Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 1) - Đại học Sư phạm TP.HCM

pdf 73 trang ngocly 25/05/2021 1160
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 1) - Đại học Sư phạm TP.HCM", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_vo_tuyen_dien_tu_phan_1_dai_hoc_su_pham_tp_hcm.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vô tuyến điện tử (Phần 1) - Đại học Sư phạm TP.HCM

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP. HỒ CHÍ MINH PHAN THANH VÂN VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ - 2003
  2. MỤC LỤC Mục lục 2 Lời nói đầu 5 Nguyên tắc liên lạc bằng vô tuyến điện 6 Chương I: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 7 Bài 1: Vật liệu linh kiện điện tử 7 I. Cơ sở vật lý của vật liệu linh kiện 7 1. Cấu trúc mạng thể 7 2. Các mức năng lượng của nguyên tử 7 II. Thuyết vùng năng lượng 8 III. Phân biệt điện môi – chất bán dẫn – kim loại 9 IV. Chất bán dẫn 9 Bài 2: Linh kiện điện tử thụ động 13 1. Điện trở 13 2. Tụ điện 14 3. Cuộn cảm 16 4. Biến áp 16 Bài 3: Linh kiện bán dẫn 17 I- Các hiện tượng tiếp xúc 17 1. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 17 2. Tiếp xúc P-N 18 3. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn 19 II- Điốt bán dẫn 20 III- Transistor 27 1. Nguyên tắc hoạt động 28 2. Đo thử transistor 29 3. Cách đặt tên cho transistor 30 4. Các chế độ làm việc của transistor 30 5. Phân cực 33 6. Các cách mắc mạch khuếch đại cơ bản của transistor 34 IV-Transistor trường 35 1. Transistor trường cổng tiếp giáp 35 2. Transistor trường cổng cách điện 37 3. Có bảo vệ 38 4. Mosfet loại 2 cổng 39 5. Các loại mosfet khác 39 6. Cách đo 40 7. Những điều cần chú ý khi sử dụng Mosfet 40 8. Transistor quang trường 40 9. Các sơ đồ mắc transistor trường 41 V- Transistor đơn nối 42 VI- Thyristor 44 1. Điốt Silic chỉnh lưu có điều khiển 44 2. Triac, Diac 46 VII- Linh kiện biến đổi quang điện 51 1. Điốt phát quang 51 2. LED hồng ngoại 56 3. Laser bán dẫn 57 4. Photo – Điốt 59 5. Mặt chỉ thị tinh thể lỏng 59 Chương II: MẠCH KHUẾCH ĐẠI 61 I. Hệ số khuếch đại 61 II. Khuếch đại điện áp âm tần 61 1. Tầng khuếch đại điện áp âm tần đơn 62 2. Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm 2 tầng ghép RC 63
  3. 3. Mạch khuếch đại điện áp âm tần gồm 2 tầng ghép trực tiếp 65 4. Tần khuếch đại cảm kháng 66 5. Tầng khuếch đại ghép biến áp 67 III- Khuếch đại cao tần 67 1. Tầng khuếch đại cộng hưởng 67 2. Tầng khuếch đại giải tần 68 IV- Khuếch đại công suất 68 1. Tầng khuếch đại công suất đơn 68 2. Tầng khuếch đại công suất đẩy kéo (Push-pull) 69 V- Mạch hồi tiếp 71 VI- Máy tăng âm 72 Chương III: MÁY PHÁT DAO ĐỘNG 135 I- Máy phát dao động điều hòa 135 1. Máy phát dao động điều hòa cao tần 135 2. Máy phát dao động điều hòa âm tần 137 3. Máy phát dao động 141 II- Máy phát dao động không điều hòa 143 1. Mạch dao động đa hài 143 2. Mạch dao động tạo điện áp răng cưa 146 Chương IV: BIẾN ĐIỆU VÀ TÁCH SÓNG 148 Bài 1: Biến điệu sóng cao tần 148 I- Biến điệu dao động 148 II- Biến điệu biên độ 149 1. Nguyên tắc 149 2. Hệ số biến điệu 151 3. Phổ của dao động biến điệu 151 4. Công suất của dao động biến điệu 152 5. Các sơ đồ thực hiện biến điệu biên độ 153 6. Ưu và khuyết điểm của điều chế biên độ 153 III- Biến điệu tần số 154 1. Nguyên tắc 154 2. Phổ của dao động biến điệu 155 3. Ưu và khuyết điểm của điều chế tần số 157 Bài 2: Tách sóng 158 I- Tách sóng biên độ 158 1. Nguyên tắc 158 2. Mạch điện tách sóng biên độ 160 II- Tách sóng tần số 162 Chương V: HỆ DAO ĐỘNG 166 I- Mạch dao động có thông số tập trung 166 1. Dao động riêng 166 2. Dao động cưỡng bức – sự cộng hưởng 169 II- Hệ dao động có thông sô phân bố 173 1. Mạch dao động có thông số phân bố 173 Chương VI: ĂNG-TEN VÀ SỰ TRUYỀN SÓNG VÔ TUYẾN ĐIỆN 178 I- Ăng-ten 178 1. Bức xạ năng lượng điện từ của ăng-ten 178 2. Bức xạ định hướng của ăng-ten 179 3. Ăng-ten thu thông dụng 181 III- Sự truyền sóng vô tuyến điện 183 Chương VII: MÁY THU 188 Bài 1: Máy thu thanh 188 I- Sơ đồ khối 189 II- Sơ đồ mạch điện 190 Bài 2: Máy thu hình 192 I- Máy phát hình 192 1. Nguyên tắc 192 2. Cách phân ảnh 193
  4. 3. Tần số tín hiệu thị tần 193 4. Tín hiệu thị tần hỗn hợp 194 II- Máy thu hình 196 1. Đèn hình 196 2. Lái tia electron 197 3. Sơ đồ khối 198 4. Mạch tích phân và vi phân 201 Chương VIII: MÁY ĐO ĐIỆN – DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 205 I- Nguyên tắc hoạt động 206 1. Ống phóng điện tử 206 2. Thấu kính điện tử 207 3. Bộ phận lái tia 210 II- Cấu tạo và cách sử dụng 212 1. Cấu tạo 212 2. Cách sử dụng 215 Tài liệu tham khảo 219
  5. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Vô tuyến điện tử này được biên soạn để phục vụ giảng dạy cho sinh viên khoa Vật Lý trường Đại học Sư phạm thành phố Hồ chí minh, dựa trên chương trình môn Vô tuyến điện tử của bộ Giáo dục - Đào tạo soạn thảo và dựa trên kinh nghiệm giảng dạy của chúng tôi trong nhiều năm qua. Ngoài những phần trọng tâm của chương trình, chúng tôi có đưa ra những phần đọc thêm có tính tham khảo để mở rộng kiến thức về ứng dụng trong thực tế cho sinh viên ĐHSP. Chắc chắn giáo trình này còn nhiều thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc gần xa. PHAN THANH VÂN
  6. NGUYÊN TẮC LIÊN LẠC BẰNG VÔ TUYẾN ĐIỆN Hình vẽ dưới đây minh họa cho thấy nguyên tắc liên lạc bằng vô tuyến điện: * Máy phát: Gồm có mạch điện tạo dao động cao tần (1), nguồn tín hiệu cần truyền đi (tín hiệu âm thanh hay tín hiệu hình ảnh ) (2), mạch điện điều chế gửi tín hiệu vào dao động cao tần (3), mạch khuếch đại cao tần (4) và ăng-ten bức xạ dao động điều chế ra không gian (5). * Máy thu: Gồm có ăng-ten thu (6) nhận dao động cao tần đã điều chế vào máy thu, mạch cộng hưởng (7) chọn đài muốn thu, là mạch tách sóng (8) tách tín hiệu ra khỏi dao động cao tần, mạch khuếch đại công suất (9) và bộ phận lặp lại tín hiệu (10) là loa trong vô tuyến truyền thanh hay đèn hình trong vô tuyến truyền hình. Ngoài ra còn có các mạch điện khác như các tầng khuếch đại, nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho máy hoạt động 5 6 1 3 4 7 8 9 2 Hệ thống thu phát vô tuyến điện. Chúng ta sẽ lần lượt đề cập đến các phần chính sau đây: 1.- Cách tạo ra dao động điện từ. 2.- Khuếch đại dao động điện từ. 3.- Ăng-ten phát và thu dao động điện từ. 4.- Sự lan truyền của sóng điện từ trong không gian. 5.- Mạch điều chế và tách sóng. 6.- Máy thu thanh, máy thu hình
  7. Chương I LINH KIỆN ĐIỆN TỬ BÀI 1: VẬT LIỆU LINH KIỆN ĐIỆN TỬ I.- CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU LINH KIỆN. 1.- Cấu trúc mạng thể. Khi nghiên cứu tính dẫn điện của vật rắn, ta chỉ chọn để xem xét vật rắn có các nguyên tử được sắp xếp tạo nên một mạng tuần hoàn trong không gian 3 chiều. Ta không xét đến các chất dẻo, thủy tinh, cao su vì chúng không có cấu trúc mạng như vậy. Caáu truùc maïng tinh theå Silic Ví dụ: Carbon (dạng kim cương) hoặc Silic có cấu trúc tinh thể hoàn toàn giống nhau, trong đó các nguyên tử nằm ở các đỉnh và tâm của khối lập phương (cấu trúc khối tâm). Mỗi nguyên tử được liên kết với 4 nguyên tử kế cận. (Carbon dạng graphit có cấu trúc khác) Các liên kết của mỗi nguyên tử Silic. 2.- Các mức năng lượng của nguyên tử. Ta biết các electron trong nguyên tử, sẽ chiếm các tầng có các mức năng lượng khác nhau theo nguyên lý loại trừ Pauli: Có tối đa 2n2 electron trên mỗi tầng và các electron đó phân bố trên các vân đạo s, p, d, f Ví dụ: Tầng 1: n = 1, có số electron tối đa 2. Tầng 2: n = 2, có số electron tối đa 8 [Vân đạo s Ĩ = 0) : chứa tối đa 2 electron. Vân đạo p Ĩ = 1) : chứa tối đa 6 electron. Vân đạo d Ĩ = 2) : chứa tối đa 10 electron ] Khi có đầy đủ số electron tối đa trên mỗi tầng, nguyên tử sẽ có cơ cấu bền. Ví dụ: 2He, 10Ar có cơ cấu bền và 11Na có cơ cấu không bền.
  8. Ngoài ra các electron sẽ lần lượt chiếm các vân đạo theo nguyên tắc sau đây: 1s n = 1, l = 0 2s 2p n = 2, l = 0, 1 3s 3p 3d n = 3, l = 0, 1, 2 4s 4p 4d 4f n = 4, l = 0, 1, 2, 3 5s 5p 5d 5f n = 5, l = 0, 1, 2, 3, 4 Ví dụ: 6C : 1s2 2s2 2p2 2 2 6 2 2 14Si : 1s 2s 2p 3s 3p 2 2 6 2 6 2 10 2 32Ge : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 2 2 2 1 11Na : 1s 2s 2p 3s Các mức năng lượng chưa bị electron chiếm gọi là các mức năng lượng trống. Khi các electron nhận được năng lượng (do va chạm với electron khác hoặc với photon ) sẽ nhảy lên mức năng lượng cao hơn. II- THUYẾT VÙNG NĂNG LƯỢNG. Ta thấy electron trong nguyên tử được sắp xếp trên các mức năng lượng cố định: Ví dụ: 11Na : 1s2 2s2 2p2 3s1 2 2 6 2 6 2 9 29Cu : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d Trong đó các electron nằm sâu bên trong nguyên tử, bị giữ chặt bởi hạt nhân hơn các electron ở các tầng bên ngoài nên các electron tầng ngoài sẽ linh động hơn. Khi các nguyên tử tiến gần lại với nhau cỡ hằng số mạng “a”, các mức năng lượng sẽ bị tách ra và hợp thành các dải. Cuối cùng các mức năng lượng của các electron sâu bên trong nguyên tử và các electron bên ngoài hợp thành Vùng Hóa Trị BV (Bande Valence), tập hợp các mức năng lượng trống hợp thành Vùng Dẫn BC (Bande Conduction), khoảng cách năng lượng giữa 2 dải trên gọi là Vùng Cấm hay Khe Năng Lượng Eg (gap). E Vuøng Daãn E C Vuøng Caám Eg = EC -EV EV Vuøng Hoaù Trò Các vùng năng lượng trong nguyên tử ™ Nếu tất cả các electron đều nằm trong Vùng Hóa Trị: không có electron dẫn điện. ™ Khi các electron ở Vùng Hóa Trị nhận được năng lượng E > Eg, thì electron từ Vùng Hóa Trị sẽ nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện. Ví dụ: Si có Eg = 1,1 eV. C (Kim cương) có Eg = 5,4 eV. SiO2 có Eg = 8eV.
