 iC U RC CC U BB RC RB Q UBB uBE IBQ Q iB ICQ IQB RB UBEQ Uf UBB uBE UCEQ UCC UCE0 uCE a) §Æc tuyÕn vµo b) §Æc tuyÕn ra H×nh 3-6 §iÓm lµm viÖc Q To¹ ®é Q cöa ra trªn h×nh 3-6b sÏ lµ: Dßng ®iÖn ICQ t•¬ng øng IBQ ë cöa vµo khi bá qua dßng ®iÖn ng•îc ICB0: iC (Q) ICQ F IBQ (3.18) §iÖn ¸p UCEQ theo (3.16) sÏ lµ: uCE (Q) UCEQ UCC ICQRC (3.19) 1.4.2 C¸c ph•¬ng ph¸p ph©n cùc c¬ b¶n cho BJT I. Ph©n cùc b»ng dßng ®iÖn baz¬ Page 50
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ + UCC - + UCC - R2 R3 R R1 1 b b C iC C iC a B + a B + u uCE + CE + iB - iB u uBE - BE E - E - R2 ¸ b' ¸ b' (a) (b) H×nh 3-7 C¸c ph•¬ng ph¸p ph©n cùc c¬ b¶n cho BJT Ph©n cùc b»ng dßng ®iÖn baz¬ ®•îc thùc hiÖn theo s¬ ®å h×nh 3-7a víi mét nguån mét chiÒu UCC duy nhÊt. Nguån UBB, RB ®•îc t¹o ra tõ nguån UCC, R1. Nguån UCC, RC ®•îc t¹o ra tõ nguån UCC, R2. M¹ch ph©n cùc h×nh 3-7a cã thÓ ®•îc thay thÕ t•¬ng ®•¬ng b»ng s¬ ®å h×nh 3-5 víi c¸c tham sè t•¬ng ®•¬ng: UBB= UCC (3.20) RB= R1; RC= R2 (3.21) C¸c gi¸ trÞ ph©n cùc ®•îc x¸c ®Þnh theo s¬ ®å h×nh 3-5 theo c¸c c«ng thøc: (3.14), (3.15), (3.18), (3.19). Cã thÓ x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ ph©n cùc trùc tiÕp tõ s¬ ®å h×nh 3-7a, ®•îc c¸c kÕt qu¶ nh• trªn, chØ thay thÕ c¸c gi¸ trÞ t•¬ng øng theo c¸c c«ng thøc (3.20) vµ (3.21). II. Ph©n cùc b»ng ph©n ¸p M¹ch ph©n cùc b»ng m¹ch ph©n ¸p ®•îc thùc hiÖn theo s¬ ®å h×nh 3-17b tõ mét nguån mét chiÒu UCC vµ c¸c ®iÖn trë R1, R2, R3. S¬ ®å nµy cã thÓ quy ®æi t•¬ng ®•¬ng vÒ s¬ ®å h×nh 3-5. M¹ch ph©n ¸p cöa vµo: UCC vµ c¸c ®iÖn trë R1, R2, cã thÓ ®•îc thay thÕ b»ng nguån ¸p UBB, RB. C¸c gi¸ trÞ t•¬ng ®•¬ng nh• sau: R2 U BB UCC (3.22) R1 R2 R1R2 RB (3.23) R1 R2 M¹ch cöa ra: UCC, R3 t•¬ng ®•¬ng víi nguån ¸p: UCC, RC: UCC= UCC (3.24) RC= R3 (3.25) Page 51
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ C¸c gi¸ trÞ ph©n cùc ®•îc x¸c ®Þnh tõ s¬ ®å h×nh 3-5 theo c¸c c«ng thøc: (3.14), (3.15), (3.18), (3.19). 3.4.3 æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cho BJT Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc, ®iÓm lµm viÖc cña BJT cã thÓ bÞ tr«i khái vÞ trÝ ®· chän ngay c¶ khi ch•a cã t¸c ®éng cña c¸c tÝn hiÖu cã Ých do mét sè hiÖu øng mÊt æn ®Þnh t¸c ®éng nh•: nhiÖt ®é thay ®æi, nguån ph©n cùc mét chiÒu thay ®æi vµ khi tham sè cña c¸c phÇn tö trong m¹ch thay ®æi. §Ó BJT lµm viÖc b×nh th•êng, kh«ng ¶nh h•ëng ®Õn chØ tiªu chÊt l•îng cña m¹ch, trong c¸c s¬ ®å m¹ch ®iÖn tö sö dông BJT th•êng thùc hiÖn c¸c biÖn ph¸p æn ®Þnh: - §•a thªm vµo m¹ch c¸c phÇn tö hoÆc c¸c ®o¹n m¹ch æn ®Þnh nhiÖt ®é, æn ®Þnh nguån mét chiÒu. - Thay thÕ c¸c phÇn tö m¹ch cã tham sè æn ®Þnh h¬n. - T¹o ra biÕn ®æi ng•îc bï trõ cho nh÷ng biÕn ®æi g©y mÊt æn ®Þnh hoÆc ph•¬ng ph¸p cung cÊp ng•îc - ph•¬ng ph¸p håi tiÕp ©m, ph•¬ng ph¸p nµy sÏ ®•îc nghiªn cøu trong ch•¬ng khuÕch ®¹i. §èi víi BJT, ®iÖn ¸p ph©n cùc thuËn tiÕp gi¸p £mit¬ (uBE) vµ dßng ®iÖn ng•îc tiÕp gi¸p C«lÕct¬ (ICB0) ®Òu phô thuéc vµo nhiÖt ®é. Dßng ®iÖn ICB0 phô thuéc chñ yÕu vµo nhiÖt ®é. + U - + UCC - CC R R3 R 3 R1 1 C C ICB0 B + B + u + uCE I + CE D0 u - uBE - BE E - E RT - 0 t R R2 2 D (b) (a) H×nh 3-8 æn ®Þnh b»ng ®iÖn trë nhiÖt (a) vµ ®ièt ph©n cùc ng•îc (b) Theo c¸ch thø nhÊt, cã thÓ m¾c song song víi tiÕp gi¸p £mit¬ ®iÖn trë nhiÖt cã hÖ sè nhiÖt ©m (h×nh 3-8a). Khi nhiÖt ®é t¨ng, dßng C«lÕct¬ t¨ng ®ång thêi ®iÖn trë nhiÖt gi¶m lµm gi¶m uBE, dßng Baz¬ gi¶m kÐo theo dßng C«lÕct¬ còng gi¶m theo bï trõ møc t¨ng dßng nµy do nhiÖt ®é. H×nh 3-8b lµ s¬ ®å bï trõ mÊt æn ®Þnh nhiÖt g©y bëi ICB0 b»ng dßng ®iÖn ng•îc cña ®ièt ID0 (dßng ng•îc b·o hoµ Is). TÊt c¶ c¸c biÕn ®æi cña ICB0 theo nhiÖt ®é ®Òu ®•îc bï trõ b»ng c¸c biÕn ®æi cña ID0 mµ Ýt ¶nh h•ëng ®Õn c¸c dßng ®iÖn kh¸c cña BJT. Page 52
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Ph•¬ng ph¸p håi tiÕp ©m ®•îc sö dông nhiÒu ®Ó æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cho BJT. H×nh 3-9 lµ c¸c ph•¬ng ¸n th«ng dông trong c¸c m¹ch ®iÖn tö. + UCC - + UCC - R2 R3 R1 R 1 b b C iB+iC C iC a B + a B + u uCE + CE + iB - iB u uBE - BE E - E - iE iE R2 R4 ¸ b' ¸ b' (a) (b) H×nh 3-9 æn ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña BJT b»ng håi tiÕp ©m. S¬ ®å h×nh 3-9a lµ æn ®Þnh b»ng ®iÖn ¸p song song. Nguyªn lý nh• sau: khi nhiÖt ®é t¨ng, dßng iC t¨ng, ®iÖn ¸p trªn R2 t¨ng, ubb’ gi¶m, ®iÖn ¸p thµnh phÇn ph©n ¸p uaa’= uBE gi¶m theo dÉn ®Õn iB gi¶m lµm cho iC gi¶m, kÐo iC vÒ gi¸ trÞ æn ®Þnh. C¸c gi¸ trÞ ph©n cùc cã thÓ x¸c ®Þnh trùc tiÕp tõ s¬ ®å: UCC=UR2+UR1+uBE =(iC+iB)R2+iBR1+uBE = iB(βF+1)R2+ iBR1+uBE UCC uBE iB R1 (1 F )R2 To¹ ®é ®iÓm Q ®Çu vµo cã ®iÖn ¸p BE nh• 3.14: UBEQ 0,6V ,vµ: UCC 0,6V IBQ (3.26) R1 (1 F )R2 To¹ ®é ®iÓm Q ®Çu ra cã dßng c«lÕct¬ nh• 3.18: ICQ F IBQ , vµ: UCEQ UCC (IBQ ICQ)R2 (3.27) Ph•¬ng ph¸p ph©n cùc cã håi tiÕp trªn c«lÕct¬ nªn cßn ®•îc gäi lµ ph©n cùc håi tiÕp (ph¶n håi) c«lÕct¬. S¬ ®å h×nh 3-9b lµ æn ®Þnh b»ng håi tiÕp dßng ®iÖn nèi tiÕp. Nguyªn lý nh• sau: khi nhiÖt ®é t¨ng, dßng iC t¨ng, dßng iE = (iC+ iB) t¨ng lµm UR4 t¨ng, ®iÖn ¸p uBE= (UR2- UR4) gi¶m, dÉn ®Õn iB gi¶m lµm cho iC gi¶m, kÐo iC vÒ gi¸ trÞ æn ®Þnh. C¸c gi¸ trÞ ph©n cùc cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng c¸ch quy vÒ s¬ ®å t•¬ng ®•¬ng h×nh 3-10. C¸c gi¸ trÞ t•¬ng ®•¬ng theo c¸c c«ng thøc tõ 3.22 ®Õn 2.25 vµ RE=R4. Page 53
