Khuếch đại bán dẫn trong các dụng cụ đo lường

Trờng đại học vinh
Khoa vật lý
--------o0o-------

Nguyễn Thị Thanh Hoà

Khuếch đại bán dẫn
trong các dụng cụ đo lờng

Khoá luận tốt nghiệp đại học
ngành vật lý

Vinh - 2006.

1


Mục lục
Trang
4

Lời nói đầu
Chơng 1 : Các dụng cụ đo tơng tự
1. Khái niệm và đo lờng và sai số

6
6

Đo lờng

6

Khái niệm

6

Phân loại phơng pháp đo

6

Sai số của phép đo

8

Định nghĩa

8

Phân loại sai số

9

2. Dụng cụ đo lờng kiểu từ điện
Cấu tạo

9
9

Nguyên lí làm việc

10

Đặc điểm cơ cấu từ điện

11

3. Dụng cụ đo kiểu điện từ

12

Cấu tạo

12

Nguyên lí làm việc

13

Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ

13

4. Dụng cụ đo kiểu điện động

14

Cấu tạo

14

Nguyến lí làm việc

15

Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điên động

16

Chơng II : Linh kiện bán dẫn và các mạch khuếch đại

2

18


A. Các linh kiện bán dẫn

18

2.1. Điốt bán dẫn

18
2.1.1. Chuyển tiếp p n
18

2.1.2 . Đặc điểm cấu tạo của điốt bán dẫn

20

2.1.3. Đặc tuyến Vôn Ampe của điốt chỉnh lu bán dẫn

21

2.2. Tranzito lỡng cực

22

2.2.1. Cấu tạo

22

2.2.2. Nguyên lí làm việc

23

2.2.3. Các dạng mắc cơ bản của Tranzito

24

2.3. Tranzito trờng (FET)

29

B. Các mạch khuếch đại

31

2.4. Mạch khuếch đại điện trở (ghép RC)

31

2.4.1. Đặc trng tần số

31

2.5. Mạch khuếch đại ghép biến áp

33

2.6. Mạch khuếch đại biến thiên chậm

34

2.6.1. Mạch khuếch đại ghép trực tiếp

35

2.6.2. Tầng khuếch đại visai

36

Chơng III : Một số dụng cụ đo lờng sử dụng mạch khuếch đại
38
1. Hệ thống đo lờng điện tử

38

Khái niệm

38

Cấu trúc khối

38

Các đặc điểm cơ bản

38

2. Vôn kế bán dẫn một chiều

39
3. Vôn kế một chiều dùng IC OPAMP
43

4. Máy đo tần số

45

5. Máy đo tốc độ quay

46

6. Máy đo quang thông

48
3


7. Máy đo độ ẩm

49

8. Máy đo nhiệt độ

50

Chơng IV : Lắp ráp mạch khuếch đại visai

51

a. Sơ đồ nguyên lí

51

b. Các linh kiện trong mạch

52

c. Kết quả lắp ráp

53

Kết luận

55

Tài liệu tham khảo

56

4


Lời nói đầu

Từ trớc tới này, đo lờng luôn đóng vai trò quan trọng trong đời sống
cũng nh trong khoa học. Thật vậy, để thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra, vận
hành các máy móc, các quá trình công nghệ, cũng nh công tác nghiên cứu
khoa học, và các lĩnh vục khoa học kĩ thuật khác, đều phải tiến hành đo các
thông số, đại lợng - tức là phải sử dụng đến đo lờng. Và cùng với sự phát triển
ngày càng cao của ngành điện tử tin học, thì yêu cầu độ chính xác và tin cậy
của phép đo ngày càng đợc chú ý đến. Đây cũng chính là vấn đề đợc các nhà
khoa học luôn quan tâm và đi sâu nghiên cứu . Làm thế nào để dụng cụ đo
đạt độ chính xác cao.
Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài nghiên cứu là : Khuếch đại bán dẫn
trong các dụng cụ đo lờng.
Khuếch đại bán dẫn là một ứng dụng rất quan trọng của các dụng cụ
bán dẫn. Nhờ các mạch khuếch đại này, tín hiệu đa vào sẽ đợc khuếch đại lên
nhiều lần ở đầu ra, làm cho độ nhạy của dụng cụ đo đối với tín hiệu sẽ tăng
lên. Nhờ đó, độ chính xác của dụng cụ đo sẽ tăng lên đáng kể.
Bài nghiên cứu này đợc chia làm bốn chơng :
Chơng I : Giới thiệu cơ bản về kĩ thuật đo lờng, và một số dụng cụ đo tơng tự.
Chơng II : Gồm hai phần
A. Giới thiệu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng nh các đờng đặc trng làm việc của một số dụng cụ bán dẫn.

