Giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Điện tử tương tự - điện tử số" cung cấp cho học viên những nội dung về: điện tử tương tự; vật liệu bán dẫn; điốt bán dẫn; bipolar junction tranzitor; phân cực và ổn định nhiệt điểm công tác của tranzitor;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử tương tự - điện tử số: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP QUẢNG NINH TS. Nguyễn Thế Vĩnh (Chủ biên) ThS. Trần Văn Thương GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ-ĐIỆN TỬ SỐ (DÙNG CHO BẬC ĐẠI HỌC) QUẢNG NINH – 2016
LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay trong lĩnh vực điện tử của thế giới đã không ngừng phát triển, người ta đã chế tạo ra những thiết bị bán dẫn lớn như điốt, thyristor, tranzistor, tranzitor trường, khuếch đại thuật toán chịu được điện áp cao và dòng điện lớn và cả những thiết bị bán dẫn cực nhỏ như vi mạch, vi mạch đa chức năng, vi mạch số, vi mạch điều khiển, vi xử lý là những phần tử thiết yếu trong mạch điều khiển thiết bị bán dẫn công suất ứng dụng trong công nghiệp nói trên. Ngày nay không chỉ ở các nước phát triển, ngay cả ở nước ta các thiết bị bán dẫn đã và đang xâm nhập vào các ngành công nghiệp và cả trong lĩnh vực sinh hoạt, các xí nhiệp nhà máy như xi măng, thủy điện, giấy, đường, dệt, sợi, đóng tàu... đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của các linh kiện điện tử, đó chính là những minh chứng cho sự phát triển của những ngành công nghiệp này. Với mục tiêu công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày càng nhiều công ty, xí nghiệp mới dây truyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi cán bộ kỹ thuật và kỹ sư điện những kiến thức về điện tử, vi mạch trong công tác kỹ thuật hiện đại. Cuốn giáo trình “Điện tử tương tự - Điện tử số” mong muốn đáp ứng một phần nhỏ yêu cầu nói trên. Nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy và học các môn cơ sở kỹ thuật của ngành Công nghệ kỹ thuật điện, Cơ điện, Điện tử, Tự động hóa đồng thời giúp cho các cán bộ kỹ thuật, ngành kỹ thuật Điện - Điện tử - Tự động hóa củng cố và nâng cao kiến thức ngành nghề, tiếp cận nhanh với các thiết bị điện tử tương tự, điện tử số hiện đang được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Cuốn giáo trình gồm hai phần 7 chương. Phần I: Điện tử tương tự. Phần II: Điện tử số. Ngoài việc giới thiệu các thiết bị bán dẫn, còn có các ứng dụng của các linh kiện trong mạch điện. Bên cạnh đó còn có các ví dụ minh họa tính toán thiết kế một số mạch điện, điện tử tương tự - điện tử số thông dụng. Giáo trình do các tác giả: TS. Nguyễn Thế Vĩnh Chủ biên ThS. Trần Văn Thương Tuy các tác giả đã có nhiều cố gắng khi biên soạn, nhưng giáo trình không tránh khỏi những khiếm khuyết. Chúng tôi mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của bạn đọc. Mọi góp ý xin gửi về địa chỉ: Bộ môn Kỹ thuật điên - Điện tử, trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Quảng Ninh, năm 2016 1
PHẦN I: ĐIỆN TỬ TƯƠNG TỰ Chương 1 VẬT LIỆU BÁN DẪN 1.1. Cấu trúc năng lượng nguyên tử Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể. Như ta đã biết cấu trúc năng lượng của một nguyên 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 vùng năng lượng khác nhau: 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 hạt tại đây bằng 0. Tùy theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 00K) thể hiện trên hình 1-1. 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 trường. Dưới đây ta xét tới cách 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. Vïng cÊm E g Eg Vïng ho¸ trÞ a) b) c) Hình 1-1. Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lượng a) Chất cách điện Eg >2eV; b) Chất bán dẫn điện Eg  2eV; c) Chất dẫn điện 1.2. Vật liệu bán dẫn Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo cấu tạo tinh thể. Hai chất bán dẫn được dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicium và Germanium. Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài 2