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ b RC C iC RB a B + uCE UCC iB + uBE - - E UBB iE RE ¸ b' H×nh 3-10 S¬ ®å t•¬ng ®•¬ng m¹ch h×nh 3-9b UBB iBRB uBE iE R£ ; iE (1 F )iB U BB uBE iB RB (1 F )RE To¹ ®é ®iÓm Q ®Çu vµo cã ®iÖn ¸p BE nh• 3.14: UBEQ 0,6V ,vµ: U BB 0,6V IBQ (3.28) RB (1 F )RE To¹ ®é ®iÓm Q ®Çu ra cã dßng c«lÕct¬ nh• 3.18: ICQ F IBQ , vµ: UCEQ UCC (IBQ ICQ)RE ICQRC (3.29) Ph•¬ng ph¸p ph©n cùc cã håi tiÕp trªn ªmit¬ nªn cßn ®•îc gäi lµ ph©n cùc håi tiÕp (ph¶n håi) ªmit¬. 1.4.4 C¸c chÕ ®é lµm viÖc cña BJT I. §Æc tÝnh t¶i XÐt c¸c ®Æc tuyÕn tÜnh trong ®iÒu kiÖn gi÷ mét tham sè nµo ®ã cè ®Þnh: ®Æc tuyÕn vµo khi m¾c E chung lµ quan hÖ gi÷a dßng iB vµ uBE øng víi c¸c h»ng sè uCE, ®Æc tuyÕn ra lµ quan hÖ gi÷a dßng iC vµ uCE øng víi c¸c h»ng sè iB. Khi BJT lµm viÖc víi chÕ ®é cã t¶i, quan hÖ dßng vµ ¸p theo quy luËt ®•êng t¶i, c¸c dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p trªn c¸c cùc ®Òu thay ®æi nªn gäi lµ chÕ ®é ®éng. Ph©n tÝch ®Æc tÝnh t¶i cöa ra cña BJT trong m¹ch ®iÖn h×nh 3-11a. * T¶i mét chiÒu Khi lµm viÖc víi nguån mét chiÒu, tô ®iÖn coi nh• hë m¹ch, BJT chØ cã mét t¶i duy nhÊt lµ RC, ®•êng t¶i theo biÓu thøc 3.17 tÝnh riªng cho thµnh phÇn mét chiÒu víi iC= IC vµ uCE= UCE sÏ lµ: UCC UCE IC (3.30) RC Trong ®ã IC lµ dßng mét chiÒu qua RC vµ UCE lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu trªn CE. §é dèc cña ®•êng t¶i mét chiÒu phô thuéc vµo RC: Page 54
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1 acrtg( ) (3.31) RC iC Parabôn bão hoà + UCC - I ICmax R C Tải xoay R C 1 chiều U I CC III Bmax R iC C C + ICbh N + uCE iB uBE - Rt - Q PCmax ICQ R2 iE II Tải một chiều (b) M iB=0 (a) ’ I UCbh UCEQ UCC UCE0 uCE H×nh 3-11 M¹ch BJT cã t¶i (a) vµ ®Æc tÝnh t¶i cña BJT (b) §•êng t¶i mét chiÒu cã ®é dèc (-1/RC) phô thuéc t¶i mét chiÒu: RC * T¶i xoay chiÒu Khi lµm viÖc víi tÝn hiÖu xoay chiÒu, tô ®iÖn C coi nh• ng¾n m¹ch. Theo nguyªn lý xÕp chång, UCC ®èi víi tÝn hiÖu xoay chiÒu còng coi nh• ng¾n m¹ch. T¶i xoay chiÒu bao gåm RC m¾c song song víi Rt: RC Rt Rtxc (3.32) RC Rt §•êng t¶i xoay chiÒu cã ®é dèc (-1/Rtxc) phô thuéc gi¸ trÞ t¶i xoay chiÒu Rtxc: 1 ' acrtg( ) (3.33) Rtxc II. C¸c chÕ ®é lµm viÖc cña BJT Khi lµm viÖc trong m¹ch cã t¶i, ®iÓm lµm viÖc cña BJT tr•ît trªn ®•êng t¶i. §iÓm lµm viÖc cã thÓ r¬i vµo c¸c chÕ ®é sau ®©y ChÕ ®é c¾t dßng iB = 0, ®iÓm lµm viÖc trong vïng I n»m trªn vµ phÝa d•íi ®•êng ®Æc tuyÕn tÜnh iB = 0. ë chÕ ®é nµy c¸c tiÕp gi¸p cña BJT hoÆc ®Òu kh«ng ®•îc ph©n cùc hoÆc ph©n cùc ng•îc. Dßng ®iÖn iB= 0 * Dßng ®iÖn iC cã gi¸ trÞ ICB0 0 (hoÆc b»ng 0 khi kh«ng ph©n cùc) §iÖn ¸p uCE UCC Trªn ®•êng t¶i mét chiÒu, ®iÓm biªn giíi c¾t dßng lµ M. ChÕ ®é nµy cã dßng ®iÖn gÇn b»ng 0 vµ ®iÖn ¸p gÇn b»ng nguån t•¬ng ®•¬ng víi tr¹ng th¸i ng¾t cña mét c«ng t¾c ®iÖn. Page 55
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ChÕ ®é tÝch cùc, ®iÓm lµm viÖc trong vïng II. Vïng nµy ®•îc giíi h¹n bëi ®Æc tuyÕn tÜnh iB = 0, ®•êng parab«n b·o hoµ, UCE0, PCmax, ICmax. ë chÕ ®é tÝch cùc, BJT cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i tuyÕn tÝnh nªn cßn ®•îc gäi lµ chÕ ®é khuÕch ®¹i tuyÕn tÝnh. Vïng nµy cã dßng ®iÖn Ýt phô thuéc vµo uCE, ®Æc tuyÕn gÇn nh• song song víi trôc hoµnh cßn gäi lµ vïng dßng kh«ng ®æi. Lµm viÖc chÕ ®é tÝch cùc, BJT cã tiÕp gi¸p EB (JE) ph©n cùc thuËn, tiÕp gi¸p BC (JC) ph©n cùc ng•îc. Trªn ®•êng t¶i mét chiÒu, chÕ ®é tÝch cùc lµ ®o¹n MN. ChÕ ®é tÝch cùc th•êng ®•îc sö dông trong c¸c m¹ch t•¬ng tù. ChÕ ®é b·o hoµ, vïng III n»m trªn vµ phÝa trªn ®•êng parab«n b·o hoµ. ë chÕ ®é nµy c¸c tiÕp gi¸p cña BJT ®Òu ®•îc ph©n cùc thuËn. Dßng ®iÖn baz¬: iB = IBmax Dßng ®iÖn iC =βF.IBmax= h»ng sè §iÖn ¸p uCE= UCbh 0 Trªn ®•êng t¶i mét chiÒu, ®iÓm biªn giíi b·o hoµ lµ N. ë chÕ ®é b·o hoµ, dßng iC lu«n lµ h»ng sè vµ ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i khi t¨ng iB> IBmax, kh«ng ®iÒu khiÓn ®•îc dßng ®iÖn. ChÕ ®é nµy cã dßng ®iÖn lµ cùc ®¹i vµ ®iÖn ¸p gÇn b»ng 0 t•¬ng ®•¬ng víi tr¹ng th¸i ®ãng cña mét c«ng t¾c ®iÖn. BJT lµm viÖc ë hai chÕ ®é c¾t dßng vµ b·o hoµ t•¬ng ®•¬ng víi hai tr¹ng th¸i ng¾t vµ ®ãng cña mét c«ng t¾c ®iÖn gäi lµ chÕ ®é kho¸. ChÕ ®é kho¸ cña BJT lµ chÕ ®é chuyÓn tõ c¾t dßng sang b·o hoµ vµ ng•îc l¹i. ChÕ ®é nµy ®•îc sö dông trong c¸c m¹ch xung, sè. Page 56
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 4: TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) Ch•¬ng nµy sÏ nªu cÊu t¹o, ph©n tÝch c¸c hiÖn t•îng vËt lý vµ c¸c quan hÖ dßng ®iÖn, ®iÖn ¸p x¶y ra trong FET (Field Effect Transistor). CÊu tróc FET cã kªnh b¸n dÉn lo¹i P hoÆc lo¹i N. Dßng ®iÖn ch¹y qua kªnh dÉn ®•îc ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn tr•êng th«ng qua thay ®æi ®é dÉn ®iÖn cña kªnh. ViÖc ph©n tÝch sÏ tËp trung vµo FET kªnh dÉn lo¹i N, cßn kªnh dÉn lo¹i P cã thÓ ph©n tÝch t•¬ng tù chØ ®æi lÉn vÞ trÝ P cho N vµ ®æi lÉn vai trß lç trèng cho ®iÖn tö. 4-1. Tranzito hiÖu øng tr•êng MOSFET kªnh dÉn N 4.1.1 MOSFET giµu (Enhancement) kªnh dÉn N I. CÊu t¹o: G S D Si0 2 N+ N+ Vïng kªnh L PhiÕn ®Õ P (a) B Ký hiÖu: D B G S (b) H×nh 4-1 CÊu t¹o (a) vµ ký hiÖu (b) MOSFET giµu kªnh dÉn N MOSFET lµ tranzito hiÖu øng tr•êng FET (Field Effect Transistor) cã cùc cöa c¸ch ®iÖn IG (Insulated Gate) theo c«ng nghÖ MOS (Metal Oxide Semiconductor), cßn cã tªn gäi kh¸c lµ IGFET. Tranzito ®•îc cÊu t¹o tõ mét phiÕn ®Õ pha t¹p nhÑ chÊt b¸n dÉn lo¹i P. B»ng c«ng nghÖ quang kh¾c vµ khuÕch t¸n ®•a vµo hai khèi b¸n dÉn lo¹i N pha t¹p cao, g¾n víi c¸c ®iÖn cùc nguån (S-Source) vµ cùc m¸ng (D-Drain), c¸ch nhau mét ®o¹n trong phiÕn ®Õ gäi lµ kªnh dÉn. Vïng kªnh ®•îc phñ mét líp ®iÖn m«i «xÝt (SiO2). Líp kim lo¹i (M-Metal) hoÆc b¸n dÉn ®a tinh thÓ phñ trªn líp Page 57