  9. III- PHÂN BIỆT ĐIỆN MÔI-CHẤT BÁN DẪN-KIM LOẠI: Về cấu trúc vùng năng lượng: Chất bán dẫn và điện môi có cấu trúc giống nhau, nhưng bản chất lại khác nhau. Hiện nay, Si ( Eg = 1,1 eV) và SiO2 (Eg = 8 eV) được dùng rất nhiều trong công nghệ bán dẫn. E E Vuøng Daãn E Vuøng Daãn C E Eg = 8 eV C Eg = 1,1 eV EV E Vuøng Hoùa Trò Vuøng Hoùa Trò V Các vùng năng lượng trong SiO2 Các vùng năng lượng trong Si a) Điện môi: Điện môi là chất có Eg rất lớn, ở điều kiện bình thường electron trong Vùng Hóa Trị không thể vượt qua rào năng lượng Eg, để lên Vùng Dẫn được. Ta phải cung cấp năng lượng lớn E > Eg thì electron từ Vùng Hóa Trị nhận năng lượng mới nhảy lên Vùng Dẫn để tham gia dẫn điện được. b) Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có Vùng Cấm Eg tương đối thấp, electron có thể nhận năng lượng để từ Vùng Hóa Trị lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện. Khi tăng nhiệt độ, số electron từ Vùng Hóa Trị nhận đủ năng lượng nhảy lên Vùng Dẫn càng nhiều, điện trở của chất bán dẫn càng giảm. c) Kim loại: Kim loai có Vùng Dẫn và Vùng Hoá Trị sát nhau hoặc gối lên nhau, nên ở điều kiện thường không cần cung cấp năng lượng cũng đã có sẵn các electron tự do trong Vùng Dẫn tham gia dẫn điện. Vì vậy ta có Eg = 0. E Vuøng Daãn EV EC Vuøng Hoùa Trò Các vùng năng lượng trong kim loại. Ví dụ: 13Al : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p1 2 2 6 1 11Na: 1s 2s 2p 3s . Khi tăng nhiệt độ, dao động mạng tinh thể tăng, cản trở sự di chuyển của electron nên điện trở của kim loại tăng. IV- CHẤT BÁN DẪN : (Semiconductor). Các nguyên tử hóa trị 4 như Germani (Ge); Silic (Si) là chất bán dẫn. 2 2 6 2 2 14Ge: 1s 2s 2p 3s 3p
  10. 2 2 6 2 6 2 10 2 32Si : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p . Ta thấy tầng ngoài cùng của các nguyên tử này đều có 4 electron, nên cần có thêm 4 electron nữa để đạt được cơ cấu bền, nghĩa là nó phải tạo thêm 4 liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử lân cận (mỗi liên kết cộng hóa trị có 2 electron dùng chung cho cả 2 nguyên tử ). Ví dụ: Mạng tinh thể của chất bán dẫn Germani có cấu hình như sau: E Ge Vuøng Daãn EC E = 0,72eV g EV Vuøng Hoùa Trò Các mức năng lượïng trong chất bán dẫn Ge Mạng tinh thể của chất bán dẫn Ge. Tùy theo tạp chất được pha vào chất bán dẫn mà ta có các loại bán dẫn sau đây: A- Chất bán dẫn thuần: (Intrinsic semiconductor). Trong mạng tinh thể, chỉ có thuần các nguyên tử bán dẫn, ví dụ Germani (Ge), Silic (Si), không có nguyên tử tạp chất lạ. Ta xét sự dẫn điện của loại bán dẫn này theo nhiệt độ: ( Ở 00K: Không có dao động nhiệt trong mạng tinh thể, các nguyên tử nằm yên ở các nút mạng nên các liên kết cộng hóa trị không thu được năng lượng để đứt ra. Chúng rất bền chắc: không có electron tự do nên chất bán dẫn là điện môi. ( Ở nhiệt độ bình thường: Các nguyên tử bị dao động nhiệt quanh vị trí cân bằng, chúng cung cấp năng lượng cho các liên kết cộng hóa trị. Khi thu đủ năng lượng E ( Eg các liên kết cộng hoá trị đứt ra cho các electron tự do và chúng có thể tham gia dẫn điện. ( Ở nhiệt độ cao: Số liên kết cộng hóa trị bị đứt ra càng nhiều, nên số electron tự do được tạo ra càng lớn, độ dẫn điện tăng. Cơ chế của sự dẫn điện trong chất bán dẫn thuần: Khi đặt chất bán dẫn vào một điện trường ngoài, các liên kết cộng hóa trị thu đủ năng lượng sẽ bị đứt ra tạo các electron tự do, chúng di chuyển về phía cực dương của điện trường và để lại một trạng thái năng lượng bị khuyết, ta gọi đó là lổ trống. Như vậy nguyên tử Ge có lổ trống chỉ còn 7 electron tầng ngoài, nó rất muốn nhận thêm một electron để đạt cơ cấu bền. Các electron lân cận rất dễ dàng di chuyển lại chiếm lổ trống này và lại để lổ trống khác cứ như thế, ta thấy rằng electron di chuyển ngược chiều điện trường, còn lổ trống di chuyển cùng chiều điện trường. Cả hai đều tham gia dẫn điện vì electron nhận năng lượng từ Vùng Hóa Trị nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, còn lổ trống di chuyển ngay trong Vùng Hóa Trị do sự di dời của các electron đến lấp các lổ trống. Trong chất bán dẫn thuần, ta có: I = Ie + Ip và số electron bằng số lổ trống (ne = np). E BC EC Ge EV BV
  11. Mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Các mức năng lượng trong Germani chất bán dẫn thuần. Chú ý: Dòng điện trong chất bán dẫn thuần chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nên ta gọi là dòng điện bảo hòa. B- Chất bán dẫn pha tạp chất: Khi chất bán dẫn được pha tạp chất có hóa trị 3 hoặc hóa trị 5 với nồng độ rất thấp vào mạng tinh thể của nó (pha 1 nguyên tử tạp chất trong 1012 nguyên tử bán dẫn). Các nguyên tử tạp chất sẽ chiếm một trong các nút mạng, độ dẫn điện của chất bán dẫn tăng lên đáng kể. 1. Chất bán dẫn loại n: (Negative). Pha tạp chất hóa trị 5 như Arsenic (As), Phosphor (P) vào chất bán dẫn Germani (Ge) hoặc Silic (Si) có hóa trị 4: 2 2 6 2 6 2 10 3 33As : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p . Tầng ngoài cùng của nguyên tử As có 5 electron, sẽ tạo liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge lân cận. Do đó thừa ra 1 electron, electron này rất linh động, chỉ cần một năng lượng rất thấp (khoảng 0.01eV) cũng đủ để nó thoát ra khỏi nguyên tử As và tham gia dẫn điện. Nên nhớ rằng electron này khi di chuyển không để lại lổ trống !! Ngoài ra các liên kết cộng hóa trị của nguyên tử Ge cũng có thể bứt ra khi chúng nhận được năng lượng đủ lớn ((E ( Eg) và chúng tham gia dẫn điện như trong chất bán dẫn thuần (gồm electron và lổ trống). Vậy trong chất bán dẫn loại N, electron và lổ trống đều tham gia dẫn điện, nhưng số electron nhiều hơn số lổ trống (do đó có tên chất bán dẫn N: negative). Ta gọi electron trong chất bán dẫn loại N là hạt mang điện đa số, còn lổ trống trong chất bán dẫn loại N là hạt mang điện thiểu số. Nếu xét trên giản đồ năng lượng, electron của nguyên tử As sẽ nằm trên mức năng lượng gần sát đáy dưới của Vùng Dẫn, gọi là mức ED (Donor). ∆E = EC - ED ( 0,01eV) Chỉ cần một năng lượng rất nhỏ cỡ 0.01eV, electron từ mức ED nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện. Ngoài ra các liên kết cộng hóa trị ở Vùng Hóa Trị khi nhận đủ năng lượng, bị bẻ gãy tạo electron nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, cũng như lổ trống dẫn điện ngay trong Vùng Hóa Trị như trong chất bán dẫn thuần. E BC EC ED Ge As EV BV Mạng tinh thể của chất bán dẫn loại N. Các mức năng lượng trong chất bán dẫn loại N. 2. Chất bán dẫn loại p: (Positive)
  12. Pha tạp chất hóa trị 3 như Gali (Ga), Indi (In) vào chất bán dẫn Germani (Ge) hoặc Silic (Si) có hóa trị 4: 2 2 6 2 6 2 10 1 31Ga : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p . 2 2 6 2 6 2 10 6 2 10 1 49In : 1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p Tầng ngoài cùng của nguyên tử Ga có 3 electron, mà phải liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge lân cận, do đó thiếu 1 electron hay có thể xem như thừa một lổ trống. Chỉ cần một năng lượng rất thấp (khoảng 0.01eV) cũng đủ cho các electron kế cận lại chiếm vị trí của lổ trống này và để lại lổ trống khác Ngoài ra các liên kết cộng hóa trị của nguyên tử Ge cũng có thể bứt ra khi chúng nhận được năng lượng đủ lớn và chúng tham gia dẫn điện như trong chất bán dẫn thuần (gồm electron và lổ trống). Vậy trong chất bán dẫn loại P, electron và lổ trống đều tham gia dẫn điện, nhưng số lổ trống nhiều hơn số electron (do đó có tên chất bán dẫn loại P: Positive). Ta gọi lổ trống trong chất bán dẫn P là hạt mang điện đa số, còn electron trong chất bán dẫn P là hạt mang điện thiểu số. Nếu xét trên giản đồ năng lượng, lổ trống của nguyên tử Ga sẽ nằm ở mức năng lượng gần phía trên của Vùng Hóa Trị, gọi là mức EA (mức Acceptor). ∆E = EA - EV ( 0.01eV ) Chỉ cần một năng lượng 0.01eV, electron từ Vùng Hóa Trị nhảy lên mức Acceptor lấp lổ trống của nguyên tử Ga, để lại lổ trống mới trong Vùng Hóa Trị. Các electron trong Vùng Hóa Trị lại chiếm vị trí của lổ trống đó, để lại lổ trống khác Vậy lổ trống tham gia dẫn điện trong Vùng Hóa Trị. Ngoài ra nếu các liên kết cộng hóa trị ở Vùng Hóa Trị nhận đủ năng lượng, bị bẻ gãy tạo ra electron tự do, nhảy lên Vùng Dẫn tham gia dẫn điện, cũng như lổ trống dẫn điện ngay trong Vùng Hóa Trị như trong chất bán dẫn thuần. E BC EC Ga E A E V Ge Mạng tinh thể của chất bán dẫn loại P. Các m ứ BVc n ăng lượng trong chất bán dẫn loại P Chất bán dẫn suy biến: Nếu pha tạp chất với nồng độ lớn, trên 1020 nguyên tử /cm3 thì mức ED cũng như mức EA sẽ tạo thành các dải. Dải ED sẽ chồng lên Dải Dẫn, cũng như dải EA chồng lên Dải Hóa Trị. Chất bán dẫn trong trường hợp này gọi là chất bán dẫn suy biến, nó dẫn điện tốt như kim loại. Người ta sử dụng tính chất này để tạo các dây nối trong các vi mạch.
  13. BÀI 2: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG Các linh kiện điện tử thụ động dùng trong các mạch điện tử thường là: điện trở, tụ điện, cuộn cảm (cuộn self), máy biến thế I- ĐIỆN TRỞ. 1. Định nghĩa: Là một loại linh kiện điện tử, dùng để giới hạn dòng điện trong mạch điện. 2. Ký hiệu: R R hoaëc Ký hiệu của điện trở 3. Đơn vị: Đơn vị của điện trở là Ohm viết tắt là (. Bội số của Ohm là Kilo Ohm bằng 103 (. (viết tắt là K(). Mega Ohm bằng 106 ( (viết tắt là M(). 4. Cách ghi và đọc điện trở: Qui ước màu : Thông thường, trị số của điện trở có công suất nhỏ, được ghi bằng ký hiệu màu sắc trên thân của nó theo qui ước màu sau đây: Số 0 : màu đen. 1 : màu nâu. 2 : màu đỏ. 3 : màu vàng cam. 4 : màu vàng tươi. 5 : màu xanh lá cây. 6 : màu xanh dương. 7 : màu tím. 8 : màu xám. 9 : màu trắng. Cách đọc: Số thứ tự các vạch màu được tính từ vạch sát mút điện trở là vạch thứ nhất (vạch màu vàng nhũ hoặc màu bạc luôn luôn là vạch thứ tư) Điện trở 4 vạch màu Điện trở 5 vạch màu (Điện trở chính xác) Vạch thứ nhất: số đầu tiên. Vạch thứ nhất: số đầu tiên. Vạch thứ hai : số thứ hai. Vạch thứ hai : số thứ hai. Vạch thứ ba : số 0 thêm vào. Vạch thứ ba : số thứ ba. Vạch thứ tư : sai số, có 3 trường Vạch thứ tư : số 0 thêm vào. hợp: Vạch thứ năm: sai số, có các * không có vạch thứ tư : ( 20% trường hợp: * màu vàng nhủ : ( 5% * màu nâu : ( 1% * màu bạc : ( 10% * màu đỏ : ( 2% * màu vàng cam : ( 3% 5. Cách đo điện trở:
  14. Dùng Ohm-kế hoặc Megohm-kế. 6. Công suất : Tùy theo kích thước to, nhỏ của nó mà loại điện trở than có các loại 1 sau đây:ĠW, W, 1W, 2W, 2 Các loại điện trở công suất lớn khác có giá trị được ghi sẵn ngay trên thân điện trở. 7. Phân loại theo vật liệu: Thông thường ta có các loại điện trở sau: * Điện trở than nén: Sai số lớn, điện trở của nó thay đổi nhiều theo nhiệt độ, gây tạp âm (parasite) lớn do các hạt than dao động khi có dòng điện thay đổi đi qua * Điện trở màng than: Sai số ít, điện trở của nó ít thay đổi theo nhiệt độ, gây tạp âm ít * Điện trở màng kim loại: Loại điện trở tốt nhất, chính xác, ít thay đổi theo nhiệt độ và gây tạp âm rất ít . 8. Các loại điện trở đặc biệt: * Điện trở công suất: thường được làm bằng dây kim loại có điện trở lớn, quấn trên lỏi sứ (cách điện, dẫn nhiệt). * Điện trở nhiệt: còn gọi là thermistor (Th), có điện trở nghịch biến với nhiệt độ, được chế tạo bằng chất bán dẫn. * Biến trở: là loại điện trở thay đổi được trị số, thường làm bằng màng than trên bakelite hoặc dây quấn trên một ống sứ hình trụ. * VDR (Voltage Depend Resistor): điện trở có trị số thay đổi theo điện áp đặt vào. * Quang điện trở (Photo-resistor): điện trở có trị số thay đổi tuỳ theo cường độ ánh sáng chiếu vào. II.- TỤ ĐIỆN. 1. Định nghĩa: Là một loại linh kiện điện tử, gồm 2 bản cực là chất dẫn điện được ngăn cách với nhau bằng một lớp điện môi ở giữa. 2. Ký hiệu: hoặc + - Ký hiệu của tụ điện thường Ký hiệu của tụ điện hoá học. 3. Đơn vị: Một đại lượng đặc trưng cho tính nạp điện, phóng điện của tụ điện là điện dung. Đơn vị của điện dung là Farad (F). Nhưng trong thực tế, người ta thường dùng ước số của Farad là: • Micro Farad (µF) = 10-6F. • Nano Farad (nF) = 10-9F = 10-3 µF = 103 pF. • Pico Farad (pF) = 10-12F = 10-6 µF = 10-3nF. 4. Các tham số : Tụ điện có 2 tham số chính: a) Điện dung: Điện dung của tụ điện phẳng được tính theo công thức: εε S C = 0 d Trong hệ SI, C là điện dung của tụ điện (F), (0 là hằng số điện, (0 = Ĩ) F/m, ( là hằng số điện môi, S (cm2) là phần diện tích đối diện nhau của 2 bản cực và d (m) là khoảng cách giữa 2 bản cực. Điện dung được ghi ngay trên thân tụ điện bằng các ký hiệu sau: MF ( MFD ( µFD ≈ uF ≈ µF. Các tụ điện sứ (ceramic), trị số của nó thường được ghi như sau: 104 (10.0000pF = 0,1µF) 103 (10.000pF = 0,01µF)
  15. 102 (10.00pF = 0,001µF ). b) Điện áp làm việc: Là điện áp tối đa cho phép đặt vào 2 bản cực của tụ điện, nếu điện áp đặt vào 2 cực tụ điện quá giá trị này, lớp điện mội sẽ bị đánh thủng. Ta có: V = E.d Trị số của điện áp làm việc thường được ghi ngay trên thân của nó, ký hiệu bằng V hoặc bằng chữ WV (Working Voltage). Ví dụ: 1000(F/25VDC hoặc 1000(F/25WV. 5. Các loại tụ điện: Tùy theo vật liệu làm chất điện môi mà ta có các loại tụ điện tương ứng: * Tụ điện giấy: Chất điện môi là giấy thường được tẩm dầu, 2 bản kim loại thường là nhôm, tất cả được cuốn tròn và có 2 cực nối với 2 bản cực. Loại này thường có điện dung không cao, độ rĩ lớn, nhưng điện áp làm việc lớn. * Tụ mica: Chất điện môi là mica, 2 bản kim loại thường là nhôm, tất cả được cuốn tròn hoặc cuốn dẹp lại và có 2 cực nối với 2 bản cực. Loại này thường có điện dung không cao, độ rĩ rất nhỏ. * Tụ gốm hay sứ (ceramic): Có dạng hình đĩa, chất cách điện là một miếng gốm và 2 bản cực là 2 miếng nhôm. Loại này thường có điện dung không cao, độ rĩ ít và điện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ . * Tụ không khí: Điện môi là không khí,1 bản cực có thể xoay quanh một trục để thay đổi được điện dung do diện tích đối diện S của 2 bản cực thay đổi. Thường dùng để điều chỉnh tần số trong các mạch cộng hưởng. Loại này có điện dung rất nhỏ. * Tụ hoá học: Có điện dung lớn vì có bề dày d rất nhỏ. Một bản cực nhôm đặt sát một lớp giấy tẩm dung dịch điện giải (dẫn điện), tất cả được cuốn tròn lại. Bản nhôm và lớp giấy tẩm dung dịch điện giải đóng vai trò của 2 bản cực. Khi đưa 2 bản cực vào một nguồn điện một chiều, hiện tượng điện giải tạo ra một lớp Oxit nhôm (Al2O3) cách điện ở giữa 2 bản cực. Lớp này rất mỏng và cách điện tốt. Vậy ta có hai bản cực dẫn điện nhôm-giấy tẩm dung dịch điện giải, cách nhau bởi lớp điện môi (Al2O3) nên làm thành một tụ điện. Chú ý: Khi sử dụng loại tụ điện hoá học này, phải dùng đúng cực tính: Cực dương của tụ điện (bản cực giấy) nối vào cực dương của nguồn, cực âm của tụ điện (bản nhôm) nối vào cực âm của nguồn. Nếu ta mắc ngược lại hoặc dùng tụ điện hoá học nơi có dòng điện xoay chiều chạy qua, tụ điện hoá học sẽ bị nổ vì hiện tượng điện giải ngược lại, lớp điện môi (Al2O3) tan vào dung dịch điện giải và lớp điện môi này không còn nguyên vẹn nữa, chúng có điện trở làm nóng tụ điện và nổ. * Tụ Nonpolar hoặc Bipolar: Đây là các loại tụ điện hoá học đặc biệt, có thể sử dụng với dòng điện xoay chiều, lớp điện môi được tạo ra không bị tan vào dung dịch điện giải. Tụ điện này thường được dùng làm tụ điện liên lạc với các loa treble trong các thùng loa. * Tụ trimer: Là loại tụ điện có kích thước rất nhỏ, thay đổi được điện dung nhỏ. Thường dùng để tinh chỉnh trong các mạch cộng hưởng. 6. Cách đo thử tụ điện: Tụ điện được đo thử bằng Ohm-kế (chỉ thị bằng kim) hoặc máy đo tụ điện. Thông thường ta dùng Ohm-kế : Đưa 2 que đo của Ohm-kế vào 2 đầu tụ điện, nguồn pin trong Ohm-kế sẽ nạp điện cho tụ điện, dòng nạp ban đầu lớn nhất sau đó giảm dần xuống không. Ta thấy kim Ohm- kế lên cao, sau đó từ từ về ( là tụ điện tốt. * Nếu Kim Ohm-kế lên cao, không xuống là tụ điện bị nối tắt. * Nếu Kim Ohm-kế lên cao, xuống không hết, là tụ điện bị rĩ. * Nếu Kim Ohm-kế không lên, tụ điện có điện dung quá nhỏ hoặc bị khô.
