Tài liệu Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện docx

Nội dung chính của chương gồm:
- Tổng quan về lịch sử phát triển của điện tử học.
- Nghiên cứu về các hệ thống điện tử và phân loại các hệ thống điện tử.
Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp các thiết bị điện tử dưới dạng điện thoại, máy thu thanh,
thu hình, các thiết bị âm thanh, các dụng cụ gia đình, máy tính, và thiết bị điều khiển công nghiệp và tự
động. Điện tử học đã trở thành tác nhân kích thích và thành phần không thể thiếu cho sự thiết lập và
phát triển của công nghệ hiện đại. Kỹ thuật điện tử sẽ đề cập đến việc chế tạo và ứng dụng của các cấu
kiện điện tử.
1.1 Quá trình lịch sử của điện tử học.
Kỷ nguyên điện tử học bắt đầu bằng việc phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên bởi Fleming vào
năm 1904 đó là đèn chân không ba cực. Phát minh này đã được tiếp theo bởi sự phát triển của diode
tiếp xúc điểm bán dẫn (silicon) bởi Pickard vào năm 1906, các mạch máy thu thanh bằng các diode và
đèn ba cực trong khoảng thời gian từ năm 1907 - 1927, máy thu thanh đổi tần bởi Armstrong vào năm
1920, minh chứng về truyền hình vào năm 1925, dụng cụ hiệu ứng trường bởi Lilienfield vào năm
1925, điều chế FM bởi Armstrong vào năm 1933, và radar vào năm 1940.
Cuộc cách mạng về điện tử học đầu tiên bắt đầu vào năm 1947, bằng việc phát minh transistor silicon
bởi Bardeen, Bratain, và Shockley ở các phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell. Phần lớn các công
nghệ điện tử tiên tiến hiện nay là đều bắt nguồn từ phát minh đó, chẳng hạn như các vi mạch hiện đại
đã được phát triển trong nhiều năm từ các dụng cụ bán dẫn. Cuộc cách mạng đã được tiếp theo bằng
việc phát minh máy thu hình màu vào năm 1950 và phát minh ra các transistor hiệu ứng trường bởi
Shockley vào năm 1952.
Sự phát triển tiếp theo vào năm 1956, khi phòng thí nghiệm Bell phát minh ra transistor kích dẫn 4 lớp
(pnpn), cũng gọi là thyristor hay bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng bán dẫn (SCR). Cuộc cách mạng
điện tử lần thứ hai bắt đầu bằng việc phát triển thyristor thương mại do hãng General Electric sản xuất
vào năm 1958. Cuộc cách mạng đó đã bắt đầu một kỷ nguyên mới về ứng dụng điện tử học trong việc
xử lý hay điều hoà công suất, được gọi là điện tử công suất. Sau đó, nhiều loại dụng cụ bán dẫn công
suất khác nhau và các kỹ thuật biến đổi đã được phát triển.
Mạch tích hợp (IC) đã được phát minh vào năm 1958, thực hiện đồng thời bởi Kilby tại hãng Texas
Instruments và Noyce và Moore tại hãng Fairchild Semiconductor đã mở đầu một giai đoạn mới trong

cuộc cách mạng về vi điện tử. Phát minh này đã được tiếp theo bởi phát minh IC thương mại đầu tiên:
bộ khuyếch đại thuật toán, A709, bởi hãng Fairchild Semiconductor vào năm 1968; bộ vi xử lý 4004
bởi hãng Intel vào năm 1971; bộ vi xử lý 8 bit bởi hãng Intel vào năm 1972; và chip nhớ gigabit bởi
Intel vào năm 1995. Sự tiến triển từ các đèn chân không đến các bộ vi xử lý được thể hiện ở hình 1.1.
Sự phát triển IC liên tục hiện nay với kết quả đạt được là các chip mật độ cao hơn với công suất nguồn
cung cấp thấp hơn; các mức tích hợp trong các mạch được thể hiện ở bảng 1.1.

Bảng 1.1: Các mức tích hợp.
Mốc thời gian Mức độ tích hợp Số lượng cấu kiện trong một Chip
Thập kỷ 1950 Các cấu kiện rời 1 đến 2
Thập kỷ 1960 Mạch tích hợp mức độ thấp (SSI) ít hơn 10
2

1966 Mạch tích hợp mức độ trung bình (MSI) từ 10
2
đến 10
3

1969 Mạch tích hợp mức độ lớn (LSI) từ 10
3
đến 10
4

1975 Mạch tích hợp mức độ rất lớn (VLSI) từ 10
4
đến 10
9

Thập kỷ 1990 Mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI) trên 10
9

1.2 Các hệ thống điện tử.
Một hệ thống điện tử là sự lắp ráp các dụng cụ và linh kiện điện tử thành một khối xác định của các tín
hiệu vào và các tín hiệu ra. Bằng cách sử dụng các transistor làm các dụng cụ tiếp nhận thông tin dưới
dạng các tín hiệu vào, các transistor sẽ xử lý tín hiệu, và sau đó sẽ tạo ra các tín hiệu ra. Các hệ thống
điện tử có thể được phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng, chẳng hạn như hệ thống thông tin, điện tử y tế,
thiết bị đo lường, hệ thống điều khiển, hay hệ thống máy tính.
Hình 1.2a, là sơ đồ khối của một máy thu thanh FM. Antenna có vai trò như một phần tử nhạy cảm với
tín hiệu [cảm biến hay sensor]. Tín hiệu vào từ antenna có biên độ nhỏ, thường trong khoảng V, nên
cần phải được khuyếch đại biên độ và mức công suất bằng hệ thống điện tử trước khi cung cấp cho loa.
Sơ đồ khối của thiết bị đo hiển thị nhiệt độ ở hình 1.2b. Tín hiệu ra sẽ làm thiết bị đo hiển thị. Sensor
nhiệt độ sẽ tạo ra một mức điện áp nhỏ, thường vào khoảng vài millivolt trên một độ tăng lên trên 0
o

(tức là 1mV/
o
C). Cả hai hệ thống đều nhận tín hiệu vào từ một sensor, xử lý tín hiệu, và tạo ra mức tín
hiệu ra để điều khiển phần tử chấp hành [actuator].
Một hệ thống điện tử cần phải thông tin với các dụng cụ đầu vào và đầu ra. Thông thường, các tín hiệu
vào và ra dưới dạng các tín hiệu điện. Các tín hiệu vào có thể lấy từ phép đo các đại lượng vật lý chẳng
hạn như nhiệt độ hay mức chất lõng, còn các tín hiệu ra có thể sử dụng để làm thay đổi các đại lượng
vật lý khác như độ hiển thị nhiệt độ hay mức chất lõng và các phần tử phát nhiệt. Các hệ thống điện tử
thường sử dụng các các cảm biến [sensor] để thu các đại lượng vào và các bộ kích thích [actuator] để
phát tín hiệu ra. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được gọi là các bộ chuyển đổi [transducer].
Ví dụ, loa là một bộ chuyển đổi dùng để biến đổi tín hiệu điện tử thành âm thanh.
Các cảm biến: Có nhiều loại cảm biến, bao gồm:
- Các nhiệt trở [thermistor] hay nhiệt ngẫu [thermocouple] dùng để đo nhiệt độ.
- Các cấu kiện quang transistor hay quang diode dùng để đo ánh sáng.
- Các bộ định cở sức căng và các vật liệu áp điện dùng để đo lực.

- Các điện thế kế, các cảm biến điện cảm, và các bộ mã hoá vị trí tuyệt đối dùng để đo độ dịch chuyển.
- Các máy phát tốc, các gia tốc kế, và các cảm biến theo hiệu ứng Doppler để đo độ dịch chuyển.
- Các microphone để đo âm thanh.
Các bộ kích thích hay phần tử chấp hành: Các bộ kích thích tạo ra các đại lượng ra không điện từ
tín hiệu điện. Có nhiều kiểu bộ kích thích gồm:
- Các bộ phát nhiệt bằng điện trở để tạo ra nhiệt.
- Các diode phát sáng [LED] và các đèn chiếu sáng để điều khiển độ sáng.
- Các cuộn dây kim loại tạo ra từ tính khi có dòng điện chạy qua [solenoid] để tạo ra lực.
- Các đồng hồ đo để chỉ thị độ dịch chuyển.
- Các động cơ điện để tạo ra sự chuyển động hay tốc độ.
- Loa và các bộ chuyển đổi siêu âm để tạo ra âm thanh.
1.3 Tín hiệu điện tử và ký hiệu.
Các tín hiệu điện tử có thể phân chia thành hai loại: tín hiệu tương tự [analog] và tín hiệu số [digital].
Tín hiệu tương tự có dãi biên độ thay đổi liên tục theo thời gian, như mô tả ở hình 1.3a. Tín hiệu số chỉ
có các mức điện áp gián đoạn theo thời gian, như thể hiện ở hình 1.3c. Một tín hiệu số chỉ có hai giá
trị, tương ứng với trạng thái logic nhị phân 1 (cho mức cao) và trạng thái logic nhị phân 0 (cho mức
thấp). Để có các biến thiên thích hợp theo các giá trị thành phần, nhiệt độ, và nhiễu (các tín hiệu bên
ngoài), thì trạng thái logic 1 thường được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 2 đến 5V.
Trạng thái logic 0 có thể được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 0,8V.
Tín hiệu ra của một cảm biến thường có dạng tương tự, và các bộ kích thích thường đòi hỏi tín hiệu
vào tương tự để cho tín hiệu ra mong muốn. Tín hiệu vào tương tự có thể được biến đổi thành dạng số
và ngược lại. Các mạch điện tử thực hiện việc biến đổi đó gọi là các bộ biến đổi tương tự - số (A/D) và
số - tương tự (D/A).
Các bộ biến đổi tương tự - số: Bộ biến đổi A/D sẽ biến đổi tín hiệu tương tự thành dạng số và sẽ cho
một giao tiếp giữa tín hiệu tương tự và số. Xét điện áp vào tương tự như ở hình 1.4a. Tín hiệu vào sẽ
được lấy mẫu tại các khoảng thời gian tuần hoàn được xác định theo khoảng thời gian lấy mẫu T
s
, và
một số nhị phân n-bit (b
1

b
2
. . . . b
n
) sẽ được gán cho mỗi mẫu như ở hình 1.4b, với n = 3. Số nhị phân
n-bit là một phần nhị phân sẽ tương ứng với tỷ số giữa điện áp vào chưa biết v
1
và điện áp đầy thang
V
FS
của bộ biến đổi. Đối với n = 3, mổi phần nhị phân là V
FS
/2
n
= V
FS
/8. Điện áp ra của bộ biến đổi
A/D 3-bit biểu diễn ở hình 1.4c.
Mối quan hệ vào - ra như thể hiện ở hình 1.4c, cho thấy rằng khi điện áp vào tăng lên từ 0 đến mức đầy
thang, thì các mức ra nhị phân tăng lên từ 000 đến 111. Tuy nhiên, số nhị phân vẫn không đổi đối với
khoảng điện áp vào là V
FS
/2
n
(= V
FS
/8 với n = 3), mà sẽ bằng 1 bit có nghĩa thấp nhất (LSB) của bộ
biến đổi A/D. Do vậy, khi điện áp vào tăng, mức ra nhị phân sẽ cho đầu tiên là sai số âm và sau đó là
sai số dương, như ở hình 1.4d. Sai số này được gọi là sai số lượng tử hoá, có thể giảm bằng cách tăng
số lượng các bit n. Vậy, sai số lượng tử có thể được xác định theo mức điện áp thấp nhất mà LSB của

mức ra nhị phân có thể thay đổi từ 0 đến 1. Sai số lượng tử cũng được gọi là độ phân giải của bộ biến
đổi, và được tính từ biểu thức:
n
FSerrorLSB
/2 VVV
(1.1)
trong đó: V
FS
là mức điện áp đầy thang của bộ biến đổi. Ví dụ, V
LSB
của bộ biến đổi 8 - bit là:
20mV 19,53mV 5/2 /2
8n
FSLSB
VV