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ®iÖn m«i g¾n víi cùc cöa (G-Gate). Líp ®iÖn m«i (O-Oxide) ®¶m b¶o c¸ch ®iÖn mét chiÒu tõ phiÕn ®Õ b¸n dÉn (S-Semiconductor) ®Õn cùc cöa. Thùc tÕ dßng qua líp ®iÖn m«i chØ kho¶ng 10-15A hoÆc nhá h¬n. C¸c kÝch th•íc vËt lý quan träng cña MOSFET lµ ®é réng cùc cöa W, ®é dµi cùc cöa L, ®é dµy líp «xÝt tox. §iÖn cùc g¾n víi phiÕn ®Õ lµ cùc th©n (B-Body), trong c¸c tranzito rêi r¹c, cùc nµy th•êng ®•îc nèi víi cùc nguån, MOSFET cßn l¹i ba cùc: S, G, D. Th«ng th•êng cÊu tróc MOSFET lµ ®èi xøng nªn cã thÓ ®æi lÉn S vµ D mµ kh«ng lµm thay ®æi tÝnh chÊt cña FET. II. MOSFET khi kh«ng cã ®iÖn ¸p cùc cöa uGS Khi uDS > 0, tiÕp gi¸p PN gi÷a D vµ phiÕn ®Õ ph©n cùc ng•îc, kh«ng cho dßng ®iÖn ch¶y qua líp nghÌo gi÷a D vµ phiÕn ®Õ nªn dßng cùc m¸ng iD=0. Khi uDS 0 vµ uGS >0. Do cã uGS, h×nh thµnh ®iÖn tr•êng trong líp «xÝt. D•íi t¸c ®éng cña ®iÖn tr•êng nµy mµ c¸c lç trèng bÞ ®Èy lïi s©u vµo phiÕn ®Õ, ®Ó l¹i c¸c ion ©m AxÐpto kh«ng dÉn ®iÖn, MOSFET vÉn ë chÕ ®é c¾t dßng. Khi t¨ng uGS ®Õn gi¸ trÞ ng•ìng UTR, tr•êng líp «xÝt b¾t ®Çu hót c¸c ®iÖn tö vÒ phÝa cùc cöa h×nh thµnh líp ®¶o ®iÖn tö nèi gi÷a cùc S vµ cùc D gäi lµ kªnh dÉn. Kªnh dÉn b¾c cÇu qua vïng nghÌo gi÷a D vµ phiÕn ®Õ v× vËy cã thÓ cho dßng iD ch¶y qua. §é dÉn ®iÖn cña kªnh dÉn t¨ng theo uGS v× khi uGS t¨ng, mËt ®é c¸c ®iÖn tö trong kªnh dÉn t¨ng, kªnh dÉn giµu c¸c ®iÖn tö. Kªnh dÉn gåm toµn c¸c ®iÖn tö nªn gäi lµ kªnh dÉn lo¹i N. Do tån t¹i kªnh dÉn nªn xuÊt hiÖn líp nghÌo máng gi÷a kªnh dÉn vµ phiÕn ®Õ h×nh thµnh líp ng¨n c¸ch gi÷a kªnh dÉn vµ phiÕn ®Õ. Kªnh dÉn ®•îc h×nh thµnh do c¶m øng ®iÖn tr•êng nªn lo¹i MOSFET nµy cßn ®•îc gäi lµ lo¹i kªnh c¶m øng. Page 58
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Mçi MOSFET cã gi¸ trÞ ng•ìng x¸c ®Þnh, phô thuéc vµo møc pha t¹p trong phiÕn ®Õ vµ c¸c th«ng sè chÕ t¹o kh¸c. §èi víi MOSFET giµu gi¸ trÞ nµy kho¶ng 0,5 ®Õn 3 V. 1.MOSFET khi uDS nhá: Khi uDS cßn nhá (kho¶ng 1V) vµ uGS lín h¬n UTR (cã kªnh dÉn), mËt ®é c¸c ®iÖn tö trong kªnh dÉn lµ ®ång ®Òu, MOSFET ho¹t ®éng nh• ®iÖn trë cã dßng m¸ng tû lÖ tuyÕn tÝnh víi uDS víi hÖ sè tû lÖ phô thuéc vµo uGS. Quan hÖ nµy ®•îc biÓu diÔn qua ®•êng liÒn nÐt trªn ®å thÞ h×nh 4-2. Vïng lµm viÖc nµy ®•îc gäi lµ vïng ®iÖn trë. §Æc tuyÕn biÓu diÔn vïng ®iÖn trë theo biÓu thøc sau: iD= 2K(uGS- UTR)uDS (4.1) §iÖn trë kªnh dÉn sÏ lµ: uDS/iD vµ lµ hµm biÕn ®æi tuyÕn tÝnh theo uGS. H»ng sè K lµ hÖ sè dÉn phô thuéc vµo vËt liÖu vµ kÝch th•íc chÕ t¹o:  W K e ox (mA/ V2), (4.2) 2toxL trong ®ã µelµ ®é linh ®éng ®iÖn tö trong chÊt b¸n dÉn vµ Єoxlµ h»ng sè ®iÖn m«i cña líp «xÝt. W vµ L lµ kÝch th•íc cùc cöa (L lµ chiÒu dµi däc theo kªnh dÉn vµ W lµ chiÒu réng cùc cöa), tox lµ ®é dµy líp «xÝt. iD uDS H×nh 4-2 §Æc tuyÕn V-A khi uDS nhá - + uGS uDS - + Líp nghÌo N+ + N Kªnh dÉn PhiÕn ®Õ P B H×nh 4-3 MOSFET khi t¨ng uDS Page 59
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Khi uDS t¨ng, ®iÖn ¸p uDS ph©n bè däc theo kªnh dÉn: t¹i cùc nguån S b»ng 0 vµ t¹i cùc D b»ng uDS. Chªnh lÖch ®iÖn ¸p qua líp «xÝt gÇn D lµ uGS-uDS nhá h¬n uGS. §iÖn tr•êng trong líp «xÝt gÇn cùc m¸ng sÏ yÕu nªn bÒ dµy kªnh dÉn sÏ nhá h¬n (h×nh 4-3). Do tiÕt diÖn kªnh dÉn gi¶m dÇn vÒ phÝa D nªn ®Æc tuyÕn V-A trë nªn phi tuyÕn (®•êng ®øt nÐt trªn ®å thÞ h×nh 4-2), gièng chÕ ®é ®iÖn tÝch kh«ng gian cña ®Ìn ®iÖn tö nªn gäi lµ chÕ ®é Trièt (vïng trièt) : 2 iD= K[2(uGS- UTR)uDS-u DS] (4.3) 2.MOSFET khi uDS lín TiÕp tôc t¨ng uDS tíi gi¸ trÞ giíi h¹n mµ kªnh dÉn cã ®é dµy b»ng kh«ng (th¾t l¹i) t¹i cùc m¸ng, ®iÖn ¸p sôt trªn líp «xÝt dÇn tíi UTR. Gi¸ trÞ giíi h¹n cña uDS ®•îc tÝnh tõ ®iÒu kiÖn: uGS- uDS = UTR => uDS= uGS- UTR (4.4) Khi uDS t¨ng ®Õn gi¸ trÞ giíi h¹n ë trªn gäi lµ ng•ìng th¾t, dßng iD vÉn tån t¹i do líp ®¶o ®iÖn tö vÉn nèi tíi cùc m¸ng ®•îc nhê ®iÖn tr•êng ph©n cùc ng•îc cña líp nghÌo. Biªn ®é dßng qua kªnh dÉn ®•îc x¸c ®Þnh duy nhÊt qua ®iÖn ¸p sôt trªn kªnh dÉn. Dßng ®iÖn nµy cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi khi uDSv•ît qu¸ gi¸ trÞ ng•ìng th¾t (uGS- UTR). Vïng lµm viÖc nµy gäi lµ vïng dßng kh«ng ®æi: 2 iD= K(uGS- UTR) (4.5) Nh• vËy ®Æc tuyÕn V-A biÓu thÞ quan hÖ gi÷a dßng iD vµ ®iÖn ¸p uDS cña MOSFET giµu kªnh dÉn N nh• trªn h×nh 4-4. iD uDS= uGS- UTR uGS> UTR> 0 uGS= UTR uDS H×nh 4-4 §Æc tuyÕn V-A cùc m¸ng cña MOSFET giµu kªnh dÉn N §Æc tuyÕn gåm ba vïng: Vïng c¾t dßng khi uGS< UTR (ch•a cã kªnh dÉn): iD=0 Page 60
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Vïng Tri«t khi uGS> UTR(cã kªnh dÉn) vµ 0 UTR vµ uDS≥ (uGS- UTR): 2 iD= K(uGS- UTR) §•êng biªn giíi gi÷a vïng tri«t vµ vïng dßng kh«ng ®æi lµ ®•êng 2 Parab«n: iD= Ku DS , uDS= uGS- UTR. Trong vïng tri«t iD phô thuéc c¶ vµo uGS vµ uDS, vïng dßng kh«ng ®æi dßng ®iÖn chØ phô thuéc vµo (uGS- UTR) §Æc tuyÕn V-A gi÷a dßng iG vµ uGS trªn h×nh 4-5a. Dßng ®iÖn cùc cöa qua líp ®iÖn m«i SiO2 lu«n b»ng kh«ng víi mäi gi¸ trÞ cña uGS. §Æc tuyÕn truyÒn dÉn gi÷a iD vµ uGS trªn h×nh 4-5b. Dßng ®iÖn iD chØ xuÊt hiÖn khi uGS> UTR. iG uGS (a) iD ChÕ ®é giµu | (b) UTR uGS H×nh 4-5 §Æc tuyÕn V-A cùc cöa (a) vµ ®Æc tuyÕn truyÒn dÉn (b) cña MOSFET giµu kªnh dÉn N 4.1.2. MOSFET nghÌo (Depletion) kªnh dÉn N (a) D u = u - U B DS GS TR G S vïng giµu uGS>0 uGS=0 vïng nghÌo uGS<0 (b) uGS= UTR< 0 uDS Page 61
