Kỹ thuật điện tử ( GV Nguyễn Văn Hân ) - Phần 2 pps

Chương 2: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ
2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N
2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất
Phân biệt độ dẫn điện của các chất bằng phương pháp cổ điển
Dẫn điện

Bán dẫn điện

Cách điện R()

a. Cấu trúc vùng năng lượng trong chất rắn tinh thể
Vùng dẫn

Vùng dẫn

Vùng hoá
trị

0Eg  2eV
Vùng hoá
trị

c)

b)

Vùng dẫn
Vùng cấm Eg
Vùng hoá
trị
a)

1


b. Chất bán dẫn thuần
Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium
(Si) đều thuộc nhóm 4 của Bảng tuần hồn.
Si có Eg=1,12eV và Ge có Eg=0,72eV
Si

Si

Lỗ
trống

Si
Si

Si

+

Si

Si

.

Điện tử

Vùng dẫn
ni

Si
Si

1,12eV
pi
Vùng hố trị

Muốn có hạt dẫn tự do phải có năng lượng kích thích Ekt > Eg làm
phát sinh một cặp hạt dẫn nên ni = pi.
2


c. Chất bán dẫn tạp chất loại n
Pha tạp chất thuộc nhóm 5 của BTH (Như P, As…) vào mạng
tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên
tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại n.
Mức năng lượng tạp chất loại n nằm ở phía trên vùng cấm gần
đáy vùng dẫn
Các điện tử dễ dàng nhận năng
Vùng dẫn
lượng kích thích bên ngồi để
Mức tạp
nhảy lên vùng dẫn và tham gia


chất loại n
vào quá trình dẫn điện.

Hạt dẫn đa số là điện tử. Hạt
dẫn thiểu số là lỗ trống:
nn >> pn

Vùng hoá
trị
3


d. Chất bán dẫn tạp chất loại p
Pha tạp chất thuộc nhóm 3 của BTH (Al, B…) vào mạng tinh thể
Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có
chất bán dẫn loại p.
Mức năng lượng tạp chất loại p nằm ở phía dưới vùng cấm gần
đỉnh vùng hoá trị
Các điện tử dễ dàng nhận năng
lượng kích thích bên ngồi để nhảy
từ vùng hố trị lên mức tạp chất
loại p tạo nên điện tích tham gia
vào quá trình dẫn điện.

Vùng dẫn

Hạt dẫn đa số là lỗ trống mang đt +
Hạt dẫn thiểu số là điện tử mang đt pp >> np

Vùng hoá
trị





Mức tạp
chất loại p

4


e. Vài hiện tượng vật lý thường gặp
• Hiện tượng ion hoá nguyên tử
Ở nhiệt độ thường, bán dẫn nguyên chất hay tạp chất đều bị ion
hố và có số hạt dẫn n hay p xác định được dựa vào hàm Fermi
-Dirac.
 EC  E F 
 E F  EV 
n  N C exp 


KT




p  NV exp 


KT





ở trạng thái cân bằng thì tích số nồng độ hai loại hạt dẫn luôn là
 Eg 
một hằng số:

nn n p  p p pn  ni pi  N C NV exp 
 KT 



+

Bán dẫn n có nn >> ni >> pn. Và: nn=N

D.

Bán dẫn p có pp >> pi >> np. Và: np=N-A
nn, pp: Là các hạt dẫn đa số (điện tử ở bd loại n, lỗ trống ở bd loại p)
np, pn: Là các hạt dẫn thiểu số (điện tử ở bd loại p, lỗ trống ở bd loại n)
N+D, N-A: Là các ion dương, âm tạp chất.
Ec, Ev: Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị

5


• Hiện tượng tái hợp các hạt dẫn
Tái hợp là quá trình chuyển dời các điện tử từ mức cao xuống
thấp làm mất đi một cặp hạt dẫn. Sự tái hợp có liên quan đến thời
gian sống của điện tích đã được sinh ra và nó có quan hệ với tần số

tác động nhanh của linh kiện điện tử
• Chuyển động có gia tốc trơi của các hạt dẫn trong điện trường
Khi có điện trường thì các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng
để tạo nên dịng điện. Dịng trơi tồn phần là tổng của 2 dịng
trơi:

I troi  qE n n  p p 

n ;  p

Độ linh động của các hạt dẫn tương ứng.

E: Cường độ điện trường
q: Điện tích các hạt

6


• Chuyển động khuếch tán
Nếu trong khối bán dẫn có chênh lệch nồng độ điện tích khơng
gian thì sẽ có hiện tượng khuếch tán làm cân bằng nồng độ.

