LUẬN văn sư PHẠM vật lý LINH KIỆN bán dẫn và ỨNG DỤNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
-----    -----

LINH KIỆN BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG
Luận văn Tốt nghiệp
Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ-TIN HỌC

Giáo viên hướng dẫn:
Vương Tấn Sĩ

Sinh viên: Phạm Thanh Đen
Lớp: Sư Phạm Vật lý-Tin học K32
Mã số SV: 1062600

Cần Thơ, 2010


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

Phần 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Bước vào trào lưu cơng nghệ, tin học và điện tử là một phần khơng thể thiếu
trong trào lưu hiện đại này. Linh kiện điện tử, các thiết bị điện tử là một phần cần
thiết trong các thiết bị cơng nghệ, bên cạnh đó máy tính, tin học lại góp phần giảm
bớt chi phí cho các nhà thiết kế điện tử.
Trong các thiết bị điện tử, phần lớn đều sử dụng các linh kiện bán dẫn, bản
chất và tính năng của các linh kiện bán dẫn này có tính ưu việt và được ứng dụng ra
sao? Đề tài “Linh kiện bán dẫn và ứng dụng” sẽ góp một phần nhỏ trong câu trả lời.

Ở đây, tơi chỉ nghiên cứu linh kiện bán dẫn dưới góc độ Vật lý. Và những
ứng dụng của linh kiện bán dẫn trong cuộc sống hàng ngày, cũng như phục vụ việc
dạy học sau này.
2. Mục tiêu nghiên cứu.
“ Linh kiện bán dẫn và ứng dung”, sẽ giới thiệu sơ về cấu trúc, đặt tính vật lí
của các vật liệu bán dẫn, thơng qua đó thiết kế một số mạch điện ứng dụng, trong
cuộc sống. Đặc biệt với “Máy phát tín hiệu” sẽ phát ra ba dạng sóng cơ bản “sóng
sin, sóng tam giác và sóng vng”, phục vụ cho nghiên cứu vật lý và cho việc giảng
dạy sau này. “Mạch chọn đội” là một úng dụng các linh kiện bán dẫn, góp phần tạo
điều kiện cho các trường phổ thơng tổ chức các buổi ngoại khóa, các cuộc thi thêm
phần hấp dẫn.
3. Phương pháp nghiên cứu.
- Sử dụng các phương pháp: tham khảo, so sánh, tìm hiểu, và các biện pháp
thử nghiệm.
4. Phương tiên nghiên cứu
- Máy tính cùng các phần mềm mơ phỏng như: Crocodile Y3D, Electronics
Workbench, …
5. Thời gian, khơng gian và đối tượng nghiên cứu
- Đề tài được thực hiện trong vòng 15 tuần lể.
- Đề tài chủ yếu tác động lên các linh kiện bán dẫn, phần mền mơ phỏng
6. Các bước thực hiện đề tài
- Nhận đề tài từ giáo viên hướng dẫn.
- Nghiên cứu tài liệu liên quan, khai thác tài ngun trên Internet.
- Viết và nộp đề cương sơ bộ.
- Tiến hành viết lý thuyết, nộp cho GVHD chỉnh sửa.
- Khảo sát Mạch điện trên phần mềm.
- Tiến hành gáp mạch thực tế.
- Chạy thử nghiệm sản phẩm.
- Báo cáo và bảo vệ đề tài.
- Chỉnh sửa và hồn chỉnh đề tài.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 1


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

Phần 2: NỘI DUNG
Chương 1:
LINH KIỆN BÁN DẪN
I – VẬT LIỆU BÁN DẪN
1. Chất bán dẫn ((Semiconductor)
Chất bán dẫn (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.
Chất bán dẫn là ngun liệu để sản xuất ra các loại linh kiện bán dẫn như
Diode, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các
thiết bị điện tử ngày nay.
Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm
trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện,
về phương diện hố học thì bán dẫn là những
chất có 4 điện tử ở lớp ngồi cùng của ngun
tử. Đó là các chất Germanium (Ge) và Silicium
(Si).

