Giáo trình Kỷ Thuật Điện Tử - Ths Lê Xứng - ĐHBK ĐH Đà Nẵng

Chia sẻ: Đặng Hữu Tỵ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:63

Thêm vào BST

Báo xấu

403
lượt xem 94
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CHƯƠNG 1: CHẤT BÁN DẪN 1.1. Sơ lược về lịch sử phát triển của ngh ành Điện tử Vào năm 1947, tại phòng thí nghiệm của Bell, John Bardeen v à Walter Brattain đã thành công trong việc phát minh Transistor l ưỡng cực BJT(Bipolar Junction Transistor). Đây là một bước ngoặt đánh dấu sự bắt đầu của thời đại bán dẫn. Phát minh này và một chuỗi phát triển của công nghệ vi điện tử đ ã thật sự làm thay đổi cuốc sống loài người. 1948 Transistor đầu tiên ra đời. Đây là một cuộc Cách mạng của ng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỷ Thuật Điện Tử - Ths Lê Xứng - ĐHBK ĐH Đà Nẵng

CHƯƠNG 1: CH ẤT BÁN DẪN 1.1. Sơ lư ợc về lịch sử phát triển của ngh ành Điện tử Vào năm 1947, t ại phòng thí nghi ệm của Bell, John Bardeen v à Walter Brattain đã thành công trong vi ệc phát minh Transistor l ưỡng cực BJT(Bipolar Junction Transistor). Đây là m ột bước ngoặt đánh dấu sự bắt đầu của thời đại bán dẫn. Phát minh này và m ột chuỗi phát triển của công nghệ vi điện tử đ ã thật sự làm thay đ ổi cuốc sống lo ài ngư ời. 1948 Transistor đ ầu tiên ra đời. Đây l à một cuộc Cách mạng của ng ành điện tử. 1950 M ạch điện t ử chuyển sang d ùng transistor Hệ máy tính d ùng linh ki ện bán dẫn dạng rời rạc ra đời (thế hệ II) 1960 M ạch tích hợp ra đời (IC:Intergrated Circuit) H ệ máy tính d ùng IC ra đ ời(thế hệ III) 1970 Các m ạch tích hợp mật độ cao h ơn ra đ ời (MSI, LSI, VLSI) MSI: Medium Scale Intergrated Circuit LSI: Large Scale Intergrated Circuit VSI:Very Large Scale Intergrated Circuit 1980 đến nay Điện tử đ ược ứng dụng rộng r ãi trong các lãnh v ực như y tế, điều khiển tự động, phát thanh, truyền h ình… 1.2. Linh ki ện điện tử: Ta xét hai lo ại linh kiện c ơ bản sau: Linh kiện thụ động: Có các thông s ố không đổi d ưới tác dụng d òng điện: điện trở, tụ, cuộn cảm … Linh kiện tích cực: Có các thông s ố thay đổi d ưới tác dụng d òng điện: Diod, Transistor l ưỡng cực BJT( Bipolar Jun ction Transistor): … 1.3. Chất bán dẫn: 1.3.1.Chất bán dẫn thuần: Năng lư ợng Vùng dẫn của Si Vùng cấm Vùng hoá tr ị của Si Hình 1.1. Giản đồ năng l ượng của Si
Hai chất bán dẫn ti êu biểu là: Silicon(Si) và Ge(Germanium). Si là chất bán dẫn m à tại nhiệt độ ph òng có r ất ít e ở v ùng dẫn trong mạng tin h thể. Vì dòng điện tỷ lệ với số l ượng e n ên dòng điện trong tinh thể rất nhỏ. Ở nhiệt độ phòng, e ở vùng hoá tr ị nhảy lên vùng d ẫn để lại lỗ trống tại vị trí chứa nó mang đi ện tích d ương. Hi ện tượng này gọi là sự phát sinh điện tử -lỗ trống. Năng lư ợng Vùng dẫn của Si Vùng hoá tr ị của Si Hình 1.2. Sự di chuyển của điện tử v à lỗ trống trong Si khi có nguồn điện Nếu đặt nguồn điện nh ư hình vẽ thì e di chuy ển về cực d ương của nguồn. E ở vùng hoá tr ị cũng có thể di chuyển về cực d ương của nguồn nếu nó có đủ năng lượng để từ mức năng l ượng của nó lên m ức năng l ượng của lỗ trống. Khi e n ày nhập vào lỗ trống th ì nó để lại một lỗ trống ở phía sau. V ì thế làm lỗ trống di chuyển về cực âm của nguồn. D òng điện trong chất bán dẫn l