Giáo trình Cấu kiện điện tử

Nội dung text: Giáo trình Cấu kiện điện tử

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG  Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thúy Hà Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ PTIT Hà Nội 2013
2. LỜI NÓI ĐẦU Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính, so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng. Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây đến các linh kiện không thể thiếu được như điốt, transistor và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp. Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc các đặc điểm của chúng. Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác. Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009 và được hiệu chỉnh lại theo đề cương tín chỉ được ban hành năm 2012. Nội dung của bài giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và CNTT Bài giảng "Cấu kiện điệnPTIT tử" gồm 6 chương. + Chương mở đầu: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử. + Chương 1: Cấu kiện thụ động + Chương 2 : Cấu kiện bán dẫn và ứng dụng + Chương 3: Cấu kiện quang điện tử + Chương 4: Cấu kiện cơ điện tử i
3. + Chương 5: Màn hình cảm ứng Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội. Xin chân thành cảm ơn! PTIT ii
4. MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i MỤC LỤC iii CHƯƠNG MỞ ĐẦU- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ 1 0.1. KHÁI NIỆM CHUNG 1 0.1.2. Mạch điện tử 2 0.1.3. Hệ thống điện tử 3 0.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN 3 0.2.1. Các phần tử thụ động R, L, C 4 0.2.2. Mô hình nguồn điện 6 0.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện 7 0.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 7 0.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) 8 Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) 10 Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton 11 0.4. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ. 13 0.4.1. Phân loại dựaPTIT trên đặc tính vật lý: 13 0.4.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: 13 0.4.3. Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: 14 0.4.4. Phân loại dựa vào ứng dụng: 14 0.4.5. Phân loại theo đặc tính điện 14 CHƯƠNG 1. CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG 17 NỘI DUNG 17 iii
5. 1.1. ĐIỆN TRỞ (Resistor) 17 1.1.1. Định nghĩa 17 1.1.2. Cấu tạo điện trở 18 1.1.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở 18 1.1.4. Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở 22 1.1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương 24 1.1.6. Phân loại điện trở 25 1.1.7. Một số điện trở đặc biệt 26 1.2. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 28 1.2.1. Định nghĩa 28 1.2.2. Cấu tạo của Tụ điện 28 1.2.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện 29 1.2.4. Ký hiệu của tụ điện 31 1.2.5. Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện 31 1.2.6. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: 34 1.2.6. Phân loại 34 1.2.8. Ứng dụng của tụ điện 37 1.2.9. Hình ảnh củaPTIT một số loại tụ trong thực tế 37 1.3. CUỘN CẢM (Inductor) 40 1.3.1. Định nghĩa 40 1.3.2 Ký hiệu của cuộn cảm. 40 1.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây 40 1.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây 42 1.3.5 Phân loại 43 iv
6. 1.3.6 Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế 44 1.4 BIẾN ÁP (Transformer) 44 1.4.1 Định nghĩa và cấu tạo của biến áp 44 1.4.2 Nguyên lý hoạt động của biến áp 45 1.4.3 Các tham số kỹ thuật của biến áp 46 1.4.4 Ký hiệu của biến áp 47 1.4.5 Phân loại và ứng dụng 47 1.5 CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC 50 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 54 CHƯƠNG 2. CẤU KIỆN BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG 43 2.1. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ. 43 2.1.1. Lý thuyết vật lý chất rắn 43 2.1.2. Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử 44 2.1.3. Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn 44 2.1.4. Phân loại vật liệu điện tử 45 2.2. CHẤT BÁN DẪN 49 2.2.1. Định nghĩa chất bán dẫn 49 2.2.2. Chất bán dẫnPTIT nguyên chất (Intrinsic semiconductor) 50 2.2.3. Chất bán dẫn tạp 57 2.3. CHUYỂN TIẾP PN 66 2.3.1. Giới thiệu chung 66 2.3.2. Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng nhiệt 66 2.3.3. Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực 68 2.3.4. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN 70 v
7. 2.3.5. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN 72 2.4. ĐIỐT BÁN DẪN 73 2.4.1. Giới thiệu chung 73 2.4.2. Điốt chỉnh lưu 75 2.4.3. Một số loại điốt 82 2.4.4. Một số mạch ứng dụng của Điốt 85 2.5. TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) 91 2.5.1. Giới thiệu chung 91 2.5.2. Cấu tạo, ký hiệu của BJT 92 2.5.3. Nguyên lý hoạt động của BJT 94 2.5.4. Các cách mắc BJT và họ đặc tuyến tương ứng. 100 2.5.5. Phân cực (định thiên) cho BJT 108 2.5.6. BJT trong chế độ chuyển mạch (chế độ xung) 134 2.5.7 Ứng dụng của BJT 136 2.6. Transistor hiệu ứng trường – FET 137 2.6.3.2. Cấu trúc MOS khi có điện áp phân cực 155 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 173 PHẦN 1 – ĐIỐT BÁNPTIT DẪN 173 PHẦN 2 - BJT 181 CHƯƠNG 3. CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ 201 3.1. PHẦN MỞ ĐẦU 201 3.1.1. Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử 201 3.1.2. Hệ thống thông tin quang. 202 3.1.3. Vật liệu bán dẫn quang 204 vi
8. 3.2. CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG 204 3.2.1. Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất 204 3.2.2. Diode phát quang (LED- Light Emitting Diode). 207 Nguyên tắc làm việc 214 Ứng dụng 215 3.2.3. Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD) 216 3.2.4. Màn hình Plasma 218 3.3. Các linh kiện thu quang. 219 3.3.1. Giới thiệu chung. 219 3.3.2. Điện trở quang. 219 3.3.3. Điôt quang (photodiode). 221 3.3.4. Tế bào quang điện 228 3.4. CẤU KIỆN CCD (Charge Coupled Devices - Cấu kiện tích điện kép) 231 TÓM TẮT 232 CÂU HỎI ÔN TẬP 232 CHƯƠNG 4 - CẤU KIỆN CƠ ĐIỆN TỬ 237 NỘI DUNG 237 4.1. Giới thiệu PTIT 237 4.2. Cảm biến áp suất vi cơ điện tử. 237 4.2.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ. 239 4.2.2. Cảm biến áp suất kiểu áp trở 240 4.3. Cảm biến gia tốc. 242 4.3.1. Cấu tạo. 242 4.3.2. Nguyên lý hoạt động. 243 vii
9. 4.3.3. Một số loại cảm biến gia tốc. 243 4.3.4. Một số ứng dụng của cảm biến gia tốc. 246 4.4. Cảm biến sinh học. 247 4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 247 4.4.2. Ứng dụng của cảm biến sinh học 249 4.5. Rơ le (Chuyển mạch - Switching). 251 4.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 251 CÂU HỎI ÔN TẬP 253 Equation Chapter 8 Section 1CHƯƠNG 5 – MÀN HÌNH CẢM ỨNG 254 5.1. Giới thiệu 254 5.2. Các công nghệ màn hình cảm ứng. 254 5.2.1. Công nghệ cảm ứng điện trở. 256 5.2.2. Công nghệ cảm ứng điện dung. 257 5.2.3. Công nghệ hồng ngoại và sóng âm. 260 5.3. Ứng dụng. 261 CÂU HỎI ÔN TẬP 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO 266 PTIT viii
10. PTIT ix
11. CHƯƠNG MỞ ĐẦU- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Khái niệm chung Khái niệm về cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử Các mô hình phần tử mạch điện cơ bản Tổng quan các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến Phân loại cấu kiện điện tử. 0.1. KHÁI NIỆM CHUNG 0.1.1. Cấu kiện điện tử Cấu kiện điện tử: là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC) có tính năng thu nhận, lưu trữ, truyền dẫn, hoặc xử lý tín hiệu điện tạo nên mạch điện tử, các hệ thống điện tử có chức năng kỹ thuật nào đó. Xem hình ảnh một số loại cấu kiện trong thực tế trong Hình 0.1. PTIT Hình 0.1 - Hình ảnh của một số loại cấu kiện điện tử trong thực tế. Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây các linh kiện không thể thiếu được như Điốt, transistor đến các linh kiện tích hợp (IC) phức tạp Chúng được đấu nối với nhau 1
12. theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị điện tử, ví dụ như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc nguyên lý hoặc động, đặc điểm, tham số, và ứng dụng của chúng. Trong thực tế cấu kiện điện tử rất đa dạng, có nhiều tham số, đặc tính khác nhau, tuy nhiên khi nghiên cứu về cấu kiện điện tử chúng ta thường sử dụng các mô hình của cấu kiện với những tham số đặc trưng, quan trọng nhất. 0.1.2. Mạch điện tử iPhone PTIT Hình 0.2 - Hình ảnh của một số mạch điện tử trong thực tế. Mạch điện là một tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng nếu có) và các cấu kiện điện tử cùng dây dẫn điện được đấu nối với nhau theo một sơ đồ mạch đã thiết kế nhằm thực hiện một chức năng nào đó của một thiết bị điện tử hoặc một hệ thống điện tử. Ví dụ như mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị phân, mạch đếm xung, hoặc đơn giản chỉ là một mạch phân áp, Hình ảnh một số mạch điện tử trong thực tế như Hình 0.2. 2