Các bộ biến đổi số - tương tự: Bộ biến đổi D/A sẽ lấy tín hiệu vào dưới dạng nhị phân và sẽ tạo ra
điện áp ra hoặc dòng ra dưới dạng tương tự (hay liên tục). Sơ đồ khối của bộ biến đổi D/A n - bit gồm
các số nhị phân (b
1
b
2
......b
n
) như ở hình 1.5.
Bộ biến đổi D/A sẽ tạo ra phần nhị phân mà sẽ được nhân với mức điện áp đầy thang V
FS
để có mức
điện áp ra được biểu diễn bằng:
FS

-n
n
-3
3
-2
2
-1
1o
)2 . . . 2 2 2 ( VbbbbV
(1.2)
trong đó: số nhị phân thứ i là b
i
= 0 hoặc b
i
= 1 và b
1
là bit có ý nghĩa nhất (MSB).
Ví dụ, với V
FS
= 5V, n = 3, và từ số nhị phân b
1
b
2
b
3
= 110, phương trình (1.2) sẽ cho:
3,75V 5V )20 21 2 1 (
-3-2-1
o
V

Ký hiệu: Một tín hiệu tương tự thường được biểu diễn bằng một ký hiệu với chỉ số dưới dòng, có thể
là chữ viết hoa hoặc chữ viết thường, tuân theo biểu diễn quy ước ở bảng 1.2. Ví dụ, xét mạch ở hình
1.6a, đầu vào của mạch có điện áp dc V
DC
= 5V, và điện áp ac v
ab
= 2sin t. Các mức điện áp tức thời
có ở hình 1.6b. Các quy định về ký hiệu của điện áp và dòng điện như sau:
1. V
DC
, I
DC
là các giá trị một chiều (dc): các biến số viết hoa và các chỉ số dưới dòng viết hoa.
V
DC
= 5V; I
DC
= V
DC
/ R
L
= 5mA.
2. v
ab
, i
a
là các giá trị xoay chiều (ac) tức thời: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết
thường.
v

ab
= v
ac
= 2sin t; i
a
= 2sin t mA (đối với R
L
= 1k ).
3. v
AB
, i
A
là các giá trị tức thời tổng: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết hoa.
v
AB
= V
DC
+ v
ab
= 5 + 2sin t; i
A
= I
DC
+ i
a
= 5mA + 2sin t mA (với R
L
= 1k ).
4. V
ab

, I
a
là các giá trị biên độ tổng: các biến viết hoa, còn các chỉ số dưới dòng viết thường.
5,20V)2(5
22
ab
V
;
mA 5,20)2(5
22
a
I

Bảng 1.2: Cách xác định các ký hiệu và chỉ số.
Định nghĩa Đại lượng Chỉ số Ví dụ
Giá trị một chiều (dc) của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in hoa V
D

Giá trị xoay chiều (ac) của tín hiệu Chữ in thường Chữ in thường v
d

Giá trị tức thời toàn bộ của tín hiệu (cả dc và ac) Chữ in thường Chữ in hoa v
D

Các biến số phức pha hay giá trị hiệu dụng của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in thường V
d


1.4 Phân loại các hệ thống điện tử.
Hình thái của việc xử lý tín hiệu khi được tạo ra bằng một hệ thống điện tử tuỳ thuộc bản chất của các

tín hiệu vào, các yêu cầu phát ra của các bộ kích thích, và yêu cầu chức năng toàn bộ. Tuy nhiên, có
một số chức năng thông dụng đối với một số lượng lớn các hệ thống. Các chức năng đó gồm khuyếch
đại, cộng và trừ các tín hiệu, tích phân và vi phân các tín hiệu, và lọc. Một vài hệ thống yêu cầu hàng
loại các hoạt động chẳng hạn như phép đếm, định thời, thiết lập, thiết lập lại, và quyết định thực hiện.
Ngoài ra, có thể yêu cầu tạo ra các tín hiệu sin hay dạng tín hiệu khác trong một hệ thống.
Các hệ thống điện tử có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực ô tô, thiết bị nghe nhìn gia đình, thiết bị thông
tin và công sở, thiết bị y tế, và trong nhiều lĩnh vực khác, giúp con người duy trì phong cách sống công
nghệ cao [high - tech]. Các hệ thống điện tử thường được phân loại theo các kiểu ứng dụng:
* Điện tử ô tô.
* Điện tử thông tin.
* Điện tử dân dụng.
* Điện tử công nghiệp.
* Điện tử đo lường.
* Cơ điện tử.
* Điện tử y tế.
* Điện tử công sở.
Lĩnh vực các ngành của điện tử được phân chia thành ba vùng riêng biệt tuỳ thuộc vào loại tín hiệu và
việc xử lý tín hiệu được yêu cầu bởi các hệ thống điện tử.
Điện tử tương tự sẽ đề cấp chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ
khuyếch đại. Các tín hiệu vào và ra lấy trong một dãi liên tục của các giá trị biên độ theo thời gian.
Chức năng của điện tử tương tự là truyền dẫn và xử lý thông tin chứa trong tín hiệu vào tương tự với
mức nhiễu thấp nhất.
Điện tử số sẽ đề cập chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ chuyển
mạch kín [on] và hở [off]. Cả tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu xung không liên tục xuất hiện
tại những thời điểm cách đều nhau về thời gian. Chức năng của điện tử số là truyền dẫn và xử lý thông
tin chứa trong tín hiệu vào số với lượng sai số thấp nhất ở tốc độ nhanh nhất.
Điện tử công suất sẽ đề cập về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của các dụng cụ bán dẫn công
suất, bao gồm các transistor công suất như các chuyển mạch "đóng" và "mở" để điều khiển và chuyển
đổi các nguồn điện. Điện tử tương tự và / hoặc điện tử số sẽ được sử dụng để tạo ra các tín hiệu điều
khiển cho các chuyển mạch công suất để nhận được các chiến lược điều khiển mong muốn (tức là

ac/dc, ac/ac, dc/ac, hay dc/dc) với hệ số biến đổi lớn nhất và độ méo dạng sóng thấp nhất. Tín hiệu vào
của hệ thống điện tử công suất là điện áp (hoặc dòng) của nguồn cung cấp dc hoặc ac. Điện tử công
suất có nội dung cơ bản về trạng thái và đặc tính của nguồn cung cấp đúng hơn là thông tin chứa trong
tín hiệu. Ví dụ, mạch điện tử công suất có thể tạo ra một nguồn cung cấp ổn định 12V cho một hệ
thống tương tự và 5V cho một hệ thống số, từ nguồn cung cấp 120V hay 220V.
Các mạch vi điện tử có khả năng tạo ra và xử lý các tín hiệu điều khiển ở tốc độ cao, nên điện tử công
suất cũng có khả năng tạo ra và điều khiển các mức công suất lớn với một hiệu suất cao, trong khoảng
từ 94% đến 99%. Nhiều nguồn điện áp ứng dụng của điện tử công suất hiện nay tạo ra từ việc kết hợp
giữa điện tử công suất - phần tử chấp hành, với vi điện tử - phần tử điều khiển. Ngoài ra, điện tử công
suất cũng nổi bật như một môn học riêng và có sự thay đổi về vấn đề xử lý và điều hoà công suất cho
việc điều khiển nguồn công nghiệp và tự động.
Nhiều hệ thống điện tử sử dụng cả hai kỹ thuật tương tự và số. Mỗi phương pháp thực hiện đều có các
ưu điểm và nhược điểm được tóm tắt như sau:
- Nhiễu thường có trong các mạch điện tử. Nhiễu được xác định như tín hiệu từ bên ngoài xuất hiện
bởi sự nhiễu loạn điện tử do nhiệt trong điện trở, cuộn cảm hay tụ khi ghép các tín hiệu từ các hệ thống
khác, hay từ các nguồn cung cấp khác. Nhiễu được bổ sung trực tiếp vào các tín hiệu tương tự nên sẽ
ảnh hưởng đến các tín hiệu như mô tả ở hình 1.7a. Vì vậy, nhiễu sẽ được khuyếch đại bởi các tầng
khuyếch đại nối tiếp nhau. Do các tín hiệu số chỉ có hai mức (cao hoặc thấp), nên nhiễu sẽ không ảnh
hưởng đến tín hiệu ra số, như mô tả ở hình 1.7b, nên nhiễu có thể bị loại bỏ một cách hiệu quả ra khỏi
các tín hiệu số.
- Một mạch tương tự cần phải có một vài cấu kiện chuyên dụng so với một mạch số để thực hiện một
chức năng đã cho. Tuy nhiên, mạch tương tự thường yêu cầu các tụ điện hay các cuộn cảm có giá trị
lớn mà không thể chế tạo được trong các vi mạch.
- Mạch số dễ chế tạo hơn so với mạch tương tự dưới dạng các vi mạch (các IC), mặc dù có thể phức
tạp hơn so với mạch tương tự. Tuy nhiên, các mạch số thường cho chất lượng và tốc độ xử lý tín hiệu
cao hơn.
- Các hệ thống tương tự được chế tạo để thực hiện các chức năng hay các hoạt động cụ thể, trong khi
các hệ thống số có thể thích ứng với nhiều loại nhiệm vụ hay người dùng khác nhau.
- Tín hiệu từ các sensor và tín hiệu đưa đến các bộ kích thích trong các hệ thống điện tử thường là tín
hiệu tương tự. Nếu tín hiệu vào có biên bộ thấp và cần phải được xử lý tại các tần số rất cao, thì cần

phải sử dụng kỹ thuật tương tự. Để hiệu quả trong thiết kế và chế tạo thường sử dụng cả hai phương
pháp tương tự và số.
1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống điện tử.
Một hệ thống điện tử thường được thiết kế để thực hiện các chức năng hay các hoạt động nào đó. Hiệu
suất của hệ thống điện tử được quy định hay được đánh giá theo các thông số về điện áp, dòng điện,
trở kháng, công suất, thời gian làm việc, và tần số tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Các thông số làm
việc bao gồm các chỉ tiêu quá độ, độ méo, các chỉ tiêu về tần số, và các thông số dc và tín hiệu bé.
Các thông số quá độ: Các thông số quá độ nghĩa là tín hiệu ra của mạch tạo ra theo đáp ứng đối với
tín hiệu vào quy định, thường là tín hiệu xung lặp lại, như mô tả ở hình 1.8a. Tín hiệu ra thường xét
thông qua thời gian trễ [delay time] t
d
, thời gian tăng [rise time] t
r
, thời gian mở [on time] t
on
, thời gian
giảm [fall time] t
f
, và thời gian ngưng [off time] t
off
trong mỗi chu kỳ, như ở hình 1.8b. Tuỳ thuộc vào
hệ số suy giảm của mạch mà đáp ứng có thể biểu hiện vượt quá mức trên trước khi thiết lập vào trạng
thái ổn định như thể hiện bởi đường đứt nét ở hình 1.8b.
Các khoảng thời gian liên quan với tín hiệu ra được định nghĩa như sau:
* Thời gian trễ t
d
là khoảng thời gian trước khi mạch có thể đáp ứng với tín hiệu vào bất kỳ.
* Thời gian tăng t
r
là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu đầu ra tăng lên từ 10% đến 90% của