Hình 1.1 Chất bán dẫn tinh khiết
Từ các chất ban đầu (tinh khiết) ta tạo ra

được hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N (Negative) và bán dẫn loại P (Positive), sau
đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor.
Si và Ge đều có hố trị 4, tức
là lớp ngồi cùng có 4 điện tử, ở thể
tinh khiết các ngun tử Si (Ge)
liên kết với nhau theo liên kết cộng
hố trị như hình 1.1

Hình 1.2. Chất bán dẫn N

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 2


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

2. Chất bán dẫn loại N
Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hố trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn
Si thì một ngun tử P liên kết với 4 ngun tử Si theo liên kết cộng hố trị, ngun
tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành
điện tử tự do, chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử (mang điện âm) và được
gọi là bán dẫn N (Negative : âm ).
3. Chất bán dẫn loại P
Ngược lại khi ta pha thêm một
lượng nhỏ chất có hố trị 3 như
Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì

1 ngun tử Indium sẽ liên kết với 4
ngun tử Si theo liên kết cộng hố
trị và liên kết bị thiếu một điện tử, trở
thành lỗ trống (mang điện dương) và

Hình 1.3. Chất bán dẫn P

được gọi là chất bán dẫn P (Positive:
dương).

II – LINH KIỆN BÁN DẪN
1. Chỉnh lưu p-n (Diode)
Diode bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng
điện đi qua nó theo một chiều mà khơng theo chiều ngược lại, sử dụng các tính chất
của các chất bán dẫn.
Có nhiều loại diode bán dẫn, như diode chỉnh lưu thơng thường, diode Zener,
LED. Chúng đều có ngun lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với
một khối bán dẫn
loại N.

a. Tiếp giáp
P - N và Cấu tạo
của

Diode

bán

dẫn.
Khi

đã

có

SVTH: Phạm Thanh Đen

Hình 2.1. Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode
Trang 3


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

được hai chất bán dẫn là P và N, nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếp giáp P - N
ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm: Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư
thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống, tạo
thành một lớp ion trung hồ về điện, lớp ion này tạo thành miền cách điện giữa hai
chất bán dẫn.
* Ở hình 2.1 là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn.

b. Hoạt động
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi
ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng
chuyển động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử
(điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ
trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện dương (thiếu hụt điện tử và dư
thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi

chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các ngun
tử trung hòa. Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay
các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Lổ trống (holes)

Điện tử (electronic)

(1)
Vùng trống (depletion layer)

(3)

Thế khuếch tán (diffusion potential)
Ec
Ef
EV

(2)
Điện trường (electric field)

Hình 2.2. Điện áp tiếp xúc hình thành
Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là
điện áp tiếp xúc (UTX). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ khối n đến khối
p nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2
khối bán dẫn với nhau thì q trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại
điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc
ở trạng thái cân bằng khoảng 0.6V đối với diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng
0.3V đối với diode làm bằng bán dẫn Ge.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 4


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

+
n-type

_
p-type

Ec
Ef

EV

Hình 2.2. Điệp áp ngồi ngược chiều điện áp tiếp xúc tạo ra dòng điện.

Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên q
trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các ngun tử trung hòa. Vì vậy
vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi
là vùng nghèo. Vùng này khơng dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng
bởi điện áp bên ngồi. Đây là cốt lõi hoạt động của diode.
+

_

n-type

p-type

Ec
Ef
EV

Hình 2.3. Điệp áp ngồi cùng chiều điện áp tiếp xúc ngăn dòng điện.

Nếu đặt điện áp bên ngồi ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các
điện tử và lỗ trống khơng bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn
điện tốt. Nếu đặt điện áp bên ngồi cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán
của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt
dẫn điện tự do. Nói cách khác diode chỉ cho phép dòng điện qua nó khi đặt điện áp
theo một hướng nhất định.

c. Tính chất
Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang catode. Theo ngun lý dòng
điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dòng điện qua
diode theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở
anodemột điện thế cao hơn ở catode. Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 5


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

áp tiếp xúc (UTX). Như vậy muốn có dòng điện qua diode thì điện trường do UAK
sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX. Khi đó một phần của
điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn lại
dùng để tạo dòng điện thuận qua diode.
Khi UAK > 0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode lúc đó gọi là
dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID tức
IDIODE). Dòng điện thuận có chiều từ anode sang catode.
Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt,
tức là điện trở của diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm). Do vậy phần điện
áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân
bằng với UTX. Thơng thường phần điện áp dùng để cân bằng với UTX cần khoảng
0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài
chục mA hay lớn đến vài Ampere. Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua diode
khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng diode bắt đầu dẫn và khi
UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA.
Nếu Diode còn tốt thì nó khơng dẫn điện theo chiều ngược catode sang a-nốt.
Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế
lớn. Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và thường khơng cần quan tâm
trong các ứng dụng cơng nghiệp. Mọi diode chỉnh lưu đều khơng dẫn điện theo
chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược q lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của
Diode) thì diode bị đánh thủng, dòng điện qua diode tăng nhanh và đốt cháy diode.
Vì vậy khi sử dụng cần tn thủ hai điều kiện sau đây:
- Dòng điện thuận qua diode khơng được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do
nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác
định).
- Điện áp phân cực ngược (tức UKA) khơng được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh
thủng của diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp).
- Ví dụ diode 1N4007 có thơng số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau:
VBR=1000V, IFMAX = 1A, VFI = 1.1V khi IF = IFMAX. Những thơng số trên cho biết:
- Dòng điện thuận qua diode khơng được lớn hơn 1A.