à tổng 2 th ành phần: dòng do e trong vùng d ẫn và dòng do l ỗ trống tro ng vùng hoá tr ị. E di chuyển về cực dương nhanh hơn l ỗ trống di chuyển về cực âm v ì khả năng e có đủ năng lượng cần thiết để nhảy l ên vùng d ẫn lớn h ơn khả năng e có đủ năng l ượng để nhảy đến vị trí trống trong v ùng hóa tr ị. Vì vậy dòng e lớn hơn dòng lỗ trống trong Si. Tuy nhiên dòng này v ẫn nhỏ n ên Si là cách đi ện. 1.3.2 Ch ất bán dẫn tạp: 1.3.2.1. Ch ất bán dẫn tạp loại N Năng lượng Vùng dẫn của Si Mức năng l ượng của tạp chất donor Vùng hoá tr ị của Si Hình 1.3. Giản đồ năng l ượng của chất bán dẫn tạp loại N
Chất bán dẫn tạp loại N l à chất bán dẫn có đ ược khi pha th êm một chất thuộc nhóm V trong bảng hệ thống tuần ho àn Mendel eep vào ch ất bán dẫn thuần. Ta xét trư ờng hợp pha tạp P v ào chất bán dẫn thuần Si. Điều n ày tương ứng làm xuất hiện mức năng l ượng của tạp chất donor sát đáy v ùng dẫn. Vì thế ở nhiệt độ phòng các e c ủa nguyên tử P nhảy l ên vùng d ẫn của Si. V ì vậy nguyên tử tạp chất dễ bị ion hoá th ành ion dương. Ngoài ra cơ ch ế phát sinh cặp hạt dẫn điện tử –lỗ trống xảy ra giống nh ư cơ ch ế ở chất bán dẫn thuần với mức độ yếu h ơn vì mức năng lư ợng của tạp chất donor ở sát đáyv ùng d ẫn. Gọi nn: mật độ điện tử trong v ùng dẫn, pn: mật độ lỗ trống trong v ùng hoá trị, thì nn>>pn.Vậy dòng điện trong chất bán dẫn loại N chủ yếu do điện tử tạo n ên gọi là hạt dẫn đa số, c òn lỗ trống gọi l à hạt thiểu số. 1.3.2.2. Ch ất bán dẫn tạp loại P: Chất bán dẫn tạp loại P l à chất bán dẫn có đ ược khi pha th êm một chất thuộc nhóm III trong bảng hệ thống tuần ho àn Mendeleep vào ch ất bán dẫn thuần. Ta xét trư ờng hợp pha tạp các nguy ên tử As vào chất bán dẫn thuần Si. Điều n ày tương ứng làm xuất hiện mức năng l ượng gọi l à mức tạp chất acceptor sát đỉnh vùng hoá tr ị. Vì vậy nguyên tử tạp chất dễ bị ion hoá th ành ion âm . Ngoài ra cơ chế phát sinh cặp hạt dẫn điện tử –lỗ trống xảy ra giống nh ư cơ ch ế ở chất bán dẫn thuần với mức độ yếu h ơn vì mức tạp chất loại P ở sát đỉnh v ùng hoá tr ị. Gọi np: mật độ điện tử trong v ùng dẫn. Gọi pp: mật độ lỗ trống trong v ùng hoá tr ị., thì np>>pp Vậy dòng điện trong chất bán dẫn loại P chủ yếu do lỗ trống tạo n ên gọi là hạt dẫn đa số, c òn điện tử gọi l à hạt thiểu số. Năng lư ợng Vùng dẫn của Si Mức tạp chất acceptor Vùng hoá tr ị của Si Hình 1.4. Gi ản đồ năng l ượng của chất bán dẫn tạp loại P 1.4.Tiếp xúc p -n:
Cho lớp bán dẫn p, n tiếp xúc nhau, ta có tiếp xúc p -n. 1.4.1. Nguyên lý làm vi ệc: 1.4.1.1. Khi ti ếp xúc p -n chưa đư ợc phân cực: Điện trường p n Vùng nghèo Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (n n>>np, pp>>pn ) nên có hi ện tượng khuếch tán các hạt dẫn đa số qua n ơi tiếp xúc, tạo n ên dòng khu ếch tán I kt hướng từ miền P sang miền N. Tại vùng lân c ận hai b ên mặt tiếp xúc xuất hiện điện tr ường nội E tx hướng từ vùng N sang vùng P (do ion t ạp chất tạo ra). Nó c ản trở chuyển động của d òng khuếch tán v à gây ra dòng trôi I tr của các hạt thiểu số có chiều từ N sang P qua mặt tiếp xúc l àm Itr tăng, I kt giảm. Quá trình này ti ếp diễn cho đến khi đạt đến trạng thái cân bằng động. Lúc đó Ikt=Itr., dòng qua ti ếp xúc bằng 0, hiệu thế tiếp xúc l à 0.1V đ ối với Ge v à 0.4 V đối với Si 1.4.1.2. Khi ti ếp xúc p -n được phân cực nghịch : Hình 1.5. Ti ếp xúc p -n bị phân cực nghịch Điện trường nội c ùng chiều với điện tr ường ngo ài nên tổng điện tr ường tại vùng tiếp xúc tăng l àm cho vùng ti ếp xúc mở rộng ra, d òng khu ếch tán giảm về 0,
