Giáo trình Điện tử cơ bản 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:185

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giáo trình đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc, các tham số cơ bản của các linh kiện điện tử được dùng phổ biến trong công nghệ điện, điện tử. Bên cạnh đó, giáo trình còn giới thiệu một số mạch ứng dụng thực tế để sinh viên tham khảo, nghiên cứu. Các nội dung cụ thể là: Diode bán dẫn; Transistor; Các mạch khuếch đại cơ bản tín hiệu nhỏ dùng BJT, FET; Linh kiện nhiều mặt ghép; Linh kiện quang điện; Vi mạch (IC).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử cơ bản 1 - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH Ths. §inh Gia Hu©n gi¸o tr×nh §iÖn tö c¬ b¶n 1 IA IA®m IG 3 IG 2 IG 1 IG = 0 IAmin Ungmax 0 Um3 Um2 Um1 Um0 UAK UAKmin IG1 < IG2 < IG3 j1 j2 j3 j1 j2 j3 K A K A - + + _ A K A K - + + _ Nam §Þnh - 2009
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH Ths. §inh Gia Hu©n gi¸o tr×nh §iÖn tö c¬ b¶n 1 (Dïng cho sinh viªn ®¹i häc c¸c ngµnh: C«ng nghÖ kü thuËt ®iÖn; C«ng nghÖ ®iÖn, ®iÖn tö; C«ng nghÖ tù ®éng) Nam §Þnh - 2009
LỜI NÓI ĐẦU Kỹ thuật điện tử là một ngành mũi nhọn mới phát triển. Trong một khoảng thời gian không dài, từ khi transistor được phát minh (năm 1948) bởi hai nhà khoa học người Mỹ là John Bardeen và W.H. Brattain, kỹ thuật điện tử đã có những bước phát triển nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi to lớn và sâu sắc trong hầu hết các lĩnh vực rất khác nhau, dần trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà trung tâm là tự động hoá, tin học hoá, phương pháp công nghệ và vật liệu mới). Môn học Điện tử cơ bản gồm hai học phần: Điện tử cơ bản 1 và Điện tử cơ bản 2 là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo kỹ sư các ngành Công nghệ kỹ thuật điện; Công nghệ tự động; Công nghệ điện, điện tử. Để phục vụ việc giảng dạy của cán bộ và học tập của sinh viên chúng tôi đã biên soạn “Giáo trình Điện tử cơ bản 1” dựa trên chương trình môn học đã được trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định ban hành năm 2007. Nội dung giáo trình đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo, nguyên lý làm việc, các tham số cơ bản của các linh kiện điện tử được dùng phổ biến trong công nghệ điện, điện tử. Bên cạnh đó, giáo trình còn giới thiệu một số mạch ứng dụng thực tế để sinh viên tham khảo, nghiên cứu. Giáo trình gồm 6 chương: Chương 1: Diode bán dẫn Chương 2: Transistor Chương 3: Các mạch khuếch đại cơ bản tín hiệu nhỏ dùng BJT, FET Chương 4: Linh kiện nhiều mặt ghép Chương 5: Linh kiện quang điện Chương 6: Vi mạch (IC) Chúng tôi tỏ lòng biết ơn đối với các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Kỹ thuật mạch & Xử lý tín hiệu, bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện - Đo lường thuộc khoa Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã đóng góp nhiều ý kiến xây dựng để hoàn chỉnh giáo trình này. Trong quá trình biên soạn chúng tôi đã cố gắng thể hiện nội dung một cách cơ bản, hệ thống, hiện đại. Tuy nhiên do khoa học không ngừng phát triển và khả năng có hạn nên chắc chắn còn nhiều thiếu xót, chúng tôi mong nhận được sự đóng góp xây dựng của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn. Ths. Đinh Gia Huân