- Điện áp ngược cực đại đặt lên diode khơng được lớn hơn 1000V.
- Điện áp thuận (tức UAK)có thể tăng đến 1.1V nếu dòng điện thuận bằng 1A.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 6


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

Cũng cần lưu ý rằng đối với các diode chỉnh lưu nói chung thì khi UAK = 0.6V
thì diode đã bắt đầu dẫn điện và khi UAK = 0.7V thì dòng qua diode đã đạt đến vài
chục mA.
d. Đặc tuyến Volt-Ampere
Đặc tuyến Volt-Ampere của một diode bán dẫn lý tưởng.
Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ
thị mơ tả quan hệ giữa dòng điện qua diode theo
điện áp UAK đặt vào nó. Có thể chia đặc tuyến
này thành hai giai đoạn:
- Giai đoạn ứng với U AK = 0.7V > 0 mơ tả
quan hệ dòng áp khi diode phân cực thuận.
- Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mơ tả
quan hệ dòng áp khi diode phân cực nghịch.
(UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các
diode Si, với diode Ge thơng số này khác)
Khi diode được phân cực thuận và dẫn điện
thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngồi (được mắc nối tiếp
với diode). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận của diode vì điện trở thuận
rất nhỏ, thường khơng đáng kể so với điện trở của mạch điện.

e. Phân cực cho Diode
* Phân cực thuận:

Hình 2.4. Sơ đồ khảo sát phân cực thuận Diode

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào anode (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-)
vào catode (vùng bán dẫn N), khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền
cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V (với Diode loại
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 7


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

Si) hoặc 0,2V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng khơng =>
Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng
nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode khơng tăng (vẫn giữ ở mức
0,6V ). Diode (Si) phân cực thuận - Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gìm ở mức
0,6V. Đường đặc tính của nó là đồ thị UI với u là trục tung và i là trục hồnh. Giá
trị điện áp đạt đến 0.6V thì bão hòa.
Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V
thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua
Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị
0,6V .

* Phân cực ngược

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katơt (bán dẫn N),
nguồn (-) vào Anơt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách
điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu
được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng.
Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

f. Phân loại tụ điện Diode
Tìm hiểu cấu tạo và cơng dụng của các loại Diode: Diode ổn áp, Diode thu
quang, Diode phát quang, Diode biến dung, Diode xung, Diode tách sóng, Diode
nắn điện.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 8


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

* Diode Zener:
Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường
nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode
Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược,
khi phân cực thuận Diode zener như diode thường
nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng
giá trị ghi trên diode.
Thí nghiệm hoạt động của Zenner

Hình 2.5. Thí nghiệm khảo sát đặt tính Zener

Từ thí nghiệm trên ta nhận thấy VR (điện thế trước Zener) thay đổi nhưng VD
(điện thế qua zener) vẫn ln ổn định.
* Diode thu quang
Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng
thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P - N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận
với cường độ ánh sáng chiếu vào diode.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 9


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

* Diode phát quang
Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp
làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA
Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có
điện, vv...

* Diode Varicap ( Diode biến dung )
Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi
ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode.

Ứng dụng của Diode biến dung Varicap (VD) trong mạch cộng hưởng
Ở hình trên khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào Diode Varicap thay đổi ,
điện dung của diode thay đổi => làm thay đổi tần số cơng hưởng của mạch.
Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi màu, trong các mạch
điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp.