13. Cấu hình vật lý của mạch điện tử rất đa dạng và phức tạp, khi nghiên cứu về mạch chúng ta thường nghiên cứu chúng dưới dạng mô hình mạch điện (Tập hợp của nhiều mô hình cấu kiện kết nối với nhau). 0.1.3. Hệ thống điện tử Hệ thống điện tử là một tập hợp các mạch điện tử có các chức năng kỹ thuật riêng kết nối với nhau theo một cấu trúc nhất định tạo thành một thiết bị điện tử có chức năng kỹ thuật nhất định hoặc một hệ thống điện tử phức tạp có chức năng kỹ thuật riêng như máy thu hình, máy hiện sóng, hệ thống phát thanh truyền hình, trạm truyền dẫn vi ba, hệ thống thông tin quang Hình 0.3 - Hình ảnh của một số hệ thống điện tử trong thực tế. 0.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN Trong thực tế cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử rất đa dạng, để nghiên cứu, thiết kế, tính toán chúng thường sử dụng mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng. Mô hình mạch điện nguyên lý được xây dựng từ các mô hình các phần tử mạch điện. Trong mô hình mạch điệnPTIT nguyên lý, mỗi cấu kiện điện tử có thể được thay thế tương ứng bằng một mô hình phần tử tương ứng hoặc bằng một khối mạch tương tương gồm nhiều phần tử cơ bản ghép với nhau. Trong thực tế nhiều cấu kiện phức tạp có thể chỉ thay thế bằng một mô hình đơn giản gồm hộp đen có các chân vào/ra và kèm theo là mô tả hoạt động của chúng dưới dạng các phương trình quan hệ, bảng trạng thái, giải thuật, mô tả bằng ngôn ngữ đặc tả hay ngôn ngữ tự nhiên. Ví dụ về mạch điện trong thực tế và mô hình mạch điện nguyên lý như Hình 0.4. Các cấu kiện điện tử được trình bày trong tài liệu này chủ yếu được nghiên cứu dưới dạng mô hình và kết chúng với nhau trong mô hình mạch nguyên lý xác định. Như vậy trong tài liệu này khi nói đến mạch điện chúng ta hiểu đó là mô hình mạch điện nguyên lý. 3
14. Các mô hình phần tử cơ bản của mạch điện bao gồm: Các phần tử nguồn điện, Phần tử thụ động cơ bản: Điện trở, Điện cảm, Điện dung. Còn mô hình của các phần tử phức tạp hơn như Điốt, Transistor, sẽ lần lượt được xét trong các chương tiếp theo. Mạch điện thực tế Mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng Hình 0.4 - Mạch điện thực tế và mô hình mạch tương ứng 0.2.1. Các phần tử thụ động R, L, C a. Phần tử điện trở PTIT Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện. Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. Mức độ cản điện được đặc trưng bởi phần tử điện trở, thường được ký hiệu là R (Resistor) và có 2 dạng mô hình (hoàn toàn tương đương) như Hình 0.5. R i(t) R i(t) u(t) u(t) Hình 0.5 – Mô hình của phần tử điện trở 4
15. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên điện trở tuân theo định luật Ôm rất nổi tiếng: U=I.R hay u(t)=i(t).R Trong đó: U, u(t) : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản V (Vôn). I, i(t) : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản A (Ampe). R : trị số điện trở của vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản Ω (Ohm). - Trị số điện dẫn của điện trở: G=1/R b. Phần tử điện dung (tụ điện) Tụ điện là phần tử mạch có khả năng Tích, Lưu và phóng điện tích dưới dạng năng lượng của Điện trường . Thường được tạo ra bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi (chất cách điện). Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh, đây là một ưu thế của nó so với ắc qui. C PTITi(t) u(t) Hình 0.6 – Mô hình của phần tử tụ điện Mức độ tích điện của tụ điện được đặc trưng bởi trị số điện dung C (F), và cũng được ký hiệu là C và có mô hình như Hình 0.6: Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên tụ như sau: 5
16. du(t) i(t) C. dt c. Phần tử điện cảm Điện cảm là phần tử mạch điện có khả năng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện biến thiên đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°. Tham số Điện cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm L, đơn vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm L càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng. Trong sơ đồ mạch điện, điện cảm cũng được ký hiệu là L và có mô hình như Hình 0.7: i(t) L u(t) Hình 0.7 – Mô hình của phần tử điện cảm Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên điện cảm như sau: di(t) u(t) L. dt 0.2.2. Mô hình nguồn điện a. Nguồn độc lập a1. Nguồn áp Nguồn PIN lý tưởng Nguồn áp lý tưởng Nguồn áp không lý tưởng + R V S _+ V; v(t) _+ V; v(t) PTIT a2. Nguồn dòng Nguồn dòng lý tưởng Nguồn dòng không lý tưởng I, i(t) I, i(t) RS 6
17. b. Nguồn phụ thuộc Nguồn phụ thuộc (nguồn có điều khiển) b1. Nguồn áp có điều khiển Nguồn áp điều khiển bằng áp Nguồn áp điều khiển bằng dòng Lý tưởng Không lý tưởng Lý tưởng Không lý tưởng RS RS _+ U(U) _+ U(U) _+ U(I) _+ U(I) b2. Nguồn dòng có điều khiển Nguồn dòng điều khiển bằng áp Nguồn dòng điều khiển bằng dòng Lý tưởng Không lý tưởng Lý tưởng Không lý tưởng I(U) I(U) RS I(I) I(I) RS 0.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện Dây dẫn = Dẫn điện tuyệt đối Điểm nối Không nối PTIT+V -V Điểm đầu cuối Đất (GND) Nguồn áp dương Nguồn áp âm 0.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN + m1 (method 1): Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2 (method 2): Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) + m3 (method 3): Phương pháp điện áp nút (Node Method) 7
18. + m4 (method 4): Phương pháp xếp chồng (Superposition) + m5 (method 5): Phương pháp dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton Các phương pháp phân tích mạch điện cơ bản ở trên sinh viên sẽ được học đầy đủ trong môn “Lý thuyết mạch” ở học kỳ tiếp theo. Trong bài giảng này chỉ giới thiệu một số phương pháp như m1, m2, m5 nhằm trang bị cho sinh viên công cụ để phân tích, tính toán mạch định thiên, mô hình mạch xoay chiều cho các loại cấu kiện điện tử. 0.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) a. Định luật Kirchhoff 1 (KCL - Kirchhoff’s Current Law) Định luật KCL có thể được phát biểu như sau: - Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng không. - Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cường độ dòng điện đi ra khỏi nút. Giả sử tại 1 nút mạch có N thành phần dòng điện thì ta có: N an= 1 Nếu in(t) đi vào nút.  anin (t) 0 n 1 an=-1 Nếu in(t) đi ra khỏi nút. Ví dụ 1.2: Nút 1 A i1 i 3 3 A 2 A i 1 i ? i 2 KCL : i 2 A i1 2 A (3 A 1 A ) i i i 0 1 2 3PTIT i 2 A b. Định luật Kirchhoff 2 (KVL - Kirchhoff’s Voltage Law) - Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không. Giả sử trong vòng kín có N thành phần điện áp thì ta có: N bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng. bnvn (t) 0 n 1 bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng. 8
19. Phương pháp chung phân tích mạch dùng các định luật Kirchhoff (KCL, KVL) m1: Để tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch, có thể thực hiện theo các bước sau đây: - Ký hiệu tất cả các thành phần dòng điện, điện áp trong có trong mạch, đặt chúng là các ẩn phải tìm. - Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện (trừ các phần tử nguồn). - Viết KCL cho tất cả các nút. - Viết KVL cho tất cả các vòng. - Rút ra được hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ. Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay (kết hợp bước 2 và 3 hoặc 4) để giảm số phương trình số ẩn. Ví dụ 1.3: Vòng 3 _ _ + 1 3 + + + + Vòng 1 _9 _5 Vòng 2 12_ 3 + + 4 _ _ Vòng 1: 1V 5V 3V 9V 0 Vòng 2 : 3V 12V 4V 5V 0 Vòng 3 : 1V 3V 12V 4V 3V 9V 0 Ví dụ 1.4: Mạch chia ápPTIT i(t) R1 v1(t) + I vS(t) _ + v (t) R2 2 - Theo KVL (I): v1(t) + v1(t) - vS(t) =0 9
20. => i(t).R1 + i(t).R2 = vS(t) vS (t) => i(t) R1 R2 v2(t) i(t)R2 R2 vs (t) vS (t),t R1 R2 R2 v2 (t) vs (t) R1 R2 Ví dụ 1.5: Mạch chia dòng Theo KCL: i +i =i 1 2 S i i1 2 Theo KVL: i1R1-i2R2=0 iS R1 R2 Giải hệ phương trình trên ta được: R 2 R1 i1 iS và i2 iS R1 R2 R1 R2 0.3.2. Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) PTIT Biến đổi tương đương các mạch mắc song song hoặc nối tiếp các phần tử cùng loại về mạch đơn giản hơn. 10
21. + Nếu N điện trở mắc nối tiếp (trường hợp A) thì được thay tương đương bằng điện trở R: R =R1+R2+ +RN + Nếu N điện trở mắc song (trường hợp B) thì được thay tương đương bằng điện trở có trị số điện dẫn G là: G =G1+G2+ +GN=1/R1+1/R2+ +1/RN +Nhiều nguồn áp lý tưởng mắc nối tiếp thì có thể thay bằng một nguồn áp lý tưởng tương đương có trị số V: V= (Tổng các nguồn áp cùng chiều V) – (Tổng các nguồn áp ngược chiều V) Ví dụ: V1, V2 cùng chiều mắc nối tiếp (trường hợp C thì có thể thay thế bằng nguồn áp lý tưởng V: => V=V1+V2 + Nhiều nguồn dòng lý tưởng mắc song song thì có thể thay bằng một nguồn dòng lý tưởng tương đương có trị số I: I= (Tổng các nguồn dòng cùng chiều I) – (Tổng các nguồn dòng ngược chiều I) Ví dụ: Hai nguồn dòng lý tưởng I1, I2 cùng chiều mắc song song (trường hợp D) thì có thể thay bằng một nguồn dòng lý tưởng tương đương I: => I=I1+I2 0.3.3.Dùng biến đổi tương đươngPTIT Thevenin, Norton VTH: Điện áp hở mạch IN : Dòng điện ngắn mạch RTH=RN=VTH/IN +Biến đổi tương đương Thevenin 11