5


B. Giới thiệu sơ đồ và nguyên lý hoạt động của một số mạch khuếch
đại.

Chơng III : Giới thiệu chung về hệ thống đo lờng điện tử và một số công
cụ đo lờng sử dụng mạch khuếch đại.
Chơng IV : Chọn lắp ráp một dụng cụ đo lờng sử dụng mạch khuếch đại
: Vôn kế khuếch đại visai.
Sinh viên thực hiện :

Nguyễn Thị Thanh Hoà

6


Chơng I
Các dụng cụ đo tơng tự
1. Khái niệm về đo lờng và sai số.

1.1. Đo lờng :
1.1.1 Khái niệm
Đo lờng là một quá trình đánh giá định lợng về đại lợng cần đo để có đợc
kết quả bằng số so với đơn vị đo.
Kết quả đo đợc biểu diễn dới dạng:
A=

X
X0

và ta có X = A. X 0 .

(1.1.)

X - Đại lợng đo, X 0 - Đơn vị đo, A con số cần đo.

1.1.2. Phân loại phơng pháp đo.
a). Phơng pháp đo biến đổi thẳng
Là phơng pháp đo biến đổi đo có cấu trúc theo kiểu biến đồi thẳng không
có khâu phản hồi (Hình 1.1).Đại lợng cần đo X đợc đa qua các khâu biến đổi
và biến thành con số N X . Đơn vị của đại lợng đo X 0 cũng đợc biến đổi thành
N 0 , sau đó đợc so sánh giữa đại lợng cần đo với đơn vị qua bộ so sánh (SS).
Quá trình này đợc thực hiện bằng một phép chia N X / N 0 .Kết quả đo đợc thể
hiện bằng biểu thức dới dạng:
X=

NX
X0
N0

(1.2)

7


X
BĐ
X0

X
X0

N

A/D

SS

N0

N/N0

Hình 1.1
Trong đó: BĐ: Bộ biến đổi.
A/D: Bộ biến đổi tơng tự - số.
Quá trình đo là quá trình biến đổi thẳng. Thiết bị đo thực hiện quá trình
này gọi là thiết bị biến đổi thẳng.
b). Phơng pháp đo kiểu so sánh.
Là sơ đồ cấu trúc mạch vòng, nghĩa là có khâu phản hồi (Hình 1.2)

X

SS

A/D

BĐ

NK

CT

XK
D/A

Hình 1.2
Trong đó : BĐ : Bộ biến đổi.
A/D : Bộ biến đổi tơng tự - số.
SS : Bộ so sánh.
D/A : Bộ biến đổi số - tơng tự.
CT : Chỉ thị kết quả.
Tín hiệu X đợc so sánh với một tín hiệu X K tỉ lệ với đại lợng mẫu X 0 .
Qua bộ so sánh ta có : X X K = X .
Tuỳ thuộc vào cách so sánh ta có các phơng pháp sau:

8


So sánh cân bằng: Là phép so sánh mà đại lợng cần đo X và đại lợng
mẫu X K đợc so sánh với nhau sao cho X = 0, và X - X K = 0, X =
X K = N K . X 0 (1.3)
Nh vậy X K là đại lợng không đổi, sao cho khi X thay đổi luôn đợc kết
quả nh (1.3). Phép so sánh luôn ở trạng thái cân bằng, độ chính xác của
phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của X K và độ nhạy của thiết bị chỉ
thị cân bằng.
So sánh không cân bằng.
Nếu X K là đại lợng không đổi, lúc đó ta có:
X X K = X
X = X K + X
Kết quả của phép đo đợc đánh giá qua X , với X K là đại lợng biết trớc.
So sánh không đồng thời.
Là phơng pháp đo mà các giá trị đo X đợc thay đổi bằng đại lợng mẫu
X K . Các giá trị đo X và giá trị mẫu đợc đa vào thiết bị không cùng một
thời gian, thông thờng giá trị mẫu X K đợc đa vào khắc độ trớc, sau đó
qua các vạch khắc độ để xác định giá trị của đại lợng đo. Thiết bị đo theo