* Diode xung
Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung, ta phải dùng Diode
xung để chỉnh lưu. Diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz,
diode nắn điện thơng thường khơng thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng
ngựơc lại diode xung có thể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá
thành cao hơn diode thường nhiều lần.Về đặc điểm, hình dáng thì Diode xung
khơng có gì khác biệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng
đánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 10


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

* Diode tách sóng.
Là loại Diode nhỏ vỏ bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode tiếp điểm vì mặt tiếp
xúc giữa hai chất bán dẫn P - N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách
sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu.
* Diode nắn điện.
Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz ,
Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A và 5A.
g. Ứng dụng
Vì Diode có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt đến ca-tốt khi phân
cực thuận nên diode được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện
một chiều. Ngồi ra diode có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối
tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các cơng tắc điện tử,

đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp, được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện
và điện tử.
Hình dáng 1 diode tích hợp cầu

* Sơ đồ khảo sát sự chỉnh lưu của Diode

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 11


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

2. Transistor tiếp xúc
Transistor hay còn gọi là bóng dẫn gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình
thành hai mối tiếp giáp P-N, nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận,
nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. Về phương diện cấu tạo
Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau. Cấu trúc này được gọi
là Bipolar Junction Transistor (BJT) vì dòng điện chạy trong cấu trúc này bao gồm
cả hai loại điện tích âm và dương (Bipolar nghĩa là hai cực tính).

Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B
(Base), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bán dẫn bên
ngồi được nối ra thành cực phát (Emitter viết tắt là E, và cực thu hay cực góp
(Collector) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P)
nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên khơng hốn vị cho nhau
được.
a. Ngun tắc hoạt động của Transistor

Trong chế độ tuyến tính hay còn gọi là chế độ khuyếch đại, Transistor là phần
tử khuyếch đại dòng điện với dòng Ic bằng β lần dòng bazo (dòng điều khiển) Trong
đó β là hệ số khuyếch đại dòng điện . Ic = βIB
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 12


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

* Xét ngun lý hoạt động của PNP
Mạch khảo sát về ngun tắc hoạt
động của transistor NPN.
Ta cấp một nguồn một chiều UCE
vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn
vào cực C và (-) nguồn vào cực E. Cấp
nguồn một chiều UBE đi qua cơng tắc
và trở hạn dòng vào hai cực B và E,
trong đó cực (+) vào chân B, cực (-)
vào chân E. Khi cơng tắc mở, ta thấy
rằng, mặc dù hai cực C và E đã được
cấp điện nhưng vẫn khơng có dòng điện chạy qua mối CE (lúc này dòng IC = 0).
Khi cơng tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ
(+) nguồn UBE qua cơng tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành
dòng IB.
Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm
bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
Như vậy rõ ràng dòng IC hồn tồn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo

một cơng thức IC = β.IB. Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE, IB là dòng chạy qua
mối BE β là hệ số khuyếch đại của Transistor.
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống khơng thể vượt
qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBE do lớp bán
dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán
dẫn N (cực E) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P (cực B) lớn hơn số lượng lỗ
trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành
dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE
=> tạo thành dòng ICE chạy qua Transistor.
Sự hoạt động của Transistor PNP hồn tồn tương tự Transistor NPN nhưng
cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ E sang C còn
dòng IB đi từ E sang B.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 13


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

* Ký hiệu và hình dáng Transistor .

* Đường tải tỉnh và điểm làm việc tỉnh
Khảo sát sự phân cực cho Transistor như sơ đồ sau:

Theo định luật Kirchhoff cho vòng bazor-emitor ta có:
U CC = RB I B + VU BE ⇒ I B =

U CC − U BE
RB

Khi làm việc chuyển tiếp emito ln phân cực thuận, cho nên UBE thường rất
nhỏ (từ 0.2V đến 0.7V), UCC khơng đổi, RB khơng đổi, do đó dòng IB từ nguồn mọt
chiều cung cấp cho Transistor sẻ khhong đổi nên người ta gọi là phân cực dòng cố
định.
Ta có: IC = βIB
Theo định luật Kirchhoff cho vòng collector- emitor ta có:
UCC = ICRC + UCE → UCE = UCC - ICRC
Biểu thức trên được gọi là phương trình đường tải tỉnh.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 14


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

b. Các thơng số kỹ thuật của Transistor
- Dòng điện cực đại : Là dòng điện giới hạn của transistor, vượt qua dòng giới
hạn này Transistor sẽ bị hỏng.
- Điện áp cực đại : Là điện áp giới hạn của transistor đặt vào cực CE , vượt qua
điện áp giới hạn này Transistor sẽ bị đánh thủng.
- Tấn số cắt : Là tần số giới hạn mà Transistor làm việc bình thường, vượt q
tần số này thì độ khuyếch đại của Transistor bị giảm.
- Hệ số khuyếch đại : Là tỷ lệ biến đổi của dòng ICE lớn gấp bao nhiêu lần
dòng IBE
- Cơng xuất cực đại : Khi hoat động Transistor tiêu tán một cơng xuất