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ H×nh 4-6 Ký hiÖu (a) vµ ®Æc tÝnh V-A cùc m¸ng (b) cña MOSFET nghÌo kªnh dÉn N MOSFET kªnh dÉn N cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é nghÌo khi uGS ©m gäi lµ MOSFET nghÌo kªnh dÉn N. B»ng c¸ch ®•a vµo mét líp c¸c ion d•¬ng §«no ®Æt gi÷a líp ®iÖn m«i vµ phiÕn ®Õ P, líp ion nµy thu hót c¸c ®iÖn tö trong phiÕn ®Õ h×nh thµnh kªnh dÉn. Kªnh dÉn cßn cã thÓ lµ khèi b¸n dÉn N ®•a vµo gi÷a líp ®iÖn m«i vµ phiÕn ®Õ P. MOSFET nghÌo tån t¹i kªnh dÉn ngay c¶ khi ch•a cã uGS nªn cßn ®•îc gäi lµ MOSFET cã kªnh ®Æt s½n. MOSFET nghÌo kªnh dÉn N ®•îc ký hiÖu nh• h×nh 4-6a. MOSFET nghÌo kªnh dÉn N cã ®iÖn ¸p ng•ìng UTR ©m. §Æc tuyÕn V-A gi÷a dßng m¸ng vµ ®iÖn ¸p m¸ng - nguån trªn h×nh 4-6b. §Æc tuyÕn còng gåm ba vïng: Vïng c¾t dßng khi uGS UTR (uGS d•¬ng h¬n UTR) vµ 0 UTR vµ uDS≥ (uGS- UTR): 2 iD= K(uGS- UTR) Khi uGS > 0 vµ d•¬ng lªn, l•îng c¸c ®iÖn tö trong kªnh dÉn t¨ng, dßng iD t¨ng, MOSFET lµm viÖc ë chÕ ®é giµu. Khi uGS < 0 vµ ©m ®i, l•îng c¸c ®iÖn tö kªnh dÉn gi¶m, iD gi¶m, MOSFET lµm viÖc ë chÕ ®é nghÌo. Nh• vËy MOSFET nghÌo cã thÓ lµm viÖc c¶ ë chÕ ®é giµu vµ nghÌo. Trªn ®Æc tuyÕn truyÒn dÉn gi÷a dßng iD vµ uDS, dßng iD xuÊt hiÖn tõ UTR cã gi¸ trÞ ©m (h×nh 4-7). iD ChÕ ®é nghÌo ChÕ ®é giµu UTR uGS H×nh 4-7 §Æc tuyÕn truyÒn dÉn MOSFET nghÌo kªnh dÉn N §Æc tuyÕn iG vµ uGS còng gièng nh• MOSFET giµu: dßng iGlu«n b»ng kh«ng víi mäi gi¸ trÞ uGS. 4-2.Tranzito hiÖu øng tr•êng lo¹i JFET kªnh dÉn n 4.2.1 CÊu t¹o JFET (Junction FET) lµ tranzito hiÖu øng tr•êng cã tiÕp gi¸p PN. CÊu t¹o vµ ký hiÖu cña JFET kªnh dÉn N trªn h×nh 4-8. Page 62
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Tõ phiÕn ®Õ pha t¹p nhÑ lo¹i P, b»ng c«ng nghÖ quang kh¾c vµ khuÕch t¸n, lÇn l•ît ®•a vµo c¸c khèi b¸n dÉn N lµm kªnh dÉn vµ 3 khèi b¸n dÉn N, P, N pha t¹p m¹nh ®Ó g¾n vµo c¸c cùc S,G,D. TiÕp gi¸p PN gi÷a kªnh dÉn vµ cùc cöa h×nh thµnh líp nghÌo. BÒ réng líp nghÌo cã thÓ thay ®æi ®•îc nhê ®iÖn tr•êng ph©n cùc ng•îc gi÷a kªnh dÉn vµ cùc cöa, do vËy cã thÓ thay ®æi ®•îc tiÕt diÖn A cña kªnh dÉn. §iÖn trë cña kªnh dÉn ®•îc x¸c ®Þnh tõ ®iÖn trë xuÊt cña chÊt b¸n dÉn lo¹i N, chiÒu dµi hiÖu dông kªnh L, tiÕt diÖn hiÖu dông A. Dßng ®iÖn iD cã thÓ ®iÒu khiÓn ®•îc b»ng c¸ch thay ®æi ®iÖn trë kªnh dÉn. S G D L N+ P+ N+ A Líp nghÌo Kªnh dÉn N PhiÕn ®Õ P (a) Ký hiÖu: D G S (b) H×nh 4-8 CÊu t¹o (a) vµ ký hiÖu (b) cña JFET kªnh dÉn N 4.2.2 Ho¹t ®éng cña JFET khi thay ®æi uDS I. Khi uDS nhá - + - + uGS uDS S G D N+ P+ N+ A Kªnh dÉn Líp nghÌo N PhiÕn ®Õ P H×nh 4-9 JFET khi uDS cßn nhá Page 63
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ §iÖn ¸p uGS ©m t¹o ra ph©n cùc ng•îc gi÷a cùc cöa vµ phiÕn ®Õ lµm cho ®é réng líp nghÌo t¨ng, tiÕt diÖn kªnh dÉn A nhá l¹i. Khi uGS ©m ®¹t ®Õn gi¸ trÞ ng•ìng UTR, líp nghÌo më réng hoµn toµn kªnh dÉn, ®iÖn trë kªnh dÉn tiÕn tíi v« cïng, iD= 0, JFET r¬i vµo chÕ ®é c¾t dßng. Khi uGS > UTR(uGS d•¬ng h¬n UTR), uDS cßn nhá, ®é réng líp nghÌo ®ång ®Òu tõ S ®Õn D, quan hÖ dßng iD vµ uDS lµ tuyÕn tÝnh, JFET lµm viÖc ë chÕ ®é ®iÖn trë. Khi uDS t¨ng, ®iÖn ¸p ph©n bè däc theo kªnh dÉn t¨ng dÇn tõ S ®Õn D, ph©n cùc ng•îc t¨ng, ®é réng líp nghÌo më réng, kªnh dÉn cã tiÕt diÖn nhá dÇn, quan hÖ dßng iD vµ uDS trë nªn phi tuyÕn, JFET lµm viÖc ë chÕ ®é tri«t. - + uDS S - + G D u GS N+ P+ N+ Líp nghÌo Kªnh dÉn N PhiÕn ®Õ P H×nh 4-10 JFET khi uDS t¨ng II. Khi uDS lín. Khi uDS t¨ng ®Õn khi tiÕt diÖn kªnh dÉn t¹i D tiÕn tíi 0, kªnh dÉn bÞ th¾t l¹i, c¸c ®iÖn tö tr«i qua vïng th¾t víi tèc ®é kh«ng ®æi, dßng iD qua kªnh dÉn sÏ kh«ng ®æi, JFET lµm viÖc ë chÕ ®é dßng kh«ng ®æi. 4.2.3. §Æc tuyÕn V-A cña JFET §Æc tuyÕn V-A cña JFET biÓu diÔn quan hÖ gi÷a iD vµ uDS (h×nh 4-11) gåm 3 vïng nh• MOSFET: iD uGS >0 uGS=0V uGS<0 uGS= UTR<0 uDS Page 64
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ H×nh 4-11 §Æc tuyÕn V-A cùc m¸ng cña JFET Vïng c¾t dßng khi uGS UTR (uGS d•¬ng h¬n UTR) vµ 0 UTR vµ uDS≥ (uGS- UTR): 2 iD= K(uGS- UTR) HÖ sè K ®èi víi JFET ®•îc tÝnh theo c«ng thøc sau: IDSS 2 K 2 h»ng, UP= UTR, iD= IDSS= K.UP khi uGS = 0 (4.6) U P JFET chØ ho¹t ®éng víi uGS ©m, khi uGS d•¬ng tiÕp gi¸p PN gi÷a cùc cöa vµ kªnh dÉn ph©n cùc thuËn, dßng iG nh• ®i«t ph©n cùc thuËn, uGS sÏ kh«ng ®iÒu khiÓn ®•îc dßng qua kªnh dÉn n÷a. §Æc tuyÕn V-A gi÷a iG vµ uGS nh• trªn h×nh 4-12a: vïng lµm viÖc cña JFET lµ vïng GS ph©n cùc ng•îc, iG = 0. iG iD IDSS ChÕ ®é nghÌo Vïng lµm viÖc uGS UP=UTR uGS (a) §Æc tuyÕn cùc cöa (b) ®Æc tuyÕn truyÒn dÉn H×nh 4-12 §Æc tuyÕn V-A cùc cöa cña JFET. §Æc tuyÕn truyÒn dÉn cña JFET (h×nh 4-12b) c¾t trôc iD t¹i iD=IDSS khi uGS = 0. Vïng lµm viÖc lµ chÕ ®é nghÌo øng víi uGS < 0 4-3 tranzito hiÖu øng tr•êng lo¹i GaAsMESFET MESFET (Metal Semiconductor FET) lµ tranzito hiÖu øng tr•êng cã cùc cöa kim lo¹i vµ kªnh b¸n dÉn. GaAs lµ chÊt b¸n dÉn hîp chÊt hai nguyªn tè gallium (nhãmIII) vµ arsenic (nhãm V) cã ®Æc tÝnh gièng silicon nh•ng cã ®é linh ®éng ®iÖn tö cao gÊp 5 lÇn so víi silicon v× vËy mµ tèc ®é chuyÓn tr¹ng th¸i tõ c¾t dßng sang b·o hoµ rÊt nhanh. Kªnh dÉn N cña GaAsMESFET ®•îc lµm tõ Gallium Arsenide. GaAsMESFET ®•îc øng dông nhiÒu trong c¸c m¹ch khuÕch ®¹i tÇn sè cao, c¸c Page 65