giá trị cuối cùng của tín hiệu (mức cao).
* Thời gian mở t
on
là khoảng thời gian mà mạch được chuyển sang mở hoàn toàn và có chức năng
theo chế độ thông thường của mạch.
* Thời gian giảm t
f
là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu ra giảm từ 90% xuống 10% của giá trị
ban đầu (mức cao) của tín hiệu.
* Thời gian ngưng t
off
là khoảng thời gian để mạch ngưng hoàn toàn.
Như vậy, chu kỳ chuyển mạch T là:
offfonr
tttttT
d
(1.3)
và tần số chuyển mạch là f = 1/T. Các khoảng thời gian trên là giới hạn tốc độ chuyển mạch lớn nhất
f
max
của mạch. Ví dụ, tần số chuyển mạch lớn nhất của mạch có t
d
= 1 s và t
r
= t
f
= 2 s là:
200kHz s1/5 )(1/
fr
ttt f

d

Độ méo dạng: Khi truyền qua các tầng khác nhau trong phạm vi một hệ thống điện tử, tín hiệu thường
bị méo dạng. Độ méo dạng có thể lấy theo nhiều dạng và có thể do sự biến đổi về dạng, biên độ, tần
số, hoặc pha của tín hiệu. Một số ví dụ về méo dạng như mô tả ở hình 1.9: hình 1.9b, là dạng sóng sin
ở hình 1.9a, bị xén do giới hạn ở mức nguồn cung cấp, hình 1.9c, là méo dạng xuyên tâm do sự vô hiệu
của mạch gần qua mức 0, còn hình 1.9d, là méo hài do các đặc tính phi tuyến của các dụng cụ điện tử.
Một tín hiệu vào sin có tần số quy định thường được đưa đến đầu vào của một mạch điện tử, và sau đó
các thành phần cơ bản và hài của tín hiệu ra có thể đo được. Độ méo dạng được quy định theo độ méo
hài tổng [total harmonic distortion - THD], đó là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của thành phần hài đối với
giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản (tại tần số của tín hiệu vào sin). THD cần phải nhỏ.
Các thông số về tần số: Khoảng tần số tín hiệu của các tín hiệu điện tử biến thiên rộng, tuỳ thuộc vào
các ứng dụng, như mô tả ở bảng 1.3.
Bảng 1.3: Độ rộng băng tần của các tín hiệu điện tử.
Loại tín hiệu Độ rộng băng tần
Dãi tín hiệu địa chấn 1Hz đến 200Hz
Dãi tín hiệu điện tâm đồ 0,05Hz đến 100Hz
Dãi tín hiệu âm tần 20Hz đến 15kHz
Dãi tín hiệu video dc đến 4,2MHz
Dãi tín hiệu radio AM 540kHz đến 1600kHz
Dãi tín hiệu radar 1 đến 100MHz
Dãi tín hiệu truyền hình VHF 54MHz đến 60MHz
Dãi tín hiệu radio FM 88MHz đến 806MHz
Dãi tín hiệu truyền hình UHF 470MHz đến 806MHz
Dãi tín hiệu điện thoại di động 824MHz đến 891,5MHz
Dãi tín hiệu truyền hình vệ tinh 3,7GHz đến 4,2GHz
Dãi tín hiệu thông tin vi ba 1 đến 50GHz

Các thông số tần số tức là đồ thị của tín hiệu ra như một hàm số của tần số tín hiệu vào. Đồ thị điển
hình đối với một hệ thống như ở hình 1.10a, có dạng như ở hình 1.10b. Đối với các tín hiệu có tần số

thấp hơn f
L
và cao hơn f
H
, tín hiệu ra sẽ bị suy giảm, nhưng đối với các tín hiệu có tần số trong khoảng
f
L
và f
H
, thì tần số tín hiệu ra sẽ vẫn hầu như không đổi. Dãi tần số từ f
L
đến f
H
được gọi là độ rộng
băng tần [bandwidth - BW] của mạch, tức là: BW = f
H
- f
L
.
Một hệ thống với độ rộng băng tần như thể hiện ở hình 1.10b, được gọi là hệ thống có đặc tính thông
dãi. Nếu f
L
= 0, thì hệ thống được gọi là có đặc tính dãi thông thấp. Nếu f
H
= , thì hệ thống được xem
là có đặc tính dãi thông cao.
Đối với tín hiệu có tần số làm việc trong phạm vi dãi tần của độ rộng băng tần, thì hệ số khuyếch đại
điện áp giữa băng sẽ được xác định theo:
in
out

min
V
V
A
(1.4)
trong đó: V
in
và V
out
là các giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp vào và điện áp ra tương ứng. Trở kháng
vào được xác định theo:
in
in
in
I
V
Z
(1.5)
trong đó: I
in
là giá trị hiệu dụng của dòng vào của mạch. Trở kháng vào Z
in
thường được xem như điện
trở vào của tín hiệu nhỏ R
i
, bởi vì tín hiệu ra gần như không phụ thuộc tần số ở dãi tần số giữa băng.
Hệ số khuyếch đại điện áp (tỷ số của điện áp ra v
OUT
đối với điện áp vào v
IN

) thường được quy định.
Nếu quan hệ v
OUT
- v
IN
là tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11a, và mạch làm việc tại điểm tĩnh - Q, thì
hệ số khuyếch đại điện áp sẽ được tính bởi:
in
out
V
v
v
A
(1.6)
A
V
thường được gọi là hệ số khuyếch đại điện áp tín hiệu lớn. Đặc tuyến của các transistor là không
tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11b, và mạch làm việc tại điểm làm việc tĩnh, điểm Q, thì tín hiệu vào
sẽ tạo ra sự thay đổi trên một khoảng nhỏ để cho quan hệ v
OUT
- v
IN
gần như tuyến tính. Nên hệ số sẽ
được xem như hệ số khuyếch đại tín hiệu nhỏ, A
v
, được biểu diễn bằng:
in
out
v
v

v
A
(1.7)
Các mạch điện tử, các mạch khuyếch đại cơ bản thường làm việc trong khoảng tuyến tính của đặc
tuyến. Đối với tần số làm việc trong phạm vi BW của mạch, thì A
v
= A
min
, trong đó, A
min
là hệ số
khuyếch đại ở tần số trung bình của bộ khuyếch đại.
Tóm tắt nội dung chương 1:
- Từ sự phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên, đèn chân không vào năm 1904, lĩnh vực điện tử học
đã có sự tiến triển rất nhanh. Các mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI), có trên 10
9
cấu kiện trong
một chip.
- Một hệ thống điện tử bao gồm các dụng cụ và linh kiện điện tử dùng để xử lý các tín hiệu điện tử,
thực hiện việc giao tiếp giữa các cảm biến ở đầu vào và các bộ kích thích ở đầu ra.
- Các cảm biến sẽ biến đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, ngược lại các bộ kích thích sẽ
biến đổi các tín hiệu điện thành các đại lượng vật lý. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được
gọi là các bộ chuyển đổi.
- Có hai loại tín hiệu điện tử: tương tự và số. Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số và
ngược lại.
- Ký hiệu chữ thường được dùng để biểu diễn một đại lượng tức thời, còn ký hiệu chữ in hoa dùng cho
các giá trị dc và hiệu dụng (rms). Chỉ số dưới dòng bằng chữ in thường dùng để biểu diễn các đại
lượng rms và ac tức thời, còn chỉ số dưới dòng bằng chữ in hoa dùng cho giá trị tổng, mà trong đó bao
gồm cả hai đại lượng ac và dc.
- Điện tử học có thể phân loại thành ba lĩnh vực: tương tự, số, và điện tử công suất. Việc phân loại

trước hết là dựa vào kiểu xử lý tín hiệu. Các hệ thống điện tử thường được phân loại tuỳ theo kiểu ứng
dụng chẳng hạn như điện tử y tế, điện tử dân dụng, và v. v...
- Các thông số dùng để mô tả chức năng của các mạch và các hệ thống điện tử thường bao gồm các
thông số quá độ, độ méo dạng, các thông số về tần số, và các thông số tín hiệu lớn và bé.









Nội dung của chương bao gồm:
- Nhận dạng các loại vật liệu dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn.
- Định nghĩa sự liên kết đồng hoá trị.
- Mô tả các quá trình pha tạp để tạo ra các vật liệu bán dẫn N và bán dẫn P.
- Giải thích dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn khi có sự pha tạp.
Các dụng cụ bán dẫn là cấu kiện cơ bản của thiết bị điện tử. Các dụng cụ bán dẫn thông dụng nhất là
diode (được dùng để chỉnh lưu), transistor (được dùng để khuyếch đại), và các vi mạch (dùng để
chuyển mạch hoặc khuyếch đại). Chức năng chính của các dụng cụ bán dẫn là để điều khiển điện áp
hay dòng điện để có một số kết quả mong muốn.
Các ưu điểm của dụng cụ bán dẫn bao gồm như sau:
- Kích thước và trọng lượng nhỏ.
- Tiêu thụ công suất thấp tại các mức điện áp thấp.
- Hiệu suất cao.
- Độ tin cậy cao.
- Có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt.
- Hoạt động ngay khi có nguồn cung cấp.
- Sản xuất số lượng càng nhiều càng kinh tế.

Các nhược điểm của dụng cụ bán dẫn gồm có:
- Nhạy cảm mạnh đối với các thay đổi về nhiệt độ.
- Nhiều cấu kiện chưa ổn định.
- Dể bị đánh thủng (do vượt quá các giới hạn công suất, do mắc ngược cực tính điện áp làm việc, do
quá nhiệt khi hàn vào mạch).
2.1 Các chất bán dẫn: Germanium và Silicon.
Các vật liệu bán dẫn có các đặc tính nằm giữa đặc tính của các chất cách điện và các chất dẫn điện.
Ba nguyên tố bán dẫn thuần là carbon (C), germanium (Ge), và Silicon (Si). Trong đó thích hợp cho
việc chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Ge và Si.
Germanium là một nguyên tố dòn có màu xám - trắng được tìm thấy vào năm 1886. Dioxide
germanium dưới dạng bột, được lấy từ tro của một loại than đá nào đó, sẽ được khử bằng hoá chất để
thành dạng chất rắn là germanium nguyên chất.
Silicon được tìm thấy vào năm 1823. Silicon có nhiều trong thành phần võ trái đất dưới dạng hợp chất
có màu trắng hay hay đôi khi là hợp chất có màu, dưới dạng dioxide Silicon. Dioxide Silicon (Silica)
có thể tìm thấy nhiều trong cát, thạch anh, đá. Sau khi được khử bằng hoá chất thành Silicon nguyên
chất có dạng rắn. Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất.
Khi đã có vật liệu nguyên chất hay vật liệu cơ bản, các vật liệu cần phải được xử lý để tạo ra các đặc
tính cần thiết cho các dụng cụ bán dẫn.
Theo mô hình nguyên tử, tại tâm của nguyên tử là nhân, mà trong đó bao gồm các proton và các
neutron. Các proton có điện tích dương còn neutron không mang điện tích. Các electron trên quỷ đạo
quay xung quanh nhân và có điện tích âm. Hình 2.1, mô tả cấu trúc của một nguyên tử Silicon. Quỷ
đạo thứ nhất chứa hai electron, quỷ đạo thứ hai có 8 electron, còn quỷ đạo ngoài cùng hay lớp hoá trị
có 4 electron. Hoá trị cho biết khả năng của nguyên tử tăng hay giảm các điện tử và sẽ quyết định các
tính chất lý học và hoá học của nguyên tử. Hình 2.2, thể hiện hình vẽ được đơn giản hoá của nguyên tử
Silicon, chỉ với 4 điện tử ở lớp hoá trị.
Các loại vật liệu cần có các điện tử để hoàn thành lớp hoá trị của nó là các loại vật liệu không ổn định
gọi là các vật liệu hoạt động. Để có được tính ổn định, một vật liệu hoạt động phải thu nhận các điện
tử vào lớp hoá trị của nó. Các nguyên tử Silicon có khả năng đóng góp các điện tử hoá trị của nó với
các nguyên tử Silicon khác theo một quá trình được gọi là liên kết đồng hoá trị (hình 2.3). Liên kết
đồng hoá trị là quá trình góp chung các điện tử hoá trị dẫn đến sự hình thành các tinh thể.