P = UCE . ICE nếu cơng xuất này vượt q cơng xuất cực đại của Transistor thì
Transistor sẽ bị hỏng .
c. Một số Transistor đặc biệt
Transistor số thường được sử dụng trong các
mạch cơng tắc, mạch logic, mạch điều khiển , khi
hoạt động người ta có thể đưa trực tiếp áp lệnh 5V
vào chân B để điều khiển đèn ngắt mở.
* Ký hiệu : Transistor Digital thường có các
ký hiệu là DTA...(đèn thuận), DTC...(đèn ngược), KRC...(đèn ngược), KRA...(đèn
thuận), RN12...(đèn ngược), RN22...(đèn thuận), UN...., KSR... Thí dụ: DTA132 ,
DTC 124 vv...
* Transistor cơng xuất dòng (cơng xuất ngang).
Transistor cơng xuất lớn thường được gọi là sò. Sò dòng, Sò
nguồn vv..các sò này được thiết kế để điều khiển bộ cao áp
hoặc biến áp nguồn xung hoạt động, Chúng thường có điện
áp hoạt động cao và cho dòng chịu đựng lớn. Các sò cơng
xuất dòng (Ti vi màu) thường có đấu thêm các diode đệm ở
trong song song với cực CE.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 15


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

d. Ứng dụng của Transistor
* Mạch dao động đa hài

- Sơ đồ khảo sát mạch:

- Tính tốn lý thuyết
+ Thời gian nạp điện vào hai tụ C1 và C2 để đưa điện thế từ -VCC lên 0.8 Volt
là:
T = T1 + T2 = R = 0.7 RB1C1 + 0.7 RB 2 C 2
 RB1 = RB 2 = 150KΩ
⇒ T = 1.4 RC = 0.987(s)

C1 = C 2 = C = 4.7 µF

 RB1 ≥ β RC1
 RB 2 ≥ β RC 2

+ Điều kiện để T1 và T2 bảo hòa là: 

+ Kết quả mạch tạo ra sóng vng liên tục mà khơng cần xung kích từ ngồi
vào.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 16


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

3. Thyristor (SCR – Silicon controlled Rectifier).
a. Cấu tạo và đặc tính

SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối
PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được
kiểm sốt bởi cổng silicium. Các tíêp xúc kim loại được tạo ra
các cực Anod A, Catot K và cổng G.
b. Ngun lý vận chuyển
* Trường hợp cực G để hở hay VG = 0V

.
Khi dòng điện vào cực điều khiển của Thyristor bằng 0, hay khi hở mạch cực
điều khiển, Thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện
áp giữa anode và catode. Khi điện áp UAK < 0 theo cấu tạo bán dẫn của Thyristor
hai tiếp giáp J1, J3 đều phân cực ngược, lớp tiếp giáp J2 phân cực thuận, như vậy
Thyristor sẽ giống như hai diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược. Qua Thyristor sẽ
chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò. Khi UAK tăng đạt đến một giá
trị điện áp lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng Thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thể
tăng lên rất lớn. Giống như ở đoạn đặc tính ngược của điốt q trình đánh thủng là
khơng thể đảo ngược được, nghĩa là Thyristor đã bị hỏng.
Khi tăng điện áp anode-catode theo chiều thuận, UAK > 0, đến điện áp ngập
UBO (Break – Over), lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là
dòng rò. Điện trở tương đương mạch anode-catode vẫn có giá trị rất lớn. Khi đó tiếp
giáp J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngược. Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị
điện áp thuận lớn nhất sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anodecatode đột ngột giảm, dòng điện có thể chạy qua Thyristor và giá trị sẽ chỉ bị giới
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 17