phơng pháp này là các thiết bị đánh giá trục tiếp nh Vônkế, Ampekế,
Kim chỉ.
So sánh đồng thời.
Là phơng pháp so sánh cùng một lúc đại lợng đo X và đại lợng mẫu X K .
Khi X và X K trùng nhau, qua X K xác định đợc các giá trị đại lợng X .
1.2. Sai số của phép đo
1.2.1. Định nghĩa :
Trong quá trình đo lờng nhiều yếu tố làm kết đo không hoàn toàn đúng
với giá trị cần đo. Ngoài sai số của dụng cụ đo, việc thực hiện quá trình đo
cũng gây ra nhiều sai số. Nhng sai số này gây ra bởi những yếu tố sau:
9


+ Phơng pháp đo đợc chọn.
+ Mức độ cẩn thận khi đo.
Nh vậy, sai số của phép đo là sự chênh lệch giữa giá trị đo và giá trị thực
của đại lợng đo.
Tuy nhiên, giá trị chính xác ( giá trị thực của đại lợng đo) thờng không
biết trớc, cho nên khi đánh giá sai số của phép đo, ngời ta thờng sử dụng giá
trị thực - là giá trị đại lợng đo xác định đợc với mật độ chính xác nào đó. Tức
là ta chỉ có sự đánh giá gần đúng về kết quả của phép đo mà thôi.
1.2.2. Phân loại sai số :
Nếu căn cứ vào nguyên nhân gây ra sai số, ta chia ra hai loại:
a). Sai số hệ thống.
Là sai số mắc phải khi thực hiện phép đo nhiều lần trong điều kiện đo
nh nhau và sai số phép đo hoặc không đổi, hoặc không thay đổi theo quy luật.
Sai số hệ thống không thay đổi bao gồm sai số do khắc độ thang đo, sai
số đo hiệu chỉnh dụng cụ đo không chính xác (chỉnh 0 không đúng), sai số
nhiệt độ tại thời điểm đo
Sai số hệ thống thay đổi có thể là sai số do sự biến động của nguồn cung

cấp (pin bị yếu đi) , do ảnh hởng của trờng điện từ hay các yếu tố khác.
b). Sai số ngẫu nhiên.
Là sai số mắc phải khi ta đo nh nhau, mà kết quả đo thay đổi không theo
một quy luật nào cả. Sai số ngẫu nhiên gây ra do nhiều nguyên nhân.Để tính
toán sai số ngẫu nhiên, ta phải sử dụng các quy luật xác suất thống kê.
Ngoài hai loại sai số trên còn có sai số khác là loại sai số mắc phải mà
kết quả đo chênh lệch khỏi giá trị cần đo không thể chấp nhận đợc, ta phải
phát hiện và loại trừ.

2. Dụng cụ đo kiểu từ điện.

10


2.1. Cấu tạo :

Hình 1.3. Cơ cấu chỉ thị từ điện.
Cơ cấu chỉ thị từ điện gồm hai phần cơ bản:
+ Phần tĩnh: gồm nam châm vĩnh cửu 1có tác dụng tạo ra từ trờng mạnh,
và lõi sắt 2.
+ Phần quay là khung dây dồng 3, khung dây gắn liền với trục, trên trục
có kim 4, lò xo phản 5.
2.2. Nguyên lí làm việc :
Khi có dòng điện chạy qua, khung dây quay dới tác dụng của từ trờng
của nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí ban đầu một góc d nào
đấy Momen quay tạo ra đợc tính theo biểu thức:

Mq =

dw e

d

11

(1.1).


ở đây năng lợng We tỉ lệ với độ lớn của từ thông và dòng điện chạy
trong khung dây:
We = I.

(1.2).

= B.S.W.

(1.3).

