Giáo trình Điện tử tương tự điện tử số

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 khơng 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 cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước ngày càng nhiều cơng 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 cơng 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, cịn có các ứng dụng của các linh
kiện trong mạch điện. Bên cạnh đó cịn có các ví dụ minh họa tính tốn 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 khơng 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 ngun tử đứng cơ 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 hố trị (hay cịn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bị
chiếm chỗ, khơng cịn 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 khơng 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 q 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 mng
tinh th.

Vùng cấm E g

Eg

Vùng hoá trị

a)

b)

c)

Hỡnh 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 ngun tố có 4 điện tử lớp ngồi cùng. Ở điều kiện bình
thường các điện tử đó tham gia liên kết hố trị trong mạng tinh thể nên chúng khơng
dẫn điện. Hình 1-2 trình bày cấu trúc phẳng của mạng tinh thể Gecmani, trong đó mỗi
nguyên tử đem 4 điện tử ngồi 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 ngồi, 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+; cịn trong
bán dẫn loại p số “lỗ trống ” ln luôn bằng số ion âm NA- của tạp chất.
1.3.2. Hiện tượng tái hợp của hạt dẫn
Trong bán dẫn các ion ln có thể nhận điện tích để trở thành ngun 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 trị 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 dịng điện trơi 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 dịng
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 hồn Medeleep vào
bán dẫn thuần thì một nguyên tử tạp chất với 5 ngun tử lớp ngồi 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 hồn 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 khơng
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.
§iƯn tử thừa của
As trong dải cấm

Si

Si

E
Dải dẫn điện

Si
0,05eV

Si

As

Si

Si

Si

Si

1,12eV

Mức fermi tăng
Điện tử thừa của As
Dải hóa trị
0
ở nhiệt độ 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 ngun 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 t t do.
E

... ..
Dải dẫn điện

Dải hóa trị

Hỡnh 1-6. Di 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 (nni: mật độ điện tử hoặc lỗ trống trong chất bán dẫn thuần trước khi pha.
Chất bán dẫn như trên có số điện tử trong dải dẫn điện nhiều hơn số lỗ trống
trong dải hóa trị gọi là chất bán dẫn loại N.
1.4.2. Bán dẫn loại p

Nếu ta trộn vào vào bán dẫn thuần chất Indi (In) thuộc nhóm III của bảng tuần
hồn thì để tạo được 4 cặp điện tử liên kết hoá trị với 4 nguyên tử bán dẫn, ngoài 3
điện tử của một nguyên tử In sẽ có một điện tử của nguyên tử Ge lân cận được lấy vào.
Chỗ mất điện tử sẽ tạo thành lỗ “trống” mang điện tích dương. Các “lỗ trống” được tạo
thành hàng loạt sẽ dẫn điện như những điện tích dương. Bán dẫn loại này có tạp chất
lấy điện tử nên gọi là bán dẫn loại “lấy” ký hiệu là p. Ở đây hạt dẫn chính là “lỗ trống”
với mật độ là pp. Cần nói thêm rằng trong bán dẫn loại cho n vẫn có lẫn hạt dẫn phụ là
lỗ trống với nồng độ pn, trong bán dẫn loại “lấy” p vẫn có lẫn hạt dẫn phụ là điện tử
với mật độ là nP. Nghĩa là pP  nP v nn >pn.
Nối hóa trị không
đ- ợc thành lập
Lỗ trống

Si

Si

Si

Is

Si

Hỡnh 1-7. Bán dẫn loại P

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.
o

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 => n1.5. Chuyển tiếp P - N
Nối P-N là cấu trúc cơ bản của linh kiện điện tử là cấu trúc cơ bản của các loại