Chương 1 DIODE BÁN DẪN 1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp 1.1.1- Cấu trúc vùng n ăng lượng của chất rắn tinh thể Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn. Điện trở suất của vật liệu bán dẫn ςBD = (10-4 ÷ 1010) Ω.cm, nằm giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của điện môi. Kim lo¹i B¸n dÉn §iÖn m«i ς [Ω. cm ] -6 --4 10 10 10 15 10 10 Khi chế tạo dụng cụ bán dẫn và các mạch vi điện tử, người ta thường dùng Ge, Si, Ga, As, và một số bán dẫn khác như Se, Ti hoặc một số lo ại oxyt, Cacbit, Sulfua … Tính chất đặc trưng nhất của bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sáng và điện trường. Điện trở của bán d ẫn giảm nhanh khi nhiệt độ tăng, ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở (R) của kim loại và bán dẫn được vẽ trên hình 1.1. R R Kim lo¹i B¸n dÉn 0 T 0 T a) b) H×nh 1.1: Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo nhiÖt ®é: a) Kim lo¹i, b) ChÊt b¸n dÉn Ta đã biết cấu trúc năng lượng của một ngu yên tử đứng cô lập có dạng là các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng lượng. Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể. Tuỳ theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử chiếm chỗ hay không, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau: 1
- Vùng hoá trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. - Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần. - Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm thấy hạt dẫn tại đây bằng 0. Tuỳ theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể tr ên, xét theo tính chất dẫn điện, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 0o K): chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn, minh hoạ trên hình 1.2. Vïng dÉn Vïng dÉn Vïng dÉn ∆E Vïng ho¸ trÞ Vïng cÊm ∆E Vïng ho¸ trÞ Vïng ho¸ trÞ a) b) c) H×nh 1.2: CÊu tróc vïng n¨ng lîng cña vËt r¾n: a) ChÊt c¸ch ®iÖn E >2eV; b) ChÊt b¸n dÉn ®iÖn E ≤ 2eV; c) ChÊt dÉn ®iÖn Chúng ta đã biết , muốn tạo dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và quá trình chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của điện trường. Dưới đây ta xét tới đặc trưng dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể. 1.1.2. Bán dẫn thuần Để giải thích đặc trưng dẫn điện của chất bán dẫn, ta hãy nghiên cứu một thể tích lý tưởng của tinh thể Ge. Ge là một nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn. Hình vẽ 1.3a mô tả mạng tinh thể Ge trên mặt phẳng. Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên tử lân cận bằng 4 điện tử hoá trị. Hai đường thẳng nối giữa các nút mạng biểu diễn mối liên kết đồng hoá trị giữa các cặp điện tử dùng chung. Tổng hợp các mức năng lượng của các điện tử hoá trị của tinh thể Ge lý tưởng tạo nên giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1 .3b. Trong đó: EC- mức năng lượng đáy vùng dẫn, EV - mức đỉnh của vùng hoá trị, EF - mức Fecmi, ∆E - độ rộng vùng cấm. 2
Ở nhiệt độ T = 00K: với bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đều tham gia mối liên kết đồng hoá trị . Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mức năng lượng trong vùng hoá trị. Còn vùng dẫn không có điện tử. Như vậy ở nhiệt độ T = 0 o K, chất bán dẫn điện không dẫn điện. Giữa đỉnh vùng hoá trị E V và đáy vùng cấm E C là vùng cấm có độ rộng ∆E = EC - EV Với Ge: ∆E ∼ 0,72 eV Với Si: ∆E ∼ 1,2 eV Như vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp một năng lượng ≥ ∆E. Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt. E - - - - Ge - Ge - Ge - - - ni Vïng dÉn - - - - - - - - - EC Ph¸t sinh - - - - Ge - Ge - Ge - - EF - - - - - - T¸i hîp ∆E EV - + + + - - + + + - Ge - Ge - Ge pi Vïng ho¸ trÞ - - - - - - - - - b) a) H×nh 1.3: M¹ng tinh thÓ (a) vµ gi¶n ®å n¨ng lîng cña Ge tinh khiÕt (b) Khi nhiệt độ T > 00K: do có năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số điện tử phá vỡ liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống. Độ dẫn này trong điện từ trường giống như một điện tích dương có giá trị điện tích bằng điện tích của điện t ử. Quá trình tạo nên cặp điện tử tự do và lỗ trống như trên được gọi là quá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên trên hình 1.3b. Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê Maxwell- Boltzman. EC − E F − n = N ne kT (1-1) 3
E F − EV − p = N pe kT (1-2) Nn, Np: MËt ®é hiÖu dông c¸c tr¹ng th¸i trong vïng dÉn vµ vïng hãa trÞ. k =1,38.10-23 j/K (h»ng sè Boltzman) Nh©n (1-1) víi (1-2), coi khèi lîng hiÖu dông cña lç trèng b»ng khèi lîng hiÖu dông cña ®iÖn tö vµ Nn ≈ Np ≈ N ta cã: Ec − EV ∆E − − n. p = N e2 kT =N e 2 kT (1-3) Trong tr¹ng th¸i c©n b»ng nhiÖt ®éng, mËt ®iÖn tö trong vïng dÉn cña b¸n dÉn kh«ng t¹p chÊt ni b»ng mËt ®é lç trèng trong vïng ho¸ trÞ pi, tøc lµ: ni = pi = n (1-4) ∆E − Tõ (1.3) ta suy ra: n = N e 2 kT (1-5) Tõ c«ng thøc nµy ta thÊy mËt ®é h¹t t¶i ®iÖn trong b¸n dÉn cµng lín khi nhiÖt ®é cµng cao vµ ®é réng vïng cÊm cµng nhá. Tõ (1.1) vµ (1.2) ta cã: EC − EV ∆E ∆E E Fi = = EV + = EC − (1-6) 2 2 2 Nh vËy møc Fecmi trong b¸n dÉn thuÇn ®îc n»m ë gi÷a vïng cÊm (h×nh 1.3b). Díi t¸c dông cña n¨ng lîng nhiÖt, c¸c ®iÖn tö trong vïng dÉn vµ c¸c lç trèng trong vïng ho¸ trÞ thùc hiÖn chuyÓn ®éng nhiÖt hçn lo¹n. Song song víi qu¸ tr×nh ph¸t sinh nãi trªn, cßn x¶y ra qu¸ tr×nh c¸c ®iÖn tö nh¶y tõ vïng dÉn xuèng lÊp vµo chç trèng trong vïng ho¸ trÞ t¹o nªn qu¸ tr×nh t¸i hîp cña cÆp ®iÖn tö lç trèng. Sè t¸i hîp tû lÖ víi mËt ®é h¹t t¶i ®iÖn. Khi ®Æt ®iÖn trêng ngoµi E vµo b¸n dÉn: chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng trong b¸n dÉn ®îc ®Þnh híng. NghÜa lµ khi T > 0oK b¸n dÉn cã kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn. §é dÉn cµng lín khi cêng ®é cña qu¸ tr×nh ph¸t sinh ra cÆp ®iÖn tö lç trèng cµng lín. §é dÉn nµy bao gåm c¶ chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö vµ chuyÓn ®éng cña lç trèng. Nh vËy ®é dÉn toµn phÇn phô thuéc vào ®é dÉn cña ®iÖn tö céng víi ®é dÉn cña lç trèng. Gäi ®é dÉn toµn phÇn lµ γ ta cã: γ = qnnµn + qppµp (1-7) qn, qp: §iÖn tÝch cña ®iÖn tö vµ lç trèng. µn, µp: §é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng. 4
§é dÉn nµy ®îc gäi lµ ®é dÉn riªng cña b¸n dÉn (cßn gäi lµ ®é dÉn cña b¸n dÉn kh«ng t¹p chÊt}. B¸n dÉn kh«ng t¹p chÊt cßn ®îc ký hiÖu lµ b¸n dÉn lo¹i i. §é dÉn riªng thêng lµ kh«ng lín. H¬n n÷a ®é dÉn ®iÖn tö vµ ®é dÉn lç trèng ®Òu lµ do chuyÓn ®éng cña ®iÖn tö trong b¸n dÉn (®iÖn tö trong vïng dÉn chuyÓn ®éng theo híng ngîc chiÒu víi ®iÖn trêng, cßn c¸c ®iÖn tö trong vïng ho¸ trÞ sÏ chuyÓn ®éng ®Õn lÊp c¸c lç trèng theo híng ngîc l¹i víi chuyÓn ®éng cña lç trèng). MËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng cña b¸n dÉn kh«ng t¹p ë nhiÖt ®é phßng (200C) ®èi víi: Ge: 2.1013cm-3, Si: 1,4.1010 cm-3 (mËt ®é nguyªn tö cña m¹ng tinh thÓ lµ 5.1022cm-3). 1.1.3. B¸n dÉn t¹p chÊt a. B¸n dÉn lo¹i n NÕu trong tinh thÓ Ge ®a vµo t¹p chÊt lµ nguyªn tè nhãm V vÝ dô As. Nguyªn tö As sÏ chiÕm mét nót m¹ng. As cã 5 ®iÖn tö líp ngoµi cïng, nã bá ra 4 ®iÖn tö t¹o nªn liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ vµ cßn thõa 1 ®iÖn tö. C¸c ®iÖn tö thõa n»m ë møc n¨ng lîng t¹p chÊt Ed, n»m trong vïng cÊm vµ gÇn ®¸y vïng dÉn gäi lµ møc Donor (møc cho). Møc Ed c¸ch vïng dÉn ∆Ed