22. Một đoạn mạch tuyến tính chỉ chứa các phần tử điện trở, và các nguồn độc lập có thể thay thế tương tương bằng một nguồn áp độc lập không lý tưởng (VTH, RTH). + Biến đổi tương đương Norton Một đoạn mạch tuyến tính chỉ chứa các phần tử điện trở, và các nguồn độc lập có thể thay thế tương tương bằng một nguồn dòng độc lập không lý tưởng (IN, RN). Trong đó: VTH: Điện áp hở mạch của mạch tuyến tính. IN: Dòng diện ngắn mạch 2 đầu của mạch tuyến tính. RTH=RN=VTH/IN hay đó là điện trở tương đương của đoạn mạch khi các nguồn áp ngắn mạch, nguồn dòng hở mạch Áp dụng biến đổi tương đương Thevenin và Norton ta có thể thực hiện biến đổi tương đương giữa Nguồn dòng không lý tưởng và Nguồn áp không lý tưởng như sau: Biến đổi tương đương Nguồn dòng ↔ Nguồn áp RS _+ V I RS V I RS RS _+ U(V) I(V) RS U (V ) I(V ) R S Khi phân tích, tính toánPTIT mạch có thể sử dụng linh hoạt mỗi phương pháp, hay kết hợp linh hoạt các phương pháp với nhau ở mỗi bước. Ví dụ 1.6: Cho mạch điện như hình vẽ. Xác định biểu thức của uout theo uin. g .v m u u + v out in r r _ o 12
23. + Dùng m1: Viết KVL cho vòng phía đầu vào ta có: v =uin Do đó: gmv = gmvin Viết KCL tạo nút ở đầu ra: gmv +uout/r0=0 => uout=-gmv /r0=(-gm/ v ).vin 0.4. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ. Có nhiều cách phân loại cấu kiện điện tử dựa theo những tiêu chí khác nhau. Trong phần này chúng ta xét theo một số cách phân loại thông thường như sau: 0.4.1. Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: Dựa vào đặc tính vật lý, cấu kiện điện tử được phân chia thành 4 loại sau: - Cấu kiện hoạt động trên nguyên lý điện từ và hiệu ứng bề mặt: điện trở bán dẫn, DIOT, BJT, JFET, MOSFET, điện dung MOS IC từ mật độ thấp đến mật độ siêu cỡ lớn UVLSI - Cấu kiện hoạt động trên nguyên lý quang điện như: quang trở, Photođiot, PIN, APD, CCD, họ Cấu kiện phát quang LED, LASER, họ lịnh kiện chuyển hoá năng lượng quang điện như pin mặt trời, họ Cấu kiện hiển thị, IC quang điện tử - Cấu kiện hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến như: Họ sensor nhiệt, điện, từ, hoá học, họ sensor cơ, áp suất, quang bức xạ, sinh học và các chủng loại IC thông minh trên cơ sở tổ hợp công nghệ IC truyền thống và công nghệ chế tạo sensor. - Cấu kiện hoạt động dựa trên hiệu ứng lượng tử và hiệu ứng mới: các Cấu kiện được chế tạo bằng công nghệ nano có cấu trúc siêu nhỏ như : Bộ nhớ một điện tử, Transistor một điện tử, giếng và dây lưPTITợng tử, Cấu kiện xuyên hầm một điện tử, cấu kiện dựa vào cấu trúc sinh học phân tử 0.4.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: Dựa theo lịch sử phát triển công nghệ điện tử, cấu kiện điện tử được phân chia thành 5 loại như sau: - Cấu kiện điện tử chân không: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi trường chân không. 13
24. - Cấu kiện điện tử có khí: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi trường khí trơ. - Cấu kiện điện tử bán dẫn: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi trường chất bán dẫn. - Cấu kiện vi mạch: là các chíp bán dẫn được tích hợp từ các cấu kiện bán dẫn theo sơ đồ mạch đã thiết kế trước và có một hoặc một số chức năng nhất định. - Cấu kiện nano: đây là các cấu kiện có kích thước nanomet được chế tạo theo công nghệ nanô nên nó có các tính chất cũng như khả năng tiện ích vô cùng đặc biệt, khác hẳn với các cấu kiện có kích thước lớn hơn thông thường (từ mm trở lên). 0.4.3. Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: Dựa theo chức năng xử lý tín hiệu người ta chia cấu kiện điện tử thành 2 loại là cấu kiện điện tử tương tự và cấu kiện điện tử số. - Cấu kiện điện tử tương tự: là các Cấu kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra liên tục theo thời gian. - Cấu kiện điện tử số: là các Cấu kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra rời rạc, không liên tục theo thời gian. 0.4.4. Phân loại dựa vào ứng dụng: Dựa vào ứng dụng của cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện điện tử ra làm 2 loại là các cấu kiện điện tử thụ động và các cấu kiện điện tử tích cực: - Cấu kiện kiện thụ động (Passive Devices): là linh kiện không thể có tính năng điều khiển dòng và điện áp, cũng như không thể tạo ra chức năng khuếch đại công suất, điện áp, dòng diện trong mạch, không yêu cầu tín hiệu khác điều khiển ngoài tín hiệu để thực hiện chức năng của nó (“Devices with noPTIT brains!“). Ví dụ các cấu kiện điện trở R, tụ điện C, cuộn cảm L, biến áp, - Cấu kiện tích cực (Active Devices): là linh kiện có khả năng điều khiển điện áp, dòng điện và có thể tạo ra chức năng hoạt động khuếch đại, chuyển mạch trong mạch "Devices with smarts!". Ví dụ DIOT, BJT, JFET, MOSFET, IC, Thysistor, Linh kiện thu quang, phát quang 0.4.5. Phân loại theo đặc tính điện Dựa vào đặc tính điện của cấu kiện điện tử người ta chia cấu kiện thành hai loại là cấu kiện tuyến tính và cấu kiện phi tuyến. 14
25. - Cấu kiện tuyến tính: là cấu kiện điện tử thỏa mãn nguyên lý xếp chồng, hay khi đặt điện áp hình sin tần số f ở đầu vào thì dòng điện qua cấu kiện cũng là dạng hình sin tần số f. Ví dụ R, L, C, bộ khuếch đại tuyến tính, bộ tích phân, vi phân - Cấu kiện phi tuyến: là cấu kiện điện tử không thỏa mãn nguyên lý xếp chồng, hay khi đặt điện áp hình sin tần số f ở đầu vào thì dòng điện qua cấu kiện không chỉ là dạng hình sin tần số f mà có thể tạo ra nhiều thành phần hình sin với tần số khác nữa. Ví dụ Điốt, BJT, MOSFET, PTIT 15
26. CHƯƠNG 1. CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG Điện trở (Resistor) Tụ điện (Capacitor) Cuộn cảm (Inductor) Biến áp (Transformer ) NỘI DUNG 1.1. ĐIỆN TRỞ (Resistor) Hình 1. 1. Một số hình ảnh điện trở 1.1.1. Định nghĩa Điện trở là cấu kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện trong mạch. Mức độ cản dòng được đặc trưng bởi trị số điện trở được xác định theo định luật Ôm như sau: U R (1.1) I Trong đó: U – hiệu điện thế trên điện trở [V]; I - dòng điện qua điện trở [A]; R - điện trở [] PTIT Ký hiệu điện trở theo 2 cách như hình 1.2. R R Hình 1. 2. Ký hiệu điện trở Trên điện trở, dòng điện và điện áp luôn cùng pha và điện trở dẫn dòng điện một chiều và xoay chiều như nhau. 17
27. v(t) i(t) i(t) R _ + v (t ) i(t ) R v(t) Hình 1. 3. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên điện trở Biểu thức định luật Ôm theo dòng điện i(t) v(t) G v2 (t) Công suất tiêu tán tức thời trên điện trở: p(t) i(t) v(t) i2 (t)R R Công suất tiêu tán trung bình: P=U.I=URMS.IRMS Điện trở có rất nhiều ứng dụng như: định thiên cho các cấu kiện bán dẫn, điều khiển hệ số khuyếch đại, cố định hằng số thời gian, phối hợp trở kháng, phân áp, tạo nhiệt Tùy theo ứng dụng, yêu cầu cụ thể và dựa vào đặc tính của các loại điện trở để lựa chọn thích hợp. 1.1.2. Cấu tạo điện trở Cấu trúc của điện trở có nhiều dạng khác nhau. Một cách tổng quát ta cấu trúc tiêu biểu của một điện trở như mô tả trong hình 1.4: Mũ chụp và chân điện trở Lõi Vật liệu cản điện PTITVỏ bọc Hình 1. 4. Cấu tạo của điện trở thường 1.1.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở + Trị số điện trở và dung sai 18
28. + Hệ số nhiệt của điện trở + Công suất tiêu tán danh định + Tạp âm của điện trở a. Trị số điện trở và dung sai Trị số điện trở là tham số cơ bản nhất, và yêu cầu phải ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm, v.v Trị số của điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, vào kích thước của điện trở và nhiệt độ môi trường. Trị số của điện trở đo bằng đơn vị Ôm và các bội số cũng như ước số của nó: , m, , k, M, G, T Giá trị của điện trở thường đo ở dòng điện một chiều hoặc tần số thấp. Muốn dùng điện trở ở tần số cao phải chọn điện trở có kết cấu, kích thước, vỏ bọc cụ thể. Trị số của điện trở: (Resistance [Ohm]-) được tính theo công thức: l R S Trong đó: - là điện trở suất của vật liệu dây dẫn cản điện l - là chiều dài dây dẫn S- là tiết diện của dây dẫn Điện trở thường được chếPTIT tạo theo các giá trị tiêu chuẩn như hình 1.5. Hình 1. 5. Các trị số điện trở tiêu chuẩn 19