điốt. Phần này cung cấp cho sinh viên kiến thức tương đối đầy đủ về cơ chế hoạt động
của một nối P-N khi hình thành và khi được phân cực. Khảo sát việc thiết lập cơng
thức liên quan giữa dịng điện và hiệu điện thế ngang qua một nối P-N khi được phân
cực. Tìm hiểu về ảnh hưởng của nhiệt độ lên hoạt động của một nối P-N cũng như
sự hình thành các điện dung của mối nối. Sinh viên cần hiểu thấu đáo nối P-N trước
khi học các linh kiện điện tử cụ thể. Phần sau của chương này trình bày đặc điểm của
một số điốt thơng dụng, trong đó, điốt chỉnh lưu và điốt zenner được chú trọng nhiều
hơn do tính phổ biến của chúng.
Sự hình thành mặt tiếp xúc p-n (mặt ghép).
Mặt ghép n-p được hình thành như sau: Cho hai đơn tinh thể bán dẫn n và p tiếp
xúc với nhau (bằng công nghệ đặc biệt). Trong bán dẫn loại n hạt dẫn chính là điện tử,
hạt dẫn phụ là lỗ trống; trong bán dẫn loại p hạt dẫn chính là lỗ trống và hạt dẫn phụ là
điện tử. Do có sự chênh lệch về nồng độ hạt dẫn cùng loại giữa hai khối bán dẫn nên
điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p và ngược lại lỗ trống từ lớp p khuếch tán sang
lớp n. Sau khi các điện tử từ lớp n khuếch tán sang lớp p thì sẽ để lại bên n một lớp ion
dương ở gần bờ của vùng tiếp xúc. Tương tự như vậy, các lỗ trống khuếch tán sang n
sẽ tạo nên một lớp ion âm ở bên p gần bờ vùng tiếp xúc. Khi đạt trạng thái cân bằng,
hai bên của mặt tiếp xúc đã hình thành hai miền điện tích trái dấu (miền điện tích
dương ở bán dẫn n, miền điện tích âm ở bán dẫn p). Người ta gọi chung miền điện tích
này là miền điện tích khơng gian hay miền nghèo động tử vì hầu như khơng có động
8


tử. Miền này có tính dẫn điện đặc biệt gọi là mặt ghép điện tử lỗ trống hay mặt ghép np.
Hình 1-9. Sau đây mơ 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 bin mt vựng ca
thõn ny thnh Si-p.
SiO2 Lớp cách điện
(2)

(1)
Si - n+
(Thân)
SiO2

Lớp SiO2 bị rửa mất

Si - n+

SiO2

anod Kim loại

SiO2

(4)

(3)
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
ngồi. 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 dịng điện trơi 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 khơng có
hạt điện di chuyển (khơng 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


.. .....
N

P
V0
- +

x1

.....
. ..

Fi x2

V0 Rào điện thế

x1 0

tạo mối nèi

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. Thơng 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 dịng trơi của các
hạt dẫn phụ, có chiều ngược lại với chiều của dịng khuếch tán. Q trình này tiếp diễn
cho đến khi dịng khuếch tán bằng dịng trơi thì dịng qua mặt ghép sẽ bằng khơng.
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:
§iƯn 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 dịng khuếch
tán và gây ra dịng trơi 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 ngồi
như hình 1-13 thì mặt ghép n-p được phân cực thuận. Lúc này sự cân bằng của dòng
khuếch tán và dịng trơi Ikt = Itr bị phá vỡ. Điện trường ngồi 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 thơng (hoặc mở) và sẽ có hiện tượng phun các hạt dẫn chính qua miền tiếp
xúc l0. Trong khi đó dịng trơi do Utx gây ra là khơng đáng kể vì Utx giảm do điện
trường ngồi 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

P

N

K

Etx

V
Hình 1-14. Tiếp xúc p-n được phân cực nghịch

Nếu ta đổi chiều nguồn ngồi như ở hình 1-14 thì trường ngồi sẽ cùng chiều
với trường tiếp xúc làm dịng khuếch tán giảm, dịng trơi tăng. Tuy nhiên dịng trơi chỉ
tăng chút ít vì nồng độ của các hạt dẫn phụ nhỏ, tạo thành một dịng 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 dịng thuận lớn, khi phân cực ngược thì dịng ngược rất nhỏ.
Câu hỏi ơn 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 vơ 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 dịng 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

N

P
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 =
13

J/K


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 dịng ID và điện áp UAK
khơng 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 dịng 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
dịng ngược bão hịa 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 dịng thuận qua điốt. Đặc tính có dạng như trên hình 2-2b. Khi điện áp
phân cực thuận tăng thì dịng thuận tăng nhanh. Người ta chứng minh được rằng dòng
thuận tăng theo quy luật hàm mũ:

I  I0 (e

U
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 dịng bão hồ ngược (gần như khơng 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)

.