Từ thông đợc tính:
Trong đó :
B: Độ từ cảm của nam châm vĩnh cữu.
S: Điện tích khung dây.
W: Số vòng dây của khung.
: Góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu.
Các giá trị B, S, W là hằng số (không đổi khi khung dây quay).
Thay (1.2) vào (1.1) ta có:
Mq =

d(.I) d(B.S.W..I)
=
= B.S.W.I

d
d

(1.4).

Mặt khác, khi khung quay, các lò xo phản sinh ra Momen phản tỉ lệ bậc
nhất với góc quay:
M p = D.

(1.5).

Khi cân bằng thì Momen quay bằng Momen phản:
M q = M p BSWI = D
Từ đó ta có:
=

1
BSWI (1.6).
D

Trong biểu thức (1.6) B,S,W,D là hằng số, nên góc lệch tỉ lệ bậc nhất
với dòng điện.
2.3. Đặc điểm của cơ cấu từ điện :
Góc lệch tỉ lệ thuận với dòng điện I cho nên cơ cấu chỉ thị từ điện

chỉ sử dụng cho mạch một chiều. Nếu muốn cho mạch xoay chiều thì
chúng ta phải mắc thêm bộ phận chỉnh lu.
Góc quay tỉ lệ bậc nhất với dòng điện, nên đặc tính của thang đều.
12

(Độ nhạy của cơ cấu S = BSW / D là đại lợng không đổi trong suốt

thang đo. Là độ nhạy theo dòng có số đo là [mm/A]). Cơ cấu chỉ thị thờng có độ nhạy và độ chính xác cao [B lớn, c=1/10-8 (mmA)].
Nhợc điểm:
Chế tạo phức tạp
Chịu quá tải kém do dễ cháy lò xo và thay đổi đặc tính của nó.
ảnh hởng của nhiệt độ đến độ chính xác của phép đo.

3. dụng cụ đo kiểu điện từ

3.1. Cấu tạo :

Hình 1.4
Phần tĩnh gồm ống dây hình trụ (1) và một tấm sắt (2) gắn chặt vào lòng
ống dây.
Phần quay: là ống sắt (3) gắn liền với trục quay. Trên trục có kim (4), lò
xo phản (5) và bộ phận cản dịu (6).
3.2. Nguyên lí làm việc :
13


Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây, xuất hiện Momen quay, nó đợc
xác định theo biểu thức :
Mq =

dw e
d

ở đây năng lợng We đợc xác định:

LI 2
We =
2

(1.10).

Thay (1.10) vào biểu thức Momen quay, ta có:
LI 2
d(
)
We
1 dL
2
Mq =
=
= I2.
d
d
2 d
Khi Momen quay = Momen cản ở vị trí cân bằng:
1 dL 2
1 2 dL
I .
= D =
. .I (1.11).
2 d
2D d

3.3. Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ :
Từ biểu thức (1.11) ta có các đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện từ :

1. Góc quay tỉ lệ với bình phơng của dòng điện, tức là không phụ
thuộc vào chiều dòng điện, do vậy mà cơ cấu chỉ thị có thể sử dụng để đo
trong mạch 1 chiều và trong mạch xoay chiều.
2. Thang đo không đều
3. u điểm: Cấu tạo đơn giản, tin cậy, chịu tải lớn, có thể đo đợc cả dòng
xoay chiều và ngợc chiều.
4. Nhợc điểm: Công suất tiêu thụ tơng đối lớn, độ chính xác không cao,
nhất là khi đo ở trong mạch 1 chiều, sẽ bị sai số do hiện tợng từ trễ, từ d,
độ nhạy thấp, bị ảnh hởng của từ trờng ngoài do từ trờng của bản thân cơ
cấu yếu khi dòng nhỏ.

14


4. Dụng cụ đo điện động

4.1. Cấu tạo :
Cơ cấu chỉ thị điện động gồm 2 phần (Hình 1.5)
Phần tĩnh gồm 3 cuộn dây 1 (đợc chia làm 2 phần nối tiếp nhau), để tạo
ra từ trờng khi có dòng điện chạy qua. Trục quay chui qua khe hở giữ 2 phần
cuộn dây tĩnh.