Mổi nguyên tử trong cấu trúc mạng tinh thể có bốn điện tử hoá trị của chính nó và bốn điện tử góp
chung của bốn nguyên tử khác để tạo thành tổng số là 8 điện tử hoá trị. Các liên kết hoá trị không thể
cho sự dẫn điện do tính ổn định của nó.
Ở nhiệt độ phòng, các tinh thể silicon nguyên chất có độ dẫn điện kém, giống như các chất cách điện.
Tuy nhiên, nếu cung cấp năng lượng nhiệt vào các tinh thể, thì một số điện tử sẽ hấp thụ năng lượng và
di chuyển lên quỹ đạo cao hơn, do sự bẻ gãy liên kết đồng hoá trị, cho phép các tinh thể dẫn điện.
Silicon, giống như các vật liệu bán dẫn khác, có hệ số nhiệt độ âm, khi tăng nhiệt độ thì điện trở của
nó sẽ giảm. Điện trở sẽ còn một nửa khi nhiệt độ tăng theo mổi khoảng 10
o
C.
Giống như Silicon, Germanium có 4 điện tử ở lớp hoá trị nên có thể tạo thành cấu trúc tinh thể. Điện
trở của Ge sẽ mất đi một nửa theo mổi khoảng nhiệt độ tăng lên 6
o
C. Do vậy, Si có tính ổn định theo
sự thay đổi của nhiệt độ tốt hơn so với Ge. Tuy nhiên, Ge cần năng lượng nhiệt ít hơn để giải phóng
các điện tử của nó so với Silicon. Silicon có điện trở lớn hơn 1000 lần điện trở của Ge ở nhiệt độ
phòng. Nhiệt năng là nguồn năng lượng gây hư hỏng cho các chất bán dẫn, đó là nguồn năng lượng
không dễ dàng điều khiển. Việc thiết kế mạch đảm bảo sẽ làm giảm các thay đổi nhiệt độ. Điện trở là
đặc tính làm cho Silicon được ưa chuộng hơn so với Ge trong phần lớn các mạch. Trong một số ứng
dụng, cần có dụng cụ nhạy cảm với nhiệt độ, hệ số nhiệt độ của Ge có thể là lợi thế nên thường sử
dụng Ge. Tất cả các transistor trước đây đều được chế tạo bằng Ge. Transistor Si được chế tạo từ 1954.
Hiện nay, silicon được sử dụng trong phần lớn các cấu kiện bán dẫn.
Câu hỏi mục 2.1:
1. Vật liệu bán dẫn là gì ?
2. Định nghĩa các thuật ngữ sau:
a) Liên kết đồng hoá trị. (b) Hệ số nhiệt độ âm.
3. Tại sao Si và Ge được xem là các vật liệu bán dẫn.
4. Tại sao Si được sử dụng nhiều hơn so với Ge ?
2.2 Độ dẫn điện của Si và Ge nguyên chất.
Đặc tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tại nhiệt độ rất thấp, các điện

tử hoá trị liên kết chặt chẽ với nguyên tử chính bằng mối liên kết đồng hoá trị. Do các điện tử hoá trị
không thể di chuyển (trôi), nên vật liệu không thể cho dòng điện chảy qua. Các tinh thể Ge và Si có
chức năng như các chất cách điện ở nhiệt độ thấp.
Khi tăng nhiệt độ, một vài điện tử hoá trị do bị kích thích bởi năng lượng nhiệt, sẽ làm gãy các mối
liên kết đồng hoá trị và di chuyển một cách ngẫu nhiên từ vị trí của nguyên tử này đến vị trí của
nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Nếu đặt điện áp vào hai đầu khối tinh thể, thì các điện tử tự do sẽ
di chuyển có hướng để có thể tạo thành dòng điện. Tại nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đủ để tạo ra
một số lượng nhỏ các điện tử tự do nên sẽ cho một dòng điện nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, vật liệu bán
dẫn sẽ bắt đầu nhận được các đặc tính của chất dẫn điện. Chỉ tại các mức nhiệt độ rất cao mới làm cho
Si dẫn điện như các chất dẫn điện. Nhiệt độ cao như vậy thường không có ở điều kiện bình thường.
Khi một điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy sẽ di chuyển ra xa khỏi mối liên kết đồng hoá trị, khoảng
trống trước khi bị chiếm bởi điện tử được gọi là lổ trống (hình 2.4). Một lổ trống đơn giản là sự khuyết
đi một điện tử. Vì điện tử có điện tích âm, nên sự khiếm khuyết được xem như mất đi một điện tích
âm. Một lổ trống có đặc tính của một hạt tích điện dương. Khi một điện tử nhảy từ một lớp hoá trị này
đến lớp hoá trị khác để lấp đầy lỗ trống, nó sẽ để lại một lỗ trống phía sau nó, nếu hoạt động tiếp tục,
thì lỗ trống xuất hiện sẽ di chuyển ngược chiều với chiều của điện tử.
Mổi điện tử tương ứng với một lỗ trống được gọi là một cặp điện tử - lỗ trống. Số lượng các cặp điện
tử - lỗ trống tăng lên theo sự tăng của nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng chỉ có thể tồn tại một số lượng nhỏ
các cặp điện tử - lỗ trống.
Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được nối vào một nguồn điện áp, thì các điện tử tự do sẽ bị thu hút về
cực dương của nguồn điện áp (hình 2.5). Các lỗ trống được tạo ra do sự di chuyển của các điện tử tự
do sẽ trôi về phía cực âm. Các điện tử tự do chảy về phía cực dương bằng số lượng rời khỏi cực âm.
Khi các lỗ trống và điện tử tái hợp, cả lỗ trống và điện tử tự đo đều triệt tiêu.
Tóm lại: các lỗ trống trôi liên tục về phía cực âm của nguồn điện áp. Các điện tử luôn luôn trôi về phía
cực dương. Dòng điện chảy trong chất bán dẫn bao gồm sự di chuyển của cả các điện tử và các lỗ
trống. Độ lớn của dòng chảy được quyết định bởi số lượng các cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu.
Khả năng làm cho dòng điện tăng theo nhiệt độ của vật liệu.
Câu hỏi mục 2.2:
1. Sự cung cấp dòng chảy của Ge nguyên chất như thế nào ?
2. Khi đặt điện áp vào vật liệu Ge nguyên chất, chiều di chuyển của các điện tử và các lỗ trống như thế

nào ?
3. Yếu tố nào quyết định mức dòng chảy trong vật liệu bán dẫn nguyên chất ?


2.3 Độ dẫn điện của vật liệu Ge và Si tạp.
Các vật liệu bán dẫn nguyên chất, chẳng hạn như Ge, Si chỉ cho một lượng nhỏ các cặp điện tử - lỗ
trống ở nhiệt độ phòng, tức là cho phép sự dẫn điện với mức dòng rất nhỏ. Để tăng cường độ dẫn điện
của các vật liệu bán dẫn người ta phải sử dụng quá trình pha tạp. Pha tạp là quá trình bổ sung các
nguyên chất khác gọi là tạp chất vào vật liệu bán dẫn. Hai loại tạp chất được sử dụng là tạp chất hoá trị
5 được tạo thành từ các nguyên tử có 5 điện tử hoá trị, ví dụ như arsenic, antimony, và loại tạp chất
khác là tạp chất hoá trị ba được tạo thành từ các nguyên tử có ba điện tử hoá trị, như indium, gallium.
Khi vật liệu bán dẫn được pha tạp với vật liệu hoá trị 5 chẳng hạn như arsenic (As), thì một số các
nguyên tử hiện có sẽ được thay thế bằng các nguyên tử arsenic (hình 2.6). Nguyên tử arsenic sẽ đóng
góp bốn trong số năm điện tử hoá trị của nó với bốn nguyên tử Si lân cận dưới dạng liên kết đồng hoá
trị. Điện tử thứ 5 của nguyên tử As sẽ bị liên kết yếu với các nhân nên dễ dàng trở thành điện tử tự do.
Nguyên tử arsenic được gọi là nguyên tử chất cho [donor] do đã cho điện tử dôi dư của nó. Càng nhiều
nguyên tử donor trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp thì càng có nhiều điện tử tự do tham gia vào
quá trình dẫn điện.
Ở nhiệt độ phòng, số lượng các điện tử tự do do pha tạp sẽ lớn hơn nhiều so với lượng các cặp điện tử
- lỗ trống, tức là có nhiều điện tử hơn so với lỗ trống. Vì vậy, các điện tử được gọi là hạt tải điện đa số,
còn các lỗ trống là các hạt tải điện thiểu số. Do điện tích âm của hạt tải điện đa số, mà vật liệu bán dẫn
tạp được gọi là vật liệu dạng N. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng N (hình 2.7), các điện tử tự do được
tạo ra bởi các nguyên tử donor sẽ di chuyển về phía cực dương. Các điện tử thứ 5 sẽ thoát ra xa khỏi
các mối liên kết đồng hoá trị và di chuyển về phía cực dương của nguồn điện áp. Các điện tử tự do do
sự bẻ gãy các mối liên kết đồng hoá trị sẽ tạo nên các cặp điện tử - lỗ trống. Các lỗ trống tương ứng di
chuyển về phía cực âm của nguồn điện áp.
Khi các vật liệu bán dẫn được pha tạp bằng các vật liệu hoá trị ba, chẳng hạn như Indium (I), nguyên
tử Indium chỉ có thể góp chung ba điện tử hoá trị với ba nguyên tử bán dẫn lân cận trong cấu trúc
mạng tinh thể (hình 2.8), nên sẽ tạo ra các lỗ trống trong mối liên kết đồng hoá trị. Sự hịên diện của
các lỗ trống bổ sung sẽ cho phép các điện tử dễ dàng trôi từ một mối liên kết khác đến để chiếm vị trí.