R

E

.

-

A

.

.
B .
A

V

.

.

a)

0

.C

Hình 2-2.
a) Sơ đồ đặc tính

b) Đặc tính von – ampe

U(Volt)
b)

Nếu đổi chiều nguồn ngồi thì điốt phân cực ngược. Trong đoạn 0A khi phân
cực ngược, dòng qua điốt là dịng ngược bão hồ 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 mơi
trường. Ở đoạn AB dịng 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 hồn tồn, khơng thể khơi phục lại tính van điện.
2.1.2. Các tham số của điốt
Khi sử dụng điốt người ta quan tâm đến các thơng số sau của điốt:

1. Dịng thuận cực đại Imax, đó là dịng thuận mà điốt cịn chịu được khi nó chưa bị
thủng (về nhiệt).
2. Cơng 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 khố 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
(2.3)
R0M = M
IM
R0 M = cotg .
7. Điện trở xoay chiều R của điốt được xác định tại một điểm trên đặc tuyến
R=

dU
dI

(2.4)

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
.U T


(2.5)

D(mA)

ID

E/R

-

+

UD

E

đ- ờng thẳng lấy điện

+

+

R

UR

IDQ

-

-

0

VDQ

b)

a)

E

D(Volt)

Hỡnh 2-4. Ti DC, im tĩnh Q

Trong đó: I0 là dịng điện rỉ nghịch
UT 

kT
 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 cịn có:
E - UD - UR = 0
(2.6)
Tức
E = UD + RID
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 khơng 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 trị 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 ngồi 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

.
U2(t)

.

t

D1
Rt

URt(t)
U0
0

a)

t

b)
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:
Im
1 π
 0,318 I m  0,45 I
I0 
(2.7)
 I m sin ω td(ω t) 
2π 0
π
Điện áp U0 ra tải có trị số:
(2.8)
U0 = I0.Rt = 0,318 Um = 0,45U2

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:
Im 

U m U 0

 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 khơng
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.

.
a)

.

b)

U =U2(t)

.

U

.
c)

D1

a

U2(t)
+

U2(t)

Rt

0

t

-

b

D2
URt(t)

a

D1

D4

0

U2

t

U

.

D3

b

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 thơng 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 thơng, D2 ngắt dịng điện có chiều a+  D1  Rt  c. Ở nửa chu kỳ
âm thì D2 thơng, D1 ngắt, dịng điện có chiều:
b+  D2  Rt  c. Như vậy dòng điện qua tải là dịng 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 thơng thì D2 và D4 ngắt và ngược lại. Giản đồ điện áp cũng có dạng như hình 35b. 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 khố lại, dịng điện qua tải được xác định:

iD1  iD3  it 
U tTB

1


2




0

2 .U 2 . sin t
Rt

1
2.U 2 . sin t.dt 
2

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 khố lại, dịng điện qua tải được xác định:

iD2  iD4  it 

2 .U 2 . sin t
Rt

(2.11)

Điện áp chỉnh lưu trung bình trên tải khi điốt và máy biến áp là lý tưởng:
18


U tTB

1

2




0

1
2.U 2 . sin t.dt 
2

Dòng điện chỉnh lưu trung bình:

It 

2



2.U 2 . sin t.dt 

2 2.U 2





2 2 .U 2
 .Rt

(2.12)

(2.13)

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 thơng.

. .

.

m=6

U
+
Rt 0
-

C¸c cn thø
cÊp cđa biÕn
¸p nhiỊu pha

. .

.

m=3

a)

t

b)

H×nh 2-7. a) ChØnh l- u nhiỊu chu kú nửa sóng
b) Đồ thị thời gian điện áp đập mạch

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 dịng phóng nhỏ hơn nhiều so với dòng
nạp. Điện áp trên tụ Ct (tức điện áp ra) có dạng như trên hình 2-8b.

.

r0
a

+
U2

Rt

U

.