cùng kết hợp với 4 điện tử của 4 nguyên tử kế cận tạo thành 4 liên kết hóa trị. Vì vậy tinh thể Ge và Si ở nhiệt độ thấp là các chất cách điện. Các nguyên tố thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleep như Gecmani (Ge), Silic(Si) là những nguyên tố có 4 điện tử lớp ngoài cùng. Ở điều kiện bình thường các điện tử đó tham gia liên kết hoá trị trong mạng tinh thể nên chúng không dẫn điện. Hình 1-2 trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể Gecmani, trong đó mỗi nguyên tử đem 4 điện tử ngoài cùng của nó góp với 4 điện tử của 4 nguyên tử khác tạo thành các cặp điện tử hoá trị (ký hiệu bằng dấu chấm đậm). Khi được kích thích bằng năng lượng từ bên ngoài, một số điện tử có thể bứt ra khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do dẫn điện như trong kim loại. Như vậy chất bán dẫn trở thành chất dẫn điện. Bán dẫn như vậy gọi là bán dẫn thuần hay bán dẫn đơn chất. Bán dẫn tạp chất: Hình 1-2. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ thấp (T00K) Nếu ta tăng nhiệt độ tinh thể, nhiệt năng sẽ làm tăng năng lượng một số điện tử và làm gãy một số nối hóa trị. Các điện tử ở các nối bị gãy rời xa nhau và có thể di chuyển dễ dàng trong mạng tinh thể dưới tác dụng của điện trường. Tại các nối hóa trị bị gãy ta có các lỗ trống (hole). Về phương diện năng lượng, ta có thể nói rằng nhiệt năng làm tăng năng lượng các điện tử trong dải hóa trị. Hình 1-3. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 3000K) Khi năng lượng này lớn hơn năng lượng của dải cấm (0,7eV đối với Ge và 1,12eV đối với Si), điện tử có thể vượt dải cấm vào dải dẫn điện và chừa lại những lỗ trống (trạng thái năng lượng trống) trong dải hóa trị. Ta nhận thấy số điện tử trong dải dẫn điện bằng số lỗ trống trong dải hóa trị. 3
Nếu ta gọi n là mật độ điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện và p là mật độ lỗ trống có năng lượng trong dải hóa trị. Ta có n = p = ni Người ta chứng minh được rằng: ni2 = A0.T3. exp( EG/KT) Trong đó: A0 Số Avogadro = 6,203.1023 T: Nhiệt độ tuyệt đối (Độ Kelvin) K: Hằng số Bolzman = 8,62.10-5 eV/0K EG: Chiều cao của dải cấm. Hình 1-4. Dải cấm Những bán dẫn thuần như trên dẫn điện không tốt. Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn người ta trộn thêm tạp chất vào bán dẫn thuần để được bán dẫn mới có nồng độ các hạt dẫn cao gọi là bán dẫn tạp chất. Bán dẫn tạp có 2 loại là loại n và loại p. 1.3. Các hiện tượng vật lý trong chất bán dẫn Trong bán dẫn tạp cũng như bán dẫn thuần diễn ra một số quá trình vật lý ảnh hưởng đến tính chất dẫn điện của chúng. Ta xét các hiện tượng đó. 1.3.1. Hiện tượng ion hóa nguyên tử Khi nguyên tử bị ion hoá sẽ phát sinh các hạt dẫn tự do. Kết quả nghiên cứu cho thấy tích số của hai nồng độ hạt dẫn chính và phụ trong bất cứ một bán dẫn tạp nào ở điều kiện cân bằng là một hằng số: nP.pP = nn.pn = const Ta thấy nếu tăng nồng độ của hạt dẫn loại này lên bao nhiêu lần thì nồng độ của hạt dẫn loại kia sẽ giảm đi bấy nhiêu lần. Như vậy muốn thay đổi nồng độ của động tử (hạt dẫn) trong bán dẫn tạp ta cần thay đổi nồng độ động tử trong bán dẫn thuần. Trong bán dẫn loại n số điện tử tự do luôn bằng số ion dương N D+; còn trong bán dẫn loại p số “lỗ trống ” luôn luôn bằng số ion âm NA- của tạp chất. 1.3.2. Hiện tượng tái hợp của hạt dẫn Trong bán dẫn các ion luôn có thể nhận điện tích để trở thành nguyên tử trung tính. Đó là hiện tượng tái hợp. Như vậy cứ một lần tái hợp thì trong bán dẫn lại mất đi một cặp điện tích và bán dẫn lại chuyển sang một trạng thái mới. Khi đó cần quan tâm đến sự gia tăng nồng độ của các hạt dẫn phụ vì chúng có vai trò quyết định trong cơ chế phát sinh dòng điện trong các dụng cụ bán dẫn mà ta sẽ nghiên cứu sau này. Trong bán dẫn loại n, sự giảm nồng độ lỗ trống theo thời gian (sự tái hợp của lỗ trống với điện tử trong điều kiện nồng độ điện tử cao) là p(t) thì: p(t) = P(0) 4