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

hạn bởi điện trở tải ở mạch ngồi. Nếu khi đó dòng qua Thyristor có giá trị lớn hơn
một mực dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì IH (Holding), thì khi đó Thyristor sẽ dẫn
dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận của điốt.
* Có dòng điện vào cực điều khiển (Ig > 0)
Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và catode thì q trình
chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện
áp thuận đạt giá trị lớn nhất. Nói chung nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm
chuyển đặc tính làm việc sẽ xảy ra với UAK nhỏ hơn.
* Mở Thyristor
Khi được phân cực thuận, UAK>0, Thyristor có thể mở bằng hai cách:
Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode-catode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp
thuận lớn nhất, Uth,max . Điện trở tương đương trong mạch anode-catode sẽ giảm đột
ngột và dòng qua Thyristor sẽ hồn tồn do mạch ngồi xác định. Phương pháp này
trong thực tế khơng được áp dụng do ngun nhân mở khơng mong muốn và khơng
phải lúc nào cũng tăng được điện áp đến giá trị Uth,max. Hơn nữa như vậy xảy ra
trường hợp Thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm
ngẫu nhiên, khơng định trước.
Phương pháp thứ hai, được áp dụng trong thực tế, là đưa một xung dòng điện
có giá trị nhất định vào các cực điều khiển và catode. Xung dòng điện điều khiển sẽ
chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp ở mức điện áp
anode-catode nhỏ. Khi đó nếu dòng qua anode-catode lớn hơn một giá trị nhất định
gọi là dòng duy trì (IH) Thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng thái mở dẫn dòng mà
khơng cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển. Điều này nghĩa là có thể điều
khiển mở các Thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung nhất định, do đó cơng
suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với cơng suất của mạch lực mà
Thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.
c. Các thơng số của SCR
- Dòng thuận cực đại:
Là dòng điện anod IA trung bình lớn nhất mà SCR có thể chịu đựng được liên

tục. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dòng thuận tối
đa tùy thuộc vào mỗi SCR, có thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere.
IA ≅
SVTH: Phạm Thanh Đen

VCC − 1V
R
Trang 18


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

- Điện thế ngược cực đại:
Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà chưa xảy ra sự hủy thác
(breakdown). SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục volt đến hàng ngàn
volt.
- Dòng chốt (latching current):
Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng
thái ngưng sang trạng thái dẫn. Dòng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở
SCR cơng suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có cơng suất lớn.
- Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current):
Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái
dẫn điện mà khơng cần dòng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta
phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy theo mỗi SCR, dòng cổng tối
thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nói chung, SCR có cơng suất càng lớn thì cần
dòng kích lớn. Tuy nhiên, nên chú ý là dòng cổng khơng được q lớn, có thể làm
hỏng nối cổng-catod của SCR.
- Thời gian mở (turn – on time):

Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường
là 0,9 lần dòng định mức). Thởi gian mở khoảng vài s. Như vậy, thời gian hiện diện
của xung kích phải lâu hơn thời gian mở µ
- Thời gian tắt (turn – off time):
Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0Volt, tức dòng anod cũng
bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn
dẫn điện mặc dù khơng có dòng kích. Thời
gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế
VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà
SCR khơng dẫn S. Nhưµđiện trở lại. Thời
gian này lớn hơn thời gian mở, thường
khoảng vài chục vậy, SCR là linh kiện
chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa
khoảng vài chục KHz.
d. Ứng dụng
* Mạch điều khiển tốc độ động cơ
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 19


Luận văn tốt nghiệp

GVHD Vương Tấn Só

Dòng điện qua động cơ là dòng điện ở bán kỳ dương và được thay đổi trị số
bằng cách thay đổi góc kích của dòng IG.
Khi SCR chưa dẫn thì chưa có dòng điện qua động cơ, diode D nắn điện bán
kỳ dương nạp vào tụ qua điện trở R1 và biến trở RV. Điện áp cung cấp cho cực G lấy
trên tụ C và qua cầu phân áp R2, R3.

Giả sử điện áp đủ kích cho cực G là VG = 1V và dòng kích IGmin = 1mA thì
điện áp trên tụ C phỉa khoảng 10V. Tụ C nạp điện qua R1 và qua RV với hằng số
thời gian là: τ = C ( R1 + RV )
Khi thay đổi trị số RR sẽ làm thay đổi thời gian nạp tụ tức là thay đổi thời điểm
có dòng xung kích IG sẽ làm thay đổi dòng điện qua động cơ và làm cho tốc độ động
cơ bị thay đổi.
Khi nguồn AC có bán kỳ âm thì diode D và SCR điều bị phân cực ngược nên
diode D ngưng dẫn và SCR cũng chuyển sang trạng tháy ngưng.
* Mạch nắn điện điều khiển tồn kỳ một pha
Giả sử tại thời điểm (1) tại A có bán kỳ dương và nếu T1 được kích xung
dương ở G thì T1 dẫn điện, dòng điện đi từ A qua T1 rồi qua D2 và trở về nguồn (B).
Khi đó ở bán kỳ (2) tại A có bán kỳ âm và nếu T2 được kích xung dương ở G
thì T2 dẫn điện, dòng điện đi từ B qua T2 qua R rồi qua D1 và về nguồn (A).