URt(t)

D1

C
-

0

b

b)

t

a)

H×nh 2-8. a) ChØnh l- u nửa sóng mắc tụ
b) Đồ thị thời gian điện ¸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


ngưỡng trên là U2m) và làm giảm hệ số đập mạch nên tụ Ct gọi là tụ lọc nguồn. Nhưng
trong thực tế thì Rt khơng thể bằng vơ cùng, nên để tăng giá trị U0 và giảm hệ số đập
mạch thì trị số của tụ Ct phải chọn cỡ hàng chục, hàng trăm, thậm trí là hàng ngàn F
(trong các mạch chỉnh lưu điện áp thấp). Thông thường cho trước yêu cầu hệ số đập
mạch, từ đó xác định giá trị tụ Ct.
2.1.3.3. Chỉnh lưu bội áp một pha
Trong tất cả các sơ đồ đã xét trên điện áp ra trong mọi trường hợp không thể
vượt quá mức biên độ của điện áp vào U2m. Trong thực tế nhiều lúc đòi hỏi điện áp ra
lớn gấp q lần điện áp của sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ. Lúc đó sử dụng các sơ đồ
chỉnh lưu bội (nhân) áp. Xét sơ đồ nhân đơi hình 2-9. Thực chất sơ đồ này là hai sơ đồ
chỉnh lưu một nửa chu kỳ mắc nối tiếp, điện áp ra của chúng được cộng lại trên tải. Ở
bán chu kỳ dương điốt D1 thông, tụ C1 nạp điện. Nửa chu kỳ tiếp theo tụ C2 nạp qua
điốt D2 thông. Chiều của các điện áp nạp có dạng như trên hình vẽ. Từ trên hình này ta
thấy điện áp trên tải bằng tổng điện áp trên hai tụ điện (2E0). Tần số đập mạch bằng
hai lần tần số điện áp nguồn.

.

.

D2

E0

U2

.

D1

E0

+
- C1

.

+
- C2

+
Rt

2E0

.

C1
- +

a)

U2

.

D2

D1 C2

Rt

.
Rt

-

Hình 2-9. Mạch nhân đôi điện áp

.

.

b)

. . . .
C1

U2

.

D2

D1

C3

D2

D3

. .
C2

Hình 2-10. Mạch chỉnh lưu nhân áp
a) Nhân đơi điện áp
b) Nhân ba điện áp

Hình 2-10a lại có cách mắc nhân đôi điện áp, không phải bằng hai tụ mắc nối
tiếp như đã xét, mà thực hiện như sau. Giả sử trong thời gian nửa chu kỳ thứ nhất điện
áp trên cuộn thứ cấp của biến áp có cực tính sao cho điốt D1 thông, tụ C1 nạp điện đến
giá trị E0 với cực tính như trên hình vẽ; ở nửa chu kỳ tiếp theo điốt D2 thông, điện áp
trên tụ C2 bằng điện áp cuộn thứ cấp cộng với điện áp đã được nạp trên tụ C 1 nên có trị
số xấp xỉ 2E0. Tần số đập mạch bằng tần số nguồn xoay chiều. Tương tự như vậy có
thể xây dựng sơ đồ nhân ba (hình 2-10b), nhân bốn, nhân năm.
2.1.3.4. Các mạch hạn chế biên độ
- Các Mạch hạn chế được sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn hơn
nhỏ hơn nằm giữa hai giá trị nào đó được gọi là mức ngưỡng
- Thơng thường giá trị của mức ngưỡng không vượt quá biên độ lớn nhất của
điện áp vào hạn chế
- Tùy theo cách mắc của của phần tử hạn chế so với tải và cách mắc điện áp ra

mà ta có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dưới và hạn chế 2
phía
a. Mạch hạn chế nối tiếp
20