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ m¹ch l«gic tèc ®é cao. §é linh ®éng c¸c lç trèng trong GaAs thÊp nªn lo¹i MESFET kªnh dÉn P l¹i Ýt ®•îc sö dông. CÊu t¹o vµ ký hiÖu cña GaAsMESFET trªn h×nh 4-13. Cùc nguån S vµ cùc m¸ng D ®•îc nèi víi c¸c khèi b¸n dÉn lo¹i N pha t¹p m¹nh vµ nèi víi nhau qua kªnh dÉn N, trªn phiÕn ®Õ GaAs kh«ng pha t¹p cã ®é dÉn ®iÖn rÊt thÊp, h×nh thµnh líp nghÌo ®Ó ®¶m b¶o c¸ch ®iÖn gi÷a c¸c cùc, gi¶m ®iÖn dung ký sinh ®Ó n©ng cao tèc ®é cho GaAsMESFET. Líp kim lo¹i g¾n víi cùc cöa th•êng lµ titanium hoÆc nh«m. TiÕp gi¸p kim lo¹i- b¸n dÉn h×nh thµnh hµng rµo Schottky, lµm viÖc nh• tiÕp gi¸p PN trong JFET. Kim lo¹i hµng rµo Schottky S G D ChÊt tiÕp xóc Ohmic + Kªnh dÉn N + N N (a) PhiÕn ®Õ GaAs Ký hiÖu: D kh«ng pha t¹p G S (b) H×nh 4-13 CÊu t¹o (a) vµ ký hiÖu (b) cña GaAsMESFET §Æc tuyÕn V-A gÇn gièng nh• JFET cã ®iÖn ¸p ng•ìng UTR ©m. §iÓm kh¸c so víi JFET lµ: trong GaAsMESFET cã b·o hoµ tèc ®é x¶y ra hÇu nh• trªn toµn bé kªnh dÉn cßn trong JFET chØ x¶y ra trªn ®o¹n th¾t cña kªnh. V× b·o hoµ tèc ®é ë c¶ møc ®iÖn tr•êng thÊp trong GaAs nªn ®é linh ®éng c¸c ®iÖn tö trong GaAsMESFET cao. Mét ®iÓm kh¸c n÷a cña GaAsMESFET lµ cã kªnh dÉn ng¾n nªn trong vïng dßng kh«ng ®æi iD vÉn phô thuéc nhá vµo uDS, ®•êng ®Æc tuyÕn V-A dèc h¬n (h×nh 4-14). iD uGS=0 uGS<0 Page 66
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ uGS =UTR uDS H×nh 4-14 §Æc tuyÕn V-A cùc m¸ng cña GaAsMESFET §Æc tuyÕn còng gåm ba vïng nh• JFET: Vïng c¾t dßng uGS UTR (uGS d•¬ng h¬n UTR), uDS UTR vµ uDS≥ (uGS- UTR): 2 iD= K(uGS- UTR) (1+λuDS), (4.8) λ gäi lµ hÖ sè ®iÒu chÕ kªnh dÉn cã trÞ sè 0,05 ®Õn 0,2 V-1. §iÖn ¸p ng•ìng UTRkho¶ng – 0,5 ®Õn – 2,5V 4-4 Ph©n cùc cho FET Ph©n cùc cho FET, chän ®iÓm lµm viÖc ë gi÷a vïng dßng kh«ng ®æi. C¸c gi¸ trÞ tíi h¹n cÇn l•u ý lµ ®iÓm c¾t dßng iD=0, vïng tri«t, dßng cùc m¸ng cùc ®¹i IDmax vµ ®iÖn ¸p cho phÐp cùc ®¹i trªn DS: UDS0. Gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ph©n cùc ®Çu vµo UGG ®•îc chän sao cho tÝn hiÖu ra ®èi xøng cã biªn ®é cùc ®¹i cßn n»m trong vïng dßng kh«ng ®æi. S¬ ®å ph©n cùc tæng qu¸t cho FET nh• trªn h×nh 4-15. i b RD D Vïng Trièt i I Q D D Dmax iG + a G N uDS ®•êng t¶i + UDD uGS - - Q uGS=UGSQ S IDQ UGG iS ¸ b' M (a) (b) UDSQ UDS0 uDS H×nh 4-15 Ph©n cùc cho MOSFET M¹ch gåm hai nguån UGG cung cÊp ®iÖn ¸p mét chiÒu cho cùc cöa vµ nguån UDD cung cÊp ®iÖn ¸p cho kªnh dÉn nguån-m¸ng. §iÓm lµm viÖc Q(IGQ,UGSQ,IDQ,UDSQ) lu«n cã IGQ = 0 vµ UGSQ ®•îc x¸c ®Þnh tuú theo cÊu tróc m¹ch ph©n cùc ®Çu vµo. C¸c gi¸ trÞ IDQ,UDSQ ®•îc x¸c ®Þnh theo cÊu tróc m¹ch ph©n cùc ®Çu ra. Trªn ®Æc tuyÕn ra (®Æc tuyÕn cùc m¸ng), ®iÓm lµm viÖc lµ giao ®iÓm ®•êng t¶i víi ®•êng ®Æc tuyÕn tÜnh øng víi uGS = UGSQ(h×nh 4- 15b). §•êng t¶i theo s¬ ®å h×nh 4-15: Page 67
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ U DD uDS iD (4.9) RD §iÓm lµm viÖc Q ®•îc chän trong kho¶ng gi÷a ®o¹n MN cña ®•êng t¶i. Thùc tÕ cã thÓ t¹o ra hai nguån UGGvµ UDD tõ mét nguån theo c¸c s¬ ®å th«ng dông d•íi ®©y. 1. Ph©n cùc b»ng ph©n ¸p (MOSFETgiµu) §iÓm lµm viÖc Q(IGQ,UGSQ,IDQ,UDSQ), víi: IG=0, nªn: IGQ=0 (4.10) Theo s¬ ®å h×nh 4-16, ®iÖn ¸p GS lu«n b»ng ®iÖn ¸p ph©n ¸p trªn RB: RB UGSQ= uGS = .U DD (4.11) RA RB 2 FET lµm viÖc ë vïng dßng kh«ng ®æi: iD= K(uGS-UTR) 2 IDQ= K(UGSQ-UTR) (4.12) Theo s¬ ®å, ph•¬ng tr×nh ®•êng t¶i: uDS= UDD- iD.RD UDSQ= UDD- IDQ.RD (4.13) + UDD - RD RA iD Q + iG G uDS + - R uGS B - iS H×nh 4-16 Ph©n cùc b»ng ph©n ¸p Trong s¬ ®å, ®iÖn ¸p uGS lu«n d•¬ng nªn m¹ch nµy chØ ¸p dông cho MOSFET giµu kªnh dÉn N. 2. Tù ph©n cùc(MOSFET nghÌo vµ JFET) Page 68
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ + UDD - RD iD Q + iG uDS + - uGS RG - RS iS H×nh 4-17 Tù ph©n cùc RG trong s¬ ®å h×nh 4-17 cã gi¸ trÞ bÊt kú do dßng iG=0 nªn ®iÖn ¸p trªn nã lu«n b»ng kh«ng, kh«ng ¶nh h•ëng ®Õn c¸c gi¸ trÞ ph©n cùc. Th•êng RG cã gi¸ trÞ lín hµng M ®Õn hµng chôc M. Kh«ng cã dßng ®iÖn cùc cöa nªn theo 4.10: IGQ=0 Dßng cùc m¸ng vµ cùc nguån nh• nhau: iD=iS. §iÖn ¸p trªn GS b»ng ®iÖn ¸p trªn RS gi÷a ®Êt vµ cùc nguån v× kh«ng cã ®iÖn ¸p trªn RG: UGSQ= -iSRS= -IDQRS (4.14) Dßng ®iÖn cùc m¸ng lµm viÖc ë chÕ ®é dßng kh«ng ®æi: 2 2 IDQ=K(UGSQ- UTR) = K(IDQRS+ UTR) (4.15) IDQ lµ nghiÖm cña ph•¬ng tr×nh bËc hai. Dßng ®iÖn cùc m¸ng chØ cã ý nghÜa khi cã kªnh dÉn, chän nghiÖm tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: UGSQ > UTR, (4.16) ®iÖn ¸p cùc cöa d•¬ng h¬n gi¸ trÞ ng•ìng. §iÖn ¸p DS ®•îc tÝnh theo ®•êng t¶i cöa ra: UDSQ=UDD- IDQ(RD+RS) (4.17) Trong tr•êng hîp RS=0: IGQ=0, UGSQ= 0 2 IDQ=K(- UTR ) UDSQ=UDD- IDQ .RD §iÖn ¸p uGS lu«n ©m nªn m¹ch nµy chØ ¸p dông cho JFET vµ MOSFET nghÌo kªnh dÉn N. 3. Ph©n cùc håi tiÕp Page 69
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ + UDD - RD RA iD Q + iG G uDS + - R uGS B - RS iS H×nh 4-18 Ph©n cùc håi tiÕp Nh• BJT, ph©n cùc cho FET kÕt hîp æn ®Þnh ®iÓm lµm viÖc. Ph•¬ng ph¸p ph©n cùc håi tiÕp c¬ b¶n b»ng ®iÖn ¸p song song hoÆc dßng ®iÖn nèi tiÕp. H×nh 4- 18 lµ ph©n cùc håi tiÕp dßng ®iÖn nèi tiÕp, víi: RB UG= .U DD , (4.18) RA RB uGS = UG- iSRS, iS = iD (4.19) UGSQ = UG - IDQRS (4.20) Dßng ®iÖn cùc cöa b»ng kh«ng: IGQ= 0 2 FET lµm viÖc ë vïng dßng kh«ng ®æi: ID= K(uGS-UTR) , nh• 4.12: 2 IDQ= K(UGSQ-UTR) Thay gi¸ trÞ UGSQ: 2 IDQ= K[(UG-UTR)-IDQ.RS] (4.21) Gi¶i ph•¬ng tr×nh bËc hai: 2 2 2 I DQ.R S-IDQ[1/K +2 RS(UG-UTR)]+(UG-UTR) =0, (4.22) tÝnh ®•îc IDQ, chän nghiÖm tho¶ m·n: UGSQ d•¬ng h¬n UTR: UGSQ>UTR. UDSQ=UDD- IDQ(RD+RS) Tr•êng hîp RS lín: RS(UG-UTR)>>1/K th× cã thÓ tÝnh gÇn ®óng: 2 2 2 I DQ.R S-2IDQ RS(UG-UTR)+ (UG-UTR) =0 IDQ= (UG-UTR)/ RS Khi RS=0 th×: 2 IDQ=K(UG-UTR) §iÖn ¸p uGS cã thÓ ©m hoÆc d•¬ng tuú thuéc gi¸ trÞ ®iÖn ¸p UG nªn ph•¬ng ph¸p nµy cã thÓ ¸p dông cho tÊt c¶ c¸c lo¹i FET. So víi BJT, FET cã mét sè ®Æc tÝnh kh¸c biÖt sau: Page 70