Vì các lỗ trống dễ dàng nhận các điện tử, nên các nguyên tử đóng góp các lỗ trống bổ sung được gọi là
các nguyên tử chất nhận [acceptor]. Ở điều kiện bình thường, số lượng các lỗ trống lớn hơn nhiều so
với số lượng các điện tử trong vật liệu đã được pha tạp. Do vậy, các lỗ trống là các hạt tải điện đa số và
các điện tử là các hạt tải điện thiểu số. Bởi vì các hạt tải điện đa số mang điện tích dương, nên vật liệu
tạp được gọi là vật liệu dạng P. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng P, thì sẽ làm cho các lỗ trống di
chuyển về phía cực âm và các điện tử di chuyển về phía cực dương (hình 2.9) của nguồn điện áp.
Ngoài các lỗ trống được tạo thành bởi nguyên tử chất nhận, còn có các lỗ trống được tạo ra khi các
điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy thoát ra xa khỏi các mối liên kết đồng hoá trị khi tạo thành các cặp
điện tử - lỗ trống.
Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn nguyên
chất. Độ dẫn điện của các vật liệu bán dẫn tạp có thể tăng hay giảm bằng cách bổ sung hoặc rút bớt các
tạp chất. Các vật liệu bán dẫn được pha tạp đậm đặc hơn sẽ cho điện trở suất thấp hơn.
Câu hỏi mục 2.3:
1. Mô tả quá trình pha tạp ở vật liệu bán dẫn.
2. Hai loại tạp chất được sử dụng để pha tạp là gì ?
3. Yếu tố nào quyết định để có vật liệu bán dẫn tạp dạng N hoặc P ?
4. Sự pha tạp sẽ tạo ra dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn như thế nào ?
5. Điều gì sẽ quyết định độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn ?
Tóm tắt nội dung chương 2:
- Có nhiều loại vật liệu bán dẫn với các đặc tính dẫn điện nằm trong khoảng giữa đặc tính dẫn điện của
vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện.
- Các vật liệu bán dẫn nguyên chất là germanium (Ge), silicon (Si), và carbon (C).
- Silicon được sử dụng cho phần lớn các dụng cụ bán dẫn.
- Số lượng điện tử trong lớp hoá trị cho biết các nguyên tử có khả năng nhận hay cho các điện tử.
- Các vật liệu bán dẫn có các lớp hoá trị bằng một nửa mức điền đầy.
- Các tinh thể được tạo thành bởi các nguyên tử góp chung các điện tử hoá trị của nó thông qua mối
liên kết đồng hoá trị.
- Các vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm: khi nhiệt độ tăng, thì điện trở của vật liệu sẽ giảm.
- Nhiệt độ sẽ làm cho các mối liên kết đồng hoá trị trong vật liệu bán dẫn bị bẻ gãy.
- Khi tăng nhiệt độ ở vật liệu bán dẫn, các điện tử sẽ di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

- Một lỗ trống sẽ tương ứng vị trí của một điện tử bị khuyết trong lớp hoá trị.
- Sự chênh lệch thế hiệu đặt vào vật liệu bán dẫn nguyên chất sẽ tạo ra dòng điện tử chảy về phía cực
dương và lỗ trống chảy về phía cực âm.
- Dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn bao gồm cả dòng điện tử và lỗ trống di chuyển.
- Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào vật liệu bán dẫn.
- Các vật liệu hóa trị ba có các nguyên tử với ba điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu
dạng P.
- Các vật liệu hoá trị năm có các nguyên tử với năm điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu
dạng N.
- Ở vật liệu dạng N, các điện tử là các hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số.
- Ở vật liệu dạng P, các lỗ trống là hạt tải điện đa số và các điện tử là hạt tải điện thiểu số.
- Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn thuần.
Câu hỏi chương 2.
1. Lý do nào làm cho Silicon được sử dụng nhiều hơn so với Germanium ?
2. Tại sao liên kết đồng hoá trị là quan trọng trong việc hình thành các vật liệu bán dẫn ?
3. Mô tả sự chuyển động của các điện tử qua khối silicon nguyên chất ở nhiệt độ phòng.
4. Mô tả quá trình biến đổi khối vật liệu silicon nguyên chất thành vật liệu dạng N.
5. Quá trình nào sẽ xảy ra khi đặt điện áp vào hai đầu của khối vật liệu dạng N ?

Nội dung của chương bao gồm:
- Mô tả diode tiếp giáp là gì và việc chế tạo diode như thế nào.
- Định nghĩa vùng nghèo và điện áp chắn.
- Giải thích sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược của diode.
- Vẽ và ghi tên chân ký hiệu mạch cho diode.
- Mô tả ba kỹ thuật chế tạo diode.
- Nhận dạng các kiểu vỏ diode thông dụng nhất.
- Đo thử diode bằng ohmmeter.
Các diode là loại cấu kiện bán dẫn đơn giản nhất. Diode cho phép dòng điện chảy chỉ theo một chiều.
Để hiểu rõ các loại cấu kiện bán dẫn cần phải nghiên cứu kỹ các diode.
3.1 Tiếp giáp PN.

Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được pha tạp với vật liệu hoá trị năm hay hoá trị ba, thì vật liệu đã
được pha tạp gọi là vật liệu dạng N hay P dựa vào loại hạt tải điện đa số trong vật liệu được pha tạp.
Điện tích của mỗi loại vật liệu là trung hoà do mỗi nguyên tử đóng góp số lượng các proton và electron
bằng nhau.
Các điện tích độc lập tồn tại trong mỗi loại vật liệu bán dẫn, do các điện tử tự do di chuyển. Các điện
tử và lỗ trống di chuyển được gọi là các điện tích chuyển động. Ngoài các điện tích chuyển động, mỗi
nguyên tử bị mất đi một điện tử nên có số lượng proton nhiều hơn số lượng điện tử, nên sẽ mang điện
tích dương. Tương tự, mỗi nguyên tử nhận thêm một điện tử sẽ có số lượng điện tử nhiều hơn số lượng
proton nên sẽ mang điện tích âm. Các nguyên tử mang điện tích riêng được gọi là các ion âm và
dương. Như vậy luôn luôn có số lượng các điện tích của ion và hạt tải điện có khả năng di chuyển bằng
nhau trong các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P.
Một diode được tạo ra bằng cách ghép nối hai vật liệu tạp dạng N và P với nhau (hình 3.1). Khi các vật
liệu tiếp xúc với mỗi loại vật liệu khác sẽ hình thành tiếp giáp, nên diode được gọi là diode tiếp giáp.
Khi tiếp giáp được hình thành, các điện tích có khả năng di chuyển ở vùng lân cận tiếp giáp sẽ được
thu hút mạnh về hai phía ngược nhau do chênh lệch nồng độ hạt tải điện, nên sẽ trôi về phía tiếp giáp.
Khi các điện tích tích luỹ, tác động sẽ tăng lên. Một vài điện tử di chuyển ngang qua tiếp giáp nên sẽ
tái hợp với một số lỗ trổng gần tiếp giáp ở phía vật liệu dạng P. Ở phía vật liệu dạng N, các điện tử trở
nên rất ít gần tiếp giáp. Vùng lân cận tiếp giáp có rất ít các điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo, chỉ
có độ rộng nhỏ về cả hai phía của tiếp giáp.
Không có các hạt tải điện đa số trong vùng nghèo, nên hai phía bán dẫn N và P tại tiếp giáp không còn
sự trung hoà điện tích nửa. Phía vật liệu N gần tiếp giáp mang điện tích dương, còn phía vật liệu P gần
tiếp giáp mang điện tích âm.
Vùng nghèo rất hẹp, có kích thước được giới hạn bởi các điện tích trái dấu tích luỹ ở hai bên tiếp giáp.
Vùng điện tích âm tích luỹ sẽ đẩy các điện tử ra khỏi tiết diện của tiếp giáp. Điện tích dương sẽ thu hút
các điện tử tự do.
Hai vùng điện tích trái dấu tích luỹ ở mổi phía tiếp giáp sẽ tạo nên một điện áp được gọi là thế tiếp
xúc hay điện áp chắn. Điện áp này có thể xem như một nguồn điện áp ngoài, mặc dù điện áp chắn chỉ
tồn tại ngang qua tiếp giáp PN (hình 3.2).
Điện áp chắn tương đối nhỏ, chỉ vào khoảng vài phần mười volt. Điện áp chắn điển hình là 0,3V đối
với tiếp giáp PN bằng Germanium, còn đối với tiếp giáp PN Silicon là 0,7V, đây là mức điện áp biểu

kiến khi áp đặt một nguồn điện áp ngoài.
Câu hỏi mục 3.1:
1. Định nghĩa các thuật ngữ sau:
a. Nguyên tử Donor; b. Nguyên tử Acceptor; c. Diode.
2. Điều gì sẽ xảy ra khi ghép nối vật liệu bán dẫn N với vật liệu bán dẫn P ?
3. Vùng nghèo được hình thành như thế nào ?
4. Điện áp chắn là gì ?
5. Điện áp chắn điển hình của diode Ge và Si là bao nhiêu ?
3.2 Phân cực cho diode.
Khi đặt một điện áp vào diode, thì gọi là điện áp phân cực. Hình 3.3, là một diode tiếp giáp PN được
nối với một nguồn điện áp. Điện trở được mắc trong mạch để giới hạn mức dòng ở giá trị an toàn.
Cực âm của nguồn điện áp được nối đến vật liệu N, sẽ đẩy các điện tử ra xa khỏi điện cực di chuyển về
phía tiếp giáp PN. Các điện tử tự do tích luỹ ở phía bán dẫn P của tiếp giáp sẽ được hấp thụ bởi điện
cực dương, tức là sẽ làm triệt tiêu điện tích âm ở phía bán dẫn P, nên điện áp chắn sẽ bị giảm, và dòng
điện có thể chảy qua tiếp giáp. Dòng điện chỉ có nếu điện áp ngoài lớn hơn so với điện áp chắn.
Nguồn điện áp sẽ cung cấp dòng điện tử không đổi trôi qua vùng vật liệu N cùng với các điện tử tự do
có trong vùng vật liệu N. Các lỗ trống trong vùng vật liệu P cũng di chuyển về phía tiếp giáp. Các lỗ
trống và điện tử sẽ kết hợp với nhau tại tiếp giáp và triệt tiêu nhau. Tuy nhiên, khi điện tử và lỗ trống
kết hợp với nhau, thì sẽ có các điện tử và lỗ trống mới xuất hiện tại các cực của nguồn điện áp. Các hạt
tải điện đa số tiếp tục di chuyển về phía tiếp giáp PN chỉ với điều kiện có nguồn điện áp đặt vào diode.
Dòng điện tử chảy qua vùng bán dẫn P của diode sẽ được hấp thụ bởi cực dương của nguồn điện áp.
Khi các điện tử rời khỏi vùng vật liệu P, các lỗ trống được tạo ra sẽ trôi về phía tiếp giáp PN, các lỗ
trống sẽ kết hợp với các điện tử khác. Khi có dòng điện chảy từ phía vật liệu P sang phía vật liệu N, thì
diode được coi là phân cực thuận.
Dòng điện chảy qua diode khi được phân cực thuận sẽ được giới hạn bởi điện trở của hai vùng vật liệu
P và N và điện trở ngoài của mạch. Điện trở của diode thường có giá trị nhỏ, nên việc mắc trực tiếp
điện áp để diode được phân cực thuận sẽ tạo ra dòng điện lớn, tức là có thể phát sinh nhiệt đủ lớn để
phá huỹ diode. Để hạn chế dòng thuận cần phải mắc một điện trở ngoài nối tiếp với diode.
Một diode sẽ dẫn dòng điện theo chiều thuận chỉ nếu điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn và có cách
mắc mạch đúng. Diode Ge cần điện áp phân cực thuận nhỏ nhất là 0,3V; diode Si cần điện áp phân cực

thuận nhỏ nhất là 0,7V.
Khi một diode bắt đầu dẫn, sẽ có sụt áp trên diode bằng điện áp chắn và được coi như mức sụt áp
thuận (E
F
). Đối với diode Ge, mức sụt áp là 0,3V, còn đối với diode Si mức sụt áp là 0,7V. Mức dòng
thuận (I
F
) tuỳ thuộc vào mức điện áp ngoài (E), sụt áp thuận (E
F
) và điện trở ngoài (R), tính theo định
luật Ohm:
REEI )/(
FE

Ví dụ: Một diode Silicon có điện áp phân cực ngoài là 12V, và điện trở ngoài là 150 . Tính dòng
thuận tổng.
75mA
150
0,7V12V
F
F
R
EE
I

Khi diode được phân cực thuận, cực âm của nguồn điện áp ngoài được nối với vật liệu N, còn cực
dương được nối với vật liệu P. Nếu đảo ngược điện cực, thì diode sẽ không dẫn, nên được gọi là diode
được mắc theo chiều phân cực ngược (hình 3.4). Khi phân cực ngược, các điện tử tự do ở phía vật
liệu N sẽ được thu hút về phía cực dương của nguồn điện áp ngoài, nên sẽ làm tăng số lượng các ion
dương ở vùng N của tiếp giáp PN, đồng thời làm tăng độ rộng của vùng nghèo ở phía N của tiếp giáp.