A

B

(a)

Hình 3.1 (a) Sơ đồ nắn điện điều khiển tồn kỳ dùng SCR. )b)&(c) điện áp trên
tải (VL) so với điện áp xoay chiều ở ngõ vào (u(t)) và điện áp xung kích (VG).
4. Các linh kiện điều khiển khác
a. DIAC (Diode AC semiconductor)
T1

* Cấu tạo
Diac có ba lớp bán dẫn khác loại ghép nối tiếp như một transistor
khơng có cực nền. Hai cực T1 và T2 vì tính chất đối xứng nên khơng cần

T2

phân biệt T1 và T2
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 20


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

* Ngun lý
Xét mạch thí nghiệm như hình 4.1, biến trở RV
dùng để chỉnh nguồn VCC từ thấp đến cao. Khi VCC
có trị số thấp thì dòng điện qua Diac chỉ là dòng điện
rỉ có trị số rất nhỏ. Khi tăng điện áp VCC lên một trị
số đủ lớn là VBO thì điện áp trên Diac bị giảm xng
và dòng điện tăng lên nhanh. Điện áp này gọi là điện

Hình 4.1. Sơ đồ thí nghiệm
ngun lý hioạt động của Diac

áp ngập (Break – over) và dòng điện qua Diac ở
điểm VBO là dòng điện ngập IBO.
Điện áp VBO có trị số trong khoảng từ 20V đến 40V. Dòng điện IBo có trị số
trong khoảng vài chục µA đến vài trăm µA.
Hình 4.2 cho thấy đặt
tính của Diac giống như đặt
tính của hai diode Zener

-VBO

+IBO

V
-IBO

ghép nối tiếp nhưng ngược
chiều nhau, như hình 4.3

T2

I

T2

≡

+VIBO
T1

Hình 4.2. Đặc tính của Diac

T1

Hình 4.3 .Diac tương
tương hai Zener

Khi có điện áp đặt vào

hai chân T1 - T2 của hao diode Zener Z1 – Z2 thì sẻ phân cực thuận cho một diode
Zener, cho ra điện áp VD ≈ 0.7V và phân cực nghịch Zener tạo ra hiệu ứng Zener
cho ra điện áp VZ.
Như vậy điện áp , điện áp VBO = VD + VZ.
Khi đổi chiều ngược lại thì vẫn có một Zener phân cực nghịch và một Zener
phân cực thuận, nên ta cũng có điện áp VBO.
b. TRIAC (Triode AC AC semiconductor)
* Cấu tạo
Triac gồm các bán dẫn P-N ghép nối tiếp nhau

≡

G

và được nối ra ba chân hai chân T1 - T2, chân là
chân cực cửa G, cấu tạo của tri Triac được xem như
hai SCR ghép song song và ngược chiều.

T2

T2

T1

T1

Hình 4.4 Triac xem như 2 SCR
mắt song song, ngược chiều

* Ngun lý
Theo cấu tạo, 1 Triac được xem như hai SCR ghép song song và ngược chiều
nên khi khảo sát đặt tính của Triac, ta khảo sát các trường hợp sau:
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 21


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

T2

I

T1

T2

I

T1

(b)

(a)

Hình 4.5 Thí nghiệm khảo sát đặt tính dẫn điện DC của Triac

- Khi cực T2 có điện áp dương và cực G được kích xung dương thì Triac dẫn
điện theo chiều từ T2 qua T1 (hình 4.5 a)
- Khi cực T2 có điện áp âm và cực G
được kích âm dương thì Triac dẫn điện
theo chiều từ T1 qua đến T2 (hình 4.5 b).
- Khi Triac được dùng trong mạch
xoay chiều thì nguồn điện có bán kỳ
dương triac được kích xung dương, dòng

