TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

Chia sẻ: Trương Xuân Trung | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

348
lượt xem 120
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chất bán dẫn (tiếng Anh: Semiconductor) là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn hoạt động như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp và có tính dẫn điện ở nhiệt độ phòng. Gọi là "bán dẫn" (chữ "bán" theo nghĩa Hán Việt có nghĩa là một nửa), có nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó, hoặc ở một điều kiện khác sẽ không dẫn điện....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: TÀI LIỆU ĐIỆN TỬ CƠ BẢN

ĐIỆN TỬ CƠ BẢN PHẦN 1: BÁN DẪN – DIODE BÁN DẪN BÁN DẪN: (SEMICONDUCTOR) I. • Đa số linh kiện điện tử là bán dẫn, 2 ntố tạo nên chất bán dẫn là Si và Ge. Thuyết lượng tử → cho biểu năng lượng → tính dẫn điện • o Hạt dẫn: (hạt có điện tích)  Điện tử(electron): -q  Lỗ trống(hole): với |q| = 1,6.10-19C +q o Dòng điện trong dây dẫn: là sự tổng hợp của 2 dòng : dòng electron (điện tử) và dòng hole (lỗ trống) 1. Bán dẫn thuần và tạp: o Bán dẫn thuần(bán dẫn loại i: intrinsic) (hạt dẫn/m3) ni = pi
với: ni: mật độ của các điện tử (e) pi: mật độ của các lỗ trống (h) o Bán dẫn tạp: Bán dẫn tạp loại N: n >> p i) (Điện tử(electron) là hạt dẫn đa số, lỗ trống(hole) là hạt dẫn thiểu số) Bán dẫn loại N có tính chất cho điện tử (Donor) i) Bán dẫn loại P: n
• Irò2 = Irò1. = Irò1. Vd: cho Irò1 = 10µA tại t1 = 250C. Tính Irò2 tại nhiệt độ t2=750C = 320µA = 0,32mA(dòng này có thể kích dẫn 1 BJI) • Irò2 = 10. = 10. 2. Tích số mật độ điện tử và mật độ lỗ trống trong mọi chất bán dẫn đều là một hằng số: 2. Dòng điện trôi trong chất bán dẫn: Dòng điện trôi: (Drift Current) o Là dòng được tạo ra dưới tác động của điện trường. Biểu thức tính Itrôi: o
Ký hiệu: -vn: vận tốc trôi(vận tốc cuốn) của điện tử(electron) “ lỗ trống(hole) -vp: “ Itrôi = In + Ip. ii ) i với: Jn = n.qn.vn In = Jn.A. với: Jp = p.qp.vp Ip = Jp.A. Trong đó µ là độ linh động của hạt. µn > µp Trong chất bán dẫn thuần thì µi = const E là cường độ điện trường. Itrôi = qE(n.µn + p.µp).A o Notes: a. Nếu bán dẫn là thuần(loại i) Itrôi = ni.q.E (µn + µp).A • Sự liên hệ giữa J và σ(σ là điện dẫn suất của bán dẫn): b. . • J = E.σ 3. Tiếp xúc PN:(PN Junction) • Tiếp xúc = chuyển tiếp = mối nối = vùng nghèo. Khi ghép 2 b/dẫn P,N →có tiếp xúc P-N: vị trí tiếp giáp giữa 2 b/dẫn P và N. •