Các điện tử cũng rời khỏi cực âm của nguồn điện áp ngoài và di chuyển vào vùng vật liệu P, điền đầy
các lỗ trống gần tiếp giáp PN, làm cho các lỗ trống di chuyển về phía đầu cực âm, tức là làm tăng độ
rộng vùng nghèo ở phía vật liệu P của tiếp giáp. Tác động chung là vùng nghèo rộng hơn so với khi
diode chưa được phân cực hay phân cực thuận.
Điện áp phân cực thuận sẽ làm tăng điện áp chắn. Nếu điện áp chắn bằng nguồn điện áp ngoài, thì các
lỗ trống và điện tử không thể cho dòng chảy. Chỉ có một dòng điện rất nhỏ chảy qua diode khi được
phân cực ngược, gọi là dòng rò thường được xem như dòng ngược (I
R
) do các hạt tải điện thiểu số. Ở
nhiệt độ phòng, các hạt tải điện thiểu số có số lượng rất ít. Khi nhiệt độ tăng, sẽ tạo ra nhiều cặp điện
tử - lỗ trống hơn, nên sẽ làm tăng lượng các hạt tải điện thiểu số và dòng rò.
Tất cả các diode tiếp giáp PN đều có dòng rò nhỏ. Ở các diode Ge mức dòng rò vào khoảng vài
microampere; còn các diode Si có mức dòng rò vào khoảng vài nanoampere. Diode Ge có mức dòng rò
cao hơn là vì nó nhạy cảm với nhiệt độ hơn, bù lại là điện áp chắn nhỏ hơn.
Tóm lại: diode tiếp giáp PN là dụng cụ dẫn điện một chiều. Khi diode được phân cực thuận sẽ cho
dòng chảy. Khi diode được phân cực ngược chỉ có dòng rò chảy qua. Đặc tính này của diode cho phép
diode được sử dụng như một bộ chỉnh lưu để chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC.
Câu hỏi của mục 3.2:
1. Điện áp phân cực là gì ?
2. Mức điện áp nhỏ nhất cần để làm cho dòng điện chảy qua một diode tiếp giáp PN là bao nhiêu ?
3. Sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược là gì ?
4. Dòng rò trong diode tiếp giáp PN là gì ?
3.3 Các đặc tính của diode.
Cả diode Ge và Si đều có thể hõng do quá nhiệt và quá điện áp ngược. Nhà sản xuất quy định mức
dòng thuận lớn nhất (I
Fmax
) đó là mức dòng làm việc an toàn.
mức điện áp ngược an toàn lớn nhất [Peak Inverse Voltage, hay PIV]. Nếu vượt quá mức PIV, sẽ có
dòng ngược lớn chảy qua diode, tạo ra sự quá nhiệt và nguy hiểm cho diode.
Ở nhiệt độ phòng, dòng ngược nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, dòng ngược tăng làm sai lệch hoạt động

đúng của diode. Đối với các diode Ge, mức dòng ngược cao hơn so với các diode Si, gần gấp đôi theo
mỗi khoảng nhiệt độ tăng lên 10
o
C.
Ký hiệu mạch của diode như ở hình 3.5. Phần bán dẫn P được tượng trưng bằng mũi tên, còn phần N
bằng một gạch dọc. Dòng thuận chảy từ phía bán dẫn P sang phía bán dẫn N (cùng chiều mũi tên).
Phần N được gọi là cathode, còn phần P được gọi là anode. Cathode sẽ cung cấp các điện tử, còn
anode sẽ thu nhận các điện tử.
Hình 3.6, là mạch diode được phân cực thuận. Cực âm được nối với cathode, cực dương được nối với
anode, nên sẽ thiết lập dòng dẫn thuận. Mắc thêm điện trở (R
S
) nối tiếp để giới hạn mức dòng thuận ở
trị số an toàn.
Mạch diode được mắc theo phân cực ngược (hình 3.7). Cực âm được nối với anode, còn cực dương
được nối đến cathode. Khi phân cực ngược chỉ có dòng ngược nhỏ (I
R
) chảy qua diode.
Câu hỏi mục 3.3:
1. Có thể tạo ra dòng ngược qua diode Ge và Si bằng cách nào ?
2. Vẽ và ghi tên ký hiệu mạch cho diode.
3. Vẽ mạch diode phân cực thuận.
4. Vẽ mạch diode phân cực ngược.
5. Tại sao cần phải mắc điện trở nối tiếp với diode phân cực thuận ?
3.4 Các kỹ thuật chế tạo diode.
Tiếp giáp PN của một diode có thể là một trong ba kiểu: Tiếp giáp kéo tinh thể, tiếp giáp hợp kim,
hoặc tiếp giáp khuyếch tán. Mổi kiểu tiếp giáp đều có kỹ thuật chế tạo riêng.
Ở tiếp giáp chế tạo theo phương pháp kéo tinh thể (kỹ thuật dễ dàng nhất được sử dụng), vật liệu bán
dẫn thuần và các tạp chất dạng P được đặt trong bình chứa bằng thạch anh và được nung nóng cho đến
khi nóng chảy. Tiếp theo, người ta đưa một tinh thể bán dẫn nhỏ được gọi là mầm, vào hổn hợp nóng
chảy. Tinh thể mầm sẽ được xoay từ từ và rút ra khỏi hổn hợp nóng chảy đủ chậm để cho hổn hợp

nóng chảy bám vào mầm. Hổn hợp nóng chảy, khi bám vào tinh thể mầm sẽ được làm nguội và sẽ
được tôi luyện để có cùng các đặc tính tinh thể như mầm. Khi tinh thể mầm được rút ra nó sẽ lần lượt
được pha tạp với các tạp chất dạng N và P. Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào các tinh
thể bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) để làm tăng số lượng điện tử tự do hay số lượng lỗ trống.
Điều này sẽ tạo ra các lớp bán dẫn N và P trong tinh thể như sự tăng trưởng. Tinh thể tạo thành sau đó
sẽ được cắt thành nhiều phần PN.
Tiếp giáp hợp kim là phương pháp chế tạo chất bán dẫn rất đơn giản. Một mẩu nhỏ vật liệu có hoá trị
3, chẳng hạn như Indium sẽ được đặt vào tinh thể bán dẫn dạng N. Mẩu và tinh thể sẽ được nung cho
đến khi mẩu sẽ nóng chảy và sẽ nối từng phần với tinh thể bán dẫn. Vùng kết hợp hai loại vật liệu sẽ
tạo thành vật liệu bán dẫn dạng P. Khi được làm nguội, vật liệu sẽ kết tinh và sẽ tạo thành tiếp giáp PN
dạng rắn.
Phương pháp chế tạo tiếp giáp khuyếch tán là phương pháp sử dụng nhiều nhất hiện nay. Một mặt nạ
để hở sẽ được đặt trên phần mõng bằng vật liệu bán dẫn N hoặc P được gọi là lát mõng, sau đó được
đặt vào lò nung và được trãi ra để tạp chất thành trạng thái hơi. Ở mức nhiệt độ rất cao, các nguyên tử
tạp chất sẽ thẩm thấu hay khuyếch tán qua các mặt được trãi ra của lát mõng. Độ sâu khuyếch tán sẽ
được điều chỉnh theo độ dài của mặt trãi và nhiệt độ.
Khi tiếp giáp PN đã được tạo thành, các diode cần phải được đóng vỏ để bảo vệ diode khỏi sự xâm
thực của môi trường và va chạm cơ học. Vỏ cũng phải được có biện pháp để nối diode với mạch. Kiểu
vỏ tuỳ thuộc vào mục đích hay ứng dụng của diode (hình 3.8). Nếu mức dòng lớn chảy qua diode, thì
vỏ phải được chế tạo để giữ cho tiếp giáp không bị quá nhiệt. Hình 3.9, là dạng vỏ của các diode làm
việc ở mức dòng 3A hay thấp hơn. Cực cathode được nhận dạng bằng vòng màu trắng hay nhũ bạc ở
một đầu của diode.
Câu hỏi mục 3.4:
1. Mô tả ba phương pháp chế tạo diode.
2. Phương pháp chế tạo diode nào được sử dụng nhiều hơn ?
3. Vẽ bốn dạng vỏ diode thông dụng.
4. Cực cathode của diode có thông số định mức dưới 3A được nhận dạng như thế nào ?
Tóm tắt nội dung chương 3:
- Diode tiếp giáp được tạo ra bằng cách ghép hai loại vật liệu N và P với nhau.
- Vùng sát tiếp giáp được gọi là vùng nghèo. Các điện tử di chuyển qua tiếp giáp từ vật liệu N sang

vùng P nên cả lỗ trống và điện tử sát tiếp giáp là rất ít.
- Kích thước của vùng nghèo được giới hạn bởi điện tích ở mổi phía của tiếp giáp.
- Điện tích tại tiếp giáp sẽ tạo ra điện áp được gọi là điện áp chắn.
- Điện áp chắn là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si.
- Dòng điện chảy qua diode chỉ có khi điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn.
- Khi được phân cực thuận diode sẽ dẫn. Vật liệu P nối với cực dương của nguồn, còn vật liệu N được
nối với cực âm của nguồn.
- Diode khi được phân cực ngược chỉ dẫn dòng rò ngược nhỏ.
- Diode là dụng cụ dẫn điện theo một chiều.
- Mức dòng thuận và điện áp ngược lớn nhất của diode được quyết định bởi nhà sản xuất.
- Ký hiệu mạch của diode là:
- Trong diode, cathode là vùng vật liệu N, còn anode là vùng vật liệu P.
- Các diode có thể được chế tạo bằng phương pháp tiếp giáp grown, tiếp giáp hợp kim, hay tiếp giáp
khuyếch tán.
- Phương pháp tiếp giáp hợp kim là một trong những phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất.
- Dạng vỏ của các diode có mức dòng nhỏ hơn 3A được nhận dạng đầu cathode của diode có dãi trắng
hay nhũ bạc.
- Diode được đo thử bằng cách so sánh điện trở thuận với điện trở ngược với một ohmmeter.
- Khi diode được phân cực thuận, sẽ có điện trở thấp.
- Khi diode được phân cực ngược sẽ có điện trở cao.
Câu hỏi chương 3:
1. Một diode tiếp giáp PN được thực hiện như thế nào ?
2. Ở điều kiện nào diode tiếp giáp PN silicon sẽ chuyển sang dẫn ?
3. Vẽ mạch diode tiếp giáp PN theo chiều phân cực thuận và phân cực ngược (sử dụng ký hiệu mạch).

Nội dung của chương bao gồm:
- Giải thích chức năng và các đặc tính của diode Zener.
- Vẽ ký hiệu mạch của một diode Zener
- Giải thích hoạt động của diode Zener như một bộ điều hoà (ổn định) điện áp.