29. - Dung sai hay sai số (Resistor Tolerance): Biểu thị mức độ chênh lệch của trị số thực tế của điện trở so với trị số danh định và được tính theo %. R R t.t d.d 100 % Rd.d Tùy theo dung sai phân chia điện trở thành 5 cấp chính xác (tolerance levels ): Cấp 005: có sai số 0,5 % Cấp 01: có sai số 1 % Cấp I: có sai số 5 % Cấp II: có sai số 10 % Cấp III: có sai số 20 % Trong các mạch điện yêu cầu độ chính xác cao thường dùng điện trở cấp 005 và 01. Còn trong kỹ thuật điện tử thông dụng người ta dùng các loại điện trở từ cấp I đến cấp III. Các điện trở có độ chính xác càng cao càng đắt b. Hệ số nhiệt của điện trở - TCR TCR (temperature coefficient of resistance): biểu thị sự thay đổi trị số của điện trở theo nhiệt độ, được tính như sau: 1 R TCR . .106 [ppm/ 0C] R T R => R TCR. T 106 TCR là trị số biến đổi PTITtương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1C (viết tắt là ppm/C). Hệ số nhiệt của điện trở có thể âm hoặc dương tùy loại vật liệu: + Kim loại thuần thường hệ số nhiệt dương. + Một số hợp kim như constantin, manganin có hệ số điện trở nhiệt 0 + Carbon, than chì có hệ số điện trở nhiệt âm c. Công suất tiêu tán danh định của điện trở (Pt.t.max ) 20
30. Pt.t.max là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được trong điều kiện bình thường, làm việc trong một thời gian dài không bị hỏng. U 2 P R.I 2 max [W ] t.t.max max R Pt.t.max A 0 Nhiệt độ môi trường ( C) Nhiệt độ làm Nhiệt độ môi 0 việc lớn nhất trường phá hỏng Hình 1. 6. Quan hệ giữa công suất tiêu tán danh định và nhiệt độ môi trường Công suất tiêu tán danh định tiêu chuẩn cho các điện trở dây quấn nằm trong khoảng từ 1W đến 10W hoặc cao hơn nhiều. Để tỏa nhiệt phát sinh ra, yêu cầu diện tích bề mặt của điện trở phải lớn, do vậy, các điện trở công suất cao đều có kích thước lớn. Các điện trở than là các linh kiện có công suất tiêu tán danh định thấp, nằm trong khoảng 0,125W; 0,25W; 0,5W; 1W và 2W. d. Tạp âm của điện trở Tạp âm của điện trở gồm: + Tạp âm nhiệt (Thermal noise): sinh ra do sự chuyển động của các hạt mang điện bên trong điện trở do nhiệt độ PTIT ERMS 4.k.R.T. f + ERMS = Điện áp hiệu dung nhiễu + k = Hằng số Boltzmans (1.38∙10-23) + T = Nhiệt độ làm việc [0K] + R = Trị số điện trở + Δf = Dải tần làm việc của mạch [Hz] (Δf = f2-f1) 21
31. + Tạp âm dòng điện (Current Noise) : sinh do các thay đổi bên trong của điện trở khi có dòng điện chạy qua nó, giá trị hiệu dung của tạp âm dòng điện: f E U .10 NI / 20 log 2 RMS DC f 1 U noise Trong đó: + NI 20log10 - Hệ số nhiễu (Noise Index ). U DC + UDC: điện áp không đổi đặt trên 2 đầu điện trở. + Unoise: điện áp tạp âm dòng điện . + f1 –> f2: khoảng tần số làm việc của điện trở. Mức tạp âm phụ thuộc chủ yếu vào loại vật liệu cản điện. Bột than nén có mức tạp âm cao nhất. Màng kim loại và dây quấn có mức tạp âm rất thấp. 1.1.4. Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở Cách ghi trực tiếp: ghi đầy đủ các tham số chính và đơn vị đo trên thân của điện trở, ví dụ: 220K 10%, 2W Cách ghi theo quy ước: có rất nhiều các quy ước khác nhau. Xét một số cách quy ước thông dụng: + Quy ước đơn giản: Không ghi đơn vị Ôm, R (hoặc E) = , M = M, K = K. Ví dụ: 2M=2M, 0K47 =0,47K = 470, 100K = 100 K, 220E = 220, R47 = 0,47 + Quy ước theo mã: PTITMã này gồm các chữ số và một chữ cái để chỉ % dung sai. Trong các chữ số thì chữ số cuối cùng chỉ số số 0 cần thêm vào. Các chữ cái chỉ % dung sai qui ước gồm: F = 1 %, G = 2 %, J = 5 %, K = 10 %, M = 20 %. ABC ABx10C () Ví dụ: 103F = 10000  1% = 10K 1% 153G = 15000  2% = 15 K 2% 4703J = 470000  5% = 470K 5% 22
32. + Quy ước mầu: Quy ước các giá trị của các màu, và sử dụng các vòng màu để ghi giá trị của điện trở. Thông thường người ta sử dụng 3 vòng màu, 4 vòng màu, 5 vòng màu, và 6 vòng màu. - Loại 3 vòng màu được qui ước: Hai vòng màu đầu tiên là chỉ số có nghĩa thực của nó Vòng màu thứ 3 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân). - Loại 4 vòng màu được qui ước: Hai vòng màu đầu tiên là chỉ số có nghĩa thực của nó Vòng màu thứ 3 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân). Vòng màu thứ 4 chỉ phần trăm dung sai (%). - Loại 5 vạch màu được qui ước: Ba vòng màu đầu chỉ các số có nghĩa thực Vòng màu 4 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân). Vòng màu thứ 5 chỉ % dung sai. - Loại 6 vạch màu được qui ước: Ba vòng màu đầu chỉ các số có nghĩa thực Vòng màu 4 là chỉ số số 0 cần thêm vào (hay gọi là số nhân). Vòng màu thứ 5 chỉ % dung sai. Vòng màu thứ 6 chỉ hằng số nhiệt của điện trở - TCR. PTITBảng giá trị của các vòng màu: Hệ số nhân Dung sai Màu Color Trị số TCR (multiplier) (tolerance) Đen Black 0 ×100 Nâu Brown 1 ×101 ±1% (F) 100 ppm Đỏ Red 2 ×102 ±2% (G) 50 ppm 23
33. Hệ số nhân Dung sai Màu Color Trị số TCR (multiplier) (tolerance) Cam Orange 3 ×103 15 ppm Vàng Yellow 4 ×104 25 ppm Lục Green 5 ×105 ±0.5% (D) Lam Blue 6 ×106 ±0.25% (C) Tím Violet 7 ×107 ±0.1% (B) Xám Gray 8 ×108 ±0.05% (A) Trắng White 9 ×109 Vàng kim Gold ×10−1 ±5% (J) Bạch kim Silver ×10−2 ±10% (K) Không màu None ±20% (M) Ví dụ về các cách sử dụng các vòng màu để ghi giá trị điện trở như sau: PTIT 1.1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương R L C Hình 1. 7. Sơ đồ mạch tương đương. 24
34. Khi làm việc ở tần số cao điện cảm và điện dung ký sinh là đáng kể, sơ đồ tương đương của điện trở ở tần số cao như hình 1.7. - Tần số làm việc hiệu dụng của điện trở được xác định sao cho sự sai khác giữa trở kháng tương đương của nó so với giá trị điện trở danh định không vượt quá dung sai. - Đặc tính tần số của điện trở phụ thuộc vào cấu trúc, vật liệu chế tạo Kích thước điện trở càng nhỏ thì đặc tính tần số càng tốt, điện trở cao tần thường có tỷ lệ kích thước là từ 4:1 đến 10:1. 1.1.6. Phân loại điện trở Phân loại điện trở có rất nhiều cách. Thông dụng nhất là phân chia điện trở thành hai loại: điện trở có trị số cố định và điện trở có trị số thay đổi được (hay biến trở). Trong mỗi loại này lại được phân chia theo các chỉ tiêu khác nhau thành các loại nhỏ hơn như sau: a. Điện trở có trị số cố định. Điện trở có trị số cố định thường được phân loại theo vật liệu cản điện như: + Điện trở than tổng hợp (than nén): cấu trúc từ hỗn hợp bột cacbon (bột than chì) được đóng thành khuôn, có kích thước nhỏ và giá thành rất rẻ. + Điện trở than nhiệt giải hoặc than màng (màng than tinh thể). + Điện trở dây quấn gồm sợi dây điện trở dài (dây NiCr hoặc manganin, constantan) quấn trên 1 ống gốm ceramic và phủ bên ngoài là một lớp sứ bảo vệ. + Điện trở màng kim, điện trở màng oxit kim loại hoặc điện trở miếng: Điện trở miếng thuộc thành phần vi điện tử. Dạng điện trở miếng thông dụng là được in luôn trên tấm ráp mạch. + Điện trở cermet (gốmPTIT kim loại). b. Điện trở có trị số thay đổi (hay còn gọi là biến trở - Variable Resistor) Biến trở có hai dạng: Loại kiểm soát dòng và Loại chiết áp (tùy theo cách sử dụng). - Loại kiểm soát dòng: Ký hiệu như hình 1.8-a. Loại này ít gặp trong các mạch điện trở. - Loại chiết áp: Ký hiệu như 1.8-b. Loại này thường dùng hơn. 25
35. a. loại kiểm soát dòng b. loại chiết áp Hình 1. 8. Ký hiệu của biến trở Hình 1. 9. Cấu tạo của một loại biến trở Cấu tạo của biến trở so với điện trở cố định chủ yếu là có thêm một kết cấu con chạy gắn với một trục xoay để điều chỉnh trị số điện trở. Con chạy có kết cấu kiểu xoay (chiết áp xoay) hoặc theo kiểu trượt (chiết áp trượt). Chiết áp có 3 đầu ra, đầu giữa ứng với con trượt còn hai đầu ứng với hai đầu của điện trở. 1.1.7. Một số điện trở đặc biệt - Điện trở nhiệt: Tecmixto Đây là một linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Khi ở nhiệt độ bình thường thì tecmixto là một điệnPTIT trở, nếu nhiệt độ càng tăng cao thì điện trở của nó càng giảm. Hệ số nhiệt TCR của điện trở nhiệt tecmixto có giá trị âm lớn. Điện trở nhiệt thường được dùng để ổn định nhiệt cho các mạch của thiết bị điện tử, để đo và điều chỉnh nhiệt độ trong các cảm biến. 0 t Tecmixto 26
36. - Điện trở Varixto: Đây là linh kiện bán dẫn có trị số điện trở thay đổi được khi ta thay đổi điện áp đặt lên nó. - Điện trở Mêgôm : có trị số điện trở từ 108  1015. - Điện trở cao áp: Là điện trở chịu được điện áp cao từ 5 KV đến 20 KV. - Điện trở chuẩn: Là các điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn định cao. - Điện trở quang: Là các điện trở có trị số thay đổi khi có ánh sáng chiếu vào, trị số điện trở thay đổi theo bước sóng và cường độ dòng điện chiếu vào Hình 1. 10. Điện trở quang. - Mạng điện trở: Mạng điện trở là một loại vi mạch tích hợp có 2 hàng chân. Một phương pháp chế tạo là dùng công nghệ màng mỏng, trong đó dung dịch chất dẫn điện được lắng đọng trong một hình dạng theo yêu cầu, ví dụ một số hình ảnh tương đương của mạng điện trở như sau: PTIT Hình 1. 11. Mạng điện trở. 27
37. 1.2. TỤ ĐIỆN (Capacitor) 1.2.1. Định nghĩa Tụ điện là linh kiện dùng để chứa điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt trên nó theo công thức: Q = C . U [culông] 1.2.2. Cấu tạo của Tụ điện Cấu tạo của tụ điện bao gồm một lớp vật liệu cách điện nằm giữa hai bản cực là 2 tấm kim loại có diện tích S. Điện dung của tụ điện được đo bằng số lượng điện tích mà nó có thể được tích trong linh kiện khi điện áp giữa hai bản cực là 1 V. Điện dung có thể được tính khi biết kích thước của tụ điện và hằng số điện môi của chất cách điện. Bản cực Chân tụ Vỏ bọc Chất điện môi PTITHình 1. 12. Cấu tạo của tụ điện Dung lượng của tụ điện C [F] Q   .S C r 0 U d Trong đó: r - hằng số điện môi tương đối của chất điện môi 0 - hằng số điện môi tuyệt đối của không khí hay chân không 28