Hình 1.5
Phần động gồm 1 khung dây 2 đặt trong lòng cuộn dây tĩnh. Khung dây
2 đợc gắn với trục quay, trên trục còn có lò xo cản, bộ phận cản dịu và kim chỉ
thị. Cả phần động và phần tĩnh đợc bọc kín bằng màn chắn từ để ngăn chặn
ảnh hởng của từ trờng ngoài đến sự làm việc của cơ cấu chỉ thị. Màn chắn từ
có thể là đơn hay kép.
Hình dạng của cuộn dây có thể tròn hoặc vuông. loại tròn dễ chế tạo, loại
vuông lại thích hợp khi cần giảm chiều cao của cơ cấu đo.

15


Cản dịu trong cơ cấu chỉ thị điện động thờng dùng loại cảm ứng từ khi có
màu chắn từ và dùng kiểu không khí khi không có màn chắn từ bảo vệ.
4.2. Nguyên lý làm việc :
Khi cho dòng điện chạy vào cuộn tĩnh, trong lòng cuộn dây xuất hiện từ
trờng. Từ trờng này tác động lên dòng điện chạy trong khung dây và tạo ra
Momen quay làm phần động quay đi một góc ;
Momen quayđợc xác định từ biểu thức sau:
Mq =

dw e
d

Với We : năng lợng điện từ tích luỹ trong các cuộn dây.
Ta phân biệt hai trờng hợp:
1. Khi dòng điện một chiều I1 vào cuộn dây 1, I2 vào cuộn dây 2
Lúc này năng lợng từ có dạng:
We =

1
1
L 1 .I 12 + L 2 I 22 + M 12 I 1 I 2 (1.13)
2
2

Với L1 , L 2 : Điện cảm của các cuộn dây tĩnh và động
M12 : Hỗ cảm giữa các cuộn dây tĩnh và động.

I1I 2 : Dòng điện một chiều chạy trong các cuộn dây tĩnh và động.
Các giá trị điện cảm L1 , L 2 không thay đổi khi khung dây quay trong
cuộn dây tĩnh nên ta có các Momen quay nh sau:
Mq =

dWe dM 12
=
I1 I 2
d
d

(1.14).

ở vị trí cân bằng Momen quay bằng Momen cản M q = M c .
Ta có:
dM 12
I 1 I 2 = D
d
Suy ra:

16


=

1 dM 12
I1 I 2
D d

(1.15).

2. Khi cho dòng xoay chiều vào các cuộn dây ta có:
Momen quay tức thời sẽ là:
m qt =

dM 12
i 1 i 2 (1.16).
d

Phần động vì có quán tính mà không kịp thay đổi theo giá trị tức thời,
nên thực tế lấy giá trị trung bình trong một chu kì:
Mq =

1T
m qt dt
T0

(1.17)

Nếu i1 = I 1m sin t và i 2 = I 2 m sin(t ) , thay vào (1.16) và (1.17), ta
có:

1T
dM 12
M q = I1m .I 2 m sin t. sin(t )
dt
T0
d
Lấy tích phân này ta đợc:
Mq =

dM 12
I1 I 2 . cos
d

(1.18).

ở đây - là góc lệch pha giữa 2 dòng điện, I 1 và I2 là các giá trị hiệu
dụng của dòng điện.
Khi cân bằng ta có:
Mq = Mc

dM 12
I 1 I 2 . cos = D
d

Suy ra:
=

1 dM 12
I 1 I 2 cos
D d

4.3. Đặc tính của cơ cấu chỉ thị điện động :
Từ (1.19) ta có:
17

(1.19).

1. Cơ cấu chỉ thị điện động có thể dùng trong mạch điện 1 chiều và xoay
chiều.
2. Góc lệch phụ thuộc và tích I1.I2, nên thang đo không đều. Có thể thay

đổi vị trí của các cuộn dây để thay đổi tỉ số

dM 12
theo hàm ngợc với I1 I 2
d

nhằm đổi đợc thang đo đều.
3. Có thể sử dụng cơ cấu này để chế tạo Oatmét (Watt meter) đo công suất
4. Ưu điểm: Độ chính xác cao khi đo trong mạch xoay chiều.
5. Nhợc điểm: Công suất tiêu thụ của cơ cấu chỉ thị lớn.
6. Cơ cấu đo điện động chịu ảnh hởng của từ trờng ngoài.
7. Độ nhạy thấp.