Sè lîng c¸c ®iÖn tö tõ møc Ed nh¶y lªn vïng dÉn lín h¬n nhiÒu so víi sè ®iÖn tö tõ vïng ho¸ trÞ nh¶y lªn vïng dÉn. Nh vËy ®é dÉn cña b¸n dÉn t¹p nµy lµ ®é dÉn ®iÖn tö, gäi lµ b¸n dÉn lo¹i n. Trong b¸n dÉn lo¹i n th× ®iÖn tö lµ h¹t t¶i c¬ b¶n (®éng tö ®a sè), lç trèng lµ h¹t t¶i kh«ng c¬ b¶n (®éng tö thiÓu sè). MËt ®é ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i n ®îc tÝnh: E Fn − E Fi n n = ni e (1-8) kT Tõ ®©y ta x¸c ®Þnh ®îc vÞ trÝ cña møc Fecmi trong b¸n dÉn lo¹i n: n  E Fn = E Fi + kT ln n  (1-9)  ni  Nh vËy: møc Fecmi trong b¸n dÉn t¹p chÊt lo¹i n sÏ dÞch lªn gÇn víi vïng dÉn. §é dÞch lªn cµng nhiÒu khi mËt ®é t¹p chÊt cµng cao (cã thÓ n»m trªn vïng dÉn nh ë diode tunel). b. B¸n dÉn lo¹i p NÕu ®a t¹p chÊt lµ nguyªn tè nhãm III (vÝ dô In) vµo Ge ta sÏ ®îc b¸n dÉn lo¹i p. Nguyªn tö In chiÕm 1 nót m¹ng. Ge cã 3 ®iÖn tö líp ngoµi cïng, khi thùc hiÖn liªn kÕt ®ång ho¸ trÞ sÏ thiÕu 1 ®iÖn tö, ®Ó l¹i mét lç trèng. E - - - - Ge - Ge - Ge - - - np Vïng dÉn - - - Lç Ec - - trèng - - Ge - In - Ge - - ∆E - - - ∆EA m EF - 3e - - EA - - - - - - EV + + + - Ge - - Ge - Ge pp - - Vïng ho¸ trÞ - - - - - - n n a) b) ( 1 0 H×nh 1.5: M¹ng tinh thÓ (a) vµ gi¶n ®å n¨ng lîng (b) cña Ge cã pha t¹p chÊt In 15 ) 6
Møc t¹p chÊt cña lç trèng lµ EA n»m trong vïng cÊm vµ gÇn víi ®Ønh vïng ho¸ trÞ gäi lµ axeptor (møc nhËn). V× ∆EA > np vµ pp >> pn), t¹i vïng tiÕp xóc cã hiÖn tîng khuyÕch t¸n c¸c h¹t ®a sè qua n¬i tiÕp gi¸p, ®iÖn tö ë b¸n dÉn n khuÕch t¸n sang b¸n dÉn p, lç trèng ë b¸n dÉn p khuÕch t¸n sang b¸n dÉn n, do vËy xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn khuyÕch t¸n (Ikt) híng tõ p sang n. T¹i mét vïng l©n cËn (l0) hai bªn mÆt tiÕp xóc, xuÊt hiÖn mét líp ®iÖn tÝch khèi do ion t¹p chÊt t¹o ra, t¹i ®ã nghÌo h¹t dÉn ®a sè vµ cã ®iÖn trë lín (h¬n nhiÒu cÊp so víi c¸c vïng cßn l¹i), do ®ã ®ång thêi xuÊt hiÖn mét ®iÖn trêng néi bé híng tõ vïng n 7
(líp ion d¬ng N D+ ) sang vïng p (líp ion ©m N A− ) gäi lµ ®iÖn trêng tiÕp xóc Etx (h. 1.6c). Qu¸ tr×nh ®ã ®· xuÊt hiÖn mét hµng rµo ®iÖn thÕ hay mét hiÖu ®iÖn thÕ tiÕp xóc Utx. BÒ dÇy líp nghÌo l0 phô thuéc vµo nång ®é t¹p chÊt, nÕu NA = ND th× l 0 ®èi xøng qua mÆt tiÕp xóc : l0N = l0P; thêng NA >>ND nªn l0N >> l0P vµ phÇn chñ yÕu n»m bªn lo¹i b¸n dÉn pha t¹p chÊt Ýt h¬n (cã ®iÖn trë suÊt cao h¬n). §iÖn trêng Etx c¶n trë chuyÓn ®éng cña dßng khuyÕch t¸n nhng t¹o ra c¸c chuyÓn ®éng tr«i cña c¸c h¹t thiÓu sè qua miÒn tiÕp xóc: ®iÖn tö tõ chÊt b¸n dÉn p chuyÓn ®éng vÒ phÝa chÊt b¸n dÉn n, lç trèng tõ chÊt b¸n dÉn n chuyÓn ®éng vÒ phÝa chÊt b¸n dÉn p. Qu¸ tr×nh nµy t¹o thµnh dßng ®iÖn tr«i (Itr) cã chiÒu ngîc l¹i víi dßng khuyÕch t¸n. Qu¸ tr×nh nµy tiÕp diÔn sÏ dÉn tíi mét tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng :Ikt = Itr vµ lóc ®ã kh«ng cã dßng ®iÖn qua tiÕp gi¸p p – n. HiÖu ®iÖn thÕ tiÕp xóc cã gi¸ trÞ x¸c lËp, ®îc x¸c ®Þnh bëi : KT  p p  KT  nn  Utx = ln  = ln (1 – q  pn  q  np  12) Víi nh÷ng ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn, ë nhiÖt ®é phßng Utx cã gi¸ trÞ kho¶ng 0,3V víi lo¹i tiÕp xóc p – n tõ Ge vµ 0,6V víi lo¹i lµm tõ Si, phô thuéc vµo tû sè nång ®é h¹t dÉn cïng lo¹i, vµo nhiÖt ®é víi hÖ sè nhiÖt ©m (-2mV/K). p n a) Ikt Itr 17 PP(10 ) Nn (1015) b) 10 Pn (1011) NP(10 ) lo Etx c) lop l on 8 d) Utx