Trong đó: P(0) - lượng lỗ trống tại thời điểm t = 0 (là thời điểm sau quá trình sinh hạt). P - thời gian sống của lỗ trống trong bán dẫn loại n. Nó được định nghĩa là khoảng thời gian mà lượng lỗ trống giảm đi e lần. Tương tự trong bán dẫn loại P: n(t) = n(0) P, n quyết định tính tác động nhanh (tần số làm việc) của các dụng cụ bán dẫn. 1.3.3. Chuyển động trôi (gia tốc) của các hạt dẫn trong điện trường Dưới tác dụng của điện trường E các hạt dẫn (các điện tích) sẽ chuyển động gia tốc theo hướng của điện trường tạo nên dòng điện trôi Itr: Itr = qE(n.n + p.P) = Itr n + ItrP Trong đó : q - Điện tích hạt dẫn E - Cường độ điện trường. n,p - Nồng độ điện tử và lỗ trống. n, P - là các hệ số gọi là độ linh động của điện tử và lỗ trống. 1.3.4. Chuyển động khuếch tán của các hạt dẫn Do sự chênh lệch về nồng độ mà các hạt dẫn sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn, tạo thành dòng khuếch tán Ikt. Mật độ của dòng khuếch tán theo phương giảm của nồng độ có dạng: Iktn = q.Dn. Iktp = q.DP. Dn, DP các hệ số khuếch tán của điện tử và lỗ trống Dn = 32 cm2/s; DP = 12 cm2/s 1.3.5. Các đặc tính của chất bán dẫn 1.3.5.1. Điện trở suất Hai nguyên tố thường chế tạo chất bán dẫn Si (silicium) và Ge (gecmanium) có điện trở suất là: Si = 1014mm2/m Ge = 8,9.1012mm2/m Trị số điện trở suất này là rất lớn so với chất dẫn điện như đồng (Cu) có điện trở suất là Cu = 0.017mm2/m, nhưng lại rất nhỏ so với chất cách điện như thuỷ tinh có:  = 1018mm2/m. 1.3.5.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ Điện trở suất của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức  giảm càng lớn. Nhờ vào tính đặc tính này người ta chế tạo ra các linh kiện phụ thuộc vào nhiệt độ. 1.3.5.3. Ảnh hưởng của ánh sáng Điện trở suất của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo cường độ ánh sáng, khi cường độ ánh sáng tăng lên thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức  giảm càng lớn. Nhờ vào tính đặc tính này người ta chế tạo ra các linh kiện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. 1.3.5.4. Ảnh hướng của độ tinh khiết Một chất bán dẫn tinh khiết có điện trở xuất rất lớn nhưng khi ta pha tạp chất thì điện trở suất sẽ thay đổi như sau: khi ta tăng tạp chất vào thì điện trở suất của chất bán dẫn giảm và ngược lại. 1.4. Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N 5
1.4.1. Bán dẫn loại n Nếu ta trộn tạp chất thuộc nhóm V của bảng hệ thống tuần hoàn Medeleep vào bán dẫn thuần thì một nguyên tử tạp chất với 5 nguyên tử lớp ngoài cùng sẽ có 4 điện tử tham gia liên kết với 4 nguyên tử bán dẫn, còn lại là một điện tử tự do. Ví dụ trên hình 1-4 là bán dẫn Gecmani (ký hiệu Ge) được trộn với asen (As). Tạp chất ở đây đã cho điện tử nên tạo thành bán dẫn loại “cho”, ký hiệu là n. Hạt dẫn điện (hay gọi là động tử) chính ở bán dẫn loại “cho” n là điện tử với mật độ nn. Giả sử ta pha vào Si thuần những nguyên tử thuộc nhóm V của bảng phân loại tuần hoàn như As (Arsenic), Photpho (p), Antimony (Sb). Bán kính nguyên tử của As gần bằng bán kính nguyên tử của Si nên có thể thay thế một nguyên tử Si trong mạng tinh thể. Bốn điện tử của As kết hợp với 4 điện tử của Si lân cận tạo thành 4 nối hóa trị, còn dư lại một điện tử của As. Ở nhiệt độ thấp, tất cả các điện tử của các nối hóa trị đều có năng lượng trong dải hóa trị, trừ những điện tử thừa của As không tạo nối hóa trị có năng lượng ED nằm trong dải cấm và cách dẫy dẫn điện một khoảng năng lượng nhỏ chừng 0,05eV. §iÖn tö thõa cña As trong d¶i cÊm E Si Si Si D¶i dÉn ®iÖn 0,05eV Si As Si 1,12eV Møc fermi t¨ng §iÖn tö thõa cña As Si Si Si D¶i hãa trÞ 0 ë nhiÖt ®é T= 0 K Hình 1-5. Tinh thể chất bán dẫn ở nhiệt độ cao (T = 3000K) Giả sử ta tăng nhiệt độ của tinh thể, một số nối hóa trị bị gãy, ta có những lỗ trống trong dải hóa trị và những điện tử trong dải dẫn điện giống như trong trường hợp của các chất bán dẫn thuần. Ngoài ra, các điện tử của As có năng lượng ED cũng nhận nhiệt năng để trở thành những điện tử có năng lượng trong dải dẫn điện. Vì thế ta có thể coi như hầu hết các nguyên tử As đều bị Ion hóa (vì khoảng năng lượng giữa ED và dải dẫn điện rất nhỏ), nghĩa là tất cả các điện tử lúc đầu có năng lượng ED đều được tăng năng lượng để trở thành điện tử tự do. E ... .. D¶i dÉn ®iÖn D¶i hãa trÞ Hình 1-6. Dải dẫn điện 6