Là mạch mà điốt hạn chế mắc nối tiếp với tải

Hình 2-11. Mạch hạn chế trên mức E

Hình 2-13. Giản đồ điện áp

Hình 2-12. Mạch hạn chế dưới mức

Hình 2-14. Giản đồ điện áp

Để đơn giản khi phân tích ta giả thiết tín hiệu vào là hình sin, điốt là lý tưởng
Trong đó:
RDth và RDng là giá trị trung bình của điện trở thuận và điện trở ngược của điốt
Nếu thỏa mãn điều kiện: RDth + Rng << R << RDng + Rng
Do đó với mạch điều kiện, khi U D ≥ 0 thì Ura1 = Uv; UD <0
thì Ura2 = E
Với mạch hình 2-13:
Khi Uv ≥ E  UD < 0  D khóa  Ura1 = E
Khi Uv < E  UD > 0 D mở  Ura1 = Uv
Với mạch hình 2-14:
Khi Uv  E  UD > 0  D mở  Ura2 = Uv
Khi Uv < E  UD < 0  D khoá  Ura2 = E
b. Mạch hạn chế song song
Là các mạch mà điốt hạn chế mắc song song với tải

21


Hình 2-15. Mạch hạn chế trên mức E

Với hình 2-15:

Hình 2-16. Mạch hạn chế dưới mức E

Khi Uv ≥ E UD > 0 D mở Ura = E
Khi Uv < E UD < 0 D khóa  Ura = Uv

Với hình 2-16:
hi Uv ≥ E UD < 0 D mở Ura = Uv
Khi Uv < E UD > 0 D khóa Ura = E
2.1.3.5. Chỉnh lưu hình tia ba pha
Hình 2-11a là mạch chỉnh lưu ba pha với cuộn sơ cấp đấu hình tam giác, cuộn
thứ cấp đấu sao có điểm trung tính là điểm 0. Các điốt có catốt đấu chung, anốt đấu
vào các cuộn dây pha. Điốt nào được đấu với cuộn có điện áp dương hơn so với hai
cuộn kia thì điốt đó sẽ thơng, hai điốt cịn lại sẽ ngắt. Ví dụ trong khoảng thời gian từ
t1 đến t2 thì điốt D1 thơng, điện áp dương u2a đưa tới catốt của D2 và D3 nên hai điốt
này ngắt, dòng điện qua D1, qua tải Rt về âm nguồn u2a. Trong khoảng thời gian t2  t3
thì D2 thơng, D1và D3 ngắt ...

Hình 2-17. Chỉnh lưu hình tia 3 pha
a) Sơ đồ nguyên lý
b) Giản đồ điện áp

Từ hình 2-17b ta thấy chưa cần mắc tụ san bằng mà điện áp ra đã có độ đập

mạch nhỏ, tần số đập mạch bằng ba lần tần số của nguồn điện xoay chiều (chu kỳ đập
mạch bằng 1/3 chu kỳ nguồn xoay chiều). Nếu điến áp pha của cuộn thứ cấp là u 2 =
U2m cost = 2 U2 cos t thì trị số trung bình U0 của điện áp ra trên tải là:
π

 3
(2.14)
U0 =
2 u co s ω t d(ω t)  1,17 u
2 π  π
3
3
Trị số trung bình của dịng một chiều đi qua tải là:
U
u
(2.15)
 ,
I 
Rt
Rt
Dịng điện trung bình qua mỗi điốt là IDTB = I0/3. Dòng điện cực đại qua mỗi
điốt là:
(2.16)
IDmax = ITải max = 1,21 I0
Điến áp ngược đặt lên một điốt khi nó ở trạng thái ngắt bằng hiệu số giữa điện
áp của pha có điốt đang thơng và điện áp của pha có điốt đó. Điện áp ngược cực đại
của mỗi điốt là:
2



2





22


UD ng =   U  2, U
(2.17)
Nếu bỏ qua thành phần một chiều của dịng thứ cấp thì dòng điện pha trong một
cuộn sơ cấp được xác định gần đúng:
i1a = n( i2a - I0/3)
(2.18)
n - hệ số biến áp.
Cơng suất tính tốn cho biến áp được xác định theo công thức:
PBA  3U1I13U 2 I 2  1,34 P 0
(2.19)
2
Trong đó P0 là cơng suất ở tải P0 = I0U0
2.1.3.6. Chỉnh lưu cầu ba pha
Mạch điện (hình 2-18a) là mạch chỉnh lưu cầu ba pha có các cuộn sơ cấp đấu
hình tam giác (hoặc có thể đấu sao), các cuộn thứ cấp đấu sao. Sáu điốt được chia làm
hai nhóm: ba điốt thuộc nhóm chẵn có anốt đấu chung, ba điốt thuộc nhóm lẻ có catốt
đấu chung. Trong một thời điểm ln có hai điốt thơng, các điốt cịn lại đều ngắt. Điốt
thuộc nhóm chẵn thơng nếu anốt của nó được nối với pha có điện áp dương hơn hai
pha cịn lại; cịn điốt thuộc nhóm lẻ thơng nếu catốt của nó được nối với pha âm hơn
hai pha cịn lại. Ví dụ trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 pha u2a dương hơn cả, pha u2b