H×nh 1.6 : TiÕp gi¸p p-n khi cha cã ®iÖn trêng ngoµi a) M« h×nh cÊu tróc 1 chiÒu; b) Ph©n bè nång ®é theo ph¬ng x; c) Vïng ®iÖn tÝch khèi t¹i líp nghÌo (víi lo¹i chuyÓn tiÕp ®ét ngét);d) HiÖu thÕ tiÕp xóc t¹i n¬i tiÕp xóc; 1.2.2- TiÕp gi¸p p - n khi cã ®iÖn trêng ngoµi Tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng nªu trªn sÏ bÞ ph¸ vì khi ®Æt tíi tiÕp xóc p – n mét ®iÖn trêng ngoµi. Cã hai trêng hîp x¶y ra (h×nh 1.7. a vµ b) : Eng Eng Etx Etx + p n - - p n + A K A + K l0 l0 Utx Utx Utx-Ung Utx+Ung a) b) H×nh 1.7 : TiÕp gi¸p p-n khi ph©n cùc thuËn (a) vµ ph©n cùc ngîc (b) - Khi ph©n cùc thuËn (h×nh 1.7 a), ®iÖn ¸p ®Æt lªn tiÕp gi¸p cã cùc tÝnh d¬ng ®Æt tíi p, ©m tíi n, ®iÖn trêng ngoµi (Eng) ngîc chiÒu víi Etx. Eng chñ yÕu ®Æt lªn vïng nghÌo vµ xÕp chång víi Etx nªn cêng ®é trêng tæng céng t¹i vïng lo gi¶m ®i do ®ã lµm t¨ng chuyÓn ®éng khuyÕch t¸n cña c¸c ®éng tö ®a sè (ngêi ta gäi ®ã lµ hiÖn tîng phun h¹t ®a sè qua miÒn tiÕp gi¸p p – n khi nã ®îc më) do vËy dßng Ikt t¨ng lªn. Dßng ®iÖn tr«i do Ext g©y ra gi¶m kh«ng ®¸ng kÓ do nång ®é h¹t thiÓu sè nhá. Khi ®ã bÒ réng vïng tiÕp gi¸p (vïngnghÌo) gi¶m ®i so víi l0. - Khi ph©n cùc ngîc (h×nh 1.7 b), nguån ngoµi cã cùc d¬ng ®Æt tíi n, ©m ®Æt tíi p, ®iÖn trêng ngoµi (Eng) cïng chiÒu víi Etx. Do t¸c dông xÕp chång ®iÖn trêng t¹i vïng tiÕp gi¸p ng¨n c¶n c¸c ®éng tö ®a sè khuÕch t¸n qua tiÕp gi¸p dÉn ®Õn dßng Ikt gi¶m tíi kh«ng, dßng chuyÓn ®éng cña c¸c ®éng tö thiÓu sè (Itr) cã t¨ng chót Ýt nhng nhanh chãng ®¹t mét gi¸ trÞ b·o hoµ vµ cã trÞ sè 9
nhá v× sè lîng c¸c ®éng tö thiÓu sè kh«ng lín. BÒ réng vïng tiÕp gi¸p (vïng nghÌo) t¨ng lªn so víi tr¹ng th¸i c©n b»ng. KÕt qu¶ lµ tiÕp gi¸p p – n khi ®Æt trong 1 ®iÖn trêng ngoµi cã tÝnh chÊt dÉn ®iÖn kh«ng ®èi xøng theo 2 chiÒu: theo chiÒu ph©n cùc thuËn (p d¬ng, n ©m), dßng ®iÖn thuËn cã gi¸ trÞ lín (lóc nµy cã thÓ nãi tiÕp gi¸p p-n ë tr¹ng th¸i më), theo chiÒu ph©n cùc ngîc (p ©m, n d¬ng) dßng ®iÖn ngîc cã gi¸ trÞ rÊt nhá (lóc nµy cã thÓ nãi tiÕp gi¸p p-n ë tr¹ng th¸i kho¸). Ngêi ta gäi ®ã lµ hiÖu øng chØnh lu (tÝnh chÊt van) cña tiÕp gi¸p p – n. 1.3. Diode b¸n dÉn 1.3.1.CÊu t¹o cña diode Diode b¸n dÉn cã cÊu t¹o lµ mét tiÕp gi¸p p – n víi hai ®iÖn cùc nèi ra ngoµi. §iÖn cùc phÝa miÒn p gäi lµ anèt, phÝa miÒn n gäi lµ catèt. Ta cã thÓ t¹o nªn diode tiÕp mÆt vµ diode tiÕp ®iÓm. D©y W A A p ChuyÓn tiÕp P-N p ChuyÓn tiÕp P-N n n K K a) b) H×nh 1.8: CÊu t¹o cña diode tiÕp mÆt (a), tiÕp ®iÓm (b). Tuú theo cÊu t¹o, nguyªn t¾c ho¹t ®éng mµ ngêi ta chia diode ra lµm nhiÒu lo¹i kh¸c nhau. H×nh 1.9 lµ kÝ hiÖu cña c¸c diode chØnh lu, diode t¸ch sãng - h×nh a, diode æn ¸p (cßn gäi lµ diode zener)-h×nh b, varistor-h×nh c, diode biÕn dung (varicap)-h×nh f, diode schottky-h×nh e, diode ®êng hÇm (tunel)-h×nh d, photo diode-h×nh g, diode ph¸t quang - h×nh h. a) b) c) d) 10