38. 1  8,84.10 12 0 36 .109 S - diện tích hữu dụng của bản cực [m2] d - khoảng cách giữa 2 bản cực [m] Đơn vị đo C: F, F, nF, pF 1.2.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện Trị số dung lượng và dung sai Điện áp làm việc Hệ số nhiệt Dòng điện rò Sự phân cực a. Trị số dung lượng (C) Trị số dung lượng tỉ lệ với tỉ số giữa diện tích hữu dụng của bản cực S với khoảng cách giữa 2 bản cực. Đơn vị đo dung lượng theo hệ SI là Farad [F], thông thường ta chỉ dùng các ước số của Farad. Giá trị chuẩn của các loại tụ thông dụng: 10pF 12pF 15pF 18pF 22pF 27pF 33pF 39pF 47pF 56pF 68pF 82pF 1.0µF 1.2µF 1.5µF 1.8µF 2.2µF 2.7µF 3.3µF 3.9µF 4.7µF 5.6µF 6.8µF 8.2µF b. Dung sai của tụ điện: PTIT Đây là tham số chỉ độ chính xác của trị số dung lượng thực tế so với trị số danh định của nó. Dung sai của tụ điện được tính theo công thức : C C t.t d.d .100% Cd .d Dung sai của điện dung được tính theo %. Dung sai từ 5% đến 20% là bình thường cho hầu hết các tụ điện có trị số nhỏ, nhưng các tụ điện chính xác thì dung sai phải nhỏ (Cấp 01: 1%, Cấp 02: 2%). 29
39. c. Điện áp làm việc Điện áp cực đại có thể cung cấp cho tụ điện hay còn gọi là "điện áp làm việc một chiều“, nếu quá điện áp này lớp cách điện sẽ bị đánh thủng và làm hỏng tụ. d. Hệ số nhiệt Mỗi một loại tụ điện chịu một ảnh hưởng với khoảng nhiệt độ do nhà sản xuất xác định. Khoảng nhiệt độ tiêu chuẩn thường từ: -200C đến +650C -400C đến +650C -550C đến +1250C Để đánh giá sự thay đổi của trị số điện dung khi nhiệt độ thay đổi người ta dùng hệ số nhiệt TCC và tính theo công thức sau: 1 C TCC .106 [ppm/ 0 C] CT TCC thường tính bằng đơn vị phần triệu trên 1C (viết tắt ppm/C) và nó đánh giá sự thay đổi cực đại của trị số điện dung theo nhiệt độ. Khi giá trị điện dung thay đổi nhiều theo nhiệt độ, người ta dùng giới hạn cực đại thay đổi giá trị điện dung trên khoảng nhiệt độ làm việc và tính bằng %: C T *TCC % 100 % C 106 e. Dòng điện rò Do chất cách điện đặt giữa 2 bản cực không lý tưởng nên sẽ có một dòng điện rò rất bé chạy qua giữa 2 bản cực của PTITtụ điện. Trị số dòng điện rò phụ thuộc vào điện trở cách điện của chất điện môi. Đặc trưng cho dòng điện rò có thể dùng tham số điện trở cách điện của tụ (có trị số khoảng vài M và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ) nếu tụ có dòng điện rò nhỏ Tụ điện màng Plastic có điện trở cách điện cao hơn 100000 M, còn tụ điện điện giải thì dòng điện rò có thể lên tới vài A khi điện áp đặt vào 2 bản cực của tụ chỉ 10 Vôn. Đối với điện áp xoay chiều, tổn hao công suất trong tụ được thể hiện qua hệ số tổn hao D: 30
40. 1 P D th Q Ppk C C R R Hình 1. 13. Sơ đồ tương đương Tụ tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp. Tụ tổn hao lớn dùng sơ đồ tương đương song song. Trong đó C là thành phần thuần dung, R là thành phần điện trở tổn hao. f. Sự phân cực Các tụ điện điện giải ở các chân tụ thường có đánh dấu cực tính dương (dấu +) hoặc âm (dấu -) gọi là sự phân cực của tụ điện. Khi sử dụng phải đấu tụ vào mạch sao cho đúng cực tính của tụ. Như vậy chỉ sử dụng loại tụ này vào những vị trí có điện áp làm việc không thay đổi cực tính. 1.2.4. Ký hiệu của tụ điện Tụ thường Tụ điện giải PTITHình 1. 14. Ký hiệu của tụ điện. 1.2.5. Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện Hai tham số quan trọng nhất thường được ghi trên thân tụ điện là trị số điện dung (kèm theo dung sai sản xuất) và điện áp làm việc (điện áp lớn nhất). Có 2 cách ghi cơ bản: Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ các tham số và đơn vị đo của chúng. Cách này chỉ dùng cho các loại tụ điện có kích thước lớn. Ví dụ: Trên thân một tụ mi ca có ghi: 5.000PF 20% 600V Cách ghi gián tiếp theo qui ước: 31
41. + Ghi theo qui ước số đơn giản: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen, (Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen), nếu kiểu giá trị ghi bằng số nguyên thì đơn vị tương ứng là pF, nếu kiểu giá trị ghi bằng số thập phân thì đơn vị tương ứng là F. Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: tức giá trị điện dung là 47 pF, điện áp làm việc một chiều là 630 Vdc. Ví dụ 2: Trên thân tụ có ghi 0.01/100: tức là giá trị điện dung là 0,01 F và điện áp làm việc một chiều là 100 Vdc. + Quy ước theo mã: XYZ = XY * 10Z pF Ví dụ: 123K/50V =12000 pF 10% và điện áp làm việc lớn nhất 50 Vdc + Ghi theo quy ước màu: Sử dụng vòng mầu, vạch màu, hoặc chấm mầu để ghi giá trị: Sử dụng vạch mầu và chấm màu để ghi giá trị: PTIT + Cách ghi bằng chấm mầu, sử dụng 3 hoặc 6 chấm mầu, Cả 2 kiểu này đều như nhau nhưng kiểu 6 chấm mầu nhiều thông tin hơn như: Hệ số nhiệt, dung sai 32
42. = Tụ Mica, điện dung 1200 pF, dung sai 6% PTIT Sử dụng vòng mầu để ghi giá trị: - Loại có 4 vòng màu: Hai vòng đầu là số có nghĩa thực của nó Vòng thứ ba là số nhân (đơn vị pF) hoặc số số 0 cần thêm vào 33
43. Vạch thứ tư chỉ điện áp làm việc. - Loại có 5 vòng màu: Ba vạch màu đầu giống như loai 4 vạch màu Vạch màu thứ tư chỉ % dung sai Vạch màu thứ 5 chỉ điện áp làm việc 1.2.6. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: Sơ đồ mạch tương đương của tụ điện được mô tả ở hình 1.15. RP RL L RS RS C C C a. Sơ đồ tương đương b. Sơ đồ tương đương c. sơ đồ tương đương tổng quát song song nối tiếp Hình 1. 15. Sơ đồ tương đương của tụ cao tần Trong sơ đồ: L - là điện cảm của đầu nối, dây dẫn (ở tần số thấp L 0) RS - là điện trở của đầu nối, dây dẫn và bản cực (RS thường rất nhỏ) RP - là điện trở rò của chất cách điện và vỏ bọc. RL, RS - là điện trở rò của chất cách điện C - là tụ điện lý tưởng Trong đó hình 1.15a cho tụ bình thường; hình 1.15b cho tụ có điện trở rò lớn và hình "c" cho tụ có điện trở rò thấp. PTIT Hình 1.15c là sơ đồ tương đương của tụ điện ở tần số cao. Khi tụ làm việc ở tần số cao ta phải chú ý đến tổn hao công suất trong tụ được thể hiện qua hệ số tổn hao. 1.2.6. Phân loại + Tụ điện có trị số điện dung cố định + Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được. 34
44. a. Tụ điện có trị số điện dung cố định Tụ điện có trị số điện dung cố định thường được gọi tên theo vật liệu chất điện môi. + Tụ giấy: chất điện môi là giấy, thường có trị số điện dung khoảng từ 500 pF đến 50 F và điện áp làm việc đến 600 Vdc. Tụ giấy có giá thành rẻ nhất so với các loại tụ có cùng trị số điện dung. Ưu điểm: kích thước nhỏ, điện dung lớn. Nhược điểm: Tổn hao điện môi lớn, TCC lớn. + Tụ màng chất dẻo: chất điện môi là chất dẻo, có điện trở cách điện lớn hơn 100000 M. Điện áp làm việc cao khoảng 600V. Dung sai tiêu chuẩn của tụ là 2,5%; hệ số nhiệt từ 60 đến 150 ppm/0C Tụ màng chất dẻo nhỏ hơn tụ giấy nhưng đắt hơn. Giá trị điện dung của tụ tiêu chuẩn nằm trong khoảng từ 5 pF đến 0,47 F. + Tụ mi ca: chất điện môi là mi ca, tụ mi ca tiêu chuẩn có giá trị điện dung khoảng từ 1 pF đến 0,1 F và điện áp làm việc cao đến 3500V tuỳ. Nhược điểm: giá thành của tụ cao. Ưu điểm:Tổn hao điện môi nhỏ, Điện trở cách điện rất cao, chịu được nhiệt độ cao. + Tụ gốm: chất điện môi là gốm. Màng kim loại được lắng đọng trên mỗi mặt của một đĩa gốm mỏng và dây dẫn nối tới màng kim loại. Tất cả được bọc trong một vỏ chất dẻo. Giá trị điện dung của tụ gốm tiêu chuẩn khoảng từ 1 pF đến 0,1 F, với điện áp làm việc một chiều đến 1000 Vdc Đặc điểm của tụ gốm là kích thước nhỏ, điện dung lớn, có tính ổn định rất tốt, có thể làm việc lâu dài mà không lão hoá.PTIT + Tụ dầu: chất điện môi là dầu Tụ dầu có điện dung lớn, chịu được điện áp cao Có tính năng cách điện tốt, có thể chế tạo thành tụ cao áp. Kết cấu đơn giản, dễ sản xuất. 35