• Quá trình quá độ để hình thành chuyển tiếp P-N bao gồm 2 hiện tượng thứ tự như sau: o Hiện tượng khuếch tán(Diffuction): Tại vị trí tiếp xúc có sự khuếch vào nhau giữa các hạt dẫn đa số(do sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn trong môi trường) sinh ra dòng điện khuếch tán(Ikt) có chiều từ P sang N. tạo ra lớp điện tích trái dấu trên bề mặt tiếp xúc của mỗi bán dẫn, tại đó hình thành nên điện trường gọi là Điện Trường tiếp xúc (Etxúc hay Etx). o Hiện tượng trôi: Do Etx tạo ra sự chuyển động có hướng của các hạt dẫn thiểu số sinh ra dòng điện trôi có chiều từ N sang P (Itrôi). Khi đạt đến trạng thái xác lập(cân bằng động) thì tổng dòng điện khuếch tán (Ikt) và dòng điện trôi(Itrôi) bằng 0 • Ikt + Itrôi = 0 o Vùng tiếp xúc: Có chiều dài l0 phụ thuộc vào nồng độ tạp chất (NA= nồng độ Acceptor; ND= nồng độ Donor) Nếu NA = ND thì vùng tiếp xúc ăn sâu đều vào 2 bên ii ) i vùng tiếp xúc có khuynh hướng mở rộng sang vùng tạp chất nồng độ thấp hơn đó chính là cơ sở về cấu tạo của J.PET. o Công thức tính điện thế tại vùng tiếp xúc P-N:
N .N K .T . ln( A 2 D ) Vtx = (V) iv) q ni Trong đó: K = 1,38.10-23J/0K là hằng số bornzerman iv) q = 1,6.19-19C v) T = nhiệt độ tuyệt đối vi) NA = nồng độ(mật độ) hạt electron( acceptor) vii) NB = nồng độ(mật độ) hạt hole( donor) viii) ni = mật độ(nồng độ)hạt điện tử của bán dẫn thuần ix) v) Noties: Đặt VT = kT/q (V): Gọi là điện thế nhiệt. o Ở nhiệt độ phòng( t=250C hay T=2980K) o • VT(t=25) = (1,38.10-23.298)/(1,6.10-19) = 0,0257 (V) • VT(t=25) ~ 26 mV Như vậy trong các bài toán nếu đề không nói gì về nhiệt độ thì ta lấy nhiệt độ phòng để tính toán và lấy VT = 26 mV 4. Phân cực diode. Tiếp xúc P-N: Phân cực một linh kiện điện tử là tạo ra một dòng điện, điện áp một chiều(DC) trên o linh kiện thông qua một mạch phân cực.
 Kết luận: Tiếp xúc P-N có tính chất chỉnh lưu(reetifier) nghĩa là chỉ chow dòng điện chạy qua o một chiều (chiều tù P sang N) mà thôi. DIODE BÁN DẪN: II.
 Diode chỉnh lưu: Khi đọc về linh kiện điện tử cần nắm được những điều cơ bản sau: o Ký hiệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động o Nắm thông số của linh kiện o Đặc tuyến V-I (có thể do nhà sx cung cấp trong sổ tay hướng dẫn, đao trên mạng, tự thực nghiệm…) o ứng dụng, phân tích, tính toán.  Cấu tạo, ký hiệu, nguyên lý hoạt động: Ký hiệu:(signal) Cấu tạo: Nguyên lý hoạt động: tương tự như tiếp xúc P-N:  Đặc tuyến V-I: (cũng là đặc tuyến V-I của tiếp xúc P-N) Tiến hành thí nghiệm:
Cho E biến thiên→đo (ID, VD) ghi vào bảng số liệu Vẽ đặc tuyến V-I của Diode và tìm hàm (biểu diễn hàm): ID = f(VD) • -Phân cực thuận→D dẫn -Phân cực nghịch→D tắt Note: 3 thông số cơ bản: Vγ: ngưỡng điện thế dẫn ( khi điện thế đạt điến Vγ thì diode mới cho vi) dòng đi qua). Loại Si thì Vγ ~= 0,7V Loại Ge thì Vγ ~= 0,3V