18


Chơng II
Linh kiện bán dẫn và các mạch
khuếch đại

A. Các linh kiện bán dẫn

2.1. Điốt bán dẫn
2.1.1. Chuyển tiếp p-n (Tiếp
xúc bán dẫn p và tiếp xúc
bán dẫn n).

Khi ta cho hai thỏi bán dẫn
p và n tiếp xúc với nhau. Do
nồng độ điện tử trong bán dẫn n
rất lớn so với nồng độ điện tử
trong bán dẫn P(nP). Còn nồng
độ lỗ trống trong bán dẫn P(pP)
rất lớn so với nồng độ lỗ trống
trong bán dẫn N(pN). Vì vậy lân
cận mặt tiếp xúc, hạt dẫn đa số

Hình 2.1

của chất này đợc chuyển sang
chất kia: lỗ trống từ P sang N, điện tử từ N sang P. Khi di chuyển qua mặt tiếp
xúc, chúng sẽ để lại các ion dơng (+) của dono và ion âm(-) của axepto. Do sự
khuếch tán các hạt dẫn đa số, mà ở lân cận mặt tiếp xúc mất sự trung hoà về
điện tích. Phía bán dẫn N đợc tích điện dơng còn bán dẫn P đợc tích điện âm.
19


Vì vậy hình thành một điện trờng đợc gọi là điện trờng tiếp xúc: Etx có chiều
từ N sang P. Tơng ứng giữa các miền điện tích trái dấu hình thành một hiệu
điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc: U tx ( hàng rào thế). Điện trờng tiếp xúc
chống lại sự di chuyển của hạt dẫn đa số. Vì vậy nếu sự khuếch tán của các
hạt dẫn đa số càng mạnh, thì miền điện tích âm - dơng ở gần mặt tiếp xúc mở
rộng ra, cờng độ điện trờng tiếp xúc tăng, dòng dịch chuyển các hạt dẫn đa số
giảm, còn dòng dịch chuyển các hạt thiểu số tăng. Tới một lúc nào đó: số hạt
dẫn đa số đi qua mặt tiếp xúc bằng số hạt dẫn thiểu số đi qua mặt tiếp xúc, thì
chuyển tiếp p - n đạt trạng thái cân bằng. Khi này E txcũng nh Utx có giá trị
hoàn toàn xác định. Còn miền điện tích âm dơng ở gần mặt tiếp xúc hầu nh

không chứa hạt dẫn, nên đợc gọi là miền điện tích không gian (hay miền
nghèo - miền tiếp giáp). Khi ở trạng thái cân bằng, miền này có độ rộng hoàn
toàn xác định là d.
Những đặc tính quan trọng
của lớp tiếp xúc P - N sẽ thể hiện
khi ta đa điện trờng ngoài vào. Có
hai trờng hợp:


Trờng hợp 1: ta đặt vào tiếp

giáp P-N một điện áp U1, cực
âm nối với P, cực dơng nối với
N. Trờng hợp này điện trờng


ngoài E1 cùng chiều với E tx ,
hàng rào thế bây giờ sẽ là:
Utx+U1, nghĩa là lớn hơn Utx .

Hình 2.2

Hàng rào thế tăng làm cho dòng
khuếch tán của phần tử tải điện cơ bản giảm. Mặt khác, điện thế tiếp xúc
lại làm các hạt dẫn thiểu số rất bé, nên ngay khi điện áp U còn rất nhỏ thì
mật độ dòng các hạt dẫn thiểu số đã đạt giá trị bão hoà J 0. Và sau đó nếu ta