Nếu ta gọi ND là mật độ những nguyên tử As pha vào (còn gọi là những nguyên tử cho donor atom). Ta có: n = p + ND Với n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. P: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị. Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni2 (npn. Nèi hãa trÞ kh«ng ®-îc thµnh lËp Si Si Si Lç trèng Si Is Hình 1-7. Bán dẫn loại P o Ở nhiệt độ thấp (T = 0 K), tất cả các điện tử đều có năng lượng trong dải hóa trị. Nếu ta tăng nhiệt độ của tinh thể sẽ có một số điện tử trong dải hóa trị nhận năng lượng và vượt dải cấm vào dải dẫn điện, đồng thời cũng có những điện tử vượt dải cấm lên chiếm chỗ những lỗ trống có năng lượng EA. Nếu ta gọi NA là mật độ những nguyên tử In pha vào (còn được gọi là nguyên tử nhận), ta cũng có: p = n + NA p: mật độ lỗ trống trong dải hóa trị. n: mật độ điện tử trong dải dẫn điện. Người ta cũng chứng minh được: n.p = ni2 (p>n) ni là mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha. Chất bán dẫn như trên có số lỗ trống trong dải hóa trị nhiều hơn số điện tử trong dải dẫn điện được gọi là chất bán dẫn loại p. 7
Như vậy, trong chất bán dẫn loại p, hạt tải điện đa số là lỗ trống và hạt tải điện thiểu số là điện tử. 1.4.3. Chất bán dẫn hỗn hợp Ta cũng có thể pha vào Si thuần những nguyên tử cho và những nguyên tử nhận để có chất bán dẫn hỗn hợp. Hình 1-8 là sơ đồ năng lượng của chất bán dẫn hỗn hợp. Hình 1-8. Sơ đồ năng lượng của chất bán dẫn hỗn hợp Trong trường hợp chất bán dẫn hỗn hợp, ta có: n+NA = p+ND n.p = ni2 Nếu ND > NA => n>p, ta có chất bán dẫn hỗn hợp loại N Nếu ND < NA => n
tử. Miền này có tính dẫn điện đặc biệt gọi là mặt ghép điện tử lỗ trống hay mặt ghép n- p. Hình 1-9. Sau đây mô tả một nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi. Trước tiên, người ta dùng một thân Si-n+ (nghĩa là pha khá nhiều nguyên tử cho). Trên thân này, người ta phủ một lớp cách điện SiO2 và một lớp verni nhạy sáng. Xong người ta đặt lên lớp verni một mặt nạ có lỗ trống rồi dùng một bức xạ để chiếu lên mặt nạ, vùng verni bị chiếu có thể rửa được bằng một loại axid và chừa ra một phần Si-n+, phần còn lại vẫn được phủ verni. Xuyên qua phần không phủ verni, người ta cho khuếch tán những nguyên tử nhận vào thân Si-n+ để biến một vùng của thân này thành Si-p. SiO2 Líp c¸ch ®iÖn (1) (2) Si - n+ Si - n+ (Th©n) SiO2 Líp SiO2 bÞ röa mÊt SiO2 anod Kim lo¹i SiO2 (3) (4) Si - n+ p Si - n+ catod Kim lo¹i Hình 1-9. Nối P-N phẳng chế tạo bằng kỹ thuật Epitaxi. Sau cùng, người ta phủ kim loại lên các vùng p và n+ và hàn dây nối ra ngoài. Ta được một nối P-N có mặt nối giữa vùng p và n+ thẳng. Khi nối PN được thành lập, các lỗ trống trong vùng P khuếch tán sang vùng N và ngược lại, các điện tử trong vùng N khuếch tán sang vùng P. Trong khi di chuyển, các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp với nhau. Do đó, có sự xuất hiện của một vùng ở hai bên mối nối trong đó chỉ có những ion âm của những nguyên tử nhận trong vùng P và những ion dương của nguyên tử cho trong vùng N. các ion dương và âm này tạo ra một điện trường Ej chống lại sự khuếch tán của các hạt điện, nghĩa là điện trường Ei sẽ tạo ra một dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán sao cho dòng điện trung bình tổng hợp triệt tiêu. Lúc đó, ta có trạng thái cân bằng nhiệt. Trên phương diện thống kê, ta có thể coi vùng có những ion cố định là vùng không có hạt điện di chuyển (không có điện tử tự do ở vùng N và lỗ trống ở vùng P).Ta gọi vùng này là vùng khiếm khuyết hay vùng hiếm (Depletion region).Tương ứng với điện trường Ei, ta có một điện thế V0 ở hai bên mặt nối, V0 được gọi là rào điện thế. 9
.. ..... P N V0 - + ..... x1 . .. Fi x2 V0 Rµo ®iÖn thÕ t¹o mèi nèi x1 0 x2 Hình 1-10. Mặt ghép n-p Sự khuếch tán của điện tử và lỗ trống không phải diễn ra vô hạn. Khi hình thành hai lớp điện tử trái dấu thì nghiễm nhiên đã hình thành một điện trường hướng từ bán dẫn n sang bán dẫn p gọi là điện trường tiếp xúc Utx. Bề dày của lớp nghèo động tử này là l 0 = l0P + l 0n phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Nếu nồng độ tạp chất ở hai miền là như nhau thì l 0P = l 0n. Thông thường một mặt ghép chế tạo với nồng độ lỗ trống ở p lớn hơn nồng độ điện tử ở n nên l 0n>> l 0P. Điện trường tiếp xúc Utx có chiều cản các hạt dẫn chính nhưng lại gây ra dòng trôi của các hạt dẫn phụ, có chiều ngược lại với chiều của dòng khuếch tán. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi dòng khuếch tán bằng dòng trôi thì dòng qua mặt ghép sẽ bằng không. Đến đây coi như đã hình thành xong mặt ghép n-p. Ở điều kiện tiêu chuẩn hiệu điện thế tiếp xúc cỡ 0,3V đối với bán dẫn Ge, cỡ 0,6V với bán dẫn S. Utx a) p n b) p n E c) p n E Hình 1-11. Mặt ghép n-p 1.6. Phân cực cho chuyển tiếp P-N 1.6.1. Phân cực mặt tiếp xúc bán dẫn bằng điện trường ngoài Ta có thể phân cực nối P-N theo hai cách: - Tác dụng một hiệu điện thế giữa hai cực của nối sao cho điện thế vùng P lớn hơn vùng N một trị số V. Trường hợp này ta nói nối P-N được phân cực thuận(Forward Bias). 10
- Nếu điện thế vùng N lớn hơn điện thế vùng P, ta nói nối P-N được phân cưc nghịch (Reverse Bias). Khi tiếp xúc p-n chưa được phân cực: §iÖn tr-êng p n Vïng nghÌo Hình 1-12. Tiếp xúc p-n chưa được phân cực Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn>>np, pp>>pn) nên có hiện tượng khuếch tán các hạt dẫn đa số qua nơi tiếp xúc, tạo nên dòng khuếch tán Ikt hướng từ miền P sang miền N. Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc xuất hiện điện trường nội Etx hướng từ vùng N sang vùng P (do ion tạp chất tạo ra). Nó cản trở chuyển động của dòng khuếch tán và gây ra dòng trôi Itr của các hạt thiểu số có chiều từ N sang P qua mặt tiếp xúc làm Itr tăng, Ikt giảm. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng động. Lúc đó Ikt = Itr, dòng qua tiếp xúc bằng 0, hiệu thế tiếp xúc là 0.1V đối với Ge và 0.4 V đối với Si. 1.6.2. Mặt ghép n-p phân cực thuận Eng A P N K Etx V Hình 1-13. Tiếp xúc p-n được phân cực thuận Nếu ta đấu lớp p với cực dương, lớp n với cực âm của một điện trường ngoài như hình 1-13 thì mặt ghép n-p được phân cực thuận. Lúc này sự cân bằng của dòng khuếch tán và dòng trôi Ikt = Itr bị phá vỡ. Điện trường ngoài có chiều ngược với điện trường tiếp xúc Utx. Nguồn ngoài lúc này chủ yếu sẽ đặt lên vùng mặt ghép l0 vì điện trở khối của vùng này lớn, làm cho dòng khuếch tán tăng lên. Người ta nói rằng mặt ghép n-p thông (hoặc mở) và sẽ có hiện tượng phun các hạt dẫn chính qua miền tiếp xúc l0. Trong khi đó dòng trôi do Utx gây ra là không đáng kể vì Utx giảm do điện trường ngoài tác động ngược chiều. Bề rộng của miền tiếp xúc co lại l < l 0. 1.6.3. Mặt ghép n-p phân cực ngược 11
Eng A K P N Etx V Hình 1-14. Tiếp xúc p-n được phân cực nghịch Nếu ta đổi chiều nguồn ngoài như ở hình 1-14 thì trường ngoài sẽ cùng chiều với trường tiếp xúc làm dòng khuếch tán giảm, dòng trôi tăng. Tuy nhiên dòng trôi chỉ tăng chút ít vì nồng độ của các hạt dẫn phụ nhỏ, tạo thành một dòng ngược nhỏ. Lúc này có thể coi là mặt ghép đóng (ngắt) với bề rộng của miền tiếp xúc lúc này tăng lên l > l 0. Như vậy mặt ghép n-p dẫn điện theo một chiều như một van điện, khi được phân cực thuận thì dòng thuận lớn, khi phân cực ngược thì dòng ngược rất nhỏ. Câu hỏi ôn tập chương 1 Câu 1: Có mấy loại chất bán dẫn, đặc điểm của từng loại, nêu đặc tính của chất bán dẫn? Câu 2: Trình bày sự hình thành mặt tiếp giáp p-n? Câu 3: Tiếp xúc p-n chưa được phân cực bằng điện trường ngoài? Câu 4: Mặt ghép n-p phân cực thuận? Câu 5: Mặt ghép n-p phân cực ngược? 12
Chương 2 ĐIỐT BÁN DẪN 2.1. Điốt chỉnh lưu 2.1.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 2.1.1.1. Cấu tạo Điốt bán dẫn được cấu tạo từ một mặt ghép n-p với mục đích sử dụng nó như một van điện. Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp n và p mà người ta gọi là điốt tiếp điểm hay điốt tiếp mặt. Ở điốt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu như chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điốt có thể làm việc được ở tần số cao. Điốt tiếp điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện như tách sóng, điều chế, biến tần... Khác với điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp n và p có điện tích đủ lớn nhằm chịu được dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu. Trong sơ đồ nguyên lý điốt thông thường được ký hiệu như ở hình 2-1. Trên ký hiệu A - anốt - cực dương ứng với lớp p, K - catốt - cực âm ứng với bán dẫn loại n. Eng A K P N Etx Hình 2-1. Cấu tạo, ký hiệu điốt 2.1.1.2. Nguyên tắc hoạt động Dưới tác động của điện trường ngoài điốt như van một chiều: Khi phân cực thuận (UAK > 0) Ban đầu khi điện áp UAK vẫn còn nhỏ hàm ID tăng theo hàm số mũ của điện áp: ID = I S ( −1) (2.1) Trong đó: Is(T): là dòng ngược bão hòa, phụ thuộc vào nồng độ của hạt dẫn thiểu số tại trạng thái cân bằng, phụ thuộc vào bản chất cấu tạo của chất bán dẫn pha tạp và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ. UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage) UT = 26mV; k = J/K 13