  16. Chú ý: Để đo thử các loại tụ có điện dung nhỏ như tụ mica, tụ gốm, ta tìm cách tăng dòng nạp cho tụ điện bằng cách tăng nguồn pin của Ohm-kế như sau: Nguoàn ñieän theá moät chieàu + (côõ 100 Volt) mA - Cách đo thử tụ điện có điện dung nhỏ Nếu kim mA-kế DC hoặc Volt-kế DC lên cao, xuống hết (R=() là tụ điện tốt III- CUỘN CẢM : (Self). 1. Định nghĩa: Cuộn cảm gồm nhiều vòng dây đồng, quấn trên lõi không khí, lõi ferit (ferric), hoặc lõi sắt từ. 2. Cảm kháng: Cảm kháng của cuộn cảm được tính theo công thức: ZL = L(. 3. Phân loại : Tùy theo tính chất từ của lõi, mà ta sẽ sử dụng cuộn cảm ở những nơi có tần số khác nhau: * Lõi sắt: Dùng cho tần số thấp. * Lõi ferit: Dùng cho tần số cao, có thể điều chỉnh được hệ số tự cảm L bằng cách điều chỉnh lõi ferit ra hoặc vào sâu bên trong lõi . * Lõi không khí: Dùng nơi có tần số rất cao. IV- BIẾN ÁP. 1. Nguyên tắc: Công thức tính số vòng dây: V = 4,44. 10-8 .N.B.f.S V : điện áp đặt vào cuộn biến áp (Volt). N : số vòng cuộn dây của biến áp. B : cảm ứng từ (Gauss). f : tần số của dòng điện sử dụng (Hertz) S : tiết diện lõi sắt từ (cm2 ). Công thức tính công suất của biến thế cở nhỏ: S = 1,2 P S : là tiết diện lõi sắt (cm2 ) P : là công suất của máy biến áp (Watt). 2. Điện trở phản ảnh: Biến thế có cuộn sơ cấp N1 vòng, được đặt vào điện áp U1 có dòng điện I1 chạy qua. Cuộn thứ cấp N2 vòng, có điện áp hai đầu U2, mắc tải Zo sẽ có dòng điện I2 chạy qua. U N N U Z 1 1 2 2 o NU I Tỉ số biến áp: n = 221== NUI112 Để có các công thức trên ta phải có các điều kiện: thất thoát năng lượng từ ra ngoài không đáng kể và điện trở thuần của 2 cuộn dây rất nhỏ. IU12 nUnU== ⇒21 = IU21 2 Un21 nU InIn12== = nU 1 = Z00ZZ 0 Điện trở phản ảnh Rt được tính bởi công thức: U Z R ==1 0 t 2 In1
  17. BÀI 3: LINH KIỆN BÁN DẪN I- CÁC HIỆN TƯỢNG TIẾP XÚC. Các linh kiện bán dẫn thường được chế tạo dựa trên các hiện tượng tiếp xúc giữa các vật liệu. Ta xét một số hiện tượng tiếp xúc thường gặp trong kỹ thuật vi điện tử: tiếp xúc kim loại - bán dẫn, tiếp xúc bán dẫn – bán dẫn (tiếp xúac P-N), tiếp xúc kim loại - điện môi - bán dẫn (MOS). 1. Tiếp xúc kim loại - bán dẫn: Giả sử ta có một mẫu kim loại và một mẫu chất bán dẫn loại N (bán dẫn có electron là hạt mang điện đa số) tiếp xúc nhau. Ta xét hiện tượng gì xảy ra tại lớp tiếp xúc trên: Công thoát của electron trong chất bán dẫn nhỏ hơn công thoát của electron trong kim loại, mức Fermi trong chất bán dẫn nằm cao hơn trong kim loại (mức Fermi là mức năng lượng cao nhất của các electron dẫn ở 00K). Nên khi cho kim loại-bán dẫn tiếp xúc nhau thì electron trong chất bán dẫn thoát ra khỏi chất bán dẫn dễ dàng hơn electron thoát ra khỏi kim loại. Dòng electron từ chất bán dẫn chạy sang kim loại nhiều hơn dòng từ kim loại sang chất bán dẫn. Nhưng quá trình này xảy ra trong thời gian rất ngắn vì đến một lúc nào đó, số electron bên kim loại tăng lên, còn số electron bên chất bán dẫn giảm xuống. Theo thời gian, điện tích phía chất bán dẫn càng dương và phía kim loại điện tích càng âm, chúng tạo thành một điện trường Etx có chiều từ chất bán dẫn sang kim loại. Chính điện trường này ngăn cản không cho electron trong chất bán dẫn tiếp tục chạy sang kim loại nữa. Sau một khoảng thời gian rất ngắn đạt được trạng thái cân bằng, electron trong chất bán dẫn N không chạy sang kim loại nữa hình thành một lớp nghèo hạt mang điện cơ bản tại vùng tiếp xúc (nằm phía chất bán dẫn) gọi là lớp đảo hay lớp điện tích không gian. Ta sẽ chứng minh lớp tiếp xúc này có tính chỉnh lưu: E Etx tx Etx KL BD N KL BD N KL BD N d d d Engoaøi Engoaøi Hình 1 Hình 2 Hình 3 ƒ Hình 1: Điện trường Etx hình thành một lớp đảo, nghèo hạt mang điện cơ bản có bề dày d. ƒ Hình 2: Điện trường ngoài Engoài có chiều ngược với chiều của Etx nên làm bề dày d của nó co lại, vùng nghèo hạt mang điện cơ bản hẹp nên dẫn điện mạnh. Đây là chiều dẫn điện thuận (nhánh thuận). ƒ Hình 3: Điện trường ngoài Engoài cùng chiều với chiều của Etx nên làm bề dày d của nó mở rộng ra, vùng nghèo hạt mang điện cơ bản rộng nên dẫn điện kém. Đây là chiều dẫn điện ngược (nhánh nghịch). I(mA) Nhaùnh thuaän Ñaëc tuyeán Volt-Ampe cuûa U 0 lôùp tieáp xuùc kim loaïi -Chaát Nhaùnh nghòch baùn daãn N . Như vậy, lớp tiếp xúc kim loại - bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điốt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao.
  18. Tuy nhiên, đôi khi người ta muốn tiếp xúc này thuần trở (Ohmic), không có tính chỉnh lưu (để tạo các mối nối từ chất bán dẫn ra các chân). Muốn vậy, người ta phải chọn kim loại và chất bán dẫn có (kl và (bd thích hợp. E Möùc 0 Möùc 0 ϕ bd EC ϕ kl E Fbd E D EFkl E V Kim loại Chất bán dẫn 2. Tiếp xúc p-n: Nếu có 2 miếng bán dẫn loại N và loại P đặt tiếp xúc với nhau (ví dụ: Si-N và Si-P), ta xét hiện tượng gì xảy ra tại vùng tiếp xúc đó. Ta đã biết rằng trong chất bán dẫn loại N, electron là hạt dẫn điện đa số và lổ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Còn trong chất bán dẫn loại P, lổ trống là hạt dẫn điện đa số và electron là hạt dẫn điện thiểu số. Nồng độ hạt dẫn điện cơ bản ở 2 bên chênh lệch nhau, sẽ có hiện tượng khuếch tán: electron từ chất bán dẫn N sang chất bán dẫn P và lổ trống từ chất bán dẫn P sang chất bán dẫn N. Do vậy, phía N mật độ electron giảm dần (điện tích dương lên) và phía P, mật độ lổ trống giảm dần (điện tích âm xuống), nên xuất hiện một điện trường Etx ở 2 bên mặt lớp tiếp xúc hướng từ N sang P. Điện trường Etx này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục khuếch tán sang P, cũng như không cho lổ trống từ P khuếch tán sang N. Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, có sự cân bằng về mật độ hạt dẫn điện ở vùng tiếp xúc, lúc này mức Fermi ở 2 chất bán dẫn ngang bằng nhau. Ở vùng tiếp xúc (về cả hai phía chất bán dẫn P và N) hình thành một lớp nghèo hạt dẫn điện cơ bản (có điện trở lớn), còn gọi là lớp điện tích không gian. Si P Si N EC EC E E D FN E A EFP EV EV Các mức năng lượng trong 2 loại chất bán dẫn loại P và N. d P N Caùc möùc EC naêng löôïng EC ôû lôùp tieáp EA E EFP FN xuùc P-N . ED EVTa sẽ chứng minh lớp tiếp xúc này có tính chất chỉnh lưu : EV
  19. Etx Etx P N P N Engoaøi Engoaøi Hình 1 Hình 2 Tiếp xúc P-N có nguồn cấp điện bên ngoài ƒ Hình 1: Điện trường ngoài Engoài ngược chiều với Etx nên làm bề dày lớp điện tích không gian thu hẹp lại (có điện trở nhỏ) nên có dòng điện lớn đi qua lớp tiếp xúc. Đây là nhánh thuận của đặc tuyến V-A. ƒ Hình 2: Điện trường ngoài Engoài cùng chiều với Etx , làm bề dày lớp điện tích không gian mở rộng ra (điện trở lớn), nên có dòng điện nhỏ đi qua lớp tiếp xúc do các hạt dẫn thiểu số gây ra. Đây là nhánh nghịch của đặc tuyến V-A. I (mA) nhaùnh thuaän (1) Ungoaøi Ungoaøi nhaùnh nghòch ( 2 ) Đặc tuyến Volt-Ampe của.lớp tiếp xúc P-N Vậy lớp tiếp xúc P-N có tính chất chỉnh lưu, chỉ cho dòng điện đi qua theo chiều thuận (chiều từ lớp P sang lớp N). 3. Tiếp xúc kim loại - điện môi - chất bán dẫn: Người ta dùng SiO2 làm điện môi, chất bán dẫn là Si, thì tiếp xúc kim loại-điện môi-bán dẫn là tiếp xúc kim loại - oxit - bán dẫn, còn gọi là MOS (Metal – Oxide -Semiconductor). Tiếp xúc này được dùng để tạo các MOSFET (transistor trường Cổng cách điện), tụ điện MOS A KL SiO2 Si-P B Möùc 0 x EC ϕ kl ϕbd EFbdP EFkl EV Giản đồ năng lượng của tiếp xúc MOS. ƒ Khi chưa đặt điện áp ngoài vào 2 cực AB thì không xuất hiện các điện tích ở 2 bề mặt điện môi.
  20. ƒ Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: electron trong lớp Si-P chạy về cực B, lổ trống trong lớp Si -P chạy về phía vách chất điện môi. Sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương và sát lớp điện môi gần kim loại có điện tích âm. ƒ Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: mật độ lổ trống phía Si-P ít dần hình thành lớp nghèo hạt dẫn điện cơ bản. Tăng điện áp này lên, vùng nghèo hạt cơ bản này tăng lên. Ta thấy 2 bên lớp điện môi SiO2 hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở 2 bản cực của tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua. II- ĐIỐT BÁN DẪN. 1. Cấu tạo, ký hiệu: Điốt bán dẫn gồm hai chất bán dẫn loại P và N ghép với nhau tạo thành một lớp tiếp xúc P- N (tiếp xúc mặt), có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được. Hoặc một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N (tiếp xúc điểm), có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao. Ở đây ta xét điốt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P-N: Lớp P nối với với cực A, được gọi là Anốt. Lớp N nối với cực K, được gọi là Catốt. A K A K P N Cấu tạo của điốt Ký hiệu của điốt 2. Nguyên lý làm việc và đặc tuyến volt-ampe: ƒ Khi đặt điện trường ngoài theo chiều thuận: Cực dương nguồn đặt vào A và cực âm nguồn đặt vào K. Có dòng điện mạnh chạy qua lớp tiếp xúc, vì lúc này vùng điện tích không gian bị thu hẹp lại, làm dòng điện khuếch tán tăng lên. Dòng điện qua mặt tiếp xúc P-N lúc này sẽ tăng theo điện áp ngoài UAK: I = Ithuận - Ingược 11522U IIe=−[1]AK S T Trong đó, Is là dòng điện ngược bảo hoà (khoảng vài chục mA). T là nhiệt độ tuyệt đối (T = 2730C + nhiệt độ đo bằng 0C) UAK là điện áp đặt vào Anốt và Katốt của điốt (V). I tăng theo UAK theo công thức trên được biểu diễn bằng đường cong bên phải trên đặc tuyến Volt-Ampe. mA 600 400 200 V 1000 600 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 U(V) Đặc tuyến Volt-Ampe của một điốt Silic Chú ý: Điện áp rơi trên điốt Si khoãng 0,6V và 0,2V ở điốt Ge.
  21. Sở dĩ theo chiều thuận, điốt xem như bắt đầu dẫn điện khi điện áp đặt vào 2 đầu điốt vượt qua trị số ngưỡng (0,2V đối với Ge, hoặc 0,6V đối với Si) vì điện áp thuận đặt vào điốt phải đủ lớn để lấn áp điện trường Etx bên trong tiếp xúc P-N. ( Khi đặt điện trường ngoài theo chiều nghịch: Cực dương vào K và âm vào A. Khi UKA thấp, có dòng điện rất nhỏ chạy qua lớp tiếp xúc, vì lúc này vùng điện tích không gian mở rộng ra và do các hạt dẫn thiểu số gây ra. Đoạn này được gọi là điốt phân cực nghịch hay điốt khóa (đặc tuyến V-A bên trái). Nhưng khiĠ ( Ġ (VZ hay Vcắt) thì hạt mang điện thiểu số được gia tốc đến mức có thể phá vỡ mối liên kết nguyên tử trong lớp tiếp xúc và tạo ra các electron tự do mới, các electron mới này lại tham gia bắn phá lớp tiếp xúc và số electron này được tạo ra dây chuyền làm dòng Ingược tăng lên một cách nhảy vọt. Tình trạng này gọi là điốt bị đánh thủng. 3. Các thông số chủ yếu: Mỗi điốt thường có các thông số chủ yếu sau đây: ( Dòng điện thuận định mức Ia : Là dòng điện cực đại cho phép, qua điốt trong một thời gian dài khi điốt mở. ( Điện áp ngược định mức UKAmax : Là điện áp ngược cực đại cho phép, đặt vào điốt trong một thời gian dài khi điốt khóa. ( Thời gian hồi phục khóa tk : Là thời gian cần thiết để chuyển trạng thái mở sang trạng thái khóa. Điều này ảnh hưởng đến tần số của dòng điện sử dụng. ( Dòng điện ngắn hạn cực đại cho phép: Là dòng điện cực đại cho phép đi qua điốt ở trạng thái mở trong một thời gian ngắn. Ví dụ: 1N4004 : IA = 1A ; UKAmax = 400V . 1N4007 : IA = 1A ; UKAmax = 1000V. 4. Phân loại điốt: Người ta có thể phân loại điốt tùy theo quan điểm khác nhau: ƒ Theo đặc điểm cấu tạo: điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt. ƒ Theo vật liệu sử dụng: điốt Ge hay điốt Si. ƒ Theo tần số sử dụng: điốt cao tần, điốt tần số thấp. ƒ Theo công suất: điốt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. ƒ Theo nguyên lý hoạt động: điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (Zener), điốt biến dung (varicap), điốt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel). ƒ a) Điốt ổn áp (điốt Zener): Điốt Zener là điốt Si có cấu tạo đặc biệt, không bị phá hủy khi có điện áp ngược đặt vào lớn hơn điện áp đánh thủng VZ và ứng với điện áp VZ cố định này, dòng ngược tăng đột ngột, do đó đặc tuyến ngược Volt-Ampe của nó rất thẳng. Ở đây ta sử dụng nhánh ngược của đặc tuyến Volt-Ampe để sử dụng điốt vào mạch điện ổn áp. Ithuaän V Z Uthuaän Ungöôïc I Đặngöôïcc tuy ến Volt-Ampe của điốt Zener. Ký hiệu:
  22. hoặc Ký hiệu của điốt Zener Muốn biết điện áp và công suất của điốt Zener, ta phải tham khảo trong sách tra cứu điốt. Ví dụ: • Mạch ổn áp đơn giản: + + Ñieän R U = V aùp vaøo ra Z DZ khoâng ñoåi thay ñoåi - Mạch -ổn áp đơn giản. Trong thực tế, để mạch ổn áp có hiệu quả cao, người ta thường kết hợp điốt Zener với các transistor (sẽ hiểu rõ sau bài Transistor). Các mạch ổn áp thực tế được mắc theo các sơ đồ như sau : • Mạch ổn áp dùng 1 transistor : T + + RB Uvaøo Ura DZ - - Mạch ổn áp dùng Transistor. Điện trở RB dùng để phân cực cho transistor T và ấn định dòng điện ngược cho điốt DZ. Thường ta chọn Ingược min để điốt Zener ít nóng, sử dụng lâu bền : Ingược min =Ġ U vao − VZ RB = I nguoc min và công suất của transistor : Pmax = UI = (Uvào - Ura)Imax Trong đó Imax là dòng điện tối đa qua mạch tiêu thụ. Điện áp ổn áp : Ura = (VZ - 0,6) Volt. Ví dụ : Tính các giá trị của các linh kiện trong mạch ổn áp một chiều 12 volt, dòng tiêu thụ 100mA, điện áp vào 15Volt . Ta dùng điốt Zener loại nhỏ :12,6V / 800mW. Ingược max = Ġ = 63,5mA Ingược min = Ġ = 6,35mA. Vậy RB = Ġ = 380( • Mạch ổn áp dùng 3 transistor : Mạch ổn áp này khá tốt và có thể điều chỉnh được hiệu điện thế ra.