Loại khác thì Vγ giảm khi nhiệt độ tăng (tức là hệ số nhiệt âm : θt= -2,5mV/0C) IS: dòng điện ngược(nghịch) bảo hòa( saturation). Tức là Is = const khi vii) nhiệt độ xác định. Is htực chất chính là dòng rò. Khi t0 tăng thì Is tăng. IS(Si) > IS(Ge) VBR: điện thế đánh thủng(nếu b/d đánh thủng thì không phục hồi được) viii) VBR: cho biết giới hạn về điện áp khi phân cực nghịch của diode →để đảm bảo an toàn thì |VBR| > |VD| > |VAK|. Khi nhiệt độ càng tăng thì hiện tượng đánh thủng càng dễ xảy ra→VBR càng nhỏ Để đảm bảo diode hoạt động tốt(an toàn cho linh kiện) thì ID(thuận) < IDmax (phân cực thuận) VD(nghịch) < VBR (phân cực nghịch) Phương trình đặc trưng của diode: ix) ID = f(VD) = I(e^(VD/(ηVT))-1) Trong đó: η: hệ số hiệu chỉnh IS: dòng rò(dòng điện nghịch; ngược) bão hòa. VD: điện thế hai đầu diode. VT: điện thế nhiệt. • Diode là một linh kiện điện trở phi tuyến. (chế độ tín hiệu nhỏ là chế độ thay đổi ΔIvàΔU nhỏ có thể xem là tuyến tính) Điện trở tĩnh(điện trở 1 chiều DC), điện trở động( điện trở AC) của x) diode
. Chọn Q là điểm làm việc tĩnh trên đường đặc tuyến Điện trở tĩnh: • . Tạo sự biến thiên xung quanh điểm Q đủ nhỏ,chiếu xuống các trục tọa độ →ΔID, ΔVD. Điện trở động: • Hay: Vd: nếu cho bảng số liệu sau: ID a1 a2 a3 VD b1 b2 b3 Thì điểm Q(ID, VD) = (a2, b2) Và ΔID = a3 – a1; ΔVD = b3 – b1. • RQ = ΔVD/ΔID.
• Nếu đề bài không nói gì về η → η = 1; không nói về nhiệt độ thì ta tình toán theo nhiệt độ phòng: t0 = 250C U = I.R U: (V)→ I:(A) và R: (Ω) U: (V)→I:(mA) và R:(kΩ) Sơ đồ tương đương của diode: xi) Trong đó: Rf: điện trở phân cực thuận (PCT) Rr: điện trở phân cực ngược. (Diode tốt : Rr >> Rf ). Diode nếu xem là lý tưởng thì các thong số có giá trị như sau: Vγ ≈ 0 ; Rf ≈ 0 (thực tế ≈ vài trăm Ω) ; Rr ≈ ∞ (thực tế vài trăm ≈ MΩ) ; Is ≈ 0. Đặc tuyến V-I của diode( sau khi tuyến tính hóa):
Trường hợp diode lý tưởng(trường hợp h.a) thì diode tương đương 1 công tác: 2. Một số ví dụ: Xác trạng thái của diode, tính toán ở chế độ DC(chế độ tĩnh)→tìmđiểm Q trên đường đặc tuyến. Ví dụ 1: Tính ID, VA = ? Viết phương trình DC đường tải( DC load line):→ minh họa điểm Q. Giải: Phương pháp xác định tính tắt hay dẫn của diode: Giả sử diode tắt → ID = 0 → đi tính điện thế VAK: Nếu VAK ≥ Vγ → điều giả sử sai → D dẫn Nếu VAK ≤ Vγ → điều giả sử đúng → D tắt Từ cách xác định tính tắt hay dẫn của diode ta xác định được diode trong bài toán là dẫn.→ sơ đồ tương đương:
( Do diode của bài toán làm bằng Si nên Vγ = 0,7V và đề bài không nói gì đến diode nên trong trường hợp này diode xem như được lý tưởng hóa và Rf = 0.) ↔ Tính ID và VA: Phương trình đường tải: 10-(-5) = 2ID + VD ↔ 15 = 2ID + VD. →đồ thị: Ví dụ 2: cho bài toán như hình vẽ: Tính như ví dụ 1? Giải: Giả sử D tắt:→ mạch hở như hình vẽ:
→VA = 2.3 = 6V và VK = 0V → VAK > Vγ(Ge) = 0,3V → giả sử sai→ diode dẫn. Tương tự ví dụ 1 ta có Rf = 0 → sơ đồ tương đương: Phương trình đường tải: 6 = 4ID + VD. →đồ thị: NHẬN XÉT: Điểm Q có thể thay đổi = 2 cách như sau: do đặc tuyến luôn cố định Thay đổi nguồn: E = RID + VD. và cố định R → DCLL dịch chuyển song song → Q thay đổi.