e) f) g) h) 1.3.2. §Æc tuyÕn V-A cña diode Sö dông m¹ch ®iÖn h×nh 1.10a, biÕn ®æi ®é lín vµ chiÒu cña ®iÖn ¸p ngoµi, ®o dßng t¬ng øng qua diode (Id) ngêi ta thu ®îc ®Æc tuyÕn Vol – Ampe cña diode cã d¹ng h×nh 1.10 b ID (mA) R (1) A ID U®t (V) V UD IS E U Udmax UD D (2) (3) ( A ) b) a) H×nh 1.10. S¬ ®å lÊy ®Æc tuyÕn (a); §Æc tuyÕn V-A cña diode b¸n dÉn (b). §Æc tuyÕn Vol – Ampe cña diode lµ mét ®êng cong cã d¹ng phøc t¹p, chia lµm 3 vïng râ rÖt: Vïng (1) øng víi trêng hîp ph©n cùc thuËn UD > 0. Vïng (2) øng víi trêng hîp ph©n cùc ngîc UD < 0. Vïng (3) ®îc gäi lµ vïng ®¸nh thñng tiÕp xóc p – n. Qua viÖc ph©n tÝch ®Æc tÝnh Vol – Ampe gi÷a lý thuyÕt vµ thùc tÕ ngêi ta rót ®îc c¸c kÕt luËn chñ yÕu sau: 11
- khi ph©n cùc thuËn, nÕu ®iÖn ¸p UD < U th× dßng qua diode vÉn b»ng kh«ng, khi UD ≥ U th× míi cã dßng qua diode. U ®îc gäi lµ ®iÖn ¸p ngìng. §iÖn ¸p trªn diode d¹t gi¸ trÞ lín nhÊt Udmax. Thùc nghÖm cho thÊy: Víi diode Si: U = 0,5 – 0,6V, Udmax = 0,8- 0,9V, Víi diode Ge: U = 0,15 – 0,2V, Udmax = 0,4- 0,5V. - Trong vïng (1) vµ (2) ph¬ng tr×nh m« t¶ ®êng cong cã d¹ng:  qK.U.TD  I D = I S  e − 1 (1-13)   Trong ®ã: IS gäi lµ dßng ®iÖn ngîc b·o hoµ cã gi¸ trÞ gÇn nh kh«ng phô thuéc vµo UD, chØ phô thuéc vµo nång ®é h¹t thiÓu sè lóc c©n b»ng, vµo ®é dµi vµ hÖ sè khuyÕch t¸n tøc lµ vµo b¶n chÊt cÊu t¹o chÊt b¸n dÉn t¹p chÊt lo¹i n vµ p vµ do ®ã  Dn .n p D p pn  phô thuéc vµo nhiÖt ®é. I S = q.s. +   Ln L p  UD: ®iÖn ¸p trªn diode (V) ID: dßng ®iÖn qua diode (A) q: ®iÖn tÝch cña ®iÖn tö , q = 1,6.10-19C, K: h»ng sè Bolzoman, K= 1,38.10-23 J/K, T: nhiÖt ®é tuyÖt ®èi (k) KT UT = gäi lµ thÕ nhiÖt; ë nhiÖt ®é trong phßng T = 3000K, UT cã gi¸ trÞ q xÊp xØ 26 mV. C«ng thøc 1-13 cã thÓ viÕt díi d¹ng ®¬n gi¶n:  UD  I D = I S  e 26 mV − 1   UD - Khi ph©n cùc thuËn (diode dÉn): UD > U th× e 26 mV >>1 nªn: UD I D = I Se 26 mV vµ cã gi¸ trÞ lín. UD - Khi ph©n cùc ngîc (diode kho¸): UD < 0, e
®· bÞ ®¸nh thñng, tÝnh chÊt van cña diode kh«ng cßn. Cã hai d¹ng ®¸nh thñng chÝnh: • §¸nh thñng v× nhiÖt do tiÕp xóc p – n bÞ nung nãng côc bé, v× va ch¹m cña h¹t thiÓu sè ®îc gia tèc trong trêng m¹nh. §iÒu nµy dÉn tíi qu¸ tr×nh sinh h¹t å ¹t ( ion ho¸ nguyªn tö chÊt b¸n dÉn thuÇn, cã tÝnh chÊt th¸c lò) lµm nhiÖt ®é n¬i tiÕp xóc tiÕp tôc t¨ng … dßng ®iÖn ngîc t¨ng ®ét biÕn vµ tiÕp gi¸p p – n bÞ ph¸ háng. • §¸nh thñng v× ®iÖn do hai hiÖu øng: - Ion ho¸ do va ch¹m (gi÷a h¹t thiÓu sè ®îc gia tèc trong trêng m¹nh cì 5 10 V/cm víi nguyªn tö cña chÊt b¸n dÉn thuÇn thêng x¶y ra ë c¸c tiÕp gi¸p p – n réng (hiÖu øng Zener). - HiÖu øng xuyªn hÇm (Tunen) x¶y ra ë c¸c tiÕp gi¸p p – n hÑp do pha t¹p chÊt víi nång ®é cao liªn quan tíi hiÖn tîng nh¶y møc trùc tiÕp cña ®iÖn tö ho¸ trÞ bªn b¸n dÉn p xuyªn qua rµo thÕ tiÕp xóc sang vïng dÉn bªn b¸n dÉn n. Còng cÇn lu ý UT vµ IS cã ®é lín phô thuéc vµo nhiÖt ®é, nªn ho¹t ®éng cña diode b¸n dÉn phô thuéc m¹nh vµo nhiÖt ®é vµ trong thùc tÕ c¸c m¹ch ®iÖn tö cã sö dông diode b¸n dÉn (hoÆc transistor sau nµy), ngêi ta cÇn cã nhiÒu biÖn ph¸p nghiªm ngÆt ®Ó duy tr× sù æn ®Þnh cña chóng khi lµm viÖc, chèng (bï) l¹i c¸c nguyªn nh©n kÓ trªn do nhiÖt ®é g©y ra. 1.3.3. C¸c tham sè cña diode Khi ph©n tÝch ho¹t ®éng cña diode trong c¸c m¹ch ®iÖn cô thÓ, ngêi ta thêng sö dông c¸c ®¹i lîng (tham sè) ®Æc trng cho nã. Cã hai nhãm tham sè chÝnh víi diode b¸n dÉn lµ nhãm c¸c tham sè giíi h¹n ®Æc trng cho chÕ ®é lµm viÖc giíi h¹n cña diode vµ nhãm c¸c tham sè ®Þnh møc ®Æc trng cho chÕ ®é lµm viÖc th«ng thêng. a) C¸c tham sè giíi h¹n • §iÖn ¸p ngîc cùc ®¹i ®Ó diode cßn thÓ hiÖn tÝnh chÊt van (cha bÞ ®¸nh thñng): Ungmax (thêng gi¸ trÞ Ungmax chän kho¶ng 80% gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®¸nh thñng U®t). • Dßng cho phÐp cùc ®¹i qua diode lóc më : Ithmax • Dßng ®Þnh møc lµm viÖc cña diode lóc më : I®m • C«ng suÊt tiªu hao cùc ®¹i cho phÐp trªn diode ®Ó diode cha bÞ háng v× nhiÖt: PAcf. • TÇn sè giíi h¹n cña ®iÖn ¸p ( dßng ®iÖn) ®Æt lªn diode ®Ó nã cßn cã tÝnh chÊt van fmax. 13