âm hơn cả nên các điốt D2 và D3 thông, các điốt khác đều ngắt. Trong khoảng t2  t3
thì pha u2a vẫn dương hơn cả, nhưng pha u2C lại âm hơn cả nên D2 và D5 thông, các
điốt khác ngắt.


2

u 1a
u 1b

u 2a
u 2b

D1

A..........

D2

D3
Rt

B
u 1c

u2(t)

u2a u2b

u 2c

D4
C

D5
D6

u2c
t

0

ut
t1 t2 t3 t4
t
Hình 2-18. Chỉnh lưu cầu 3 pha
a) Sơ đồ nguyên lý
b) Giản đồ điện áp

Có thể xác định được các đại lượng sau:
Trị số trung bình của điện áp một chiều U0 trên tải

23

+


u 


 U si n ( / )
 , U





(2.20)

Dòng điện trung bình qua tải:

I0 = U0/Rt = 2,34U2/Rt

(2.21)

Dịng điện trung bình qua mỗi điốt:
ID = I0/3 = 0,78U2/Rt

(2.22)

Dịng điện cực đại qua điốt và qua tải:
ID max = It max = 1,045I0

(2.23)

Điện áp ngược cực đại trên mỗi điốt (khi ngắt):
UDng = 3. 2 U = 1,045U0
(2.24)
Công suất biến áp ba pha:
PBA= 3U1I1 = 3U2I2 = 1,045P0 = 1,045U0I0 (2.25)

Sơ đồ chỉnh lưu cầu làm việc tốt hơn chỉnh lưu ba pha 1/2 chu kỳ (Hình 2-18a):
- So sánh (2.20) và (2.14) thì sơ đồ này cho điện áp trung bình ra tải lớn gấp
đơi.
- Tần số đập mạch bằng sáu lần tần số điện áp đầu vào.
- Điốt chịu điện áp ngược giảm đi một nửa giá trị.
- Công suất biến áp giảm đi một nửa.
2.2. Điốt zener
2.2.1. Cấu tạo, ký hiệu và nguyên tắc hoạt động
Như đã khảo sát ở phần trước, khi điện thế phân cực nghịch của điốt lớn, những
hạt tải điện sinh ra dưới tác dụng nhiệt bị điện trường mạnh trong vùng hiếm tăng vận
tốc và phá vỡ các nối hoá trị trong chất bán dẫn. Cơ chế này cứ chồng chất và sau cùng
ta có dịng điện ngược rất lớn. Ta nói điốt đang ở trong vùng bị phá huỷ theo hiện tượng
tuyết đổ và gây hư hỏng nối P-N.
Ta cũng có một loại phá huỷ khác do sự phá huỷ trực tiếp các nối hoá trị dưới
tác dụng của điện trường. Sự phá huỷ này có tính hồn nghịch, nghĩa là khi điện
trường hết tác dụng thì các nối hố trị được lập lại, ta gọi hiện tượng này là hiệu ứng
Zener.
2

.

A

.

DZ

K

Zener

Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các điốt Zener. Bằng cách thay đổi
nồng độ chất pha, người ta có thể chế tạo được các điốt Zener có điện thế Zener
khoảng vài volt đến vài hàng trăm volt. Để ý là khi phân cực thuận, đặc tuyến của điốt
Zener giống hệt điốt thường (điốt chỉnh lưu). Đặc tuyến được dùng của điốt Zener
là khi phân cực nghịch ở vùng Zener, điện thế ngang qua điốt gần như không thay đổi
trong khi dịng điện qua nó biến thiên một khoảng rộng.

24