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1. FET lµ cÊu kiÖn ®iÒu khiÓn b»ng ®iÖn ¸p, BJT ®iÒu khiÓn b»ng dßng ®iÖn. FET thÝch hîp víi nh÷ng nguån tÝn hiÖu chØ cung cÊp dßng rÊt nhá, BJT thÝch hîp víi nguån tÝn hiÖu cung cÊp dßng lín. 2. FET dÉn ®iÖn chØ nhê c¸c phÇn tö mang ®iÖn ®a sè, c¸c phÇn tö dÉn ®iÖn trong BJT gåm c¶ c¸c phÇn tö thiÓu sè phô thuéc nhiÒu vµo nhiÖt ®é vµ c¸c yÕu tè n¨ng l•îng bªn ngoµi nªn FET lµm viÖc æn ®Þnh h¬n ë c¸c m«i tr•êng kh¸c nhau. 3. HÖ sè t¹p ©m cña FET nhá h¬n BJT (do kh«ng cã t¹p ©m t¸i hîp gi÷a c¸c phÇn tö mang ®iÖn tr¸i dÊu) nªn FET rÊt thÝch hîp cho c¸c tÇng ®Çu vµo tÝn hiÖu nhá, ®Æc biÖt víi c¸c thiÕt bÞ yªu cÇu t¹p ©m nhá. 4. CÊu tróc FET ®èi xøng, c¸c cùc D vµ S trong FET gièng nhau, nªn cã thÓ ®æi lÉn ®•îc cùc D cho S. BJT cã cùc E hoµn toµn kh¸c cùc C. 5. Do dßng cùc cöa c¸ch ®iÖn thùc tÕ rÊt nhá nªn c«ng suÊt ®iÒu khiÓn cùc cöa ®èi víi FET rÊt nhá, cã thÓ sö dông ®•îc trong c¸c m¹ch c«ng suÊt nhá, rÊt thÝch hîp cho chÕ t¹o c¸c m¹ch tÝch hîp (IC). H¬n n÷a, trë kh¸ng vµo cña FET rÊt lín nªn cã thÓ thÝch øng víi nhiÒu lo¹i nguån tÝn hiÖu. 4.5. Thyristor 4.5.1. Diode Shockley a. Cấu tạo, ký hiệu Diode Shockley là một linh kiện bán dẫn có cấu trúc gồm 4 lớp bán dẫn p- n-p-n xen kẽ với nhau, kết hợp với 2 điện cực: Cực Anode (A) và cực Cathode (K). Diode Shockley hoạt động như một chuyển mạch “on_off” và sẽ tồn tại ở một trạng thái sau mỗi lần được kích mở hoặc ngắt. A A p ++ p J1 n J n p 2 + p J3 ++ n n K K b. Nguyên lý hoạt động Page 71
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ . U AK 0: Khi U AK nhỏ , tiếp giáp J1 và J3 được phân cực ngược, khi đó dòng qua diode Shockley là dòng rò ngược I D 0, miền đặc tuyến ứng với điều kiện này được gọi là “miền chắn ngược”. Nếu UAK tăng đến một giá trị điện áp “đánh thủng ngược” thì tiếp giáp J1 và J3 lần lượt bị đánh thủng, dòng qua diode tăng mạnh. . U AK 0: Tiếp giáp J2 được phân cực ngược nên dòng qua diode Shockley là dòng ngược bão hòa , cặp Transistor ở chế độ ngắt, miền đặc tuyến tương ứng được gọi là “miền chắn thuận”. Tăng điện áp UAK đến giá trị đủ lớn để đánh thủng tiếp giáp J2, khi đó diode bắt đầu “thông” (on), giá trị UAK tại điểm đó được gọi là điện áp “đánh thủng thuận” (Breakover Voltage). Tuy nhiên trong cấu trúc của diode Shockley có sự hồi tiếp dương nên cường độ dòng qua diode Shockley tăng mạnh và đưa cặp Transistor vào trạng thái bão hòa. Khi đó diode Shockley tương đương với một điện trở thuần có giá trị nhỏ do đó điện áp UAK giảm đột ngột. Nếu tiếp tục tăng điện áp UAK khi đó diode Shockley sẽ hoạt động như một điện trở thuần. Miền đặc tuyến khi đó được gọi là “miền dẫn thuận” Để đưa diode Shockley trở về trạng thái ngắt phải giảm điện áp UAK sao cho dòng qua diode ID nhỏ hơn dòng duy trì IH. Ngoài ra, có thể kích mở diode Shockley bởi một xung có độ biến thiên du đủ lớn. Do các điện dung tiếp giáp ký sinh trong mỗi Transistor chống lại dt sự thay đổi điện áp gây nên dòng điện đủ lớn để kích mở cho diode Shockley. Do diode Shockley chỉ tồn tại tại một trạng thái sau mỗi lần được kích mở hoặc ngắt nên có thể coi diode Shockley như một “cái chốt” (latch). 4.5.2. Diac Diac là linh kiện bán dẫn gồm 2 diode Shockley được ghép song song nhưng ngược chiều nhau nên có thể dẫn dòng theo cả 2 chiều. Diac có 2 điện áp “ngưỡng đánh thủng”, được kích mở 1 lần trong mỗi nửa chu kỳ. Mỗi lần nguồn xoay chiều đảo cực tính, Diac ngắt dòng (off) tới thời điểm Diac được kích mở trong nửa chu kỳ tiếp theo, khi đó Diac chuyển sang trạng thái “thông” (on). Page 72
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Điện áp nguồn Dòng qua Diac 4.5.3. SCR a. Cấu tạo:SCR (Silicon Controlled Rectifier - Chỉnh lưu có điều khiển) có cấu trúc giống diode Shockley nhưng có thêm cực cửa G (Gate) đóng vai trò là cực điều khiển. A A A A ++ IB1 p p p T1 J n 1 n n IC2=β2.IB2 n IC1 + G J G p p 2 p p G ++ T2 n J3 n n IB2 K K K G K b. Nguyên lý hoạt động  U AK 0: Đặc tuyến Volt_Ampere của SCR trong miền này tương tự với đặc tuyến của diode Shockley. Page 73
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ  U AK 0 . Nếu VG 0: SCR hoạt động như một diode Shockley. . Nếu VG 0, xuất hiện dòng cực cửa IG cùng chiều với dòng ngược bão hòa trong SCR do đó tiếp giáp J2 bị đánh thủng với điện áp UAK nhỏ hơn nhiều so với trường hợp ; có thể nói điện áp VG điều khiển điện áp “ngưỡng đánh thủng” UBO. Điện áp VG càng lớn thì điện áp UBO càng nhỏ. Sau khi được kích mở, cực cửa G mất vai trò điều khiển và SCR sẽ dẫn cho đến khi dòng qua SCR nhỏ hơn dòng duy trì IH. Vậy có thể kích mở Thyristor theo 2 cách: tăng điện áp UAK hoặc cấp một điện áp tới cực cửa G bởi một xung có năng lượng rất nhỏ. Điều này thể hiện đặc tính khuếch đại công suất của mạch chỉnh lưu sử dụng SCR. c. Ứng dụng Do chỉ dẫn dòng theo một chiều nên SCR cũng được ứng dụng trong các mạch chỉnh lưu. Điểm khác biệt của SCR so với Diode chỉnh lưu thông thường uL RL đó là có thể điều khiển được góc pha của tín hiệu ra trên tải (điều uS khiển công suất trên tải). Ngày nay,u s SCR là một trong những linh kiện chỉnh lưu có độ nhạy tốt nhất. Xét mạch chỉnh lưu có điều khiển đơn giản nhất. Diode D có tác dụng bảo vệ SCR trong nửa chu kỳ âm. Ban đầu, SCR ngắt, điện áp trên tải uL 0. Sau đó, điện áp dương được đưa tới cực cửa G (UGK 0), SCR được kích mở tại giá trị điện áp us U BO tương ứng với một giá trị UGK xác định. Khi đó SCR tương đương với một điện trở thuần có giá trị rất nhỏ, nên điện áp trên tải uL us . Có thể mắc thêm biến trở VR điều chỉnh điện áp UGK, tức là điều chỉnh điện áp ngưỡng đánh thủng UBO nên có thể điều khiển được góc pha tại đó SCR được kích mở. Page 74