- Mô tả trình tự kiểm tra diode Zener.
Các diode Zener có quan hệ gần gũi với các diode tiếp giáp PN. Diode Zener được chế tạo để có lợi
thế về dòng ngược. Các diode Zener được sử dụng phổ biến để điều khiển điện áp trong tất cả các loại
mạch điện tử.
4.1 Các đặc tính của diode Zener.
Như trên đã nói, khi đặt điện áp phân cực ngược vào diode có thể gây ra dòng ngược lớn, tức là có thể
tạo ra sự quá nhiệt nên diode sẽ bị đánh thủng. Mức điện áp ngược đặt vào mà tại đó xảy ra sự đánh
thủng được gọi là điện áp đánh thủng, hay điện áp ngược đỉnh. Diode đặc biệt gọi là diode Zener hoạt
động theo chế độ phân cực ngược được chế tạo để làm việc tại các giá trị điện áp vượt quá điện áp
đánh thủng. Vùng đánh thủng được gọi là vùng Zener.
Khi điện áp phân cực ngược đặt vào diode Zener đủ lớn để tạo ra sự đánh thủng trong diode Zener thì
sẽ có một dòng điện ngược lớn chảy qua diode. Mức dòng ngược thấp khi điện áp ngược chưa đạt đến
mức điện áp đánh thủng. Sau khi đạt đến mức điện áp đánh thủng, mức dòng ngược sẽ tăng đột ngột.
Điều này xảy ra do điện trở của diode Zener giảm xuống khi điện áp ngược tăng lên.
Điện áp đánh thủng của một diode Zener (E
Z
) được quyết định bởi điện trở suất của diode, tức là do
việc điều khiển kỷ thuật pha tạp sử dụng trong quá trình chế tạo. Điện áp đánh thủng định mức tương
ứng với mức điện áp ngược tại mức dòng đo thử của zener (I
ZT
). Mức dòng đo thử của zener là mức
dòng nhỏ hơn nhiều so với mức dòng ngược lớn nhất mà diode có thể xử lý. Thông thường, điện áp
đánh thủng định mức có sai số từ 1% đến 2%.
Khả năng tiêu tán công suất của diode zener sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do vậy thông số tiêu tán công
suất sẽ được cho theo các mức nhiệt độ quy định. Các thông số công suất cũng dựa trên các độ dài của
điện cực, các điện cực của diode ngắn hơn sẽ tiêu tán công suất lớn hơn. Hệ số suy giảm công suất
được nhà sản xuất giới thiệu dùng để xác định mức công suất làm việc ở các nhiệt độ khác nhau từ
mức nhiệt độ cụ thể. Ví dụ, hệ số suy giảm công suất là 6mW trên một
o
C, có nghĩa là mức công suất

định mức của diode sẽ giảm 6mW theo mỗi độ nhiệt độ thay đổi.
Các diode zener có dạng vỏ như diode tiếp giáp PN (hình 4.1). Các diode zener công suất thấp được
lắp trong vỏ bằng thuỷ tinh hoặc bằng nhựa epoxy. Các diode công suất cao được lắp trong vỏ bằng
kim loại. Ký hiệu mạch của diode zener gần giống như ký hiệu mạch của diode tiếp giáp PN nhưng hơi
khác ở đường gạch chỉ cathode là đường zíc - zắc (hình 4.2).
Câu hỏi mục 4.1:
1. Đặc tính duy nhất chỉ có ở diode zener là đặc tính gì ?
2. Một diode zener được mắc như thế nào trong mạch ?
3. Đại lượng nào sẽ quy định mức điện áp đánh thủng của diode zener ?
4. Các lý do nào dùng để xem xét khi xác định mức tiêu tán công suất của một diode zener ?
5. Vẽ và ghi tên điện cực ký hiệu mạch dùng để thể hiện một diode zener ?
4.2 Các thông số làm việc của diode zener.
Dòng zener lớn nhất (I
ZM
) là mức dòng ngược lớn nhất có thể chảy qua diode zener mà không vượt
qua mức công suất tiêu tán được quy định bởi nhà sản xuất. Mức dòng ngược (I
R
) tương ứng với mức
dòng rò trước khi đánh thủng và được quy định tại mức điện áp ngược (E
R
) cụ thể. Mức điện áp ngược
(E
R
) xấp xĩ 80% mức điện áp zener (E
Z
).
Các diode zener có điện áp đánh thủng 5V hoặc cao hơn thường có hệ số nhiệt độ - điện áp zener
dương, tức là mức điện áp đánh thủng sẽ tăng khi nhiệt độ tăng. Các diode zener có điện áp đánh thủng
thấp hơn 4V thường có hệ số nhiệt độ - điện áp zener âm, có nghĩa là mức điện áp đánh thủng sẽ giảm
khi nhiệt độ tăng. Các diode zener có điện áp đánh thủng trong khoảng 4V đến 5V có thể có hệ số

nhiệt độ - điện áp dương hoặc âm.
Mạch diode zener dùng để bù nhiệt được tạo ra khi mắc diode zener nối tiếp với một diode tiếp giáp
PN, với việc diode tiếp giáp PN được phân cực thuận, và diode zener được phân cực ngược, bằng cách
lựa chọn các diode có hệ số nhiệt độ bằng và đối nghịch nhau. Có thể cần phải mắc số diode tiếp giáp
PN nhiều hơn để có mức bù nhiệt độ thích hợp.
Câu hỏi mục 4.2:
1. Thông số nào quyết định mức dòng zener lớn nhất của một diode zener ?
2. Điểm khác biệt nào giữa mức dòng zener lớn nhất và mức dòng ngược ở một diode zener ?
3. Ý nghĩa của hệ số nhiệt độ - điện áp zener dương là gì ?
4. Ý nghĩa của hệ số nhiệt độ - điện áp zener âm là gì ?
5. Diode zener có thể dùng để bù nhiệt độ như thế nào ?
4.3 Sự ổn định điện áp bằng diode zener.
Diode zener có thể dùng để ổn định hay điều hoà điện áp, vì dụ, có thể sử dụng diode zener để bù các
thay đổi ở điện áp đường nguồn điện hoặc các thay đổi của điện trở tải mà vẫn duy trì mức điện áp ra
DC không đổi.
Hình 4.3, là mạch điều hoà bằng diode zener thông dụng. Diode zener được mắc nối tiếp với điện trở
R
S
cho phép đủ mức dòng chảy qua diode zener để làm việc ở vùng đánh thủng zener. Điện áp vào DC
cần phải cao hơn mức điện áp đánh thủng của diode zener. Mức sụt áp trên diode zener sẽ bằng thông
số điện áp làm việc của diode zener. Các diode zener được chế tạo để có điện áp đánh thủng định mức
quy định, thường được gọi là điện áp zener (V
Z
). Sụt áp trên điện trở R
S
sẽ bằng mức chênh lệch giữa
điện áp (đánh thủng) của zener và điện áp vào.
Điện áp vào có thể tăng lên hay giảm xuống, sẽ làm cho dòng chảy qua diode zener tăng hay giảm
tương ứng. Khi diode zener làm việc ở mức điện áp zener hay ở vùng đánh thủng, mức dòng lớn sẽ
chảy qua zener cùng với mức tăng lên ở điện áp vào. Nhưng mức điện áp zener vẫn không đổi, tức là

diode zener sẽ chặn mức tăng ở điện áp vào, do dòng vào tăng làm cho điện trở của diode giảm xuống.
Điều này cho phép mức điện áp ra của diode zener duy trì mức không đổi khi điện áp vào thay đổi.
Mức thay đổi ở điện áp vào sẽ xảy ra trên điện trở nối tiếp (R
S
). Điện trở mắc nối tiếp với diode zener,
nên tổng mức sụt áp cần phải bằng mức điện áp vào. Điện áp ra được lấy trên hai đầu của diode zener.
Mức điện áp ra có thể tăng hay giảm bằng cách thay đổi diode zener và điện trở nối tiếp.
Mạch hình 4.3, sẽ cung cấp điện áp không đổi. Khi thiết kế mạch, dòng chảy trong mạch cần phải được
tính toán cũng như điện áp. Tải ngoài yêu cầu mức dòng tải (I
L
) riêng được xác định theo điện trở tải
và điện áp ra (hình 4.4). Dòng tải và dòng zener chảy qua điện trở nối tiếp, nên cần phải chọn điện trở
nối tiếp để có mức dòng zener thích hợp duy trì diode zener làm việc trong vùng đánh thủng và cho
dòng điện chảy qua.
Khi điện trở tải tăng, dòng tải sẽ giảm, cần phải tăng điện áp trên điện trở tải nhưng diode zener lại
chặn mọi sự thay đổi bất kỳ bằng cách dẫn mức dòng cao hơn. Tổng mức dòng zener và dòng tải chảy
qua điện trở nối tiếp vẫn không đổi. Tác dụng đó sẽ duy trì cùng mức điện áp trên điện trở nối tiếp.
Tương tự, khi dòng tải tăng lên, thì dòng chảy qua zener sẽ giảm xuống, duy trì mức điện áp không
đổi, tức là cho phép mạch điều hoà đối với sự thay đổi ở dòng ra cũng như sự thay đổi ở điện áp vào.
Câu hỏi mục 4.3:
1. Chức năng thực tế của diode zener là gì ?
2. Vẽ mạch ổn định điện áp bằng diode zener ?
3. Điện áp của một mạch điều hoà điện áp bằng diode zener có thể thay đổi như thế nào ?
4. Yếu tố nào cần phải được tính toán khi thiết kế một bộ điều hoà điện áp bằng diode zener ?
5. Giải thích hoạt động của bộ điều hoà điện áp bằng diode zener duy trì mức điện áp ra không đổi ?
4.4 Kiểm tra (đo thử) diode zener.
Có thể kiểm tra nhanh các diode zener đối với các trường hợp như: đứt mạch, hở mạch, hay bị rò bằng
đồng hồ đo điện trở. Đồng hồ đo điện trở [ohmmeter] mắc theo kiểu phân cực thuận và phân cực
ngược như cách kiểm tra các diode tiếp giáp PN. Tuy nhiên, các cách đo thử trên không cho thông tin
diode zener có ổn định điện áp ở giá trị định mức hay không. Để làm việc đó, việc đo thử sự ổn định

cần phải được thực hiện với một nguồn cung cấp được mắc với đồng hồ đo để có thể chỉ thị cả mức
điện áp và dòng điện.
Hình 4.5, là cách mắc đúng để kiểm tra sự ổn định của một diode zener. Đầu ra của bộ nguồn cung cấp
sẽ được mắc với một điện trở hạn dòng nối tiếp với một diode zener cần được đo thử. Đồng hồ đo điện
áp [Voltmeter] được mắc vào hai đầu của zener để đo thử và giám sát mức điện áp zener. Điện áp ra sẽ
được tăng dần cho đến khi đạt được mức dòng quy định chảy qua diode zener. Thay đổi mức dòng
theo cả hai phía của mức dòng zener (I
Z
) quy định. Nếu điện áp vẫn không đổi, thì diode zener tốt.
Câu hỏi mục 4.4:
1. Giải thích quá trình kiểm tra diode zener bằng đồng hồ đo điện trở.
2. Các thông số nào không kiểm tra được khi sử dụng một ohmeter để đo thử một diode zener ?
3. Vẽ mạch mắc một diode zener để kiểm tra điện áp đánh thủng của diode zener.
4. Giải thích hoạt động của mạch ở câu hỏi 3 để xác định một diode zener còn tốt hay không ?
5. Cực cathode của diode zener có thể được xác định bằng ohmeter như thế nào ?
Tóm tắt nội dung chương 4.
- Các diode zener được chế tạo để làm việc tại các mức điện áp lớn hơn mức điện áp đánh thủng (điện
áp ngược đỉnh).
- Điện áp đánh thủng của một diode zener được xác định bằng điện trở nội của diode.
- Các diode zener được chế tạo có mức điện áp đánh thủng riêng.
- Mức tiêu tán công suất của diode zener căn cứ vào nhiệt độ và độ dài của điện cực.
- Ký hiệu mạch của diode zener là:
- Các diode zener có dạng vỏ giống như các diode tiếp giáp PN.
- Các diode zener có điện áp đánh thủng lớn hơn 5V có hệ số nhiệt độ - điện áp zener dương.
- Các diode zener có điện áp đánh thủng nhỏ hơn 4V có hệ số nhiệt độ - điện áp zener âm.
- Các diode zener được sử dụng để ổn định hoặc điều hoà điện áp.
- Các bộ ổn định bằng diode zener sẽ cung cấp mức điện áp ra không đổi bất chấp các thay đổi ở điện
áp vào hoặc dòng ra.
- Các diode zener có thể được kiểm tra bằng ohmeter để xác định diode zener hở mạch, ngắn mạch,
hay bị rò.