Hằng số Boltzman: (C) điện tích của hạt mang điện; K: nhiệt độ được đo bằng đơn vị Kenvil. m: hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế. Nếu UAK>0,1V có thể biểu diễn hàm quan hệ giữa ID và UAK: ID = I S ( ) (2.2) Tuy nhiên với giá trị UAK đủ lớn thì quan hệ giữa dòng ID và điện áp UAK không theo phương trình trên. Khi UAK đạt giá trị bằng điện áp ngưỡng Uth điốt dẫn mạnh, dòng ID tăng mạnh, tiếp giáp p-n được coi là điện trở thuần có giá trị rất nhỏ. Khi phân cực ngược (UAK < 0) Khi điệp áp phân cực ngược, dòng ID quan hệ với điện áp UAK theo phương trình (3) Khi│UAK│> 0.1V có thể biểu diễn ID = - IS do ( >> 1) Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng ID có giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa, số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược dòng qua điốt chỉ là dòng ngược bão hòa Is có giá trị rất nhỏ. Điều này thể hiện tính chất van một chiều của điốt. 2.1.1.3. Đặc tính von - ampe (V/A) của điốt Đặc tính V/A của điốt là quan hệ giữa dòng điện qua điốt và điện áp một chiều đặt lên nó. Sơ đồ để lấy đặc tính mắc như ở hình 2-2a. Nếu nguồn được mắc có cực tính như trên hình 2-2a thì điốt được phân cực thuận, vonkế đo điện áp thuận trên điốt, ampe kế đo dòng thuận qua điốt. Đặc tính có dạng như trên hình 2-2b. Khi điện áp phân cực thuận tăng thì dòng thuận tăng nhanh. Người ta chứng minh được rằng dòng thuận tăng theo quy luật hàm mũ: U I  I0 (e m.Ut  1) Trong đó: U điện áp thuận; Ut  0,25mV gọi là điện thế nhiệt, m = 12 hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế; I0 dòng bão hoà ngược (gần như không phụ thuộc U, phụ thuộc vào hạt dẫn phụ lúc cân bằng vào bản chất của bán dẫn tạp và vào nhịêt độ môi trường). I(mA) + . E R A . V A . 0 U(Volt) - . . . B . b) a) .C Hình 2-2. a) Sơ đồ đặc tính b) Đặc tính von – ampe Nếu đổi chiều nguồn ngoài thì điốt phân cực ngược. Trong đoạn 0A khi phân cực ngược, dòng qua điốt là dòng ngược bão hoà I0 khá nhỏ (có mật độ là 10-12A/cm2 14
đối với điốt Silic và 10-6A/cm2 với điốt Gecmani) và phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Ở đoạn AB dòng điện tăng vọt vì điện áp phân cực ngược đủ lớn để phá vỡ các liên kết hoá trị. Lúc này các điện tử hoá trị nhảy từ mức hoá trị lên mức dẫn, điốt mất tính chất van điện. Người ta nói mặt ghép lúc này bị đánh thủng về điện. Hiện tượng đánh thủng này xảy ra do hai hiệu ứng. - Ion hoá do va chạm: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh nên chúng va chạm với các nút mạng tinh thể, làm cho các mối liên kết giữa các nguyên tử biến dạng hoặc bị ion hoá tạo thành các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các cặp này lại tiếp tục va chạm gây nên hiện tượng ion hoá mới. Kết quả là các điện tử và lỗ trống tăng lên theo kiểu “thác lũ”, nên đánh thủng này gọi là đánh thủng thác lũ. - Hiệu ứng xuyên hầm (hiệu ứng tunen): Khi điện trường ngược lớn có thể phá vỡ các mối liên kết nguyên tử trong vùng hoá trị tạo thành các điện tử và lỗ trống tham gia dẫn điện. Điều này tương ứng với các điện tử từ vùng hoá trị vượt lên vùng dẫn xuyên qua vùng cấm, gọi là sự xuyên hầm. Khi đánh thủng về điện, dòng điện ngược tăng lên đáng kể trong khi điện áp hầu như không tăng. Ở đoạn BC, mặt ghép bị đánh thủng về nhiệt do bị nung nóng bởi dòng ngược quá lớn và mặt ghép bị phá huỷ hoàn toàn, không thể khôi phục lại tính van điện. 2.1.2. Các tham số của điốt Khi sử dụng điốt người ta quan tâm đến các thông số sau của điốt: 1. Dòng thuận cực đại Imax, đó là dòng thuận mà điốt còn chịu được khi nó chưa bị thủng (về nhiệt). 