Thay đổi R và cố định E → VDmax cố định còn IDmax thay đổi → Q thay đổi. Ví dụ 3: (phân tích diode ở tín hiệu bé) Cho mạch diode như hình vẽ: E = 4V, e(t) = 0,1sint (V) Đặc tuyến V-I của diode được tuyến tính hóa như đồ thị. Tìm biểu thức tức thời của dòng điện, điện áp trên diode? Giải: Tính DC:→tìm điểm Q→ngắn mạch nguồn xoay chiều. Từ đặc tuyến → hệ phương trình xác định điểm Q: ó Q(0,74; 1,63) ó ó Đồ thị:
Tính AC: →tìm điện trở động rd→ngắn mạch nguồn DC rd = id = (mA) vd= rd.id = 0,025.0,05sint = 0,00125sint (V) giá trị tức thời của các đại lượng đặc trưng diode : iD(t) = ID + id = 1,63 + 0,05sint (mA) vD(t) = VD + vd(t) = 0,74 + 0.00125sint ( V) NHẬN XÉT: Dạng sóng tức thời của dòng điện, điện áp trên diode có thể bị méo dạng khi tăng biên độ của nguồn tín hiệu xoay chiều e(t). khắc phục bằng cách thay đổi điểm Q(tăng nguồn DC khi cố định R hoặc cố định nguồn DC nhưng giảm R). Ví dụ 4: Đề bài như ví dụ 3. Tính e(t)max sao cho dạng sóng không bị méo dạng. Bài toán : phân tích diode trong trường hợp chế độ tín hiệu lớn Mạch tín hiệu lớn gồm có mạch chỉnh lưu rectifier, mạch xén clipper.
Chế độ tín hiệu lớn là chế độ mà sự biến thiên của của dòng ,áp gần như rộng trên toàn bộ đặc tuyến dẫn đến diode hoặc dẫn(thuận) hoặc tắt. Do đó điện trở của diode sẽ thay đổi từ một giá trị rất bé cho đến một giá trị rất lớn. Lúc này có thể xem như diode là lý tưởng ó một công tắc. Ôn tập về mạch chỉnh lưu: Trong mạch chỉnh lưu bán sóng gặp phải nhược điểm là không nâng cao được công suất do có tồn tại dong DC trong cuộn thứ cấp của máy biến áp → làm máy biến áp nóng lên→từ thông bảo hòa. Mạch cầu thường được sử dụng nhiều hơn (mặc dù chức năng tương đương với mạch toàn sóng) vì khi phân cực ngược diode D4, D2 (mắc //) cùng chịu một hiệu điện thế V m còn ở mạch toàn sóng khi phân cực ngược diode D2 chịu hiệu điện thế 2Vm(như hình vẽ) →hiệu điện thế rất cao→dễ cháy. Ví dụ 5: cho mạch chỉnh lưu như hình vẽ:
VL = 10(V-DC) Vẽ dạng tín hiệu Vd, id, VL, iL theo Vi.? Giải: Giả sử D là lý tưởng: Tín hiệu ngõ ra có dạng: VL(t) = Vmsinωt , 0 ≤ t ≤ T/2 =0 ,T/2 ≤ t ≤ T Ta có: VL(DC) =