dòng trôi do E tx gây ra tăng đ ến một giá trị gọi l à dòng ng ược bão hoà I S. Dòng này rất nhỏ. Vậy khi phân cực nghịch tiếp xúc th ì không có dòng ch ạy qua (xem d òng bão hoà ng ược bằng không). 1.4.1.3. Khi ti ếp xúc đ ược phân cực thuận : Hình 1.6. Ti ếp xúc p -n được phân cực nghịch Điện trường nội ng ược chiều với điện tr ường ngo ài nên tổng điện tr ường tại vùng tiếp xúc giảm l àm cho vùng ti ếp xúc bị thu hẹp lại, các hạt đa số dễ dàng di chuyển qua v ùng tiếp xúc n ày, dòng khu ếch tán có chiều từ A đến K tăng mạnh, dòng trôi do E tx gây ra không đáng k ể. Vậy khi phân cực thuận tiếp xúc th ì có dòng ch ạy qua tiếp xúc p -n, nó quan hệ với điện áp giữa hai đầu tiếp xúc nh ư sau: vD q vD V kT iD IS e 1 IS e 1 T Trong đó: vD: Điện áp ở hai đầu tiếp xúc. IS: dòng bão hoà ng ược. k: hằng số Boltman k =1,38.10 -23J/0K. q : điện tích của hạt dẫn, q=1,6.10 -19C VT: thế nhiệt ở nhiệt độ ph òng VT = 25,5mV.
1.4.1.4. Kết luận: Tiếp xúc p -n chỉ cho dòng điện chạy qua theo một chiều từ p đến n. Đó chính là tính ch ất chỉnh l ưu của tiếp xúc p -n. 1.5. Đặc tuyến V - A Đặc tuyến V -A của tiếp xúcp -n mô tả mối quan hệ giữa d òng và điện áp trên hai đ ầu tiép xúc. ậ ị Hình 1.7. Đặc tuyến V -A của tiếp xúc p -n. VBR: điện thế đánh thủng l à điện áp ng ược tối đa m à tiếp xúc p -n có thể chịu đựng khi phân cực ng ược mà không b ị hỏng. Lúc n ày, tiếp xúc p -n dẫn điện được theo cả chiều nghịch. 1.6. Hiện tượng đánh thủng: Khi điện áp ng ược lớn, d òng lớn làm các e va ch ạm vào các e c ố định khác l àm tăng số e nên dòng điện tăng vọt, nghĩa l à tiếp xúc p -n dẫn điện đ ược theo cả chiều nghịch, phá vỡ đặc tính chỉnh l ưu của nó, gọi l à hiện tượng đánh thủng. Nguyên nhân đánh th ủng có thể do điện hoặc do nhiệt, v ì vậy có ba loại đánh thủng cơ bản: đánh thủng về điện, đánh thủng về nhiệt, v à đánh th ủng nhiệt -điện. Trong đó s ự đánh thủng về nhiệt do sự tích luỹ nhiệt trong v ùng nghèo. Khi có điện áp ng ược lớn, d òng điện ngược tăng l àm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng v à làm dòng điện ngược tăng. Quá tr ình cứ như thế làm cho nhiệt độ vùng nghèo và dòng ng ược tăng nhanh, dẫn tới đánh thủng.
R
VP 1 1 Vtb v( )d V P sin d 2 2 0 0 DI R D2 2V P 2 21 Vtb v( )d V P sin d 2 20 0
R
2V P 2 21 Vtb v( )d V P sin d 2 20 0 R
Ch
Ch
Ch
Ch VCC VCC VBE IB RB RB Rc IC IB VCE VCC I C RC RE .
Ch VC C Rc VBB VBE IB RBB RB B IC IB VB B VCE VCC I C RC . VCC VBE VC C IB RB (1 ) RC Rc RB IC IB VCE VCC I C RC . VC C RB1 Rc RB2 RE .
Ch VCC Rc RBB RE VBB VCC R B 2 V BB ; R BB R B1 // R B 2 R B1 R B 2 V BB V BE IB ; IC I B ; VCE VCC I C RC I E RE R BB (1 )RE R BB R B1 // R B 2 32k // 6.8k 5 .6 k VCC R B 2 15 * 6,8 V BB 2,6V R B1 R B 2 32 6,8 V BB V BE 2,6 0,7 IB 0,012mA R BB (1 ) RE 5,6 101 * 1,5 IC IB 100.0,012mA 1,2mA VCE VCC I C RC I E Re VCC I C ( RC R E ) 15 0,012 * 4,5 9,6V
Ch
vS
rbe rce ib reb rcb ie
rbe rce ib Vcc R1 Rc C2 C1 CE R2 Re vS Rt