  23. T3 + + R R B 1 T2 Uvao R Ura T1 DZ R2 - - Mạch ổn áp dùng 3 transistor Mạch ổn áp này gồm 3 phần chính: * Điện áp chuẩn: Được tạo bởi điốt Zener (DZ) mắc theo chiều ngược để ta có điện áp VZ không đổi đặt vào chân E của T1. * Điện áp mẫu: Lấy ra từ cầu phân thế R1, R, R2 đưa vào chân B của T1. * So sánh: T1 làm nhiệm vụ so sánh để tạo điện áp điều khiển tại chân C. Nếu điện áp Ura tăng: Điện áp lấy mẫu ở cầu chia thế R1, R, R2 cao nênVB1 tăng, T1 được phân cực cao, dẫn điện mạnh nên VC1 thấp => VB2 thấp, T2 được phân cực thấp dẫn điện yếu nên VE2, VB3 thấp => T3 phân cực thấp, dẫn điện yếu làm Ura giảm xuống. Nếu điện áp Ura giảm: Điện áp lấy mẫu ở cầu chia thế R1, R, R2 thấp nênVB1 thấp, T1 được phân cực yếu, dẫn điện yếu nên VC1 cao => VB2 cao, T2 được phân cực mạnh dẫn điện mạnh nên VE2, VB3 cao => T3 phân cực mạnh, dẫn điện mạnh làm Ura tăng cao. Ở đây T2 và T3 mắc theo kiểu Darlington để tăng hệ số khuếch đại (( = (2.(3). b) Điốt biến dung (Varicap): Là điốt Si được cấu tạo đặc biệt để dùng với đặc tuyến ngược của điốt. Ta đã thấy nếu vùng điện tích không gian lớn, vùng này nghèo hạt dẫn điện đa số nên được coi như một chất điện môi, 2 bên vùng này là các chất bán dẫn P và N có các điện tích dương và âm. Vậy có thể xem lớp tiếp xúc này có tác dụng như một tụ điện, bề dày lớp điện môi thay đổi được theo điện áp ngược đặt vào nên điện dung của tụ điện này thay đổi được theo điện áp. Ký hiệu: Ký hiệu của điốt Varicap Điốt này được dùng trong các mạch cộng hưỡng, điều chỉnh tần số cộng hưỡng bằng điện áp trong các máy thu. Thay đổi điện dung của mạch cộng hưỡng bằng cách thay đổi điện áp ngược đặt vào điốt varicap. 5. Tên của điốt: Theo cách đặt tên kiểu Mỹ có chữ 1N ở đầu và các con số phía sau. Ví dụ: 1N4001, 1N4007 6. Đo thử điốt: ƒ PHÂN BIỆT ĐIỐT Ge HOẶC Si: Ta đã biết Ge có Eg = 0.72eV và Si có Eg = 1.1eV nên theo chiều thuận điốt Ge dẫn với điện áp thấp hơn điốt Si (Ge: 0.2V và Si 0.6V) và dòng điện ngược trong điốt Ge lớn hơn trong điốt Si. Dùng Ohm-kế thang đo x1K, đo theo 2 chiều thuận (kim Ohm – kế lên nhiều), nghịch (kim Ohm – kế không lên hay lên ít). Nếu điốt còn tốt ta có kết quả như sau: + Ω keá - + keá - + Ω keá - Ω + Ω keá -
  24. Kim lên cao Kim Kim lên cao hơn Kim không nhúc hơi nhích lên nhích trường hợp Si một Điốt Si chút. Điốt Ge Chú ý: Các Ohm-kế chỉ thị bằng kim, do cấu tạo gồm một mA-kế nối tiếp với một nguồn pin, nên cực dương của Volt-kế là cực âm của Ohm-kế. ƒ ĐO THỬ XÁC ĐỊNH ĐIỐT TỐT, XẤU: * ĐIỐT Si: Dùng Ohm-kế (thang đo Rx1K) đo theo 2 chiều thuận, nghịch : Nếu một chiều kim lên cao, một chiều kim không nhúc nhích : Tốt. Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều lên cao : điốt bị nối tắt. Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều lên lưng chừng : điốt bị rĩ Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều không lên : điốt bị đứt. * ĐIỐT Ge: Dùng Ohm-kế (thang đo Rx1K) đo theo 2 chiều thuận, nghịch : Nếu một chiều kim lên cao, một chiều kim hơi nhích lên: Tốt. Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều lên cao: điốt bị nối tắt. Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều lên lưng chừng : điốt bị rĩ. Nếu cả 2 chiều đo, kim ohm-kế đều không lên : điốt bị đứt. 7. Ứng dụng của điốt: a) Chỉnh lưu dòng điện một chiều: Mối tiếp xúc P-N có tính chỉnh lưu, nên có thể dùng điốt để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. ƒ CHỈNH LƯU NỬA CHU KỲ: Mạch điện rất đơn giản, chỉ gồm 1 điốt theo sơ đồ sau: U ~ R U UM t ra 0 t Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Đường biểu diễn của điện áp Uvào theo t U UM 0 t Đường cong biểu diễn điện áp Ura theo t Ta thấy điốt chỉ cho nửa chu kỳ dương của dòng điện xoay chiều chạy qua, nửa chu kỳ âm bị chặn lại. Trên tải Rt ta thu được dòng điện Ura như hình vẽ.
  25. 11TT/2 U = UtdtUtdtsinωω .= sin . ra ∫∫MM TT00 1 T /2 UUtdt= sinω . (1) ra∫ M T 0 Để có được dòng điện một chiều không đổi, ta dùng một tụ điện C có điện dung lớn mắc song song với Rt. Khi điện áp tăng, tụ điện C được nạp đầy đến điện áp đỉnh UM, khi điện áp hai đầu C giảm, tụ điện sẽ phóng qua tải Rt. Thời gian phóng càng lâu nếu tụ điện C có điện dung càng lớn, dòng điện Ura càng bằng phẳng, ít bị mấp mô. Tuy nhiên, nếu tụ điện C lớn, dòng nạp ban đầu cho tụ điện lớn, có thể đánh thủng điốt. + U ~ Ura Rt C - Mạch điện chỉnh lưu nửa chu kỳ có mạch lọc. U UM t 0 Điện áp một chiều sau mạch lọc dùng tụ điện ƒ CHỈNH LƯU HAI NỬA CHU KỲ: Theo mạch điện trên, ta thấy nửa chu kỳ còn lại dòng điện bị chặn lại, không qua tải tiêu thụ được làm giảm công suất của mạch chỉnh lưu. Muốn sử dụng cả 2 nửa chu kỳ, ta có thể dùng 2 mạch điện sau đây: D1 D4 D1 − Rt + + Uvào Uvao D2 D2 D3 Rt Ura - Mạch chỉnh lưu dùng 2 điốt Mạch cầu chỉnh lưu dùng 4 điốt U ra UM 0 t Điện áp xoay chiều đưa vào mạch chỉnh lưu
  26. Ura UM 0 t Điện áp một chiều trên tải Rt 2 T /2 UUtdtra= M sinω . (2) T ∫ 0 Chú ý: So sánh (1) và (2) ta thấy giá trị của (2) lớn hơn (1). Mạch điện 1: Khi điốt D1 nhận nửa chu kỳ dương, thì điốt D2 nhận nửa chu kỳ âm, D1 dẫn và D2 ngưng. Dòng điện qua tải Rt một chiều như hình vẽ. Qua nửa chu kỳ sau, điốt D1 nhận nửa chu kỳ âm, thì điốt D2 nhận nửa chu kỳ dương, D2 dẫn và D1 ngưng. Dòng điện qua tải Rt cũng cùng chiều như nửa chu kỳ đầu. Vậy cả 2 nửa chu kỳ ta đều thu được dòng điện một chiều qua tải Rt. Mạch điện 2: Nửa chu kỳ đầu của Uvào, giả sử phía trên dương hơn phía dưới, dòng điện chạy qua D1, Rt, D2, rồi về nguồn. Nửa chu kỳ sau của Uvào, dưới dương hơn phía trên, dòng điện chạy qua D3 , Rt, D4, rồi về nguồn. Cả 2 nửa chu kỳ ta đều có dòng điện một chiều chạy qua tải Rt từ trên xuống dưới, nên phía trên dương, phía dưới âm. Cả 2 mạch điện trên, dòng điện một chiều sau chỉnh lưu là dòng điện một chiều thay đổi. Muốn biến đổi thành dòng một chiều bằng phẳng, ta dùng tụ điện lọc có điện dung lớn mắc song song với tải Rt như đã nói ở trên (chọn thời hằng ( = RC lớn). Ura UM 0 t Điện áp ra Ura sau tụ điện lọc b) Chỉnh lưu dòng điện một chiều, nhân đôi điện áp : Ta kết hợp các điốt và tụ điện để tạo ra các mạch điện có tác dụng vừa chỉnh lưu dòng điện xoay chiều, vừa nhân đôi điện áp. Ta có 2 mạch điện như sau đây: ƒ Mạch điện 1: * Nửa chu kỳ đầu: Giả sử điện áp xoay chiều vào phía trên dương hơn phía dưới, D1 dẫn điện, D2 ngưng dẫn. D1 dẫn nạp cho C1 một điện áp đỉnh bằng UM, có chiều dương ở trên, âm ở phía dưới. * Nửa chu kỳ sau: phía dưới dương hơn phía trên, D1 ngưng dẫn, D2 dẫn. D2 dẫn nạp cho C2 một điện áp đỉnh bằng UM, có chiều dương ở trên âm ở phía dưới. Vậy sau 2 nửa chu kỳ, trên 2 tụ điện C1 và C2 có cùng điện áp UM và có chiều nối tiếp nhau, nên điện áp tổng cộng lại cùng nạp cho C3. Trên C3 có điện áp 2UM sẽ phóng qua tải Rt. Trong mạch điện này, nguồn xoay chiều và nguồn một chiều có masse khác nhau. ƒ Mạch điện 2: * Nửa chu kỳ đầu: giả sử điện áp vào trên âm, dưới dương: D2 ngưng và D1 dẫn, nạp cho C1 một điện áp bằng điện áp đỉnh UM .
  27. * Nửa chu kỳ sau: điện áp Uvào trên dương, dưới âm: D1 ngưng và D2 dẫn. Lúc này ta thấy điện áp có sẵn trên tụ điện C1 và điện áp Uvào nối tiếp nhau, cùng qua D2 nạp cho C2 một điện áp bằng 2 lần điện áp đỉnh: 2UM. Trong mạch điện này nguồn xoay chiều và nguồn một chiều có cùng chung masse với nhau. Nhận xét: Cả 2 mạch điện trên đều chỉnh lưu nửa chu kỳ và nhân đôi điện áp. + D1 C1 C Uvaøo xoay D2 Rt Ura chieàu C2 M ạ ch- điện 1 + D2 C1 Uvaøo Ura D1 C R xoay 2 t chieàu - Mạch điện 2 III- TRANSISTOR. Năm 1947, John Bardeen và Walter Brattain tại phòng thí nghiệm của Bell Telephone Company đã phát minh ra transistor tiếp xúc điểm, đến năm 1449 William Shockley cho ra đời lý thuyết của transistor tiếp xúc mặt. Sau đó vào năm 1951 Spart & Teal chế tạo thành công transistor tiếp xúc mặt. Vào năm 1953, hãng RCA đã dùng phương pháp hợp kim để chế tạo ra transistor dùng chất bán dẫn Germanium. Năm 1954 Texas Instruments Company đã đưa Silic vào công nghệ chế tạo transistor. Phương pháp khuếch tán để chế tạo transistor được Bell Telephone Company nghiên cứu thành công năm 1955. Đến năm 1958, hãng The Fairchild Semiconductor Devision sản xuất được transistor Silic theo phương pháp Mesa. Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra 2 tiếp xúc công nghệ P-N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn 3 cực gọi là transistor lưỡng cực (bipolar): Người ta phân biệt 2 loại transistor PNP và NPN có ký hiệu như sau: C C N B P B N E Transistor NPN E
  28. C C P B N B P E E Transistor P-N-P Mỗi transistor lưỡng cực có 2 tiếp xúc P-N và gồm 3 lớp : • Lớp giữa được gọi là lớp gốc (Base) ký hiệu là B, có nồng độ tạp chất thấp nhất và có bề dày rất mỏng, khoảng 10 (m. • Lớp Phát (Emitter) ký hiệu là E, có nồng độ tạp chất lớn nhất. • Lớp góp (Collector) ký hiệu là C, có nồng độ tạp chất trung bình. 1. Nguyên tắc hoạt động: Ta xét hoạt động của một transistor NPN. Muốn một transistor hoạt động được, phải có đủ 2 điều kiện: • Tiếp tế : Phải cung cấp điện áp cho hai cực C, E đúng cực tính bằng nguồn điện ECC. Nếu transistor NPN thì UCE > 0. Nếu transistor PNP thì UCE 0. Nếu transistor PNP thì UBE < 0. IC C Rt + I E B CC - B E + B - IE E Sơ đồ nguyên lý của một transistor. ƒ Xét trường hợp có nguồn ECC, không có nguồn EB: CE coi như gồm 2 điốt CB và BE mắc nối tiếp, 2 điốt này mắc ngược chiều nhau nên không cho dòng điện qua CE. ƒ Xét trường hợp có nguồn EB không có nguồn ECC: điốt BE được phân cực thuận, electron (hạt dẫn đa số của lớp E) qua mối tiếp xúc PN vào lớp B để về nguồn EB. Chỉ có dòng IB, không có dòng IC ở mạch nguồn ECC. Dòng IB càng lớn, khi nguồn EB lớn. ƒ Xét trường hợp có cả 2 nguồn ECC và nguồn EB: điốt BE được phân cực thuận, electron (hạt dẫn đa số của lớp E) qua mối tiếp xúc vào lớp B, ở lớp B này electron là hạt dẫn điện thiểu số (không cơ bản), khuếch tán rất nhanh qua lớp B (rất mỏng cở vài (m) để vào lớp C. Ở đây electron lại là hạt dẫn đa số, nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC . ƒ Ta thấy, dòng IC càng mạnh khi dòng IB càng lớn và bề dày lớp B càng nhỏ. Vậy:
  29. o Khi IB = 0 : không có dòng IC. o Khi IB càng lớn: dòng IC càng lớn . o Ta nói chính dòng qua cực B (cỡ nA) đã điều khiển dòng điện qua EC ( cỡ mA) của transistor. Vì vậy, cực B còn gọi là cực khiển. Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực Gốc B tạo ra dòng IB, phần lớn còn lại chạy đến cực Góp C để tạo nên dòng IC. Vậy ta luôn luôn có: IE = IB + IC Trong đó IB cỡ nA và IC cỡ mA (IB << IC) , nên ta cũng có thể xem : IE ≈ IC. Ta gọi ( là hệ số khuếch đại dòng điện của transistor : I β = C IB Ngoài sự chuyển dịch của các hạt dẫn đa số (electron theo hình vẽ trên đây), còn tồn tại dòng dịch chuyển của các hạt dẫn thiểu số (lổ trống) từ lớp C qua B đến E. Dòng dịch chuyển này tạo nên dòng ngược ICEO. Vậy ta có: IC = β IB + ICEO Hoạt động của transistor PNP cũng giống như trên nhưng phải thay đổi như sau: Tiếp tế vào 2 cực C và E bằng nguồn ECC để UCE < 0. Phân cực cho BE bằng nguồn EB sao cho UBE < 0. Hạt dẫn đa số là lổ trống phát ra từ E để đến C. 2. Đo thử transistor: Một transistor lưỡng cực Ccó 2 ti ế p xúc PN: C N-P và P-N mắc ngược chiều nhau, nên có thể xem như 2 điốt mắc đối đầu nhau theo hình vẽ dưới đây và ta dùng Ohm-kế thang đo Rx1K để đo thử. Chú ý: B B Nên nhớ rằng que - của Volt-kế là que dương của Ohm-kế và que + của Volt-kế là que âm của Ohm-kế vì Ohm-kế gồm một mA-kế mắc nối tiếp với một nguồn một chiều (pin) . * KIỂM TRA TRANSISTOR TỐT, XẤU: E E Lấy ví dụ một transistor NPN NPN Silic, n ế u ta đPNPã bi ế t 3 chân của transistor : E, B, C. (Khi đo để kim ohm-kế lên cao gọi là đo theo chiều thuận, đo để kim ohm-kế không lên hoặc lên ít gọi là đo theo chiều nghịch). - Đo E, B theo 2 chiều khác nhau: Chiều thuận kim lên nhiều, chiều nghịch kim không nhúc nhích (hở mạch) : tốt. - Đo B, C theo 2 chiều khác nhau: Chiều thuận kim lên nhiều, chiều nghịch kim không nhúc nhích (hở mạch): tốt. - Đo C, E theo 2 chiều khác nhau, kim không nhúc nhích (hở mạch): tốt. Transistor hư khi xảy ra một trong các trường hợp sau đây: Nếu đo E, B cả 2 chiều kim đều lên cao: nối tắt EB. Đo E, B theo chiều nghịch kim lên hơi cao: EB của transistor bị rĩ. Cả 2 chiều kim đều không lên: đứt EB. Nếu đo B, C cả 2 chiều kim đều lên cao: nối tắt BC. Đo B, C theo chiều nghịch kim lên hơi cao: BC của transistor bị rĩ. Cả 2 chiều kim đều không lên: đứt BC. Nếu đo C, E cả 2 chiều kim đều lên cao: nối tắt CE. Đo C, E kim hơi nhích lên: EC của transistor bị rĩ nhẹ, nhưng nhiều trường hợp vẫn còn sử dụng được. Đo C, E kim nhích lên nhiều: CE của transistor bị rĩ nặng . * CÁC KIỂU CHÂN CỦA TRANSISTOR:
  30. Có nhiều kiểu ra chân của transistor, sau đây là vài dạng thông dụng: B C C C C E C E B E B E B B C E Các dạng chân của transistor thường gặp * KIỂM TRA TRANSISTOR KHI CHƯA BIẾT CHÂN VÀ LOẠI: - Xác định chân B: đo lần lượt 3 cặp chân theo cả 2 chiều thuận, nghịch. Ta thấy có một cặp chân, cả 2 chiều đo kim không lên (Si) hoặc lên rất ít (Ge): Chân còn lại là B. - Xác định NPN, PNP: đo B với một chân còn lại cả 2 chiều thuận, nghịch. Quan sát lúc đo chiều thuận, kim lên cao: que dương Ohm-kế đang ở chân B là transistor NPN. Còn que âm Ohm-kế đang ở chân B là transistor PNP. - Xác định transistor Si hoặc Ge: đo B với một chân còn lại. Chiều thuận kim lên rất cao và chiều nghịch kim hơi lên là transistor Ge. Chiều thuận kim lên vừa, chiều nghịch kim không lên là transistor Si. - Xác định 2 chân C, E còn lại: nếu transistor NPN, Si ta chọn ngẫu nhiên chân C, đưa que dương Ohm-kế vào đó và que âm Ohm-kế vào chân còn lại (ta cho là E) nếu kim không lên, lấy ngón tay ướt chạm vào chân B và C, kim lên cao là ta chọn đúng C, E. Trường hợp kim vẫn không lên hoặc lên rất ít, ta chọn E, C ngược lại. Nếu transistor PNP, Si ta chọn ngẫu nhiên chân C, đưa que đo âm Ohm-kế vào đó và que dương Ohm-kế vào chân còn lại (ta chọn là E), kim sẽ không lên, lấy ngón tay ướt chạm giữa chân B và C, nếu kim lên cao là ta chọn đúng C, E. Trường hợp kim không lên hoặc lên rất ít, ta chọn E, C ngược lại. Chú ý: Transistor công suất loại PNP, Ge thường C, E có độ rĩ rất lớn, khi đo thử E, C cả 2 chiều kim đều lên cao, nhưng chênh lệch nhau, phải để thang đo Rx10 hoặc Rx1 mới thấy rõ độ chênh lệch. 3. Cách đặt tên cho transistor: a) Transistor ký hiệu kiểu Nhật: Trên thị trường, các transistor do Nhật sản xuất được đặt tên như sau: 2S+ chữ cái + vài con số, hoặc ngắn gọn hơn là chữ cái + vài con số (số 2 chỉ 2 lớp tiếp xúc P-N và S là Semiconductor). Ví dụ 2SB77, 2SA101, C828 • 2SA : Nếu Ge : PNP, cao tần (loại cũ, thường vỏ bằng kim loại). A : Nếu Si : PNP • 2SB : Nếu Ge : PNP, âm tần (loại cũ, thường vỏ bằng kim loại). B : Nếu Si : PNP (vỏ bằng nhựa, mũ màu đen). • 2SC : NPN, Si. C : NPN, Si. • 2SD : NPN, Si : Thường là transistor công suất. D : NPN, Si. b) Transistor ký hiệu kiểu Mỹ: Bắt đầu là 2N và vài con số phía sau. Ví dụ 2N3055, 2N697 4. Các chế độ làm việc của transistor: Transistor có 3 chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bảo hoà và chế độ khuếch đại. Khi xét đặc tính của transistor người ta thường quan tâm đến quan hệ giữa dòng điện IC và điện áp UCE khi IB không đổi, ta có họ đặc tuyến IC = f(UCE) , IB = Const có dạng như sau:
  31. IC IC max IB = IBbh M 3 I C bh 2 IB = IBO ∆C K IB = 0 1 0 UCE bh UCEO ECC UCE Đặc tuyến IC = f (UCE) UCE còn liên hệ với IC theo phương trình: UCE = ECC - ICRC (gọi là phương trình đường thẳng thẳng tải biểu thị bằng đường thẳng (C trên hình). Điểm cắt của (C với các đường 1, 2, 3 chính là điểm làm việc của transistor, nó xác định dòng điện IC và điện áp UCE của transistor ứng với mỗi giá trị của IB. Khi IB càng tăng thì điểm làm việc càng gần đến điểm uốn của các đường cong 1, 2, 3 Khi IB tăng đến một trị số nào đó thì IC không tăng lên nữa, ta nói IC đạt giá trị bảo hòa ICbh . Dòng này tương đương với dòng gốc bảo hòa IBbh . ICbh IBbh = β Điểm cắt K của đường (C với đường cong (1) tương ứng với IB = 0 được gọi là điểm khóa. Điểm cắt M của đường (C với đường cong (3) tương ứng với IB = IBbh được gọi là điểm mở bảo hòa. Khi transistor làm việc ở điểm khoá K: IB = 0 và IC ( 0, ta nói transistor khóa. Khi transistor làm việc ở điểm mở bảo hòa M: IB = IBbh và IC = ICbh ( ICmax (UCE ~ 0), ta nói transistor mở bảo hòa. ECC ICbh = ICmax = RC a.- Transistor làm việc với chế độ khóa và dẫn bảo hoà: Sơ đồ mạch điện căn bản ở chế độ khóa điện tử của một transistor trong đó K là một con tắt đóng mở bằng tay hay tự động. * Khi khóa K mở: UEB = -EB < 0, tiếp xúc BE bị phân cực ngược, electron từ E không qua vùng B được nên IB = 0 và transistor khóa, không có dòng qua điện trở tải Rt. * Khi khóa K đóng: IB = I1 -I2 =  - . Với UBE ( 0.6V (Si), nếu ta chọn R1, R2, ECC, và EB sao cho: ICbh ECC IB = IBbh = = β βRC thì transistor sẽ mở bảo hòa . Lúc đó ta có UCE ( 0V và IC = . K Rt R1 I1 IC ECC + IB UCE UBE R2 I2 - - EB +
  32. Nếu công tắc K đóng, mở có chu kỳ với thời gian đóng tđ=(T (T là thời gian đóng cắt của công tắc). ( = tđ/T gọi là tỉ số đóng, thì dòng điện qua điện trở tải Rt sẽ có dạng như hình vẽ dưới đây và trị số trung bình của dòng điện này sẽ là : IC IC I Cbh I Cbh 0 T t ton toff 0 t ñ αT T t 11TTα EE I== I dtCC dt =α CC 0C∫∫ TTRR00tt Từ đây ta có thể dễ dàng thay đổi trị số Io bằng cách thay đổi trị số đóng (. Qua các hình vẽ trên, ta thấy trong thực tế khi đóng điện, dòng IC không tăng ngay đến trị số ICbh mà chỉ đạt đến ICbh sau một khoảng thời gian ton, ton là thời gian cần thiết để các hạt mang điện trong transistor tích lũy và dịch chuyển. Cũng như lúc tắt, dòng điện không giảm ngay từ ICbh về không mà phải có thời gian toff , đây là thời gian cần thiết để các hạt dẫn phân tán trở lại và phục hồi trạng thái khóa. Vậy để transistor đóng mở một cách tin cậy, chu kỳ đóng, cắt T phải lớn hơn ton+toff. Do đó tần số đóng, cắt lớn nhất cho phép của khóa K là: 1 1 fmax = = Tmin ton+toff b- Transistor làm việc với chế độ khuyếch đại: Sơ đồ mạch điện căn bản ở chế độ khuếch đại của một transistor như hình dưới đây: Lúc này nguồn nphân cực EB phải có chiều như hình vẽ để cho tiếp xúc BE được phân cực thuận. Dòng IB sẽ điều khiển dòng IC. Trên tải Rt ta có một độ sụt áp UR = Rt.IC. K Rt Ta có: R I ECC = RtIC. + UCE 1 1 IC ECC + UCE = ECC - RtIC IB UCE U BE R I - Mạch điện khuếch đại 2 2 điện áp dùng transistor + EB - Vậy khi IB tăng , dòng IC tăng theo và UCE giảm. Khi IB giảm, dòng IC giảm theo và UCE tăng. Hay ta có thể nói: Điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu đưa vào khuếch đại ở chân B. Dưới đây là các đường biểu diễn của điện áp vào (Uvào) 2 cực BE theo thời gian t, điện áp này cộng với điện áp phân cực thuận UBE có được nhờ nguồn EB, tạo nên dòng IB cũng thay đổi theo thời gian. Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương
  33. ứng ở mạch ra ở cực C. Dòng IC qua tải Rt gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE (ở đây chính là VC) được tính theo công thức: VC = ECC - RtIC IC tăng làm VC giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra VC ngược pha với điện áp vào Uvào. (Chú ý trên đây là cách mắc transistor theo kiểu Phát chung, nên Ura ngược pha với Uvào). Chưa có tín hiệu đến Có tín hiệu đến để khuếch đại Các dạng sóng trong mạch khuếch đại dùng transistor 5- Phân cực: Muốn cho transistor hoạt động với chế độ khuếch đại, ta phải tạo một điện áp ban đầu cho tiếp xúc BE (UBE) để tiếp xúc BE phân cực thuận (có dòng IB ban đầu), mà ta gọi là điện áp phân cực. Có nhiều cách tạo ra điện áp phân cực UBE này: a) Phân cực cho transistor dùng dòng cố định: Chỉ cần dùng một điện trở RB có trị số lớn (cỡ 470K() mắc từ nguồn ECC xuống chân B. Điện trở RB này được tính như sau: ECC = UBE + RBIB Hay ta có: Ġ UBE được chọn trong khoảng [0,6V –-> 0,7V] và IB được chọn tùy loại transistor . RB RC ECC + B C - IB E Phân cực bằng dòng cố định b) Phân cực cho transistor bằng điện áp phản hồi: Dùng một điện trở RB khoảng 200 K( mắc từ chân C về chân B của transistor. UUCE− BE RB = IB Trong đó: UCE = ECC - RCIC Và IC = (IB. Trường hợp này, có sự bổ chính nhiệt vì khi có sự gia tăng nhiệt, dòng IB tăng, đưa đến dòng IC tăng, RCIC tăng làm UCE giảm, điện áp này qua RB được đưa về chân B, nên VBE giảm theo: Phân cực giảm, dòng IB, IC giảm theo nên transistor bớt nóng. RC ECC RB + C - B Phân cực bằng điện áp phản hồi c) Phân cực cho transistor IB dùng E cầu chia thế (dùng dòng Emitter): Ở đây cầu chia thế gồm R1 và R2 sẽ xác định điện thế VB (các điện thế được đo so với masse là nguồn âm). RC ECC UBE = VB = R2.I R1 + (với I’ là dòng qua R1, R2) C - B R2 E
  34. ECC = R2. R1+R2 Nếu đặt tỉ số:  = k ECC thì: UBE = 1+k d) Dùng cầu chia thế có bổ chính nhiệt: Cũng dùng cầu chia thế gồm R1, R2 như trên, nhưng chân E được mắc xuống masse qua một điện trơ û RE có tác dụng bổ chính nhiệt: Khi transistor nóng lên, dòng IB RC ECC tăng, dòng IC tăng ( dòng IE tăng (vì IE = IC + IB) ( VE tăng và làm cho UBE = VB - VE giảm, R1 + phân cực giảm hoạt động yếu lại, C - bớt nóng. Người ta còn mắc song song với RE một tụ CE để nối tắt dòng tín hiệu từ E B xuống masse, thường chọn CE có dung kháng R2 E 1 Z = 0 hay IB > 0. UCE = VC - VE > 0 hay IC > 0. Ic + IB Ura Uvaøo IE -
  35. Mạch khuếch đại Phát chung b - Gốc chung : (Base common hay BC). Theo cách mắc này, điện áp vào được đặt giữa E và B. Điện áp ra lấy từ cực C và B theo sơ đồ sau : * Cực B chung cho cả 2 mạch vào và mạch ra. * Uvào tăng thì IB tăng làm Ic tăng theo, Ura vàø Uvào đồng pha. * Tổng trở vào nhỏ (10İ), tổng trở ra lớn (500ū). * Hệ số khuếch đại công suất : trung bình . * Tần số giới hạn: cao. I I + E c + Uvaøo IB Ura - Mạch khuếch đại Gốc chung * Transistor NPN : UEB = VE - VB 0 hay IC > 0. c- Góp chung : (Collector Common hay CC). Theo cách mắc này, điện áp vào được đặt giữa E và C. Điện áp ra lấy từ cực E và C theo sơ đồ sau : * Cực C chung cho cả 2 mạch vào và ra. * Điện áp vào và điện áp ra đồng pha. * Tổng trở vào lớn (500ū), tổng trở ra nhỏ (10İ). * Hệ số khuếch đại điện áp nhỏ Ĩ1). * Tần số giới hạn: tùy thuộc nguồn. * Transistor NPN : UBC = VB - VC 0. UEC = VE - VC > 0 hay IE > 0. IE + IB + Uvaøo IC Ura - - Mạch khuếch đại Góp chung IV- TRANSISTOR TRƯỜNG: FET (Field Effect Transistor ). Một loại transistor khác mà nguyên tắc làm việc tùy thuộc vào điện trường, loại transistor này có trở kháng đầu vào cao (1M( (100M(), gây tạp âm nhỏ ta gọi là FET. Xét về cấu trúc, transistor trường được chia làm 3 loại: • Transistor trường cổng tiếp giáp: JFET (Junction Field Effect Transistor). • Transistor trường cổng cách điện (kênh cảm ứng): MOSFET. • Transistor quang trường. 1. Transistor trường cổng tiếp giáp : (JFET). Transistor trường cổng tiếp giáp thường được gọi tắt là JFET hay FET hoặc UNIFET. Có 2 kiểu FET kênh N và kênh P. a) Cấu tạo:
  36. Hình dưới đây là sơ đồ cấu tạo của FET kênh N. Nguyên lý chung như sau: có một thỏi bán dẫn loại N hay P là kênh dẫn điện của transistor, 2 đầu được nối với cực Nguồn S (Source) và cực Máng D (Drain). Một chất bán dẫn khác loại P hay N được ghép vòng quanh một phần thỏi bán dẫn trên, được nối với một cực khác gọi là cực Cổng G (Gate). Hai chất bán dẫn này tạo thành một lớp tiếp xúc P-N. D keânh N Baùn daãn P D Vuøng hieám G Keânh N G JFET kênh N S Kyù hieäu: JFET keânh N D keânh S P Baùn daãn N D Vuøng hieám G Keânh P G S Kyù hieäu: JFET keânh P JFET kênh P S b) Vận hành: Ta xét loại FET kênh N: Khi đặt một điện áp UDS vào hai cực Nguồn S và Máng D, điện tử chạy trong kênh bán dẫn tạo nên dòng điện IDS hay ID chạy qua, kênh bán dẫn coi như một điện trở có trị số thay đổi tùy theo điện thế ở đầu vào cực Cổng G. Khi có một điện áp phân cực ngược ở 2 mặt tiếp xúc Cổng G và kênh, sẽ tạo thành một vùng hiếm electron ở kênh (vùng nghèo hạt mang đa số). Dòng ID thay đổi nhiều hay ít phụ thuộc vào vùng hiếm electron hẹp hay rộng (vùng hiếm electron mở rộng về phía cực máng D, vì ở đấy có hiệu điện thế cao). Khi điện áp phân cực ngược đặt vào GS lớn đến một mức nào đó, dòng ID bị nghẽn ứng với mức điện áp thắt. Vậy dòng điện ID qua nhiều khi điện áp phân cực ở Cổng G bằng không và giảm khi có điện áp phân cực ngược. d) Cách đo: Tốt nhất ta dùng máy đo FET, tuy nhiên ta có thể dùng Ohm-kế có nội trở thật cao để đo JFET hay UNIFET: DS, SD : Cả 2 lần đo được điện trở từ 100( ( 10K( . GD, DG : Một chiều khoảng 1 K(, một chiều hở mạch. GS, SG : Một chiều khoảng 1 K(, một chiều hở mạch. D G Keânh N S