I ktn
I ktp

dn
 dn 
 qDn     qDn
dx
 dx 

dp
 dp 
 qD p     qD p
dx
 dx 

Với: Dn và Dp là hệ số khuếch tán của các hạt tương ứng

Dn , p

KT

 n, p  U T  n, p
q

Dn n  L2 ;
n

D p p  L2p

Ln, Lp: Là quãng đường khuếch tán

 n ; p

Là thời gian sống của các hạt

7


2.1.2. Mặt ghép p-n và tính chất chỉnh lưu của Điốt

bán dẫn
a. Mặt ghép p-n khi chưa có Engồi
•

•
•

•

p
n
Khi hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc nhau sẽ
xẩy ra hiện tượng khuếch tán vì có chênh lệch p
 
n
17 ,n 1010; n 1015,
nồng độ hạt dẫn.(PP 10
P
n
11)
pn 10
Ikt
Hiện tượng khuếch tán sinh ra dòng điện Itr
khuếch tán Ikt có chiều từ bd p sang bd n
Etx UtxSi=0,6V
Các ion tạp chất tạo ra điện trường tiếp xúc
sinh ra dòng trôi Itr ngược chiều Ikt. Khi cân
bằng động Itr=-Ikt.
utx
KT  p p  KT  nn 

UtxGe=0,3V
U tx 
ln  
ln 
p 
n 
q  n
q  p
Anốt
Katốt
Mặt ghép p-n được ứng dụng làm đi ốt
bán dẫn.
8


b. Mặt ghép p-n khi có điện trường ngồi
p

Etx
p

 

 

n

Eng
Ikt
• Khi điện trường ngồi và

điện trường tiếp xúc ngược
nhau chúng có xu hướng triệt
tiêu nhau làm vùng chuyển
tiếp (vùng nghèo điện tích)
hẹp lại, hàng rào thế giảm
nên sự khuếch tán xẩy ra
mạnh hơn --> có dịng điện
chạy qua lớp tiếp giáp -> ta
nói đi ốt phân cực thuận.

n

Etx
p 

 n

Eng
Ikt
• Khi điện trường ngồi và điện
trường tiếp xúc cùng chiều
nhau chúng có xu hướng cộng
lại với nhau làm vùng chuyển
tiếp (vùng nghèo điện tích)
rộng ra, hàng rào thế tăng nên
sự khuếch tán xẩy rất yếu ->
khơng có dịng điện chạy qua
lớp tiếp giáp -> ta nói đi ốt
phân cực ngược.
9

c. Đặc tuyến Von-Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán dẫn
• Đặc tuyến của điốt là một
đường cong phức tạp.
• Mỗi đường chia làm 3 vùng.
• Vùng  điốt phân cực thuận
Đặc tuyến của Ge gần trục I hơn.
Cùng một giá trị I ?
Cùng giá trị U ?
• Đường Ge cắt trục hồnh 0,2V
• Đường Si cắt trục hồnh 0,4 V

ImA
Ge

Si



UAK (V)




A

• Vùng  và  điốt phân cực ngược. Dịng điện ngược của điốt Ge
lớn hơn.
• Vùng  điốt bị đánh thủng. Ge bị đánh thủng sớm hơn.

• Ngun nhân đánh thủng: vì nhịêt, vì điện
10


• Dòng điện trong vùng phân cực thuận:
  U AK
I A  I S t exp
 mU
T
 

 
  1

 

 Dn n p D p p n 


Với: I S  q.s.
 L
Lp 
 n


Dòng điện ngược bão hịa, khơng phụ
thuộc vào UAK mà phụ thuộc vào bản chất
chất bán dẫn, và nhiệt độ

• Sự phụ thuộc vào nhiệt độ

- Vùng phân cực thuận: U AK
T

I A  const

mV
 2
K

 Nhận xét?
-Vùng phân cực ngược: Dòng bão hòa ngược Is phụ thuộc mạnh
vào nhiệt độ với mức 10%/K
Điốt là linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ  Phải có biện pháp ổn
định nhiệt.
11

Hiện tượng đánh thủng?


Các tham số của điốt
• Tham số giới hạn chủ yếu
(quá giới hạn này điốt sẽ bị
hỏng)
- Điện áp ngược cực đại
Ungcmax (thường chọn 80%
của Uđt)
- Dòng thuận cực đại IAcf.
- Công suất tiêu hao cực đại
cho phép để điốt chưa bị
đánh thủng vì nhiệt. PAcf.

- Tần số giới hạn của điện áp
hay dịng điện trong mạch
fmax.