2. Công suất cực đại Pmax trên điốt khi điốt chưa bị thủng. 3. Điện áp ngược cực đại Ung max điện áp phân cực ngược cực đại của điốt khi điốt chưa bị đánh thủng. 4. Tần số giới hạn fmax của điốt là tần số lớn nhất mà tại đó điốt chưa mất tính chất van (do điện dung ký sinh). 5. Điện dung mặt ghép: Lớp điện tích l0 tương đương với một tụ điện gọi là điện dung mặt ghép n-p. Ở tần số cao lớp điện dung này quyết định tốc độ đóng mở của điốt khi nó làm việc như một khoá điện, tức là điện dung mặt ghép n-p quyết định fmax. 6. Điện trở một chiều R0 được xác định tại một điểm trên đặc tuyến (tại điểm M). U R0M = M (2.3) IM R0 M = cotg . 7. Điện trở xoay chiều R của điốt được xác định tại một điểm trên đặc tuyến dU R= (2.4) dI 8. Điện áp mở của điốt: Là điện áp UD để dòng thuận qua điốt đạt 0,1Imax I IM M   UM U Hình 2-3. Xác định tham số trên đặc tính Von - ampe 15
2.1.2.1. Sơ đồ thay thế của điốt a. Phân tích sơ đồ nối điốt, tải DC, điểm tĩnh Q Xem mạch hình 2-4. Nguồn điện một chiều E mắc trong mạch làm cho điốt phân cực thuận. Gọi ID là dòng điện thuận chạy qua điốt và UD là hiệu thế 2 đầu điốt, ta có:  U  I D  I 0 exp D  1 (2.5)  .U T  D(mA) ID E/R + - UD ®-êng th¼ng lÊy ®iÖn + + R UR IDQ E - - 0 VDQ E D(Volt) a) b) Hình 2-4. Tải DC, điểm tĩnh Q Trong đó: I0 là dòng điện rỉ nghịch kT UT   0,026V ở nhiệt độ bình thường (3000K) e η = 1 khi ID lớn (với mA trở lên) η = 1 khi ID nhỏ và điốt cấu tạo bằng Ge η = 2 khi ID nhỏ và điốt cấu tạo bằng Si Ngoài ra, từ mạch điện ta còn có: E - UD - UR = 0 Tức E = UD + RID (2.6) Phương trình này xác định điểm làm việc của điốt tức điểm điều hành Q, được gọi là phương trình đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến của điốt ID = f(UD) là điểm điều hành Q. b. Đường tải AC Khi điốt được dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều AC tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hiệu nhỏ không thể áp dụng được. Vì vậy người ta dùng kiểu mẫu một chiều tuyến tính. Kết quả là ở nữa chu kỳ dương của tín hiệu, điốt dẫn và xem như một ngắt điện đóng mạch. Ở nửa chu kỳ âm kế tiếp, điốt bị phân cực nghịch và có vai trò như một ngắt điện hở mạch. Đáp ứng trên chỉ đúng khi tần số của nguồn xoay chiều VS(t) thấp thí dụ như điện 50/60Hz, tức chu kỳ T = 20ms/16,7ms, khi tần số của nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ ở hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm của tín hiệu. Khi tần số của tín hiệu cao, điện thế ngõ ra ngoài bán kỳ dương (khi điốt được phân cực thuận), ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng qua được một phần và có dạng 16
như hình vẽ. Chú ý là tần số của nguồn tín hiệu càng cao thì thành phần bán kỳ âm xuất hiện ở ngõ ra càng lớn. 2.1.3. Các mạch ứng dụng của điốt chỉnh lưu 2.1.3.1. Chỉnh lưu nửa chu kỳ một pha U2(t) 0 t . D1 U2(t) URt(t) Rt U0 . a) 0 b) t Hình 2-5. a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ b) Giản đồ điện áp Hình 2-5a là mạch chỉnh lưu một pha đơn giản (dùng một điốt - chỉnh lưu 1/2 chu kỳ hay nửa sóng). Để phân tích ta coi biến áp là lý tưởng (không tổn hao) và điốt cũng là lý tưởng (điện trở thuận bằng không, điện trở ngược vô cùng lớn). Nếu điện áp đưa vào có dạng hình sin như ở hình 2-5b thì dễ dàng nhận thấy điện áp ra sẽ là những xung hình sin. Thành phần I0 được xác định theo biểu thức: 1 π Im I0   I m sin ω td(ω t)   0,318 I m  0,45 I (2.7) 2π 0 π Điện áp U0 ra tải có trị số: U0 = I0.Rt = 0,318 Um = 0,45U2 (2.8) Trong đó điện Um và U2 là giá trị biên độ và hiệu dụng của điện áp cuộn thứ cấp của biến áp. Để chọn điốt cần biết dòng I0 và điện áp ngược đặt lên điốt. Trong sơ đồ 2-5 thì: U m U 0 Im    3,14I 0 Rt Rt (2.9) U ng  U m  3,14U 0 Sơ đồ 2-5b cho ra điện áp là các xung hình sin, khác xa với dạng điện áp 1 chiều lý tưởng. Biên độ của thành phần sóng hình sin có tần số bằng 1/2 tần số vào phân tích theo chuỗi Furiê có trị số lớn nên có hệ số đập mạch rất lớn (K = 157%!), vì vậy không thể sử dụng nó để cấp nguồn cho các mạch điện tử. Về mặt lý thuyết, ta xét xem nếu tăng số pha của cuộn thứ cấp của biến áp thì dạng của điện áp chỉnh lưu sẽ thay đổi như thế nào. Hình 2-6 là mạch chỉnh lưu nhiều pha đơn giản và giản đồ điện áp tương ứng. 2.1.3.2. Chỉnh lưu hai nửa chu kỳ và chỉnh lưu cầu một pha Với đồ thị hình 2-6b ta thấy khi tăng số pha thì lượng đập mạch giảm, điện áp chỉnh lưu U0 càng tiến tới giá trị Um, hệ số đập mạch giảm, tần số đập mạch tăng. Tuy 17