45. + Tụ điện giải nhôm: Cấu trúc cơ bản là giống tụ giấy. Hai lá nhôm mỏng làm hai bản cực đặt cách nhau bằng lớp vải mỏng được tẩm chất điện phân (dung dịch điện phân), sau đó được quấn lại và cho vào trong một khối trụ bằng nhôm để bảo vệ. Các tụ điện giải nhôm thông dụng thường làm việc với điện áp một chiều lớn hơn 400 Vdc, trong trường hợp này, điện dung không quá 100 F. Điện áp làm việc thấp và dòng rò tương đối lớn + Tụ tantan: (chất điện giải Tantan) Đây là một loại tụ điện giải, Bột tantan được cô đặc thành dạng hình trụ, sau đó được nhấn chìm vào một hộp chứa chất điện phân. Dung dịch điện phân sẽ thấm vào chất tantan. Khi đặt một điện áp một chiều lên hai chân tụ thì một lớp oxit mỏng được tạo thành ở vùng tiếp xúc của chất điện phân và tantan. Tụ tantan có điện áp làm việc lên đến 630 Vdc nhưng giá trị điện dung chỉ khoảng 3,5 F. b. Tụ điện có trị số điện dung thay đổi Hình 1. 16. Hình ảnh minh họa của tụ điện có điện dung thay đổi. Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được là loại tụ trong quá trình làm việc ta có thể điều chỉnh thay đổi trị số điện dung của chúng. Tụ có trị số điện dung thay đổi được có nhiều loại, thông dụng nhất là loại đaPTIT dụng và loại vi điều chỉnh: + Loại đa dụng còn gọi là tụ xoay: Tụ xoay được dùng làm tụ điều chỉnh thu sóng trong các máy thu thanh, v.v Tụ xoay có thể có 1 ngăn hoặc nhiều ngăn. Mỗi ngăn có các lá động xen kẽ, đối nhau với các lá tĩnh (lá giữ cố định) chế tạo từ nhôm. Chất điện môi có thể là không khí, mi ca, màng chất dẻo, gốm, v.v + Tụ vi điều chỉnh (thường gọi tắt là Trimcap), có nhiều kiểu. Chất điện môi cũng dùng nhiều loại như không khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Trong các loại Trimcap chuyên dùng, thường gặp nhất là loại chất điện môi gốm. Để thay đổi trị số điện dung ta thay đổi vị trí giữa hai lá động và lá tĩnh. Khoảng điều chỉnh của tụ từ 1,5 pF đến 3 pF, hoặc từ 7 pF đến 45 pF và từ 20 pF đến 120 pF tuỳ theo hệ số nhiệt cần thiết. 36
46. 1.2.8. Ứng dụng của tụ điện Tụ điện được dùng để tạo phần tử dung kháng ở trong mạch. Dung kháng Xc được tính theo công thức: 1 1 X [] c 2 fC C Trong đó : f - là tần số của dòng điện (Hz); C - là trị số điện dung của tụ điện (F). Tùy theo cách sử dụng trong mạch mà tụ có các ứng dụng khác nhau: + Tụ không cho dòng điện một chiều qua nhưng lại dẫn dòng điện xoay chiều, nên tụ thường dùng để cho qua tín hiệu xoay chiều đồng thời vẫn ngăn cách được dòng một chiều giữa mạch này với mạch khác, gọi là tụ liên lạc. + Tụ dùng để triệt bỏ tín hiệu không cần thiết từ một điểm trên mạch xuống đất (ví dụ như tạp âm), gọi là tụ thoát. + Tụ dùng làm phần tử dung kháng trong các mạch cộng hưởng LC gọi là tụ cộng hưởng. + Tụ dùng trong mạch lọc gọi là tụ lọc. Tụ dùng trong các mạch chia dải tần làm việc, tụ cộng hưởng v.v Tụ dùng cho mục đích này thuộc nhóm chính xác. + Các tụ trong nhóm đa dụng dùng để liên lạc, lọc nguồn điện, thoát tín hiệu ngoài ra tụ còn dùng để trữ năng lượng, định thời + Do có tính nạp điện và phóng điện, tụ dùng để tạo mạch định giờ, mạch phát sóng răng cưa, mạch vi phân và tích phân. 1.2.9. Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế 1. Tụ hóa (ElectrolyticPTIT Capacitors) Hình 1. 17. Hình ảnh minh họa tu hóa. 37
47. Tụ làm việc với điện áp 1 chiều (Tụ DC): Các cực được ghi rõ dấu (+) hoặc (–), loại tụ này có kích thước to nên giá trị điện dung, điện áp làm việc WV được ghi trực tiếp trên thân tụ. 2. Điện dung của tụ gốm (ceramic) Thường là tụ làm việc với điện áp xoay chiều (Tụ AC): Tụ gốm thường Tụ gốm nhiều tầng Hình 1. 18. Hình ảnh minh họa tụ gốm 3. Tụ Tantan Hình 1. 19. Hình ảnh minh họa tụ tantan 4. Tụ Mica PTIT Hình 1. 20. Hình ảnh minh họa tụ Mica 38
48. 5. Tụ film nhựa Hình 1. 21. Hình ảnh minh họa tụ film nhựa 7. Tụ dầu Hình 1. 22. Hình ảnh minh họa tụ dầu 8. Tụ SMT Tụ dùng cho công nghệ gắn trên bề mặt SMT (Surface mount technology) Cathode (-) & Anode (+) ghi rõ Điện dung (μF) PTIT WV (VDC) Hình 1. 23. Hình ảnh minh họa tụ SMT 39
49. 1.3. CUỘN CẢM (Inductor) 1.3.1. Định nghĩa Cuộn cảm là phần tử sinh ra hiện tượng tự cảm khi dòng điện chạy qua nó biến thiên. Khi dòng điện qua cuộn cảm biến thiên sẽ tạo ra từ thông thay đổi và một sức điện từ được cảm ứng ngay trong cuộn cảm hoặc có thể cảm ứng một sức điện từ sang cuộn cảm kề cận với nó. Mức độ cảm ứng trong mỗi trường hợp phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn cảm hoặc sự hỗ cảm giữa hai cuộn cảm. Các cuộn cảm được cấu trúc để có giá trị độ cảm ứng xác định. Cuộn cảm cũng có thể đấu nối tiếp hoặc song song. Ngay cả một đoạn dây dẫn ngắn nhất cũng có sự cảm ứng. Hình 1. 24. Hình ảnh minh họa cuộn cảm 1.3.2 Ký hiệu của cuộn cảm. L L L Cuộn dây lõi không khí Cuộn dây lõi Ferit Cuộn dây lõi sắt từ PTITHình 1. 25. Ký hiệu của cuộn cảm. 1.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây a. Độ tự cảm (L) 40
50. S L .N 2. l Trong đó: S - là tiết diện của cuộn dây (m2) N - là số vòng dây l - là chiều dài của cuộn dây (m)  - độ từ thẩm tuyệt đối của vật liệu lõi (H/ m)  = r. 0 Đơn vị đo: H, mH, H Độ từ thẩm tuyệt đối của một số loại vật liệu Chân không: 4 x 10-7 H/m Ferrite T38 1.26x10-2 H/m Không khí: 1.257x10-6 H/m Ferrite U M33 9.42x10-4 H/m Nickel 7.54x10-4 H/m Iron 6.28x10-3 H/m Silicon GO steel 5.03x10-2 H/m Supermalloy 1.26 H/m b. Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q) Dung sai của độ tự cảm: Đây là tham số chỉ độ chính xác của độ từ cảm thực tế so với trị số danh định của nó. Dung sai được tính theo công thức : L L t.t d.d .100% Ld.d Một cuộn cảm lý tưởng không có tổn hao khi có dòng điện chạy qua, thực tế luôn tổn hao đó là công suất điện tổnPTIT hao để làm nóng cuộn dây. Tổn hao này được biểu thị bởi một điện trở tổn hao. Để đánh giá chất lượng của cuổn cảm dùng hệ số phẩm chất Q của cuộn cảm: (Cuộn cảm tổn hao nhỏ dùng sơ đồ tương đương nối tiếp, cuộn cảm tổn hao lớn dùng sơ đồ tương đương song song). L L R S RS 41
51. 1 Ppk X L L 1 Ppk RP Rp Qnt Q// D Pth RS RS D Pth X L L c) Tần số làm việc giới hạn (fg.h.) Khi tần số làm việc nhỏ thì bỏ qua điện dung phân tán giữa các vòng dây của cuộn cảm, nhưng khi làm việc ở tần số cao thì điện dung này là đáng kể. Do đó ở tần số đủ cao cuộn cảm trở thành một mạch cộng hưởng song song. Tần số cộng hưởng của mạch cộng hưởng song song này gọi là tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây f0 . Nếu cuộn dây làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng riêng này thì cuộn dây mang dung tính nhiều hơn. Do đó tần số làm việc cao nhất của cuộn dây phải thấp hơn tần số cộng hưởng riêng của nó. L C 1 f f f lv max gh 0 2 LC 1.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây - Ghi trực tiếp: cách ghi đầy đủ các tham số độ tự cảm L, dung sai, loại lõi cuộn cảm Cách này chỉ dùng cho các loại cuộn cảm có kích thước lớn. - Cách ghi gián tiếp theo qui ước : + Ghi quy ước theo mầu: Dùng cho các cuộn cảm nhỏ: Loại 4 vạch màu Vòng màu 1: chỉ số có nghĩaPTIT thứ nhất hoặc chấm thập phân Vòng màu 2: chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân Vòng màu 3: chỉ số 0 cần thêm vào, đơn vị đo là H Vòng màu 4: chỉ dung sai %. Bảng mã mầu dùng cho các cuộn cảm 42
52. 1.3.5 Phân loại Dựa theo ứng dụng: + Cuộn cộng hưởng – cuộn cảm dùng trong các mạch cộng hưởng LC. + Cuộn lọc – cuộn cảm dùng trong các bộ lọc một chiều. + Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v Dựa vào loại lõi của cuộn cảm: + Cuộn dây lõi không khí: Loại cuộn dây không lõi hoặc cuốn trên các cốt không từ tính, thường dùng là các cuộn cộng hưởng làm việc ở tầo số cao và siêu cao. Các yêu cầu chính của cuộn dây không lõi là: - Điện cảm phải ổn định ở tần số làm việc. - Hệ số phẩm chất caoPTIT ở tần số làm việc. - Điện dung riêng nhỏ. - Hệ số nhiệt của điện cảm thấp. - Bền chắc, kích thước và giá thành phải hợp lý. + Cuộn cảm lõi sắt bụi: Dùng bột sắt nguyên chất trộn với chất dính kết không từ tính là lõi cuộn cảm, thường dùng ở tần số cao và trung tần. Cuộn dây lõi sắt bụi có tổn thất thấp, đặc biệt là tổn thất do dòng điện xoáy ngược, và độ từ thẩm thấp hơn nhiều so với loại lõi sắt từ. 43
53. + Cuộn cảm lõi Ferit : thường là các cuộn cảm làm việc ở tần số cao và trung tần. Lõi Ferit có nhiều hình dạng khác nhau như: thanh, ống, hình chữ E, chữ C, hình xuyến, hình nồi, hạt đậu,v.v Dùng lõi hình xuyến dễ tạo điện cảm cao, tuy vậy lại dễ bị bão hòa từ khi có thành phần một chiều. + Cuộn cảm lõi sắt từ: Lõi của cuộn cảm thường hợp chất sắt - silic, hoặc sắt- niken . Đây là các cuộn cảm làm việc ở tần số thấp. Dùng dây đồng đã được tráng men cách điện quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lớp và được tẩm chống ẩm. 1.3.6 Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế Cuộn cảm lõi Ferit SMD Wound Chip Inductor On-chip inductor Spiral inductor with N=1.5 turns, W=20 μm, Roller inductor for FM DC filter diplexer S=10 μm and Rin=100 μm choke (area=0.14 mm2) Hình 1. 26. Một số hình ảnh minh họa của cuộn cảm. 1.4 BIẾN ÁP (Transformer) 1.4.1 Định nghĩa và cấu tạo của biến áp Biến áp là thiết bị gồm PTIThai hay nhiều cuộn dây ghép hỗ cảm với nhau để biến đổi điện áp. Cuộn dây đấu vào nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, các cuộn dây khác đấu vào tải gọi là cuộn thứ cấp. 44
54. Hình 1. 27. Hình ảnh minh họa của biến áp. 1.4.2 Nguyên lý hoạt động của biến áp Hoạt động dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Hình 1. 28. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của biến áp. Hệ số tự cảm của cuộn PTITsơ cấp, thứ cấp: S S L .N 2 , L .N 2 1 1 l 2 2 l Khi dòng điện I1 biến thiên qua cuộn sơ cấp sẽ tạo ra từ thông biến thiên trong lõi biến áp, từ thông này liên kết sang cuộn thứ cấp và tạo ra điện áp cảm ứng eL trên cuộn thứ cấp theo hệ số tỉ lệ gọi là hệ số hỗ cảm M. Lượng từ thông liên kết giữa cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp được đánh giá bằng hệ số ghép biến áp K. e M L H  i1 / t 45