  37. • Bố trí chân: D G G S S G S D S D D G Haõng Fairchild Haõng Texas Instruments Haõng Motorola Caùc daïng chaân cuûa FET 2. Transistor trường cổng cách điện : (Mosfet) Transistor trường có cổng cách điện gọi là IGFET (Isolated gate) hay MOSFET. Cũng như FET, có hai kiểu IGFET kênh N và kênh P. Nhưng dựa vào kết cấu, nó có nhiều loại MOSFET loại hiếm, loại thừa, loại có cổng bảo vệ, loại có 2 cổng, loại đối xứng. a- Mosfet loại hiếm (kênh sẵn): ( Cấu tạo: Một thanh bán dẫn loại N hay P dùng làm nền, được nối ra ngoài bằng cực B hay SS. Phía trên thanh nền có một kênh bán dẫn loại P hay N mỏng hai đầu kênh dẫn được nối ra 2 cực Nguồn S và cực Máng D. Phía trên kênh bán dẫn là một lớp cách điện bằng SiO2, được nối ra ngoài bằng cực Cổng G, cách điện với các cực kia. Cöïc D Keânh N D Lôùp neàn P G B Cöïc G Cöïc neàn hay SS SS Lôùp SiO 2 hay B S MOSFET keânh N Cöïc S Cấu tạo MOSFET kênh N ( Vận hành: Lấy transistor kênh N làm ví dụ, khi đặt điện áp dương (+) vào cực Máng D, âm vào cực Nguồn S, trong kênh dẫn sẽ xuất hiện dòng điện ID. Đặt điện áp âm phân cực ở Cổng G, các electron bị đẩy ra khỏi kênh tạo một vùng hiếm electron lớn ngay dưới lớp SiO2 làm dòng ID giảm đi. Trường hợp này MOSFET tác động theo kiểu hiếm. D G B hay SS S MOSFET keânh P b- Mosfet loại thừa (kênh cảm ứng):
  38. • Cấu tạo: Cũng như loại trên, MOSFET loại thừa có một nềàn P hay N trên đó có 2 cực Nguồn S và Máng D bằng chất bán dẫn N hay P. Nhưng 2 cực này tách biệt nhau không nối với nhau như MOSFET loại hiếm. D G1 B hay SS hay G2 S MOSFET loaïi thöøa keânh N ( Vận hành: Ta lấy MOSFET kênh N làm ví dụï: ngược với loại MOSFET loại hiếm, khi có điện áp dương phân cực ở cực G, làm cho các điện tích dương thu nhận các electron tự do từ cực Nguồn S của chất bán dẫn N, tạo thành một kênh bán dẫn N ngay dưới lớp SiO2 làm cho dòng Máng-Nguồn ID tăng thêm. Trong trường hợp này, MOSFET tác động theo kiểu thừa. N Cöïc D D P B G1 hay SS G B hay SS hay G2 S Lôùp SiO 2 N MOSFET loaïi thöøa keânh P S MOSFET loaïi thöøa keânh N Hình dưới đây biểu diễn sựï phụ thuộc của dòng điện vào điện áp UGS của 2 kiểu MOSFET hiếm và thừa cùng có điện áp VDS = 10 Volt. ID (mA) Ñieän aùp 25 UDS = 10 V. 20 Kieåu 15 MOSFET thöøa 10 Kieåu MOSFET hieám 5 Đặc tuyến ID = f(UGS) của 2 loại MOSFET -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 UGS (V) 3. Mosfet loại cổng có bảo vệ: a) Cấu tạo:
  39. Các thành phần giống như MOSFET vừa nêu trên, nhưng có thêm 4 mảnh bán dẫn P, N ghép thành 2 điốt mắc ở Cổng G và cực Nguồn S. b) Vận hành: D Hai điốt mắc thêm ở bên trong MOSFET dùng làm một mạch cắt ngọn, bảo vệ MOSFET khi có các điện áp G tĩnh điện có thể làm hư hỏng lớp SiO2 rất mỏng. S 4. Mosfet loại 2 cổng: SS a) Cấu tạo: MOSFET coång coù baûo veä. Loại này tương đương với 2 MOSFET một cổng ghép lại, độ truyền dẫn của mỗi phần tử transistor khác nhau. Hình dưới đây là cấu trúc của một transistor 2 cổng kênh N: trên một nền bán dẫn loại P, có 3 thỏi bán dẫn loại N. Ba thỏi bán dẫn này dẫn điện nhờ 2 kênh N. Hai cực Cổng G1 và G2 cách điện với các cực khác nhờ lớp SiO2. c) Vận hành: Một trong 2 phần tử transistor có thể làm việc khi được phân cực đúng. Lúc đó phần tử này tương tự một biến trở mắc nối tiếp với phần tử transistor kia. D N Keânh N D D N G G G Neàn P 1 1 1 hoaëc Lôùp SiO2 G2 G2 B hay SS S SS S SS Keânh N G2 N Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET loại 2 cổng kênh N S s D VD VD phaàn töû 1 ID ID G1 phaàn töû 1 R 1 phaàn töû 2 phaàn töû 2 G2 R1 S SS Sơ đồ tương đương của MOSFET loại 2 cổng 5. Các loại mosfet khác: a) MOSFET có 2 cổng bảo vệ: D Cũng như loại MOSFET một cổng có G1 mạch bảo vệ, loại này có G2 4 điốt chia thành 2 chuỗi, mỗi chuỗi gồm 2 điốt mắc đối đầu nhau và nối từ D Cổng G xuống cực S Nguồn S. G B SS hay SS hay G2 MOSFET ñoái xöùng
  40. b) MOSFET đối xứng: Một số hãng sản xuất ra loại MOSFET có tính đối xứng trong đó hai cực Máng và cực Nguồn có cùng tính chất. 6. Cách đo: Tốt nhất là dùng máy đo FET, ta cũng có thể dùng Ohm-kế có nội trở cao để đo thử MOSFET. G G2 S S SS D SS D G1 D G G D S S SS B SS Haõng Fairchild Haõng General Electric Haõng RCA Haõng Motorola Caùc daïng chaân cuûa MOSFET D D G B G B hay SS S S GD, DG: 2 lần đo hở mạch. GD, DG: 2 lần đo hở mạch. GS, SG : 2 lần đo hở mạch. GS, SG : 2 lần đo hở mạch. DS, SD : Cả 2 lần đo: từ 100( (10K( DS, SD : Cả 2 lần đo hở mạch. DB. BD: 1K( / hở mạch. DB. BD: 1K( / hở mạch. BS, SB : 1K( / hở mạch. BS. SB : 1K( / hở mạch. Cách đo thử MOSFET loại hiếm Cách đo thử MOSFET loại thừa. 7. Những điều cần chú ý khi sử dụng MOSFET: ( MOSFET: có trở kháng đầu vào rất cao, độ nhạy rất lớn đối với các loại tĩnh điện. Màng cách điện SiO2 có thể bị đánh thủng do tĩnh điện, có thể bị hư hỏng do tay người chạm vào (vì thân thể người có thể tạo ra tĩnh điện tới 1000V). Trở kháng hay độ nhạy của MOSFET có thể bị suy giảm khi màng SiO2 bị dò hay thủng. Để bảo vệ người ta chế tạo ra MOSFET có cổng bảo vệ. ( Khi lưu trữ, vận chuyển, các chân transistor phải có vòng ngắn mạch, không được làm hở chân transistor cho đến khi được hàn vào mạch điện. ( Phải tắt nguồn điện trước khi tháo lắp MOSFET. ( Đầu mỏ hàn phải được nối masse với mạch điện có MOSFET, phải có kìm kẹp chân transistor để tỏa nhiệt khi hàn, vì JFET hay MOSFET cảm nhiệt rất mạnh. 8. Transistor quang trường : a) Tính năng và công dụng: Ta còn gọi là PHOTOFET hay FOTOFET. Loại linh kiện mới này có nhiều ưu điểm so với các loại có tính cảm quang cũ: độ nhạy tăng gấp 10 lần, điện trở đầu vào rất cao lên tới 1015 (. Điện dung giữa đầu vào và đầu ra rất nhỏ, khoảng 0,01 pF. Công dụng của FOTOFET rất rộng, có thể dùng ở các tầng chuyển mạch tốc độ cao, mạch đọc mẫu xuyên phiếu, hệ thống phát hiện khói, lửa, mạch hướng dẫn relay b) Vận hành: Khi có năng lượng bức xạ ánh sáng chiếu vào vùng cực Cổng G, các electron lớp ngoài cùng bị kích thích tạo thành dòng IG phụ thuộc vào cường độ chùm ánh sáng chiếu
  41. vào cực Cổng G, làm điện trở giữa 2 cực Nguồn S và cự Máng D tăng hay giảm, dòng ID tăng hay giảm theo. Độ nhạy của FOTOFET tùy thuộc vào điện trở phân cực Rg mắc ở cực Cổng G. Transistor quang trường 9. Các sơ đồ mắc transistor trường. Tương tự như transistor lưỡng cực, có 3 kiểu mắc FET trong các mạch khuếch đại là: Máng chung (DC), Nguồn chung (SC) và Cổng chung (GC). Tuy nhiên mạch Cổng chung rất ít gặp trong thực tế. +E +E RD RD C2 C1 C1 C2 Ura Uvaøo Uvaøo RG RS Ura R R C G S 3 Sơ đồ nguyên lý mạch SC Sơ đồ nguyên lý mạch DC Mạch khuếch đại Nguồn chung Mạch khuếch đại Máng chung (DC) (SC) * Hệ số khuếch đại điện áp : * Hệ số khuếch đại điện áp : 1 KV = =1 KV = -S(RD//rDS) ≈ SRD 1+S(RS//rDS) * Tổng trở vào : Rvào = rGS ( ( * Tổng trở vào : Rvào = rGS ( ( * Tổng trở ra : Rra = RD//rDS * Tổng trở ra : Rra = RS//(1/S) Chú ý : Khi thay thế FET kênh N bằng FET kênh P, phải thay đổi cực tính của nguồn điện cung cấp, chiều tụ điện hóa học và chiều điốt MỘT SỐ SƠ ĐỒ ỨNG DỤNG CỦA FET: • Tầng tiền khuếch đại cho máy hát đĩa (loại dùng gốm áp điện): 220K 10K -22V 0.1 0.1 5.1M 10 µ F ra ñeán ñaàu Kπ101E KT801b kim 0.1 5.1M 3.9K 3.3K 3.3K Maïch tieàn khueách ñaïi duøng MOSFET
  42. • Mạch dao động Hartley dùng MOSFET 3N138 : VD 1000p 3N138 0.1 1N914 22K Mạch dao động Hartley dùng MOSFET VI- TRANSISTOR ĐƠN NỐI (UJT) : Uni-Junction Transistor. a) Cấu tạo, ký hiệu: UJT gồm một thanh bán dẫn loại N có mật độ tạp chất rất nhỏ, điện trở suất lớn. Hai đầu của thanh này nối với 2 điện cực Gốc B1 và B2. Trên thanh bán dẫn loại N, gần đầu B2 có một vùng bán dẫn loại P, được nối với cực Phát E. B2 IE B2 RAB2 P + D E E VB E A VB VE VE N B RAB1 1 B1 - Cấu tạo của UJT Ký hiệu của UJT Sơ đồ tương đương IE E M 0 VM VE Đặc tuyến V-A : IE = f(VE). Ta có thể xem thanh chất bán dẫn N như 2 điện trở mắc nối tiếp RAB2 và RAB1, trong đó RAB2 hầu như không phụ thuộc vào dòng điện đi vào thanh từ cực Phát IE. Ngược lại, RAB1 phụ thuộc rất nhiều vào IE, bởi vì IE càng lớn thì các điện tích được tiêm vào phần AB1 của thanh N càng nhiều và RAB1 càng giảm. Còn lớp tiếp giáp P-N giữa cực E và thanh N giống như một điốt D. * Khi đặt vào cực B2 một điện thế VB, còn cực E để trống, thì sẽ có dòng điện qua thanh N: VB IB = RRABAB12+
  43. Trường hợp này, cả 2 điện trở RB2A và RAB1 đều rất lớn, nên dòng IB nhỏ, dòng này qua RAB1 gây ra một điện thế tại A : RAB1 VA = IB.RAB1 = .VB = ηVB. RRABAB12+ Trong đó thực tế ( =Ġ = 0,5 ( 0,85 tùy thuộc vào loại UJT. * Khi đặt vào cực E một điện thế VE , transistor có thể ở một trong hai trạng thái : - Nếu VE VA : điốt mở và IE dễ dàng đi qua tiếp xúc PN làm RAB1 giảm xuống, IE tăng lên. Do tốc độ giảm của RAB1 lớn hơn tốc độ tăng IE, nên xuất hiện một vùng ME trên đặc tuyến, trên đó dòng điện tăng nhưng điện thế lại giảm. Vùng này có điện trở âm. Giá trị VM = (.VB + 0,6V được gọi là điện thế đỉnh của UJT. RAB1 VM ≅ ηVB = VB RRABAB12+ b) Ứng dụng : UJT thường được làm phần tử chính của máy phát xung để điều khiển SCR. Sơ đồ nguyên lý của máy phát xung như sau: VC + VM R R2 Mạch phát xung dùng UJT D ạng sóng của xung tạo ra bởi UJT B2 V 0 t t t t t t 0 E n p n p n Ta dùng UJT vàB1 các đ iện trở R, R1, R2, tụ điện C để tạo ra một mạch phát xung. Giả sữ V T t t th ờ i đ i ể m C (t = V 0),C điện áp trênB1 hai đầu tụ C1 là Vc2 = 0 và transistor khóa. Tụ điện C được nạp từ ngu ồ n V0 qua đ i ệRn1 trVởB1 R, nên Uc tăng theo hàm số mũ. Đến thời điểm t1, điện thế Vc đạt đến -tr ị s ố đ i ệ n thế đỉnh VM của 0transistor UJT, transistor m ở , t ụ t đ i ệ n C phóng nhanh qua transistor và R1, tạo ra một xung điện thế VB1 ở đầu ra B1 của transistor. Xung này thường được truyền đến Cổng G để mở SCR. Tụ điện C phóng nhanh qua transistor nên hết điện tích nhanh chóng, đến thời điểm t2 transistor khoá lại và quá trình lại tiếp diễn Chu kỳ của xung phát ra là T = tn + tp. Trong đó : tn = t1 : Thời gian nạp của tụ điện C. tp = t2 - t1 : Thời gian phóng của tụ C. Thông thường tp << tn nên có thể coi T ( tn Quá trình nạp của tụ điện : dVc RC. dt + Vc = Vo dV dt ∫∫C = VO − VC RC t - ln (V0 – Vc) = + K RC Với điều kiện biên t = 0 thì Vc = 0 ta có : K = - ln V0 và khi t = t1 , Vc (t1) = VM ta nhận được : Vo T = t1 = RC ln Vo-VM
  44. Khi xem gần đúng VM = (Vo , trong đó ( là hệ số cấu trúc của UJT. Ta có: 1 TRC= ln 1−η Ta thấy chu kỳ T này thay đổi dễ dàng bằng cách thay đổi điện trởû R. VI- THYRISTOR. 1. Điốt Silic chỉnh lưu có điều khiển: (SCR) a- Cấu tạo và ký hiệu: Điốt Silic chỉnh lưu có điều khiển còn gọi là SCR (Semiconductor Controled Rectifier), là một linh kiện bán dẫn gồm 4 lớp bán dẫn loại P và xen kẻ nhau như hình vẽ dưới đây. K G K N2 G JK P2 J C N1 JA P1 A Cấu tạo và ký hiệu của SCR. A Lớp P1 được gọi là lớp Anot, có bề dày và nồng độ tạp chất trung bình. Lớp N1 được gọi là lớp khóa, có bề dày lớn hơn và nồng độ tạp chất bé nhất. Lớp P2 được gọi là lớp điều khiển, có bề dày bé và nồng độ tạp chất trung bình. Lớp N2 được gọi là lớp Catot, rất mỏng (vài (m) và nồng độ tạp chất lớn nhất. Điều này cho phép các mối tiếp xúc P1N1 và P2N2 chịu được điện áp ngược lớn. b- Nguyên lý hoạt động và đặc tuyến Volt-ampe: Ta xét sự hoạt động của SCR trong 2 trường hợp sau đây: ( Khi chưa có điện áp điều khiển UGK hoặc dòng điện điều khiển IG: Nếu giữa các cực A và K của SCR được đặt một điện áp Anot Ua > 0 (điện áp thuận), thì 2 mặt tiếp xúc P1N1 (lớp JA) và P2N2 (lớp JK) được phân cực thuận, còn mặt tiếp xúc N1P2 (lớp Jc) được phân cực ngược và hầu như chịu toàn bộ điện áp Ua. Trên mặt tiếp xúc Jc này xuất hiện một điện trường ngược Ec hoặc hàng rào thế năng Jc tăng theo Ua. Điện trường này ngăn cản sự chuyển dịch qua Jc của các hạt mang điện đa số (lổ trống ở P2), vì thế dòng điện Anot Ia đi qua SCR rất bé. Tuy nhiên Ec này lại gia tốc cho hạt mang điện thiểu số (electron ở P2) đi qua Jc. Do đó khi Ua tăng đến một trị số Ucđ (U chuyển đổi) nào đó (khoảng hàng ngàn Volt), thì các hạt mang điện thiểu số (electron) này có tốc độ đủ lớn để phá vỡ liên kết nguyên tử trong lớp tiếp xúc Jc. Làm xuất hiện các electron tự do mới. Chúng lại tham gia bắn phá các nguyên tử trong lớp tiếp xúc Jc và tạo ra các electron mới một cách dây chuyền, chúng dẫn điện ào ạt bắt đầu từ một điểm nào đó trên mặt Jc, sau đó lan ra trên toàn mặt tiếp xúc. Kết quả hàng rào thế năng Jc bị phá vỡ và dòng Anot Ia dễ dàng đi qua SCR . Ta gọi đây là trường hợp SCR được mở bằng điện áp chuyển đổi Anot. Nếu ta đổi chiều của điện áp Anot thì UAK trở nên âm, mặt tiếp xúc Jc được phân cực thuận, còn JA và JK bị phân cực ngược. Lúc này chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ đi qua SCR, ta nói rằng SCR bị khóa.