Hình 4.6 Đặc tính của Triac trong mạch AC

kiện có bán kỳ âm Triac cũng được kích xung âm. Do đó Triac cho dược dòng điện
qua cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp trên hai cực T1 – T2 rất nhỏ nên được
coi như cơng tắt bán dẫn dùng trong mạch xoay chiều (hình 4.6)
c. SCS (Silicon Controlled Switch)
* Cấu tạo
Gồm 4 lớp bán dẫn xếp xen kẻ nhau giống như SCR nhưng có them một chân
cổng nối với lớp bán dẫn N. Để phân biệt người ta gọi chân cổng nối với lớp P là
catode, chân cổng nối với N là anode.
A
P
GK

A

A
GA

GA

GA

N
P

GK
GK

N
K

Hình 4.7 a. cấu tạo SCS

K

Hình 4.7 b. Kí hiệu

K
Hình 4.7 c. Mạch tương đương

Do SCS có các lớp bán dẫn xếp xen kẻ giống như SCR nên SCS có mạch
tương đương giống như SCR nhưng có them cực GA, tức là cực B của Transistor
NPN.
SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 22


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

* Ngun lý
Để điều khiển SCS dẫn, ta kích một xung dương vào cực B của Transistor
NPN làm cho T1 dẫn kéo theo T2 dẫn và hai Transistor sẽ tiến đến bảo hòa. SCS
cũng có tính tự duy trì trạng thái dẫn sau khi được kích giống như SCR. Lúc đó VAK
≈ 1V.

Sau khi SCS dẫn, muốn cho SCS ngưng thì ta kích tiếp một xung dương vào
cổng GA. Lúc đó, Transistor PNP bị phân cực nghịch T2 ngưng kéo theo T1 ngưng.
Ngược lại, ta có thể kích SCS dẫn bằng xung âm vào cực cổng GA tức là phân
cực thuận cho Transistor PNP tức T2 dẫn, kéo theo T1 dẫn. Sau khi dẫn muốn SCS
ngưng ta kích một xung âm vào vào cực GA. Lúc đó, Transistor T1 bị phân cực
ngược nên ngưng dẫn, kéo theo T1 ngưng.
Như vậy, nhờ có thêm cực cổng GA mà ta có thể làm SCS ngưng một cách dễ
dàng sau khi kích để SCS dẫn và SCS có hai phương thức kích dẫn, kích ngưng
bằng xung âm hoặc dương.

d. GTO (Gate Turn-off Thyristor)

A

* Cấu tạo

A

GTO có cấu tạo tương đương như
Thyristor, cũng có 4 lớp bán dẫn P-N xếp xen
kẽ và nối ra ba chân là anode, catode và gate,
nhưng giữa GTO khác SCR là được chế từ

G

≡G
K
K
Hình 4.8 ký hiệu và cấu tạo GTO

Transistor có độ khuếch đại β rất nhỏ.

SVTH: Phạm Thanh Đen

Trang 23


GVHD Vương Tấn Só

Luận văn tốt nghiệp

* Ngun lý
A

GTO có cấu

tạo

với

hai

Transistor có độ
khuếch
nhỏ,

đại
khi

muốn

kích GTO ngưng
dẫn ta có tạo một
Hình 4.9 Trạng thái ngưng dẫn GTO

điện áp phân cực
nghịch giữa cực

cổng và catode để kéo dòng IC2 để làm ngưng T1 kéo theo T2 ngưng.
Đối với GTO để thực hiện được ngun lý kích ngưng như trên, người ta chỉ
chế tạo các loại GTO có cơng suất trung bình để có dòng IA và IA nhỏ. Do đó β nhỏ
nên dòng kích IG của GTO lớn hơn nhiều lần so với SCR cùng cơng suất. GTO có
một thong số quang trọng là tỉ số giữa dòng IA và dòng kích ngưng ở cực cổng IGOFF

gọi là độ lớn dòng tắt, thường khoảng 10 lần.
Ký hiệu: GOFF =

IA
I G −OFF

≅ 10 (Turn-off Current gain).

e. PUT (Programmable Unijunction Transistor)
* Cấu tạo
Gồm 4 lớp bán dẫn P-N xếp xen kẻ như Thyristỏ nhưng cực cổng bây giờ
được tiếp với lớp bán dẫn N.
A
P

A

A

G

G

G

N
P
N
K

Hình 4.10 a. cấu tạo PUT

K

Hình 4.10 b. Kí hiệu

Hình 4.10 c. Mạch tương

* Ngun lý – Đặt tính
Xét mạch TN : Điện áp G được xác định VG = VDD
η

RG1
RG1 + RG 2

SVTH: Phạm Thanh Đen

RG1
= VDD Với
RG1 + RG 2

Hình 4.11 Đặt tính PUT

Trang 24