- Để xác định một diode zener có mức điện áp điều hoà thích hợp hay không, thì cần phải thực hiện đo
thử sự điều hoà của diode.
Câu hỏi chương 4:
1. Giải thích các chức năng của diode zener trong mạch điều hoà điện áp.
2. Giải thích qui trình kiểm tra thông số điện áp của một diode zener.

Nội dung của chương bao gồm:
- Cấu tạo của transistor.
- Ký hiệu mạch của transistor NPN và PNP.
- Các phương pháp phân loại transistor.
- Chức năng của một transistor theo số hiệu của nhà sản xuất.
- Nhận dạng các dạng vỏ của transistor thông dụng.
- Phân cực cho transistor hoạt động.
- Đo thử transistor bằng máy đo transistor và ohmmeter.
- Quy trình thay thế transistor.
Vào năm 1947, lần đầu tiên tại phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell (Mỹ) đã phát minh nguyên
lý hoạt động của transistor tiếp giáp lưỡng hạt [Bipolar Junction Transistor] gọi tắt là BJT hay
transistor. Transistor là dụng cụ có ba điện cực, hai tiếp giáp được sử dụng để điều khiển dòng điện tử
chảy qua. Bằng cách thay đổi mức điện áp đặt vào ba điện cực, thì có thể điều khiển mức dòng cho các
mục đích khuyếch đại, dao động, và chuyển mạch. Các ứng dụng đó sẽ được giới thiệu trong các
chương sau.
5.1 Cấu tạo của transistor.
Khi bổ sung một lớp thứ ba vào diode bán dẫn, thì dụng cụ được tạo thành có thể khuyếch đại công
suất, dòng điện, hoặc điện áp. Dụng cụ được gọi là transistor lưỡng hạt [BJT].
Cũng như diode tiếp giáp, BJT có thể được chế tạo bằng Ge hay Si, nhưng Si được sử dụng nhiều hơn.
Một transistor bao gồm ba vùng bán dẫn tạp xen kẽ nhau. Ba vùng bán dẫn được chế tạo theo một
trong hai cách.
Cách thứ nhất, là vùng vật liệu P được kẹp vào giữa hai vùng vật liệu N, tạo thành transsistor NPN
(hình 5.1). Cách thứ hai, một lớp vật liệu N sẽ được kẹp giữa hai lớp vật liệu P để tạo thành transistor
PNP (hình 5.2).

Ở cả hai kiểu transistor, vùng ở giữa được gọi là vùng base (gốc), còn hai vùng ngoài được gọi là vùng
emitter (phát) và collector (góp). Emitter, base, và collector được nhận biết bằng ký tự E, B, và C
tương ứng.
Câu hỏi mục 5.1:
1. Cấu tạo của transistor khác với cấu tạo của diode tiếp giáp PN như thế nào ?
2. Hai loại transistor bao gồm loại nào ?
3. Ba thành phần trong transistor được gọi là gì ?
4. Vẽ và ghi tên ký hiệu mạch của transistor NPN và PNP.
5. Transistor được sử dụng để làm gì ?

5.2 Các loại transistor và dạng vỏ.
Transistor được phân loại theo phương pháp sau:
1. Theo loại transistor (hoặc là NPN hoặc PNP).
2. Theo loại vật liệu được sử dụng (Germanium, hoặc Silicon).
3. Theo công dụng chính (công suất cao hay thấp, có chức năng chuyển mạch, hay tần số cao).
Phần lớn transistor được nhận biết theo số hiệu ghi trên vỏ transistor. Đối với các transistor do các
hãng của Mỹ sản xuất, thì số hiệu sẽ bắt đầu với số 2 và sau đó là chữ N và có thêm 4 chữ số. Các ký
hiệu này cho biết dụng cụ là transistor có hai tiếp giáp. Ví dụ, transistor công suất có số hiệu 2N3055.
Vỏ dùng để bảo vệ transistor và cho cách chế tạo các điện cực nối đến các vùng emitter, base, và
collector. Vỏ cũng được sử dụng làm cánh tản nhiệt, hoặc
vùng diện tích để nhiệt có thể được phát xạ, loại bỏ sự quá
nhiệt từ transistor và ngăn chặn sự hư hỏng do nhiệt độ. Có
nhiều kiểu vỏ khác nhau, tuỳ theo các ứng dụng (hình 5.3).
Các dạng vỏ transistor được chế tạo theo kích thước và cấu
hình khác nhau. Nhận biết dạng vỏ thông dụng nhất gồm các
ký tự TO (transistor outline), tiếp theo là chữ số.
Do có một số lượng lớn các dạng transistor, nên rất khó để đưa
ra nguyên tắc nhận dạng các cực emitter, base, và collector
cho mổi loại dụng cụ. Cách tốt nhất là tham khảo trang số liệu
quy định của nhà sản xuất để nhận biết các điện cực của mổi

dụng cụ.
Câu hỏi mục 5.2:
1. Các transistor được phân loại như thế nào ?
2. Ký hiệu mạch nào được dùng để nhận biết transistor ?
3. Mục đích của việc chế tạo vỏ cho transistor là gì ?
4. Vỏ của transistor được ký hiệu như thế nào ?
5. Phương pháp tốt nhất để nhận biết các điện cực:
base, emitter, và collector của transistor là gì ?
5.3 Nguyên lý hoạt động cơ bản của transistor.
Diode là một bộ chỉnh lưu còn transistor là một bộ khuyếch đại. Transistor có thể được sử dụng theo
nhiều cách, nhưng chức năng cơ bản là để khuyếch đại dòng điện của một tín hiệu hay để chuyển mạch
tín hiệu.
Một transistor phải được phân cực thích hợp bằng các nguồn điện áp ngoài để các vùng emitter, base
và collector tác động với nhau theo cách thức quy định. Khi transistor khuyếch đại được phân cực
đúng, có nghĩa là tiếp giáp emitter phải được phân cực thuận còn tiếp giáp collector được phân cực
ngược. Hình 5.4, là mạch phân cực đúng cho transistor NPN.
Các điện tử sẽ chảy từ vùng emitter của transistor NPN do phân cực thuận. Phân cực thuận là đặt điện
áp dương trên cực base so với cực emitter. Điện áp dương sẽ thu hút các điện tử, tạo ra dòng điện chảy
từ vùng collector sang vùng emitter. Các điện tử vào vùng base lúc này sẽ bị tác động bởi điện áp
dương đặt vào collector. Phần lớn các điện tử được thu hút đến vùng collector nên đến cực dương của
nguồn điện áp phân cực ngược. Một số ít điện tử được hấp thụ trong vùng base nên sẽ tạo ra một dòng
điện tử nhỏ chảy vào vùng base. Để có tác động đó xảy ra, vùng base cần phải rất mõng.
Trong mạch phân cực đúng cho transistor PNP, các nguồn ngoài cần phải mắc ngược lại (hình 5.5).
Điểm khác nhau giữa hai mạch phân cực cho transistor NPN và PNP bao gồm: các nguồn pin có cực
tính ngược nhau, và chiều dòng điện là ngược lại.
Tương tự như diode, điện áp chắn tồn tại trong transistor. Ở transistor, mức điện áp chắn có trên tiếp
giáp emitter - base, cần phải được giảm xuống trước khi có dòng điện chảy qua tiếp giáp. Mức điện áp
chắn phải được xác định theo loại vật liệu bán dẫn sử dụng để chế tạo transistor. Cũng như diode, mức
điện áp chắn là 0,3V đối với transistor Gemanium, và 0,7V đối với các transistor Silicon.
Tiếp giáp collector - base của transistor cũng phải lệ thuộc vào điện áp dương đủ lớn để thu hút phần

lớn các điện tử được cung cấp bởi vùng emitter. Điện áp ngược đặt vào tiếp giáp collector - base
thường lớn hơn nhiều so với điện áp thuận đặt trên tiếp giáp emitter - base, tức là dùng nguồn cung cấp
điện áp cao hơn.
Câu hỏi mục 5.3:
1. Các chức năng cơ bản của transistor là gì ?
2. Phương pháp phân cực đúng cho transistor là gì ?
3. Sự khác nhau giữa việc phân cực cho transistor NPN và PNP là gì ?
4. Mức điện áp chắn của transistor Gemanium và Silicon là bao nhiêu ?
5. Sự khác nhau giữa hai điện áp phân cực tiếp giáp emitter - base và tiếp giáp collector - base là gì ?
5.4 Đo thử transistor.
Các transistor là dụng cụ bán dẫn thường làm việc với tuổi thọ cao mà không bị hỏng. Nếu transistor
hư hỏng, thì sự hư hỏng thường do nhiệt độ, dòng điện, điện áp làm việc quá cao. Hư hỏng cũng có thể
do tác động cơ học lớn. Hậu quả của sự lạm dụng các mức thông số điện hay cơ đều có thể làm cho
transistor hở mạch hay ngắn mạch bên trong, hoặc các thông số của transistor có thể không đầy đủ để
làm cho transistor hoạt động. Có hai phương pháp để kiểm tra transistor để xác định transistor có chức
năng thích hợp đó là: sử dụng đồng hồ đo điện trở [ohmmeter] và bằng thiết bị kiểm tra transistor.
Bằng đồng hồ đo điện trở thông thường có thể giúp phát hiện transistor hư hỏng trong mạch. Đo điện
trở được thực hiện giữa hai tiếp giáp của transistor theo cách như sau: đo điện trở giữa emitter và base,
giữa collector và base, và giữa collector và emitterr. Trong việc đo thử transistor, điện trở đo được giữa
hai điện cực bất kỳ bằng hai que đo của đồng hồ đo được mắc theo cùng một kiểu. Các que đo đồng hồ
đo sau đó được đảo ngược. Trong một kiểu mắc que đo đồng hồ, điện trở sẽ cao, 10 000 hoặc cao
hơn. Ở kiểu mắc que đo đồng hồ ngược lại, điện trở sẽ thấp hơn, nhỏ hơn 10 000 .
Mỗi tiếp giáp của transistor biểu hiện điện trở thấp khi được phân cực thuận và điện trở cao khi được
phân cực ngược. Nguồn pin trong ohmmeter là nguồn điện áp phân cực thuận hoặc phân cực ngược tuỳ
theo cách mắc que đo. Điện trở chính xác đo được sẽ thay đổi tuỳ theo các loại transistor khác nhau,
nhưng luôn luôn có sự thay đổi khi các que đo của ohmmeter bị đảo ngược. Phương pháp kiểm tra này
được tiến hành cho transistor NPN hoặc PNP (hình 5.6).
Nếu transistor hỏng thì phép đo trên sẽ sai.
Phương pháp đo thử transistor tín cậy hơn là sử
dụng máy đo thử transistor [Transistor tester].

Lưu ý: Cũng như đối với các diode, mức điện áp
trên hai đầu que đo của ohmmeter cần phải không
bao giờ vượt quá thông số điện áp lớn nhất giữa các
tiếp giáp của transistor. Các thang đo thấp hơn của
một số ohmmeter có thể cung cấp mức dòng nguy
hiểm đối với transistor cần đo thử. Để phòng ngừa
hư hõng khi đo, tốt nhất nên bắt đầu ở thang đo an
toàn nhất, và sau đó chuyển đổi đến thang đo cần
thiết để có số liệu đo thích hợp.
Các thiết bị đo thử transistor có thông số kỹ thuật
được chế tạo để đo thử các transistor và diode. Có
hai kiểu thiết bị đo thử: loại đo trong mạch và loại
đo cấu kiện được tháo ra khỏi mạch. Cả hai loại có
thể được đặt trong cùng một vỏ.