b) C¸c tham sè ®Þnh møc chñ yÕu • §iÖn trë mét chiÒu cña diode U AK U T  I A  Rd = = Ln + 1 (1-14) IA IA  IS  • §iÖn trë vi ph©n (xoay chiÒu) cña diode : ∂U AK UT rd = = (1-15) ∂I A (I A + I s ) UT Víi nh¸nh thuËn ≈ rdth, do IA lín nªn gi¸ trÞ rd nhá vµ gi¶m nhanh theo IA UT møc t¨ng cña IA. Víi nh¸nh ngîc rdng = , do Is rÊt nhá nªn rdng lín, gi¸ trÞ Is rdth vµ rdng cµng chªnh lÖch nhiÒu th× tÝnh chÊt van cµng thÓ hiÖn râ. • §iÖn dung tiÕp gi¸p p-n: t¹i vïng tiÕp gi¸p p-n cã hµng rµo ®iÖn thÕ lµm cho c¸c ®iÖn tö ë chÊt b¸n dÉn n kh«ng sang ®îc chÊt b¸an dÉn p. Kho¶ng nµy coi nh mét líp c¸ch ®iÖn cã t¸c dông nh mét líp ®iÖn m«i trong tô ®iÖn vµ h×nh thµnh tô ®iÖn ký sinh cña tiÕp gi¸p p-n, ký hiÖu lµ CD vµ ®îc tÝnh theo c«ng S thøc: CD =  . d  : h»ng sè ®iÖn m«i S: tiÕt diÖn tiÕp gi¸p d: bÒ dÇy líp c¸ch ®iÖn Khi lµm viÖc ë tÇn sè cao, ph¶i lu ý tíi ¶nh hëng cña CD tíi c¸c tÝnh chÊt cña m¹ch ®iÖn. §Æc biÖt khi sö dông diode ë chÕ ®é kho¸ ®iÖn tö ®ãng më víi nhÞp cao, diode cÇn mét thêi gian qu¸ ®é ®Ó phôc håi l¹i tÝnh chÊt van lóc chuyÓn tõ më sang kho¸. 1.3.3. Ph©n lo¹i diode Ngêi ta ph©n lo¹i c¸c diode b¸n dÉn theo nhiÒu quan ®iÓm kh¸c nhau: • Theo ®Æc ®iÓm cÊu t¹o cã lo¹i diode tiÕp ®iÓm, diode tiÕp mÆt. • Theo lo¹i vËt liÖu sö dông cã diode Ge hay Si. • Theo tÇn sè giíi h¹n fmax cã lo¹i diode tÇn sè cao, diode tÊn sè thÊp. • Theo c«ng suÊt pAcf cã lo¹i diode c«ng suÊt lín, c«ng suÊt trung b×nh hoÆc c«ng suÊt nhá( IAcf < 300mA) • Theo nguyªn lý ho¹t ®éng hay ph¹m vi øng dông c¸c lo¹i diode chØnh lu, diode æn ®Þnh ®iÖn ¸p (diode Zenner), diode biÕn dung (Varicap), diode sö dông hiÖu øng xuyªn hÇm (diode Tunen)... 1.4. C¸c lo¹i dio®e vµ øng dông 14
1.4.1. Diode chØnh lu Diode chØnh lu b¸n dÉn lµ lo¹i diode dïng ®Ó biÕn ®æi dßng ®iÖn xoay chiÒu thµnh dßng ®iÖn mét chiÒu. diode chØnh lu lµ c¸c diode tiÕp mÆt cã diÖn tÝch líp tiÕp gi¸p lín. Gi¶i tÇn lµm viÖc cña diode ∆f = 50Hz ÷ 10kHz. VËt liÖu lµm diode chØnh lu lµ Se, Ge, Si. HiÖn nay ngêi ta dïng chñ yÕu c¸c lo¹i diode lµm b»ng Si v× nã cã gi¸ trÞ dßng ngîc nhá. §Æc trng von- ampe cña diode chØnh lu cã d¹ng h×nh 1.10b. Khi sö dông diode chØnh lu cÇn quan t©m c¸c th«ng sè sau: - Ungmax: §iÖn ¸p ngîc lín nhÊt cho phÐp (cµng lín cµng tèt). - Ithtb max : Dßng thuËn trung b×nh lín cho phÐp diode lµm viÖc l©u dµi kh«ng bÞ háng (cßn gäi lµ I®m). - Uthtb : Gi¸ trÞ trung b×nh cña ®iÖn ¸p thuËn sôt trªn diode khi nã lµm viÖc ë Ithtb. C¸c lo¹i diode chØnh lu c«ng suÊt nhá vµ võa cã: Ithtbmax : (0,5 ÷ 1)A, Ungmax : 500V. Diode chØnh lu c«ng suÊt lín cã: Ithtbmax : (5 ÷ 20)A, Ungmax: (200 ÷ 500)V. Diode chØnh lu ®iÖn ¸p cao cã: Ungmax : (10 ÷ 25) V, Ithtbmax : (1 ÷ 100)mA. VÝ dô tham sè cña mét sè diode chØnh lu th«ng dông cho trong b¶ng 1.1. B¶ng 1.1: Tham sè cña mét sè diode chØnh lu th«ng dông Ký hiÖu I®m (A) Ungmax(V) Ký hiÖu I®m (A) Ungmax(V) 1N4001 1 50 BYX38 6 1200 1N4002 1 100 BY229 7 800 1N4003 1 200 BY329 8 1200 1N4007 1 1000 BYD13-D 2 200 C¸ch m¾c diode ®Ó chØnh lu (biÕn dßng xoay chiÒu thµnh dßng mét chiÒu) cho thÊy trªn h×nh 1.11. D1 D ○ ○ + ○ U2 U1 U2 U0 U1 ○ + D2 C U2 U0 ○ ○ ○ - C a) b) ○- D1 ○ ○ + D1 D2 U1 U2 C1 U0 ○ U1 U2 ○ ○ 15 D3 D4 ○ + C2 U0 ○ U0 ○- C