• Tham số định mức chủ yếu (để
đánh giá chất lượng và phạm vi
ứng dụng của điốt)
- Điện trở một chiều Rđ=UAK/IA
- Điện trở vi phân (xoay chiều)
rđ = UAK / IA = UT / (IA+ Is )
Trên nhánh thuận rđth nhỏ. Trên
nhánh ngược rđngc lớn. Sự chênh
lệch càng lớn tính chất chỉnh lưu
càng tốt.
- Điện dung tiếp giáp p-n. ở tần số
cao dung kháng càng giảm và tín
hiệu sẽ truyền qua điốt làm mất
t/c chỉnh lưu.
12


Phân loại đi ốt bán dẫn
• Dựa vào đặc điểm cấu tạo: Điốt tiếp điểm, tiếp mặt
• Dựa vào chất bán dẫn: Ge hay Si
• Dựa vào tần số giới hạn fmax: Điốt cao tần, điốt âm
tần
• Dựa vào cơng suất cực đại cho phép: Điốt công
suất lớn, công suất trung bình, cơng suất nhỏ.
• Dựa vào ngun lý làm việc hay phạm vi ứng dụng:
Điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (điốt zener), điốt biến

dung (Varicap), điốt Gunn.
• ...

13


MỘT SỐ DẠNG ĐI ỐT CỤ THỂ
• Đi ốt có vỏ bọc bằng
thuỷ tinh hay nhựa tổng
hợp chịu nhiệt.
• Loại đơn có hai cực,
vạch màu ở phía cực Ka
tốt.
• Loại đi ốt kép có ba cực,
linh kiện đóng vỏ như
• tranzito.ốt cầu có bốn cực
Loại đi
điện được đánh dấu +, và ghi chữ AC hay

~
14


NHỮNG DẠNG ĐI ỐT ĐẶC BIỆT
• Để chỉnh lưu dịng
điện lớn hàng trăm
A, đi ốt được chế
tạo có vỏ bọc ngoài
bằng kim loại và tạo
dáng phù hợp nhằm

giải nhiệt tốt, dây
dẫn điện vít bằng
đinh ốc chứ khơng
hàn.
15


NHỮNG DẠNG ĐI ỐT KHÁC

• Đi ốt phát quang
(LED) với nhiều hình
dạng và màu sắc khác
nhau.

16


2.1.3. Vài ứng dụng điển hình của đi ốt bán dẫn

• Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng hai đi ốt. Biến áp có thứ
cấp ba đầu ra tạo nên U2.1 = U2.2 nhưng ngược pha nhau (điểm
giữa nối chung).Hoạt động...
• Giá trị trung bình điện áp trên tải: U 0 =0,9U 2
• Giá trị trung bình của dịng điện trên tải: It=U 0/Rt . Dòng qua
mỗi đi ốt Ia1=Ia2=It/2.
•

Đánh giá độ bằng phẳng bằng hệ số đập mạch: qn=Unm / Uo
17

• Unm là biên độ sóng có tần số n. m là số pha chỉnh lưu.
Lấy n=1 và m=2 ta có:

U 1m
2
q1 
 2
 0,67
U0
m 1
Điện áp ngược cực đại trên mỗi đi ốt bằng tổng điện áp cực
đại trên hai cuộn thứ cấp biến áp.

Ungc max  2 2 U 2  3,14U 0
• ­u điểm: Sơ đồ đơn giản
• Khuyết điểm: Chất lượng điện áp một chiều thấp, hiệu
suất năng lượng thấp, biến áp có hai phần thứ cấp đối
xứng, điện áp ngược trên mỗi đi ốt cao.
• Khắc phục: Chỉnh lưu cầu.
18


SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI LÝ THUYẾT

19


KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN DAO ĐỘNG KÝ

20


MẠCH CHỈNH LƯU CẦU

• Sơ đồ mạch điện. Nguyên tắc hoạt động.
• Khảo sát mạch qua Work Bench và rút ra nhận xét:
- Hệ số đập mạch...
- Giá trị điện áp sau chỉnh lưu đo bằng đồng hồ khi hở
mạch

U ra 0  2U 2  2U D

- Điện áp ngược trên mỗi đi ốt?...
21


MẠCH CHỈNH LƯU Ở
PHỊNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Đi ốt 
• Cực K và A của các đi ốt?
• Lối vào xoay chiều?
• Nếu sai điểm đấu lối vào?
• Nếu sai giá trị điện áp lối vào?
• Lối ra một chiều?
• Có gì chú ý đối với tụ điện?
•

Nếu mắc sai tụ điện?
Đi ốt 

Tụ điện +/22


MẶT SAU BẢNG MẠCH THÍ NGHIỆM
• Biến áp
nguồn có sơ
cấp nối vào
điện lưới
220VAC.
• Thứ cấp nối
qua ckuyển
mạch K1 dẫn
vào hai phần
thí nghiệm
khác nhau.
23


MẠCH CHỈNH LƯU VÀ ỔN ÁP
(THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ)
• Những linh kiện nào
làm nhiện vụ chỉnh
lưu?
• Số đi ốt trong mỗi
mạch chỉnh lưu?
• Tụ lọc sau đi ốt chỉnh
lưu? Số tụ lọc và cách
mắc?
• Mạch điện tiếp theo?

24


I

IDz

IRt

æn áp dùng điốt zener
25