55.  .N S e 2 2 ;  K.  K.. i .N . L t 2 1 1 1 l S => M K.N N .. K. L L 1 2 l 1 2 M => K L1L2 1.4.3 Các tham số kỹ thuật của biến áp a. Hệ số ghép biến áp K M K L1L2 M - hệ số hỗ cảm của biến áp. L1 và L2 - hệ số tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp tương ứng. Khi K = 1 là trường hợp ghép lý tưởng, khi đó toàn bộ số từ thông sinh ra do cuộn sơ cấp được đi qua cuộn thứ cấp và ngược lại. Trên thực tế sử dụng, khi K 1 gọi là hai cuộn ghép chặt; khi K N1 thì U2 > U1 ta có biến áp tăng áp. + N2 < N1 thì U2 < U1 ta có biến áp hạ áp. c. Dòng điện sơ cấp và dòng điện thứ cấp Quan hệ giữa dòng điện ở cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp theo tỉ số: 46
56. I U N N 1 2 K 2 2 I2 U1 N1 N1 d. Hiệu suất của biến áp Các biến áp thực tế đều có tổn thất, do đó để đánh giá chất lượng dùng thông số hiệu suất của biến áp. Hiệu suất của biến áp là tỉ số giữa công suất ra và công suất vào tính theo %: P P  2 .100% 2 .100% P1 P2 Ptôn thât Trong đó: P1 - công suất đưa vào cuộn sơ cấp; P2 - công suất thu được ở cuộn thứ cấp. Ptổn thất - Công suất điện mất mát do tổn thất của lõi và tổn thất của dây cuốn. Muốn giảm tổn hao năng lượng trong lõi sắt từ, dây đồng và từ thông rò người ta dùng loại lõi làm từ các lá sắt từ mỏng, có quét sơn cách điện, dùng dây đồng có tiết diện lớn và ghép chặt. 1.4.4 Ký hiệu của biến áp PTIT Hình 1. 29. Ký hiệu biến áp. 1.4.5 Phân loại và ứng dụng Thông thường biến áp là thiết bị làm việc với dòng điện xoay chiều. Biến áp làm việc với tín hiệu xung gọi là biến áp xung. 47
57. Ngoài công dụng biến đổi điện áp, biến áp còn được dùng để cách điện giữa mạch này với mạch kia trong trường hợp hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp cách điện với nhau và được dùng để biến đổi tổng trở, trường hợp này dùng biến áp ghép chặt. Biến áp cao tần dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc thì dùng loại ghép lỏng, nhưng biến áp cao tần dùng để biến đổi tổng trở thì dùng loại ghép chặt. Biến áp ghép chặt lý tưởng có  100%, không có tổn thất của lõi và dây (K 1). Sau đây là một số loại biến áp thông dụng. a. Biến áp cộng hưởng: Đây là biến áp cao tần (dùng ở trung tần hoặc cao tần) có lõi không khí hoặc sắt bụi hoặc ferit. Các biến áp này ghép lỏng và có một tụ điện mắc ở cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp để tạo cộng hưởng đơn. Thông thường tần số cộng hưởng được thay đổi bằng cách điều chỉnh vị trí của lõi hoặc bao lõi. Nếu dùng hai tụ điện mắc ở hai cuộn hai bên thì ta có thể có cộng hưởng kép hoặc cộng hưởng lệch. Để mở rộng dải thông tần, ta dùng một điện trở đệm mắc song song với mạch cộng hưởng. Lúc đó thì độ chọn lọc tần số của mạch sẽ kém đi. Thiết kế các biến áp cộng hưởng phải xét đến mạch cụ thể, nhất là đặc tính của các linh kiện tích cực và phải liên hệ đến điện cảm rò và điện dung phân tán của các cuộn dây. PTIT Hình 1. 30. Hình ảnh minh họa biến áp cộng hưởng b. Biến áp cấp điện (biến áp nguồn): Biến áp cấp điện (biến áp nguồn) : Là biến áp làm việc với tần số 50 Hz, 60 Hz. Biến áp nguồn có nhiệm vụ là biến đổi điện áp vào thành điện áp và dòng điện ra theo yêu cầu và ngăn cách thiết bị khỏi khỏi nguồn điện. Các yêu cầu chính: - Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dòng điện không tải xuống giá trị nhỏ nhất. 48
58. - Hệ số ghép K cao để điện áp thứ cấp ít sụt khi có tải. - Tổn thất trong lõi càng thấp càng tốt (chọn vật liệu lõi và bề dày lá thép thích hợp). - Kích thước biến áp càng nhỏ càng tốt. - Kết cấu bên ngoài có thể dùng: Loại hở có tẩm (giá thành thấp). Loại bọc kín có tẩm (bảo vệ cơ học tốt). Loại hàn kín, đổ dầu (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, dễ sửa chữa). Loại đổ khuôn nhựa (thích hợp với khí hậu nhiệt đới, không sửa chữa được). Hình 1. 31. Hình ảnh biến áp cấp điện. c. Biến áp âm tần: PTIT Biến áp âm tần là biến áp được thiết kế để làm việc ở dải tần số âm thanh khoảng từ 20 Hz đến 20000 Hz. Do đó biến áp này được dùng để biến đổi điện áp mà không được gây méo dạng sóng trong suốt dải tần số âm thanh, dùng để ngăn cách điện một chiều trong mạch này với mạch khác, để biến đổi tổng trở, để đảo pha, v.v d. Biến áp xung: Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu và loại công suất. 49
59. Biến áp xung có yêu cầu về dải thông tần khắt khe hơn so với biến áp âm tần. Để hoạt động tốt ở cả tần số thấp (đỉnh và đáy xung) và ở tần số cao (sườn xung), biến áp xung cần phải có điện cảm sơ cấp lớn, đồng thời điện cảm rò nhỏ và điện dung giữa các cuộn dây nhỏ. Để khắc phục các yêu cầu đối kháng này vật liệu lõi cần có độ từ thẩm cao và kết cấu hình học của cuộn dây thích hợp. Vật liệu lõi của biến áp xung được chọn tùy thuộc vào dải tần hoạt động có thể là sắt từ hoặc ferit. Hình 1. 32. Hình ảnh biến áp xung. e. Biến áp nhiều đầu ra: Biến áp nhiều đầu ra gồm có 1 cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp. Điện áp ra ở mỗi cuộn phụ thuộc vào số vòng dây của cuộn đó cũng như phụ thuộc vào điện áp cuộn sơ cấp và số vòng dây của cuộn sơ cấp. Rt1 ~ Rt2 HìnhPTIT 1. 33. Ký hiệu biến áp nhiều đầu ra Một điều quan trọng cần chú ý là tổng điện áp ra được tính là tổng của các điện áp thứ cấp nếu các cuộn thứ cấp nối ghép theo kiểu trợ giúp và tất cả các điện áp của các cuộn dây đều cùng pha. Nếu 1 trong các cuộn dây ghép nối theo kiểu ngược lại, sao cho điện áp của nó ngược pha với các điện áp khác thì phải lấy các điện áp khác trừ đi điện áp của nó. 1.5 CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC Để tạo ra một mạch, hay hệ thống điện tử còn cần nhiều nhóm linh phụ kiện khác ngoài các cấu kiện thụ động, tích cực đã phân loại. Để dễ dàng cho người học khi tiếp cận các mạch, 50
60. hay hệ thống điện tử thực tế, bài giảng này còn đưa ra một cách hệ thống về các nhóm các nhóm linh phụ kiện này: + Chuyển mạch Dip (DIP SWITCH) + Công tắc đơn SPDT DPDT + Nút bấm (Button) PTIT 51
61. + Ma trận phím bấm + Các giắc audio và video + Giắc nguồn một chiều DC (DIP DC POWER JACK) PTIT + Giắc tai nghe 52
62. + DIP Header + Cổng COM 9-Pin Male D-Subminiature Connector 9-Pin Male D-Subminiature Connector + Đầu cắm XH 2/4 chân (XH Disconnectable 2/4 Contact Male Connector) PTIT 53
63. BÀI TẬP CHƯƠNG 1 1. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Lam – vàng – cam - đen – vàng kim b. Tụ điện: 0.05/500; 104F/250V c. Cuộn cảm: Lục - đỏ-vàng kim -vàng kim; Cam-tím- lam-bạch kim 2. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Tím – cam – lục – không màu; b. Tụ điện: 0.05/150; 107J/150V c. Cuộn cảm: Cam- đỏ -bạch kim -vàng kim; Vàng-tím- đỏ-vàng kim 3. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Tím – lục – đỏ - cam – vàng kim b. Tụ điện: 0.03/200; 106K/150V c. Cuộn cảm: Đỏ - cam-bạch kim- vàng kim; Lục-tím- đỏ-vàng kim 4. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Vàng – đỏ – đen – lam – vàng kim b. Tụ điện: 0.01/150; 106M/200V c. Cuộn cảm: Trắng - tím-vàng kim -bạch kim; Lam-đỏ- xám-bạch kim 5. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Tím – xám – đỏ - nâu – vàng kim. b. Tụ điện: 0.05/100; 105J/50V c. Cuộn cảm: Lam - đỏ-vàng kim-bạch kim; Lam-tím- đỏ-vàng kim 6. Xác định tham số của các loại linh kiện có các cách ghi như sau: a. Điện trở: Lục – trắng – bạch kim – không màu; b. Tụ điện: 0.08/100; 107J/150VPTIT c. Cuộn cảm: Lam - đỏ - bạch kim -vàng kim; Lam-tím- đỏ-vàng kim 54
64. CHƯƠNG 2. CẤU KIỆN BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG + Chất bán dẫn sạch. + Chất bán dẫn tạp. + Chuyển tiếp PN. + Điốt và ứng dụng. + BJT và ứng dụng. + FET và ứng dụng. Mỗi linh kiện bán dẫn được cấu tạo từ cách sắp xếp các cấu trúc chất bán dẫn với nhau. Về cơ bản có 3 dạng cấu trúc chính để xây dựng lên các linh kiện bán dẫn đó là: + Chuyển tiếp bán dẫn P-N + Tiếp xúc Bán dẫn – Kim loại. + Cấu trúc điện dung MOS (Metal-Oxide-Semiconductor Capacitor). Trong chương này còn trình bày một cách có hệ thống linh kiện điốt, transistor lưỡng cực và transistor trường. 2.1. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ. 2.1.1. Lý thuyết vật lý chất rắn Vật liệu để chế tạo phần lớn các linh kiện điện từ là loại vật liệu tinh thể rắn. Vật liệu tinh thể rắn thường tồn tại dưới haiPTIT dạng: Cấu trúc đơn tinh thể, cấu trúc đa tinh thể. Đơn tinh thể Đa tinh thể Hình 2.1. Cấu trúc tinh thể rắn 43