  45. Khi điện áp ngược UKA lớn hơn điện áp chọc thủng của SCR Uct thì lớp tiếp xúc JK và JA sẽ bị chọc thủng và dòng điện ngược tăng lên một cách nhảy vọt, làm hỏng SCR . Đặc tuyến Volt-Ampe Ia = f (UAK) khi chưa có IG: Có dạng đường cong CBAODE. Ia C IG = 0 IG>0 B U ct 0 A Ucd UAK D Đặc tuyến Ia = f(UAK) của SCR E • Khi có điện áp điều khiển UGK > 0 và Ua > 0: Dưới tác dụng của Ua, 2 tiếp xúc JK và JA được phân cực thuận, còn JC bị phân cực ngược. Khi chưa có UGK thì nồng độ các electron tự do trong lớp P2 rất bé (hạt dẫn điện thiểu số của P2), nhưng khi có UGK > 0 , tiếp xúc JK được phân cực thuận, số electron từ vùng có nồng độ cao N2 (cực K ) dịch chuyển sang P2. Vì khoảng cách giữa 2 lớp JK và Jc rất bé, nên hầu hết số electron tự do từ N2 sang P2 đi đến Jc (chỉ có một số nhỏ electron đi đến cực G tạo nên dòng IG). Khi đến Jc, các electron được Ec gia tốc và tham gia bắn phá các nguyên tử trên bề mặt tiếp xúc Jc gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt. UGK và IG càng lớn, thì số electron qua Jc càng nhiều, hàng rào điện áp trên Jc càng giảm và điện thế Ua cần thiết để gây ra hiện tượng dẫn điện ào ạt ở mặt tiếp xúc Jc càng bé. Cần chú ý rằng, sau khi SCR đã được mở thì hàng rào điện thế ở JC bị phá vỡ, lúc đó số electron tự do đi qua Jc phụ thuộc chủ yếu vào dòng điện Anot Ia (vì Ia >> IG). Khi Ia lớn hơn một trị số IL nào đó (tương ứng với số electron tự do đủ để hiện tượng dẫn điện ào ạt lan rộng khắp mặt Ic) thì nếu tắt dòng điện điều khiển IG hoặc điện áp UGK, SCR vẫn tiếp tục được mở. Trị số IL gọi là dòng Anot khởi động. Thông thường IL = 10-3 Iđm, trong đó Iđm là dòng định mức của SCR. SCR chỉ khóa lại khi Ia nhỏ hơn một trị số duy trì IH nào đó, hoặc UAK trở nên âm. Vậy, ta thấy SCR chuyển từ trạng thái khóa sang trạng thái mở bằng 2 cách: - Mở bằng điện áp thuận UAK = Ucd khi IG = 0. - Mở bằng dòng điều khiển IG khi 0 < UAK < Ucd. Ta cũng có thể dùng một trong 2 cách sau để SCR chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khóa: - Khóa SCR bằng điện áp ngược UAK < 0. - Khóa SCR bằng cách làm cho dòng Anot Ia trở nên bằng không (Ia = 0). c.- Các thông số kỹ thuật của SCR: Mỗi SCR thường có các thông số kỹ thuật sau đây: - Trị số định mức của dòng điện Anot Iađm: trị số dòng điện cho phép đi qua SCR trong một thời gian dài. - Dòng điện điều khiển kích mở IGT: dòng điện điều khiển gây mở SCR. - Điện áp ngược cực đại Ungmax : điện áp ngược cực đại cho phép đặt vào Anốt và Catốt của SCR. - Thời gian hồi phục khóa tk: thời gian cần thiết để SCR phục hồi tính khóa. d- Cách đo thử SCR: • Dùng Ohm kế:
  46. Để đo thử các SCR có công suất nhỏ, ta đo sơ bộ như sau: GK như một điốt Silic, còn các cặp khác: GA, AK đều hở mạch. Sau đó ta “đo nóng” như sau: Que dương Ohm-kế (thang đo Rx1) cặp vào A, que âm Ohm-kế cặp vào K: Kim Ohm-kế không lên, quẹt nhanh G vào A, kim Ohm-kế lên cao và giữ nguyên trị số khi G đã rời khỏi A: SCR tốt. • Dùng nguồn một chiều: Mạch điện này để đo thử các SCR có công suất lớn: mạch điện mắc như hình vẽ: - G Ñ +12V Mạch đo thử SCR Lúc G hở mạch, bóng đèn Đ không sáng hoặc kim mA không lên. Kích nhanh cực G vào nguồn dương, bóng đèn sẽ sáng hoặc kim mA-kế lên cao, tình trạng này giữ nguyên khi G đã hở mạch là SCR tốt. 2. Triac, Diac: a) TRIAC: * Cấu tạo, ký hiệu và đặc tính của TRIAC: T 2 T2 IA1 J1 N4 P1 N4 J2 N1 P1 P1 Th2 N1 N1 J 3 I P N P Th J P J A2 2 3 2 1 5 2 4 N N 3 2 N 2 G T 1 G T1 Cấu tạo của triac Sơ đồ tương đương của triac T2 T2 G T G 1 Hình dáng thTự1 c t ế Ký hiệu Triac là một linh kiện bán dẫn gồm 6 lớp bán dẫn loại P và N xen kẽ nhau, nên triac có 5 lớp tiếp xúc PN: J1, J2, J3, J4, J5 và 3 điện cực T2, T1 và G. Với cấu tạo như trên, một triac
  47. tương đương với 2 SCR: Th1 và Th2 mắc song song và ngược chiều nhau. Cả 2 SCR này được điều khiển bằng một điện cực G chung. Đối với SCR Th1, cực G tiếp xúc với lớp P2, do đó Th1 giống như một SCR bình thường. Còn SCR Th2, cực G được gắn với P2 qua một lớp N3. Triac có thể mở theo 4 kiểu: - Mở bằng xung điều khiển UGT1 > 0 khi UT2T1 > 0. - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0. - Mở bằng xung điều khiển UGT1 0. - Mở bằng xung điều khiển UGT1 > 0 khi UT1T2 > 0. Tuy nhiên, người ta hay mở bằng kiểu thứ nhất và kiểu thứ 3. Đặc tuyến Volt-Ampe của TRIAC được biễu diễn như giản đồ sau đây: I A1 IG = 0 IG ≠ 0 Ucñ 0 UT1T2 UT2T1 Ucñ * Kiểu mở thứ nhất: Ñaëc tuyeán IA = f(U) cuûa triac Khi UT2T1 > 0, tiếp xúc J3 được phân cực ngược, nếu tác dụng vào G một xung điện áp dương UGT1 > 0, thì các electron tự do (hạt mang điện điện áp số của N2) dễ dàng chuyển dịch từ N2 qua P2 và tham gia bắn phá tiếp xúc J3. Với UT2T1 và UGT1 đủ lớn, tiếp xúc J3 sẽ mở (dẫn điện ào ạt) và dòng điện dễ dàng đi qua triac theo chiều từ T2 đến T1. Điều này tương đương với nhánh bên phải của đặc tuyến Volt-Ampe. * Kiểu mở thứ ba: Khi đặt một điện áp ngược UT1T2 > 0, tiếp xúc J2 được phân cực ngược. Ta có thể xem N1, P2, N3 làm thành một transistor với cực Góp N1, Gốc P2 và Phát N3. Nếu tác dụng vào G một xung điện áp âm UGT1 0 và tác dụng vào G một xung điện áp dương UGT1 > 0. - Chiều ngược từ T1 đến T2 khi UT2T1 < 0 và tác dụng vào G một xung điện áp âm UGT1 < 0. Cũng như SCR, sau khi được mở TRIAC sẽ tiếp tục mở. TRIAC chỉ đóng lại khi dòng điện qua nó giảm xuống bằng không . b) Diac và mạch điều khiển triac : * Diac:
  48. Là một linh kiện bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn loại N và P xen kẽ nhau. A2 A2 N1 N1 P1 A2 J P P 2 1 1 J J N2 2 2 D2 N2 N2 J3 J3 J3 P2 P2 P2 D1 A1 N3 N3 A1 A1 Cấu tạo của Diac Sơ đồ tương đương Ký hiệu Mỗi diac có 2 điện cực A2 và A1. Điện cực A2 tiếp xúc với các lớp P1, N1, còn điện cực A1 tiếp xúc với các lớp P2, N3. Như vậy, mỗi diac tương đương với 2 điốt đặc biệt D1, D2 mắc song song nhưng ngược chiều nhau. Điốt D1 gồm các lớp P1, N2, P2, N3 còn điốt D2 gồm các lớp P2, N2, P1, N1. Khi đặt vào diac một điện áp UA2A1 > 0 thì trong điốt D1 chỉ có tiếp xúc J3 bị phân cực ngược. Mặt tiếp xúc này sẽ mở (dẫn điện ào ạt) khi UA2A1 bằng điện áp chuyển đổi Ucđ. Do đó khi UA2A1 > 0 và bằng Ucđ, điốt D1 sẽ mở và diac dẫn điện theo chiều thuận từ A2 đến A1. Khi đặt vào diac một điện áp UA1A2 > 0 thì trong điốt D2 chỉ có tiếp xúc J2 bị phân cực ngược. Mặt tiếp xúc này sẽ mở (dẫn điện ào ạt) khi UA1A2 bằng điện áp chuyển đổi Ucđ. Do đó khi UA1A2 > 0 và bằng Ucđ, điốt D2 sẽ mở và diac dẫn điện theo chiều ngược từ A1 đến A2. IG1 UA1A2 Ucñ 0 Ucñ UA2A1 IG2 Đặc tuyến IG = f(UA1A2) của diac. * Mạch điều khiển TRIAC: Để điều khiển TRIAC ta có thể dùng nhiều loại mạch điện khác nhau, một trong những mạch đó là mạch “dimmer” có sơ đồ như sau: Mạch dimmer gồm có: Biến trở R, tụ điện C, diac D và điện trở phụ Rp để hạn chế dòng điện điều khiển IG. Điện áp cung cấp cho mạch là một điện áp xoay chiều hình sin: ua = UM sin ωt Giả sử ở thời điểm ban đầu (t = 0), tụ điện C đã phóng hết điện, điện áp uc = 0 trên C. Khi ua tăng theo chiều dương (ua > 0), tụ điện C được nạp điện theo chiều dương qua điện trở R và uc tăng theo chiều từ a đến b.
  49. Điện áp uc tăng theo hàm số mũ và có tốc độ tăng phụ thuộc vào R. Điện trở R càng nhỏ thì dòng nạp cho tụ điện C càng lớn và tốc độ tăng của uc càng nhanh. Độ biến thiến của ua theo (t được biễu diễn theo đường cong (1). Đường cong (2) cho biết sự biến thiên của uc theo (t tương ứng với một giá trị nhất định của R. Tại góc pha (o , uc bằng điện áp chuyển đổi Ucđ của diac D. Diac D mở, tụ C phóng qua Rp , diac D và phần giữa G và A1 của triac theo chiều từ a qua G đến A1. Điều đó tạo ra một xung dòng điện dương IG (đường cong 3) và mở triac T. Triac tiếp tục mở cho đến hết nửa chu kỳ dương của điện áp ua. Tại góc pha (t = ( , điện áp ua giảm đến không, dòng điện qua TRIAC cũng giảm đến không. Do đó TRIAC khóa lại. Sang nửa chu kỳ âm của ua, tụ điện C được nạp theo chiều âm và uc tăng từ b đến a. UR A 2 R t R T Rp D Ua G ∼ a IG UC C b A Mạch điều khiển TRIAC1 bằng DIAC. Tại góc pha (1 = (o + ( , điện áp uC = - Ucđ , diac D mở, tụ điện C phóng qua Rp , diac D và phần A1, G của TRIAC T theo chiều từ b, A1, G, diac D, Rp về a, nên tạo ra xung dòng điện âm IG (đường cong 4) và mở triac theo chiều ngược từ A1 đến A2. TRIAC tiếp tục mở cho đến hết nửa chu kỳ âm. Trong suốt thời gian mở của triac điện áp trên điện trở tải Rt bằng điện áp ua (TRIAC mở nên điện áp rới trên nó rất nhỏ). Do đó điện áp uR trên Rt biến thiên theo (t như đường cong (5). Từ đường cong này ta rút ra trị số hiệu dụng của điện áp ra trên tải Rt. 2π 1 U = . ⌠u 2dωt R 2π ⌡ R 0 2π π Khi thay: ⌠u 2dωt = 2 U 2 sin 2 ωt dωt ⌡ R ∫ M 0 θ 0 2 sin2θo = U M (π -θo + ) 2 Ta có: 1 θ0 1 UR = UM − + sin 2θ0 2 2π 4π
  50. Ua 1 0 π 2π 3π ωt UC Ucñ θo θ1 2 ωt IG 3 0 π 2π ωt 4 UR 5 θo 0 ωt θo Các dạng sóng trong mạch điều khiển TRIAC. * Các thông số của Triac : Mỗi TRIAC có các thông số chủ yếu sau: - Điện áp định mức Uađm: điện áp cực đại cho phép đặt vài triac trong một thời gian dài. - Dòng điện hiệu dụng định mức Iađm: trị số hiệu dụng cực đại cho phép của dòng điện đi qua triac trong một thời gian dài. - Dòng điện điều khiển mở triac IGT: dòng điện điều khiển IG mở triac . - Dòng điện duy trì IH: dòng tối thiểu của Ia để duy trì triac mở. c) Mạch điện đo thử SCR, TRIAC: D1 2,7K A A2 D2 D 1N4001 SCR hoaëc Triac G 560 Ω Mạch điện đo thử SCR, TRIAC. ∼ 12V Cách K dùng: A1 D3 S1 470/25 Mắc SCR hoặc TRIAC vào mạch. Cấp điện 12V xoay chiều. Các LED D1, D2 không được 10K sáng (nếu sáng là SCR hoặc TRIAC bị nối tắt). Nhấn S1, D3 sáng: chứng tỏ có điện vào mạch kích. Nếu D2 sáng : SCR tốt.