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Ngưỡng đánh thủng RL VR uL us Tuy nhiên, đối với sơus đồ mạch như trên thì SCR có thể được kích mở tại góc pha lớn nhất là π/2, do tại thời điểm đó us đạt giá trị cực đại nếu SCR vẫn chưa được kích mở thì không thể kích mở tại góc pha lớn hơn. Mạch trên còn được gọi là mạch khống chế pha 900. Ngưỡng đánh thủng Vậy muốn kích mở SCR tại góc pha lớn hơn π/2 có thể mắc thêm tụ điện C. RL VR uL Ngưỡng kích D u SCR s C uC uC uD uGK Điện áp u dịch pha so với điện áp nguồn một góc trong khoảng ( 0  ), C 2 đóng vai trò giống điện áp nguồn đưa điện áp dương tới cực cửa G, nên có thể kích mở SCR tại góc pha bất kỳ trong khoảng ( 0  ) và được gọi là mạch khống chế pha 1800. 4.5.4. Triac a. Cấu tạo Triac là một linh kiện bán dẫn gồm 2 SCR được ghép song song nhưng ngược chiều, 2 cực cửa được nối với nhau. Đối với Triac, không còn cực Anode Page 75
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ và Cathode mà thay vào đó là 2 cực chính MT1 và MT2 (Main Terminal). Cực G vẫn đóng vai trò là cực điều khiển. b. Nguyên lý hoạt động Triac tương đương với một cặp SCR nên có khả năng dẫn dòng theo cả 2 chiều. Tương ứng với mỗi giá trị của điện áp cực cửa VG, Triac sẽ có 2 ngưỡng đánh thủng không đối xứng. Khi đó, Triac được kích mở một lần Đèn us trong mỗi nửa chu kỳ. Tuy nhiên, vai trò của 2 cực MT1 và MT2 là không giống nhau. Dòng kích cực cửa G phải được đưa từ cực MT2. c.Ứng dụng Khác với SCR được ứng dụng trong các mạch công suất lớn, Triac được sử dụng trong một số mạch công suất nhỏ, ví dụ như chuyển mạch đèn báo hiệu trong gia đình. Khâu di pha RC có tác dụng kích mở Triac tại một giá trị góc pha bất kỳ trong khoảng (0  ). Đèn us Page 76
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Tuy nhiên, do Triac được kích mở tại các điện áp ngưỡng không đối xứng gây nên các thành phần hài trong dạng sóng đầu ra, do đó thường Diac được mắc thêm vào mạch như sau: Đèn us 4.5.5. UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR ĐƠN NỐI). Transistor thường (BJT) gọi là Transistor lưỡng cực vì có hai nối PN trong lúc UJT chỉ có một độc nhất nối P-N. Tuy không thông dụng như BJT, nhưng UJT có một số đặc tính đặc biệt nên một thời đã giữ vai trò quan trọng trong các mạch tạo dạng sóng và định giờ. 1. Cấu tạo và đặc tính của UJT: Hình sau đây mô tả cấu tạo đơn giản hoá và ký hiệu của UJT Một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại n- với hai lớp tiếp xúc kim loại ở hai đầu tạo thành hai cực nền B1 và B2. Nối PN được hình thành thường là hợp chất của dây nhôm nhỏ đóng vai trò chất bán dẫn loại P. Vùng P này nằm cách vùng B1 khoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1, B2. Dây nhôm đóng vai trò cực phát E. Ký hiệu của Transistor một tiếp giáp UJT như trong hình B09.2 a và b. Page 77
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Hình B09.1. Hình B09.2. Trở kháng giữa base 1 và base 2 được đo khi dòng emitter =0 được gọi là “trở kháng giữa các base” (interbase) RBB và có giá trị điển hình khoảng 5K – 10 K Ohm. Hình B09.3 chỉ ra mạch tương đương đơn giản của UJT với cực Base loại N. Trở kháng RBB được phân đôi bởi chuyển tiếp P-N (biểu thị bởi diode) thành 2 điện trở RB1 và RB2 , mà tổng của nó bằng RBB . Trong chế độ hoạt động thông thường, điện áp VBB được cung cấp cho base 1 và base 2, với base 2 dương hơn so với 1. Khi không có dòng IE , thanh bán dẫn sẽ hoạt động giống như một bộ phân áp đơn giản và có một phần điện áp xác định của VBB xuất hiện trên RB1. Tỷ số n được gọi là “tỷ số cân bằng (stand-off) nội” và giá trị của nó khong khoảng 0,5 đến 0,9 . Tỷ số này được cho bởi: Điện áp VBB khiến cathode của diode của dương hơn so với B1 và có giá trị điện thế n.VBB . Nếu điện áp emitter VE nhỏ hơn giá trị này, chuyển tiếp sẽ được phân cực ngược và chỉ có một dòng emitter ngược nhỏ chảy qua. Nếu VE lớn hơn (nVBB + VD) , với VD là điện áp ngưỡng của chuyển tiếp, thì diode sẽ được phân cực ngược và có một dòng emitter thuận IE chảy qua. Dòng này do các lỗ trống “khuếch tán” vào phần thấp hơn của thanh bán dẫn và làm tăng độ dẫn (do số lượng các hạt dẫn tự do tăng). Điều này khiến cho điện trở RB1 giảm. Khi RB1 giảm, điện áp n.VBB cũng giảm, bởi thế có sự gia tăng điện áp thuận qua diode và tất nhiên dòng qua diode cũng tăng. Quá trình Page 78
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ tích luỹ này tiếp tục cho đến khi đạt đến giá trị dòng IE tức đạt đến trạng thái b•o hoà của thanh bán dẫn tại miền RB1 . Bắt đầu từ các điều kiện này, điện áp VE , mà có giá trị nhỏ nhất Vv (điện áp điểm trũng - valley voltage), bắt đầu tăng khi dòng tăng, giống như đặc tuyến thông thường của diode. Đặc trưng của đặc tuyến dòng/áp của UJT như chỉ ra ở hình B09.4. Trong đường cong này, có 3 miền làm việc: 1. 0 Vv : trở kháng vào lại trở nên dương và có giá trị tương tự với trở kháng của diode khi dẫn. Các điểm đặc trưng: 1. VP được gọi là điện áp đỉnh và bằng: VP = n.VB2B1 + VD = n.VBB + VD. 2. Vv : điện áp điểm trũng. 3. Iv : dòng điện điểm trũng. Transistor UJT được dùng chủ yếu trong các mạch chuyển mạch, định thời, mạch trigger và mạch tạo xung. Page 79