20

tiếp tục tăng U1 thì dòng không tăng. Còn đối với những hạt dẫn đa số sẽ
giảm rất nhanh theo quy luật của hàm số mũ khi ta tăng diện thế U:
eU 1
)
KT
Vì vậy mật độ dòng tổng hợp đi qua tiếp giáp P-N theo chiều thuận (chiều
J KT = J 0 exp(

từ P-N):
eU 1
eU


) J 0 = J 0 exp( 1 ) 1 J 0
KT
KT


(Vì eU1 >>KT, khi U1 chỉ vài phần mời vôn). Mật độ dòng tổng hơp đi qua
J = J 0 exp(

tiếp giáp P-N có giá trị rất nhỏ, gần nh không thay đổi và ngợc chiều với
chiều quy ớc, vì vậy nó đợc gọi là dòng ngợc.
Trờng hợp 2 : đặt điện áp U2

vào 2 đầu của tiếp giáp P-N: cực
dơng nối với P, cực âm nối với
N. Khi này các hạt dẫn đa số dới tác dụng của điện trờng ngoài
sẽ chuyển động về phía mặt tiếp
xúc, làm cho miền điện tích

không gian giảm, và hàng rào
thế lúc này là Utx- U2, nhỏ hơn
Utx. Dòng khuếch tán các hạt
dẫn thiểu số giảm, và bằng J 0
khi U=0, và bằng 0 khi Utx=U2,
còn dòng các hạt dẫn thì tăng
rất nhanh:
eU 2
)
KT
Vì vậy mật độ dòng tổng hợp :

Hình 2.3

J KT = J 0 exp(+

eU
eU


J = J 0 exp( 2 ) 1 J 0 exp( 2 )
KT
KT


Có nghĩa là mật độ dòng chuyển qua tiếp giáp P-N theo chiều thuận có
giá trị rất lớn và tăng rất nhanh theo điện áp đặt vào theo chiều thuận. Có
nghĩa là chuyển tiếp P-N có tính dẫn điện không đối xứng. Vì vậy nên ta

21

đặt vào chuyển tiếp P-N một điện áp xoay chiều thì dòng điện chủ yếu chỉ
đi qua 1 chiều. Và nó đợc gọi là hiệu ứng chỉnh lu.
2.1.2. Đặc điểm cấu tạo của điốt bán dẫn:
Dựa vào hiệu ứng chỉnh lu của
chuyển tiếp P N mà ngời ta chế tạo ra
các loại điốt chỉnh lu. Điốt bán dẫn có
cấu tạo là một chuyển tiếp P N, với
hai điện cực nối ra miền P gọi là anốt,
phía miền N gọi là catốt.
2.1.3. Đặc tuyến Vôn-Ampe của Điốt

Hình 2.4

chỉnh lu bán dẫn.
Đặc tuyến Vôn-Ampe là đờng biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và
dòng điện.
Trong thực tế để khảo sát đặc tuyến V-A ta xét sơ đồ thực nghiệm sau
(Hình 2.5):

Hình 2.5
Trong đó hình 2.5a để khảo sát nhánh dòng điện ngợc, nhánh dòng điện
thuận đợc khảo sát bởi hình b.
Ta nhận thấy đờng đặc trng V-A của điốt (Ge) khá phù hợp với lí thuyết:

22


Khi phân cực thuận: Khi điện áp thuận tơng đối nhỏ, điện trờng ngoài

cha thắng đợc điện trờng tiếp xúc, và điện trờng tiếp xúc ngăn cản sự
chuyển động của các hạt dẫn đa số. Vì vậy dòng điện thuận vẫn rất
nhỏ. Khi nó vợt qua giá trị điện áp U0, đợc gọi là điện áp mở điốt. Điện
áp này phụ thuộc vào nhiệt độ và vật liệu liệu chế tạo nên điốt. Thì khi
này dòng điện sẽ tăng rất nhanh. Đối với điốt Si thì điện áp này khoảng
0,5 V, và với Re là: 0,2 V.
Khi phân cực ngợc: Dòng điện rất nhỏ. Nếu ở cùng một nhiệt độ thì
dòng ngợc của điốt Si nhỏ hơn rất nhiều so với điốt Re. Dòng ngợc này
tăng rất nhanh theo nhiệt độ. Và đến một giá trị nào đó của điện áp ngợc nào đó thì dòng ngợc tăng vọt. Khi này điốt bị đánh thủng vì điện.
2.2. Tranzito lỡng cực
2.2.1. Cấu tạo :
Tranzito đợc tạo thành bởi hai tiếp giáp P-N đợc ghép liên tiếp nhau tuỳ
theo trình tự sắp xếp của các miền P và N, mà ngời ta có thể chia làm 2 loại
tranzito PNP và NPN.