  51. Nhả S1, D2 tắt (vì nguồn cấp là điện xoay chiều, khi điện áp qua 0 làm tắt SCR). • Nếu D1 và D2 cùng sáng là TRIAC, nhả S1 D1 và D2 tắt (vì nguồn cấp là điện xoay chiều, khi điện áp qua 0 làm tắt TRIAC). • Nếu D1 và D2 không sáng khi nhấn S1: xem lại các chân A, K của SCR hoặc A2, A1 của TRIAC có đúng chưa, nếu đúng là SCR hoặc TRIAC bị hư . VII- LINH KIỆN BIẾN ĐỔI QUANG ĐIỆN. Các linh kiện biến đổi quang điện được đặt ở 2 đầu sợi quang: - Linh kiện biến đổi tín hiệu điện sang tín hiệu quang, gọi là nguồn quang. Linh kiện này phát ra ánh sáng có công suất tỉ lệ với dòng điện chạy qua nó. - Linh kiện biến đổi tín hiệu quang sang tín hiệu điện, gọi là linh kiện tách sóng quang (hay thu quang). Linh kiện này tạo ra dòng điện có cường độ tỉ lệ với công suất ánh sáng chiếu vào nó. Chú ý rằng sợi quang có độ suy hao nhỏ nhất ở các bước sóng ( = 850nm, 1300nm và 1550nm, nên các linh kiện quang phải hoạt động có hiệu suất lớn nhất ở các bước sóng trên. Các linh kiện biến đổi quang điện hoạt động dựa trên 3 hiện tượng sau đây: ( Khi có một photon bức xạ vào một chất bán dẫn, cung cấp năng lượng E = h( cho một electron ở vùng hóa trị, thì electron sẽ chuyển lên Vùng Dẫn, để lại một lổ trống ở vùng hóa trị và photon biến mất. Như vậy, một photon có năng lượng thích hợp chiếu vào chất bán dẫn sẽ tạo ra một electron và một lổ trống và photon biến mất. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ, được ứng dụng trong photo điốt để làm linh kiện tách sóng quang. ( Nếu trong Vùng Dẫn có số electron nhiều hơn mức cân bằng, thì electron thừa sẽ rơi xuống vùng hóa trị một cách tự phát để kết hợp với lổ trống. Năng lượng phát ra dưới dạng photon. Như vậy khi hiện tượng kết hợp electron với lổ trống có thể bức xạ cho ra 1 photon. Hiện tượng này gọi là sự phát quang, dùng trong các điốt quang. ( Khi các electron phát ra photon khi kết hợp với lổ trống lại kích thích các electron đang có năng lượng cao chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra photon mới, quá trình cứ tiếp diễn và số lượng photon phát ra rất lớn. Aùnh sáng phát ra trong quá trình phát xạ kích thích có cùng bước sóng và cùng pha. Hiện tượng này gọi là phát xạ kích thích, được ứng dụng trong các điốt phát Laser. Vuøng Daãn Vuøng Daãn Vuøng Daãn hν hν hν hν hν Vuøng Hoùa Trò Vuøng Hoùa Trò Vuøng Hoùa Trò Hấp thụ Phát xạ tự phát Phát xạ kích thích. 1. Điốt phát quang: (LED) Light Emitting Diode. Round H. J. đã tìm thấy sự phát sáng của SiC (Silicon Carbide) dưới tác dụng của điện trường, vào năm 1907. Ngày nay, người ta sản xuất khoảng 20.109 LED mỗi năm. a- Cấu tạo: LED có cấu trúc với một lớp tiếp xúc P-N và cũng có đặc trưng kỹ thuật như các điốt thông thường: Chiều dẫn điện và chiều không dẫn điện. Tuy nhiên LED có mức ngưỡng điện áp thuận cao (1,6(3V) và điện áp nghịch tương đối thấp (3(5V). Ith (mA) 3 → 5V Uth Ung 0 1,6 → 3V
  52. Ký hiệu LED Đặc tuyến V-A của LED. Bảng sau đây, cho ta thấy các số liệu kỹ thuật của vài chất bán dẫn thông dụng: Vật liệu Eg (eV) ( sóng Vùng bức Loại tái hợp bức xạ xạ (nm) - Gerrnanium. 0.66 - - Gián tiếp. - Silicium. 1.09 - - Gián tiếp. - Gallium-Arsenic. 1.43 890 Hồng ngoại. Trực tiếp. - Gallium-Arsenic- 1.91 650 Đỏ. Trực tiếp. Phosphide 2.24 560 Xanh lá Gián tiếp. - Gallium-Phosphide. 2.5 490 cây. Gián tiếp. - Silicium-Carbide. 3.1 400 Xanh da Gián tiếp. - Gallium-Nitride. trời. Tím. Ví dụ : Với chất bán dẫn GaAs : ( =  = 900 nm. Với: h (hằng số Planck) = 6,625.10-34 J.s = 4,16.10-15 eV.s C = 3,108 m/s. ∆E = Eg = 1,38 eV b- Hoạt động: Khi một electron ở đáy Vùng Dẫn của chất bán dẫn rơi vào một lổ trống ở đỉnh Vùng Hóa Trị, thì năng lượng Eg sẽ được giải phóng (Eg là bề rộng Vùng Cấm). Năng lượng này có thể biến thành năng lượng nhiệt dao động cho mạng tinh thể (như chất bán dẫn là Silic), hoặc trong một số vật liệu bán dẫn dưới một điều kiện nào đó, năng lượng này xuất hiện ra dưới dạng một bức xạ điện từ có bước sóng cho bởi: c c hc λ = = = ν Eg/h Eg Các LED bán trên thị trường được chế tạo để ánh sáng phát ra trong vùng thấy được thường dựa trên vật liệu bán dẫn là hợp chất Ga-As-P (Gali-Arsen-Phospho) được lựa chọn với một tỉ lệ thích hợp, như vậy ánh sáng phát ra sẽ có bước sóng như yêu cầu. Như vậy khi electron rơi từ Vùng Dẫn xuống Vùng Hóa Trị sẽ phát ra ánh sáng có bước sóng ( (và electron từ mức Donor rơi xuống mức Acceptor để kết hợp với lổ trống cũng phát ra ánh sáng có bước sóng (’), ánh sáng này có kích thích cho các electron từ vùng hóa trị nhảy lên Vùng Dẫn không? Thực tế là có, như vậy để tránh cho tất cả các photon phát ra không bị hấp thụ, cần phải có một lượng dư thừa các electron và lổ trống lớn hơn nhiều so với lượng electron và lổ trống được tạo ra do chuyển động nhiệt trong vật liệu bán dẫn thuần. Đó là các điều kiện mà ta có được khi các phần tử mang điện đa số (electron hoặc lổ trống) được phun qua tiếp xúc P-N bằng một điện áp bên ngoài. Do đó muốn có được một LED, phải có một tiếp xúc P-N của một chất bán dẫn được chế tạo giàu tạp chất và một điện áp bên ngoài đưa vào tiếp xúc P-N theo chiều thuận. c- Các tham số cơ bản: Một LED có các tham số cơ bản sau đây: - Dòng điện thuận định mức: IF (forward) (từ 50 mA ( 300mA). - Điện áp sụt trên LED : VL (từ 1,5 ( 2,5V). - Dòng điện thuận tối đa : Ip (peak) (( 200mA). - Công suất tiêu thụ : P (103 mW). - Công suất phát quang : Po (1 ( 10mW)
  53. - Điện áp ngược : VR (reverse) (( 5V). - Bước sóng ánh sáng phát ra. d- Một số loại LED: Hầu hết những nguyên tố dùng để chế tạo LED đều là những nguyên tồ ở nhóm III và V của bảng phân loại tuần hoàn như: GaAs, GaP và loại hỗn hợp “Ternarius” với Ga, As, P. - LED GaAs: Tùy theo tỉ lệ pha tạp mà bước sóng ánh sáng do sự tái hợp trong GaAs có cực đại giữa 880 nm và 940 nm (hồng ngoại): Mắt không nhìn thấy được . Vật liệu ban đầu cho điốt GaAs là chất nền loại N+ : Người ta kéo đơn tinh thể GaAs siêu sạch, sau đó được cưa thành từng phiến mỏng khoảng 0.3mm và đánh bóng, pha tạp bằng Tellurium (Te) hay Sulfur (S) để có một độ tạp chất cho (donor) từ 1017 đến 1018 nguyên tử/cm3. Lớp tiếp xúc P-N được hình thành bằng 2 cách: • Trên đế nền N+ trên, trong giai đoạn Epitaxi khí một lớp N được hình thành, sau đó khuếch tán một lớp P bằng AsZn2, ta được một tiếp xúc P-N. • Lớp tiếp xúc P-N cũng có thể được tạo ra trong khi một lớp Epitaxi hình thành từ một dung dịch . Lớp P (dày khoảng 200(m), có mật độ tạp chất nhận (acceptor) là 1019 nguyên tử/cm3 và mật độ electron trong lớp Epitaxi (lớp N) là 1017 đến 1018 nguyên tử/cm3. Với mật độ tạp chất như thế sẽ cho hiệu suất lượng tử bên trong cao nhất. Bức xạ phát sinh do sự tái hợp, năng lượng photon khỏang 1,4eV. Người ta mở Cổng sổ để ánh sáng phát ra ở lớp P hay N đều được, nhưng lớp P có hằng số hấp thụ bức xạ cao, nên lớp bên trên thường là lớp N (nếu vì lý do kỹ thuật, lớp P phải đặt bên trên thì phải thật mỏng). Bên ngoài được phủ một lớp chống phản xạ để ghép ánh sáng vào sợi quang. - LED GaAsP: Điốt GaAsP với sự tái hợp trực tiếp và năng lượng lớn hơn 1,7eV cho ta ánh sáng nhìn thấy được. Điốt đỏ và vàng được chế tạo. Hàm lượng Phosphor trong tinh thể lên đến 85% thì ánh sáng phát ra màu vàng. hν Cấu tạo của LED + NN+ N - LED GaP: GaP là loại bán dẫ n gián ti ế p, không phát sáng. Tuy P nhiên người ta có thể chế tạo LED từ GaP với sự pha tạp các chất cách điện (isoelectric), đó là Nitơ và ZnO. Tùy theo tạp chất cách điện mà ta có thể dịch chuyển mức năng lượng EExc của các exciton (cặp electron-lổ trống) để làm thay đổi màu sắc của LED. Sau lớp nền GaP loại N dẫn điện là một cấu trúc GaP - P (ZnO) Epitaxi được hình thành: Có LED đỏ. Trong khi đó, một cấu trúc GaP - P (N) Epitaxi: Có LED xanh lá cây. Với cách này, ta có một điốt đôi. Với 2 điện áp, các dòng điện qua điốt được thay thế độc lập, ta có ánh sáng phát ra chuyển từ đỏ, vàng cam đến xanh lá cây. + P-GaP (N): epitaxi - N-GaP : neàn LED đôi đỏ và xanh lá cây. P-GaP (ZnO): epitaxi - +
  54. - LED phát xạ rìa: (ELED: Edge Light Emitting Diode). LED phát xạ rìa khác với các LED thông thường, các điện cực kim loại phủ kín mặt trên và mặt đáy của ELED. Do đó, ánh sáng không thể phát ra phía 2 mặt được mà bị giữ trong vùng rất hẹp. Vùng này rất mỏng bằng vật liệu có chiết suất lớn kẹp giữa 2 lớp P và N có chiết suất nhỏ hơn. Cấu trúc như vậy tương tự như cấu trúc của sợi quang (ống dẫn sóng), ánh sáng được phát ra ở cả 2 đầu ống dẫn sóng này, một đầu được nối với sợi quang. Cấu trúc này có ưu điểm là vùng phát sáng hẹp và góc phát sáng nhỏ, nên hiệu suất ghép quang cao, tuy nhiên khi hoạt động, nhiệt độ của LED khá cao cần phải được giải nhiệt. e- Mạch phát quang dùng LED: Mạch điện của máy phát quang đơn giản như sau: + V Mạch phát quang đơn giTínản hieäu Q ñieàu cheá LED Dưới đây là một mạch phát quang dùng LED có đRáp ứng nhanh và công suất lớn. trong đó Q1 làm nhiệm vụ khuếch đại và phối hợp trở kháng, Q2, Q3 mắc song song để tăng dòng kích thích cho LED. +V C1 C2 LED Vin Q1 Q2 R3 C3 R1 R2 R4 Q3 C4 M ạ ch phát quang dùng LED tiêuD biểu. f- Một số tính chất kỹ thuật và vài ứng dụng của LED: ™ TÍNH CHẤT KỸ THUẬT: Với thể tích nhỏ, công suất tiêu tán thấp, LED được sử dụng trong mọi lãnh vực quang báo. Tuổi thọ của LED cao hơn bóng đèn thông thường, khoảng 105 giờ (có thể sáng liên tục trong 10 năm). Trái với bóng đèn thường, LED không hư ngay, mà sau khoảng thời gian khoảng 105 giờ, công suất phát quang của LED giảm đi một nửa. • Cường độ sáng của LED giảm đi khi nhiệt độ tăng. Khi nhiệt độ tăng 10C (đo ở 25 0C ), LED đỏ giảm độ sáng 1,5% ; vàng 0,7% ; xanh lá cây 0,5%. Với độ giảm như vậy mắt thường không phân biệt được, nhưng trong việc truyền tin, tự động hóa cần có một mạch điện làm gia tăng dòng điện điốt để trung hòa hiệu ứng nhiệt. • Khi nhiệt độ tăng, phổ bức xạ của LED cũng dịch chuyển về phía sóng có độ dài lớn hơn. Độ dịch chuyển này từ +0,1 đến 0,3 nm/ 0C. ( Khi sử dụng LED luôn luôn được mắc nối tiếp với một điện trở RT: RT = Ġ Với: VB = Điện áp nguồn. VD = Điện áp ngưỡng của LED. IF = Dòng điện qua LED. ( Điện áp ngưỡng của LED có các trị số sau: Đỏ : 1,6 2V Cam : 2,2 3V
  55. Xanh lá cây : 2,7 3,2V Vàng : 2,4 3,2V Xanh da trời : 3,0 5V ( Catot của LED: - Nằm ở chân ngắn. - Phía vỏ bị cắt xén. - Nhìn vào bên trong, điện cực catot lớn hơn. Hình dáng của LED K A ™ VÀI MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG: • LED làm đèn báo với điện áp 220V: R1 = 2,2 KΩ ; R1 C1 R2 R2 = 220Ω; D1 : 1N4097; 220V ∼ D C = 0,22 F/250V. LED 1 µ Đèn báo dùng điện xoay chiều 220V Dòng qua LED khoảng 15 mA. điốt D1 bảo vệ LED ở nửa chu kỳ âm của điện áp 220V, vì LED chỉ chịu điện áp ngược trong khoảng 3 5V. • LED nhấp nháy với điện áp 220V: R1 Dc R2 220V ∼ C LED D Đèn báo nhấp nháy dùng điện áp 220V R1 = 470KΩ; R2 = 680Ω; C1 = 22 µF/35V Diac Dc : ER900; D: 1N4007. Tụ điện C nạp điện qua điện trở R1, khi điện áp 2 đầu tụ điện vượt quá điện áp ngưỡng của diac, diac dẫn điện làm LED sáng. Khi điện áp 2 đầu tụ điện C giảm xuống dưới điện áp ngưỡng của diac, diac ngưng dẫn làm LED tắt • Mạch đèn báo đặc biệt: Lợi dụng sự khác biệt về điện áp ngưỡng của LED đỏ (1,6V) và LED xanh lá cây (2,5V), ta có ứng dụng sau đây: Hai LED mắc song song, nối tiếp với một điện trở. Bình thường chỉ có LED đỏ sáng, chỉ khi nào công tắc S hở, LED xanh mới sáng. Công tắc S có thể là tiếp điểm của một relay hoặc các chân C, E của một transistor được điều khiển bởi một mạch điện nào đó. + R S LED LED xanh laù caây ñoû
  56. Mạch đèn báo dùng 2 LED • LED đôi: Ta còn gọi LED đôi là DUO-LED. Có 2 loại sau đây: 1 2 LED2 R G LED1 3 Chân số 1 cho LED màu đỏ, chân số 2 Hai LED mắc song song cho LED màu vàng / xanh lá cây, chân và đối cực. số 3 nối với Catot. + S 1 S 2 LED LED2 LED-R G LED1 3 R1 R2 R E Tùy theo vị trí khóa S mà LED đỏ hay LED xanh sẽ sáng P LED2 LED1 R1 R2 E Tùy theo vị trí biến trở P mà LED thay đổi màu sắc và độ sáng 2. LED hồng ngoại: (IR LED) Infrage Rouge. Điốt GaAs phát ra tia hồng ngoại, có hiệu suất bức xạ cao hơn LED phát ra ánh sáng thấy được, được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật. Vùng Cấm của GaAs có độ rộng khoảng 1,43eV tương ứng với bức xạ khoảng 900 nm. Từ lớp nền N-GaAs, người ta tạo một lớp tinh thể epitaxi mỏng bằng tạp chất Silic, lớp tiếp xúc được hình thành. Mặt dưới có cấu tạo như một tấm gương phản chiếu ánh sáng hồng ngoại từ tiếp xúc P-N lên trên. Như vậy ta có được LED phát tia hồng ngoại ở 950nm. Cũng như trên, từ lớp nền (GaAl)As, người ta tạo một lớp tinh thể epitaxi mỏng bằng Si và với sự điều chỉnh nồng độ Al, ta có LED phát tia hồng ngoại trong khoảng 850 ( 900 nm. Mạch điện phát và thu âm nhạc bằng sóng hồng ngoại: ( Máy phát: Ba LED hồng ngoại được cấp điện từ MOSFET T1, dòng điện này điều chỉnh được bằng biến trở P1. Tín hiệu âm thanh qua C1 vào Cổng (Gate) của T1 để làm biến điệu dòng điện (AM) qua các LED hồng ngoại. T2 và R3 dùng để hạn chế dòng điện qua MOSFET, bảo vệ
  57. LED không bị hư khi Cổng có điện áp quá lớn (dòng bị hạn chế < 100mA.). MOSFET ở đây là BS170 làm việc với dòng qua cực máng (Drain) đến 500mA và có công suất tiêu tán 730mW. T2 là BC547B. ( Máy thu: Phần thu ta dùng điốt BPW41W hay BP104. Các điốt thu này đều được che chắn bởi một màng lọc ánh sáng (màng lọc màu đỏ). Biến trở P được chỉnh để cho độ méo âm thanh bé nhất. MOSFET T1 dùng loại BS170, tai nghe có tổng trở 300 (. Với phần phát và thu như trên có thể hoạt động tốt ở cự ly 3(4m. 10 mA +9V 220/16 +9V 47/16 R 560Ω C1 100nF 3 Vaøo BPW41N C2 10nF BP104 22/16 R2 82K T1 R2 820K T1 R P 300Ω R P T 1 1 1 1 2 470K 100K 100K 100K R3 6,8Ω Phát tia hồng ngoại Thu tia hồng ngoại. 3. Laser bán dẫn: ™ LASER: LASER là các ký tự đầu của “Light Amplification by Stimulated Emission of a Radiation”. • Các electron của nguyên tử có các mức năng lượng không liên tục riêng biệt. Khi electron nhận được năng lượng đúng bằng: (E = Em - En Electron sẽ chuyển từ mức năng lượng thứ « n » lên mức năng lượng thứ « m », ta nói rằng electron đã hấp thụ năng lượng. E Em En Các mức năng lượng Em và En trong nguyên tử 0 ( Khi electron đang ở mức năng lượng thứ « m », chuyển xuống mức năng lượng thứ « n », thì nó trả lại một năng lượng đúng bằng : ∆E = Em - En Ta nói rằng electron đã bức xạï năng lượng tự phát. Nếu năng lượng này được trả lại dưới dạng quang năng, thì đây là sự phát quang. Các ánh sáng phát ra không có sự liên hệ về pha. Tần số ánh sáng fmn phát ra khi dịch chuyển từ mức năng lượng « m » xuống « n », liên hệ với biểu thức : hfmn = Em - En Sóng ánh sáng này có độ dài sóng : C C 1,2398 λ = = = f E2 − E1 E2 − E1 h Trong đó C là vận tốc ánh sáng. h là hằng số Planck (6,625.10-34 J.s). f là tần số ánh sáng (Hertz). ( Khi một photon có năng lượng hfmn gặp phải một nguyên tử đang ở trạng thái kích thích, các electron bị cưỡng bức dịch chuyển từ trạng thái năng lượng “m” xuống trạng thái