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 5: LINH KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ Trong chương này, chúng ta chỉ đề cập đến một số các linh kiện quang điện tử thông dụng như quang điện trở, quang diod, quang transistor, led các linh kiện quang điện tử quá đặc biệt không được đề cập đến. I.QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE). Là điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối (khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ có thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Page 80
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Về phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn năng lượng của dãi cấm. Vài ứng dụng của quang điện trở: Quang điện trở được dùng rất phổ biến trong các mạch điều khiển 1. Mạch báo động: Khi quang điện trở được chiếu sáng (trạng thái thường trực) có điện trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ không đủ dòng kích nên SCR ngưng. Khi Page 81
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ nguồn sáng bị chắn, R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dòng điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động. Người ta cũng có thể dùng mạch như trên, với tải là một bóng đèn để có thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc có thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động có công suất lớn hơn. 2. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC: Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, làm tăng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đèn sáng lên. II. QUANG DIOD (PHOTODIODE). Ta biết rằng khi một nối P-N được phân cực thuận thì vùng hiếm hẹp và dòng thuận lớn vì do hạt tải điện đa số (điện tử ở chất bán dẫn loại N và lỗ trống ở chất bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên. Khi phân cực nghịch, vùng hiếm rộng và chỉ có dòng điện rỉ nhỏ (dòng bảo hòa nghịch I0) chạy qua. Page 82
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Bây giờ ta xem một nối P-N được phân cực nghịch. Thí nghiệm cho thấy khi chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod được chế tạo trong suốt), ta thấy dòng điện nghịch tăng lên gần như tỉ lệ với quang thông trong lúc dòng điện thuận không tăng. Hiện tượng này được dùng để chế tạo quang diod. Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N có đủ năng lượng làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống ở sát hai bên mối nối làm mật độ hạt tải điện thiểu số tăng lên. Các hạt tải điện thiểu số này khuếch tán qua mối nối tạo nên dòng điện đáng kể cộng thêm vào dòng điện bảo hòa nghịch I0 tự nhiên của diod, thường là dưới vài trăm nA với quang diod Si và dưới vài chục µA với quang diod Ge. Độ nhạy của quang diod tùy thuộc vào chất bán dẫn là Si, Ge hay Selenium Hình vẽ sau đây cho thấy độ nhạy đó theo tần số của ánh sáng chiếu vào các chất bán dẫn này: III. QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR). Quang transistor là nới rộng đương nhiên của quang diod. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor có một thấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuậnchút ít do các dòng điện rỉ (điện thế VBE lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịch nên transistor ở vùng tác động. Page 83
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-phát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là Ico(1+β). Đây là dòng tối của quang transistor. Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của các cặp điện tử và lỗ trống như trong quang diod làm phát sinh một dòng điện Iλ do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ) Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình trên trình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số. Ta thấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. Có nhiều loại quang transistor như loại một transistor dùng để chuyển mạch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm loại quang transistor Darlington có độ nhạy rất cao. Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quang triac Page 84
GIÁO TRÌNH LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Vài ứng dụng của quang transistor: Đóng hay tắt Relais: Trong mạch đóng relais, khi quang transistor được chiếu sáng nó dẫn điện làm T1 thông, Relais hoạt động. Ngược lại trong mạch tắt relais, ở trạng thái thường trực quang transistor không được chiếu sáng nên quang transistor ngưng và T1 luôn thông, Relais ở trạng thái đóng. Khi được chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, Relais không hoạt động (ở trạng thái tắt). IV. DIOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTING DIODE). Ở quang trở, quang diod và quang transistor, năng lượng củaq ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn và cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm. Ngược lại khi một điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hoá trị thí sẽ phát ra một năng lượng E=h.f Khi phân cực thuận một nối P-N, điện tử tự do từ vùng N xuyên qua vùng P và tái hợp với lỗ trống (về phương diện năng lượng ta nói các điện tử trong dãi dẫn điện – có năng lượng cao – rơi xuống dãi hoá trị - có năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng lượng. Page 85