nhiên giải quyết theo cách này thì biến áp sẽ có cấu trúc rất phức tạp. Trong thực tế người ta dùng các sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ theo mạch cân bằng hoặc mạch cầu. D1 . a U2(t) U =U2(t) b) a) U . + . b U2(t) - Rt 0 t D2 URt(t) . a D4 D1 U2 0 c) t U . b D3 D2 Rt Hình 2-6. a) Chỉnh lưu cân bằng b) Đồ thị thời gian điện áp c) Chỉnh lưu cầu Hình 2-6a là mạch chỉnh lưu cân bằng. Đặc điểm của sơ đồ này là cuộn thứ cấp của biến áp phải có hai cuộn có thông số giống nhau để tạo điện áp nguồn, tạo thành hai điện áp u= u2(t) có biên độ như nhau để đưa vào hai điốt. Ở nửa chu kỳ dương (a là +, b là -) thì D1 thông, D2 ngắt dòng điện có chiều a+  D1  Rt  c. Ở nửa chu kỳ âm thì D2 thông, D1 ngắt, dòng điện có chiều: b+  D2  Rt  c. Như vậy dòng điện qua tải là dòng một chiều có dạng các xung hình sin. Điện áp trên tải Rt lặp lại dạng dòng điện. Giản đồ điện áp trình bày trên hình 2-6b. Hình 2-6c là mạch chỉnh lưu mắc kiểu cầu cầu dùng bốn điốt (lưu ý là người ta sản xuất các cầu chuyên dụng cho mạch chỉnh lưu). Trong mạch này nếu các điốt D 1 và D3 thông thì D2 và D4 ngắt và ngược lại. Giản đồ điện áp cũng có dạng như hình 3- 5b. Như vậy điện áp ngược sẽ đặt lên hai điốt ngắt mắc nối tiếp nên mỗi điốt chỉ chịu một nửa điện áp ngược. Trong khi đó thì điện áp ngược đặt lên mỗi điốt trong các mạch hình 2-6a, 2-6c lớn gấp đôi( 2U2m). Nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu cầu. Trong nửa chu kỳ đầu của điện áp thứ cấp máy biến áp (MBA) ta có D1, D3 dẫn dòng do được đặt điện áp thuận, còn D2, D4 bị đặt điện áp ngược nên khoá lại, dòng điện qua tải được xác định: 2 .U 2 . sin t iD1  iD3  it  Rt  2 1 1 U tTB  2  0 2.U 2 . sin t.dt  2   2.U 2 . sin t.dt (2.10) Nửa chu kỳ tiếp theo D2, D4 được đặt điện áp thuận nên cả hai điốt này dẫn dòng, D1, D3 bị đặt điện áp ngược khoá lại, dòng điện qua tải được xác định: 2 .U 2 . sin t iD2  iD4  it  (2.11) Rt Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải khi điốt và máy biến áp là lý tưởng: 18
 2 1 1 2 2.U 2 U tTB  2  0 2.U 2 . sin t.dt  2   2.U 2 . sin t.dt   (2.12) Dòng điện chỉnh lưu trung bình: 2 2 .U 2 It  (2.13)  .Rt Khi xét các mạch vừa rồi ta đã giả thiết điốt và biến áp là lý tưởng. Trong thực tế cần xét đến tổn hao của chúng. Tổn hao đó được đánh giá bằng điện trở tổn hao r0. Mặt khác trong thực tế tải thường không phải là điện trở thuần Rt mà là dung kháng. Khi ta mắc mạch vào nguồn điện áp xoay chiều thì trong khoảng thời gian anốt của điốt có điện thế dương hơn catốt, điốt sẽ thông. . . . m=6 U + C¸c cuén thø Rt 0 cÊp cña biÕn - ¸p nhiÒu pha . . . m=3 a) b) t H×nh 2-7. a) ChØnh l-u nhiÒu chu kú nöa sãng b) §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p ®Ëp m¹ch Khi xét các mạch vừa rồi ta đã giả thiết điốt và biến áp là lý tưởng. Trong thực tế cần xét đến tổn hao của chúng. Mặt khác trong thực tế tải thường không phải là điện trở thuần Rt mà là dung kháng. Khi ta mắc mạch vào nguồn điện áp xoay chiều thì trong khoảng thời gian anốt của điốt có điện thế dương hơn catốt, điốt sẽ thông. Tụ điện Ct nạp điện qua điện trở r0 với hằng số nạp nạp= r0.Ct và có chiều như trên hình 2-8a. Tại thời điểm mà giá trị tức thời của điện áp thứ cấp u 2 bằng điện áp trên tụ Ct (điện áp ra) thì điốt ngắt, tụ phóng điện qua điện trở tải R t với hằng số phóng phóng = Rt.Ct. Vì Rt>>r0 nên phóng>>nạp.Và dòng phóng nhỏ hơn nhiều so với dòng nạp. Điện áp trên tụ Ct (tức điện áp ra) có dạng như trên hình 2-8b. URt(t) r0 D1 . a + U2 Rt C 0 U - t . b a) b) H×nh 2-8. a) ChØnh l-u nöa sãng m¾c tô b) §å thÞ thêi gian ®iÖn ¸p Có thể chứng minh rằng trong trường hợp C  và Rt   thì điện áp ra tiến tới U2m. Như vậy mắc thêm tụ điện Ct có tác dụng tăng trị số của điện áp ra (với 19