Hình 2.6
Miền thứ nhất, miền Emitơ, điện cực đối với miền này gọi là cực Emitơ
(hay gọi là cực phát). Miền này đợc pha tạp chất với nồng độ rất cao vì nó làm
nhiệm vụ phát xạ các hạt dẫn.

23


Miền giữa : miền Bazơ, điện cực đối với miền này gọi là cực Bazơ, hay
còn gọi là cực gốc, miền này đợc pha tạp chất với nồng độ rất thấp, và nó có
vai trò truyền đạt các hạt dẫn.
Miền cuối : miền Côlectơ, điện cực đối vời miền này đợc gọi là cực
Côlectơ (cực góp). Miền này đợc pha tạp chất với nồng độ trung bình, và nó
đóng vai trò thu góp các hạt dẫn.
Tiếp giáp giữa miền E-B đợc gọi là tiếp giáp Emitơ J1.

Tiếp giáp giữa miền C-B đợc gọi là tiếp giáp Colêctơ J2.
Khoảng cách giữa 2 tiếp giáp này (độ rộng của miền B) rất hẹp.
Về mặt cấu trúc, có thể
xem tranzito nh 2 điốt mắc
đối nhau nh hình 2.7 (Điều
này hoàn toàn không có
nghĩa là cứ 2 điốt nh hình 2.7
là có thể thực hiện đợc chức

Hình 2.7

năng của tranzito ). Bởi vì khi
đó không có tác dụng tơng hỗ
lẫn nhau của 2 tiếp giáp P-N.

Hiệu ứng tranzito chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa 2 tiếp giáp nhỏ hơn nhiều
so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn.
2.2.2.Nguyên lí làm việc:
Để tranzito làm việc, ngời ta phải
đa điện áp một chiều tới các điện cực
của nó, gọi là phân cực cho tranzito.
Các nguồn điện mắc vào tranzito luôn
phải bảo đảm sao cho tiếp giáp E đợc
phân cực thuận, còn tiếp giáp côlectơ
Hình 2.8

đợc phân cực ngợc .

24

Xét hoạt động của một tranzito loại P-N-P (Hình 2.8).
Vì J1 đợc phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B tạo thành dòng
khuếch tán

I ep

, đồng thời điện tử từ vùng B sang vùng E tạo thành dòng

khuếch tán I en . Vì nồng độ tạp chất trong vùng E lớn hơn rất nhiều nồng độ
tạp chất trong vùng B nên

I ep

>> I en . Vì vậy dòng điện Emitơ:
I E = I en + I ep I ep

Sang vùng B lỗ là những hạt dẫn không cơ bản. Hiện tợng này đợc gọi là
hiện tợng phun các hạt dẫn thiểu số. Sang vùng B, thì lỗ trống tiếp tục khuếch
tán đến J2, và do độ dày của vùng B là rất mỏng, nên phần lớn lỗ cha kịp tái
hợp đã đến đợc tiếp giáp Colectơ. Đến đây nó đợc điện trờng tăng tốc, nên dễ
dàng qua miền Colectơ, tạo thành dòng Colectơ I c . Một phần ít lỗ trống tái
hợp với điện tử ở miền B : những điện tử từ mạch ngoài lại đi vào B tạo nên
dòng I b . Qua tiếp giáp J2, ngoài dòng I c còn có dòng các hạt dẫn thiếu số của
bản thân tiếp giáp Colectơ: I co . Nó chính là dòng điện Colectơ khi ta để hở
mạch E. Trị số của dòng này thay đổi rất lớn theo nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng
thì I co tăng và ngợc lại. Và nó chính là nguyên nhân gây mất ổn định trong
các mạch sử dụng Tranzito.
Dòng điện chạy trong dây dẫn đối với cực Emitơ : I E = I b + I c .
Dòng điện chạy trong dây dẫn đối với cực Bazơ : I B = I b I co .

Dòng điện chạy trong dây dẫn đối với cực Bazơ : I C = I c + I co .
Suy ra : I E = I B + I C .
Vì trị số của dòng I B rất nhỏ, nên trong nhiều trờng hợp tính toán, ta có
thể coi I E = I C .
2.2.3. Các dạng mắc cơ bản của Tranzito:
a. Mạch mắc Emitơ chung (EC)

25