a) ChØnh lu nöa chu kú: nöa chu kú d¬ng cña dßng ®iÖn xoay chiÒu ®i qua diode n¹p ®iÖn cho tô. Nöa chu kú ©m dßng ®iÖn kh«ng ®i qua diode . b) ChØnh lu hai nöa chu kú: nöa chu kú d¬ng dßng ®iÖn ®i qua diode D1 n¹p ®iÖn cho tô ®iÖn. Nöa chu kú ©m dßng ®iÖn ®i qua diode D2 n¹p ®iÖn cho tô ®iÖn. §iÖn ¸p mét chiÒu khi cha cã t¶i: U0 = 1,4 U2. c) ChØnh lu cÇu: nöa chu kú d¬ng dßng ®iÖn ®i qua diode D2, D3 n¹p ®iÖn cho tô ®iÖn. Nöa chu kú ©m dßng ®iÖn ®i qua diode D1, D4 n¹p ®iÖn cho tô ®iÖn. d) ChØnh lu nh©n ¸p: C1 vµ D1, C2 vµ D2 t¹o thµnh hai m¾t chØnh lu. ë nöa chu kú d¬ng, dßng ®iÖn ®i qua diode D1 n¹p ®iÖn cho tô C1, trªn tô C1 cã ®iÖn ¸p U0. Nöa chu kú ©m, dßng ®iÖn ®i qua diode D2 vµ n¹p ®iÖn cho tô C2, trªn tô C2 cã ®iÖn ¸p U0. Sau hai nöa chu kú ®iÖn ¸p t¹i ®Çu ra cã ®é lín 2U0. Khi m¾c nguån chØnh lu cÇn ph¶i chó ý kh«ng ®îc m¾c nhÇm cùc tô ho¸. §iÖn ¸p mét chiÒu cao nhÊt ë lèi ra bé nguån chØnh lu (lóc cha m¾c t¶i vµo nguån) ph¶i nhá h¬n ®iÖn ¸p tô chÞu ®ùng ®îc. §iÖn dung tô läc nguån cã gi¸ trÞ tõ 500µF ÷ 1000µF (cµng lín cµng tèt). 1.4.2. Varistor (®iÖn trë b¸n dÉn phi tuyÕn) Nh÷ng vËt liÖu b¸n dÉn cã ®iÖn trë gi¶m khi t¨ng ®iÖn ¸p ®Æt vµo gäi lµ varistor (hoÆc lµ c¸c ®iÖn trë b¸n dÉn phi tuyÕn). Varistor ®îc chÕ t¹o tõ SiC cã cÊu tróc h¹t kÝch thíc d = 20 ÷ 200 µm. Bét nµy trén víi mét sè vËt liÖu kÕt dÝnh ®îc ®èt ë nhiÖt ®é cao. CÊu t¹o cña varistor nh h×nh 1.12 a, ký hiÖu varistor trªn h×nh 1.12b. I 0 U 16
a) b) c) Trong Varistor tån t¹i c¸c c¬ chÕ cho dßng ®iÖn qua nh sau: 1. Dßng ch¹y qua tiÕp ®iÓm kh«ng b×nh thêng gi÷a c¸c h¹t. Khi t¨ng dßng cã thÓ x¶y ra sù ®èt nãng vi m« cña tiÕp ®iÓm, do ®ã ®é dÉn ®iÖn ë ®ã t¨ng lªn. 2. Dßng qua líp tiÕp xóc p - n: nÕu bÒ mÆt h¹t nµy cã ®é dÉn kh¸c bÒ mÆt h¹t kia (do sù hÊp thô cña bÒ mÆt) th× tiÕp ®iÓm gi÷a hai h¹t ®ã t¹o nªn mét tiÕp gi¸p p - n. Dßng qua ®ã lµ dßng qua 1 diode. Dßng nµy t¨ng khi thÕ t¨ng. 3. Dßng ch¹y qua khe hë cña c¸c h¹t gÇn nhau. NÕu gi÷a c¸c h¹t cã c¸c kÏ → hë nèi tiÕp nhau th× khi t¨ng E trong khe hë cã thÓ x¶y ra sù ph¸t x¹ e- tõ nh÷ng mòi nhän cña c¸c h¹t vµ ®é dÉn ë ®ã t¨ng lªn. Khi ®ã t¨ng ®iÖn ¸p sè khe hë ®îc nèi víi nhau t¨ng lªn coi nh t¨ng tiÕt diÖn hiÖu dông cña ®iÖn tö. 4. Dßng ch¹y qua mµng máng oxyt: khi cã mÆt mµng máng oxyt gi÷a c¸c h¹t sù t¨ng dßng cã thÓ x¶y ra do sù ®i qua tunel cña c¸c h¹t t¶i qua c¸c mµng máng hoÆc do sù ®¸nh thñng mµng máng. Tuú theo c«ng nghÖ chÕ t¹o, mçi varistor cã c¸c c¬ chÕ dÉn nhiÒu Ýt kh¸c nhau mµ ®é dÉn toµn phÇn cña nã phô thuéc vµo ®iÖn ¸p cã thÓ kh¸c nhau. Khi ®iÖn ¸p nhá, sù t¨ng dßng do 2 c¬ chÕ ®Çu lµ c¬ b¶n. Khi ®iÖn ¸p lín, sù t¨ng dßng do 2 c¬ chÕ sau lµ c¬ b¶n. Dßng sè lîng c¸c h¹t rÊt lín nªn ®Æc tuyÕn V- A lµ ®èi xøng (h×nh 1.12 c) §Æc tuyÕn V- A lµ thÓ hiÖn hÇu hÕt c¸c c¬ chÕ t¹o dßng qua diode. Quan hÖ dßng vµ ®iÖn ¸p: I = B.UK B: H»ng sè. K: H»ng sè phi tuyÕn. Thùc nghiÖm quan s¸t ®îc sù phô thuéc cña K vµo ®iÖn ¸p: U K=1+ a ; a: H»ng sè phi tuyÕn. 2 Varistor ®îc dïng cho c¸c chuyÓn m¹ch, r¬le, b¶o vÖ sù qu¸ ¸p cho c¸c m¹ch ®iÖn. 1.4.3. Diode æn ¸p (zener) 17