65. Cấu trúc đơn tinh thể: Trong tinh thể rắn nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định, chỉ cần biết vị trí và một vài đặc tính của một số ít nguyên tử chúng ta có thể dự đoán vị trí và tính chất lý, hóa học của tất cả các nguyên tử trong mẫu. Tuy nhiên trong một số vật liệu có thể nhấn thấy rằng các sắp xếp chính xác của các nguyên tử chỉ tồn tại chính xác tại cỡ vài nghìn nguyên tử. Những miền có trật tự như vậy được ngăn cách bởi bờ biên và dọc theo bờ biên này không có trật tự - cấu trúc đa tinh thể Tính chất tuần hoàn của tinh thể có ảnh hưởng quyết định đến các tính chất điện của vật liệu. Cấu kiện bán dẫn thường được chế tạo từ các cấu trúc đơn tinh thể. 2.1.2. Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử Trong cấu trúc nguyên tử, điện tử chỉ có thể nằm trên các mức năng lượng gián đoạn nhất định nào đó gọi là các mức năng lượng nguyên tử. Nguyên lý Pauli: Mỗi điện tử phải nằm trên một mức năng lượng khác nhau. Một mức năng lượng được đặc trưng bởi một bộ 4 số lượng tử: + n – số lượng tử chính: 1,2,3,4 . + l – số lượng tử quỹ đạo: 0, 1, 2, (n-1) {s, p,d,f,g,h } + ml– số lượng tử từ: 0, 1, 2, 3 l + ms– số lượng tử spin: 1/2 n, l tăng thì mức năng lượng của nguyên tử tăng, e- được sắp xếp ở lớp, phân lớp có năng lượng nhỏ trước. 2.1.3. Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn Các vùng năng lượng choPTIT phép xen kẽ nhau, giữa chúng là vùng cấm. Các điện tử trong tinh thể rắn sẽ điền đầy vào các mức năng lượng trong các vùng cho phép từ thấp đến cao. Như vậy có thể có: vùng điền đầy hoàn toàn (thường có năng lượng thấp), vùng trống hoàn toàn (thường có năng lượng cao), vùng điền đầy một phần. Tính chất hóa, lý, điện của chất rắn thường phụ thuộc chủ yếu vào các điện tử thuộc lớp ngoài cùng. Nếu xét trên lớp ngoài cùng: + Vùng năng lượng đã được điền đầy các điện tử gọi là “Vùng hóa trị” + Vùng năng lượng trống hoặc chưa điền đầy ngay trên vùng hóa trị gọi là “Vùng dẫn” 44
66. + Vùng không cho phép giữa Vùng hóa trị và Vùng dẫn là “Vùng cấm” Tùy theo sự phân bố của các vùng mà tinh thể rắn có tính chất điện khác nhau: Chất cách điện – dẫn điện kém, Chất dẫn điện – dẫn điện tốt, Chất bán dẫn. Tuy nhiên độ dẫn điện của của vật chất cũng tăng theo nhiệt độ. + Chất cách điện: Có cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm lớn EG>2eV, như Hình 2.2(a). + Chất dẫn điện: Cấu trúc dải năng lượng không có vùng cấm, điện tử hóa trị liên kết yếu với hạt nhân, dưới tác dụng của điện trường ngoài các e này có thể dễ dàng di chuyển lên các trạng thái cao hơn tạo thành các e tự do, nên chất như vậy dẫn điện tốt, cấu trúc dải năng lượng như Hình 2.2 c. + Chất bán dẫn: Chất có vùng cấm 0eV 2 eV EV EV Lỗ trống EC EV E = 0 Dải hoá trị Dải hoá trị (a). Chất cách điệnPTIT (b). Chất bán dẫn (c). Chất bán dẫn Hình 2.2. Minh họa sự sắp xếp của các dải năng lượng 2.1.4. Phân loại vật liệu điện tử Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện, điện tử thường được phân chia thành 4 loại: Chất cách điện (chất điện môi). Chất dẫn điện. Vật liệu từ. Chất bán dẫn 45
67. a. Chất cách điện Chất cách điện là chất dẫn điện kém, chất này có điện trở suất cao vào khoảng 107m  1017m ở nhiệt độ thường. Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu hữu cơ và một số vật liệu vô cơ. Đặc tính của vật liệu cách điện ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của linh kiện. Các đặc tính gồm: trị số giới hạn độ bền về điện, nhiệt, cơ học, độ cách điện, sự tổn hao điện môi Các tính chất của chất điện môi lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Trong lĩnh vực linh kiện điện tử, chất cách điện chủ yếu được dùng dưới dạng chất rắn, chất này có cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm lớn EG>2eV. Có hai loại chất điện môi: chất điện môi thụ động và tích cực - Chất điện môi thụ động còn gọi là vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện. Đây là các vật chất được dùng làm chất cách điện và làm chất điện môi trong các tụ điện như mi ca, gốm, thuỷ tinh, pôlyme tuyến tính, cao su, sơn, giấy, bột tổng hợp, keo dính, Đối với vật liệu dùng để cách điện thì cần có độ thẩm thấu điện  nhỏ, còn vật liệu dùng làm chất điện môi cho tụ điện cần có  lớn. - Chất điện môi tích cực là các vật liệu có  thể điều khiển được bằng: + Điện trường có gốm, thuỷ tinh, + Cơ học có chất áp điện như thạch anh + Ánh sáng có chất huỳnh quang Loại điện môi này dùng trong các bộ tạo tín hiệu dao động, bộ lọc b. Chất dẫn điện PTIT Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao. Trị số điện trở suất của nó nhỏ hơn so với các loại vật liệu khác. Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng 10-8  10-5 m. Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn – Kim loại, chất lỏng – Kim loại nóng chảy, dung dịch điện phân hoặc chất khí ở điện trường cao. Chất dẫn điện được chia làm 2 loại là chất dẫn điện có điện trở suất thấp và chất dẫn điện có điện trở suất cao. - Chất dẫn điện có điện trở suất thấp – Ag, Cu, Al, Sn, Pb và một số hợp kim – Thường dùng làm vật liệu dẫn điện. 46
68. - Chất dẫn điện có điện trở suất cao như Hợp kim Manganin, Constantan, Niken-Crôm, Cacbon – thường dùng để chế tạo các dụng cụ đo điện, các điện trở, biến trở, các dây may so, các thiết bị nung nóng bằng điện. c. Vật liệu từ Vật liệu từ là vật liệu khi đặt vào trong một từ trường thì nó bị nhiễm từ. Quá trình nhiễm từ của các vật liệu sắt từ dưới tác dụng của từ trường ngoài dẫn đến sự tăng nguồn nhiễm từ và quay các vectơ mômen từ theo hướng của từ trường ngoài. Hình 2.3. Hình ảnh của một số loại vật liệu từ Nguồn gốc của từ trường: dòng điện là nguồn gốc của từ trường hay nói một cách bản chất, chuyển động của các điện tích là nguồn gốc của từ trường. Mỗi điện tích chuyển động sinh ra một từ trường, hay một lưỡng cực từ (tạo thành một mômen từ, xem hình vẽ). Mômen từ của một nguyên tử sinh ra có thể do 2 nguyên nhân: + Chuyển động quỹ đạo của các điện tử (mômen quỹ đạo L) + Chuyển động tự quay của các điện tử (mômen spin S). Spin là một đặc trưng của một hạt cơ bản. PTIT Mô men từ m=i.S, chiều của m xác định theo quy tắc vặn nút chai và hướng vuông góc với diện tích S. Hình 2.4. Sự hình thành momen từ. 47
69. Thông thường chia vật liệu từ làm 2 loại: Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và  lớn). Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớn và  nhỏ). Vật liệu từ mềm: Vật liệu từ mềm dùng ở tần số thấp: Vật liệu từ mềm làm việc ở tần số thấp thường được dùng rộng rãi là sắt, hợp kim sắt - silic, sắt - niken, lá thép kỹ thuật điện để làm lõi biến áp, nam châm điện. Hiện nay hợp kim sắt từ dùng rộng rãi nhất là sắt- silic. Sắt- niken có độ từ thẩm cao hơn. Vật liệu sắt dùng trong các cuộn dây và biến áp thường ở dạng tấm mỏng. Vật liệu từ mềm dùng ở tần số cao: (thường ở tần số vài trăm đến vài ngàn KHz). + Ferit là vật liệu từ được dùng rộng rãi nhất ở tần số cao. Ferit là vật liệu từ có độ từ thẩm cao, tổn thất nhỏ. Ferit là hợp chất ôxit sắt 3 (Fe2O3) kết hợp với các ôxit kẽm loại hóa trị một hoặc hai (ZnO; Zn2O). Nguyên vật liệu sau xử lý được nghiền thành bột mịn, trộn lại và ép định hình theo khuôn thành dạng thanh hay ống, sau đó được nung ở nhiệt độ cao trong môi trường thích hợp, Đây là quá trình gia công nhiệt đặc biệt để hợp chất cho điện trở suất cao. Ferit có nhiều loại nhưng thông dụng nhất là Ferit-Mangan- Kẽm và Ferit -Niken- Kẽm. Ferit có đặc điểm là điện dẫn suất thấp, độ từ thẩm ban đầu cao và giá trị cảm ứng từ bão hòa thích hợp. Ferit được dùng trong các cuộn dây, có hệ số phẩm chất cao, các biến áp có dải thông tần rộng, các cuộn dây trung tần, thanh anten, các cuộn làm lệch tia điện tử, các biến áp xung, v.v Vật liệu từ cứng: PTIT Theo ứng dụng chia vật liệu từ cứng thành 2 loại: Vật liệu để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ để ghi âm, ghi hình, giữ âm thanh, v.v Theo công nghệ chế tạo, chia vật liệu từ cứng thành: Hợp kim thép được tôi thành Martenxit là vật liệu đơn giản và rẻ nhất để chế tạo nam châm vĩnh cửu. Hợp kim lá từ cứng. 48
70. Nam châm từ bột. Ferit từ cứng: Ferit Bari (BaO.6Fe2O3) để chế tạo nam châm dùng ở tần số cao. Băng, sợi kim loại và không kim loại dùng để ghi âm thanh. 2.2. CHẤT BÁN DẪN 2.2.1. Định nghĩa chất bán dẫn Chất bán dẫn là vật chất có điện trở suất nằm ở giữa trị số điện trở suất của chất dẫn điện và chất điện môi khi ở nhiệt độ phòng, = 10-4  107 .m và là chất mà trong cấu trúc dải năng lượng có độ rộng vùng cấm là 0<EG<2eV. Chất bán dẫn trong tự nhiên: Bo (B), Indi (In), Gali (Ga) ở nhóm 3, Silic (Si), Gecmani (Ge) thuộc nhóm 4, Selen (Se), lưu huỳnh (S) ở nhóm 6, Asen (As) thuộc nhóm 5, v.v hoặc hợp chất như clorua đồng (CuCl), Asenic Canxi CaAs, Oxit đồng CuO, v.v Trong kỹ thuật điện tử hiện nay sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể. Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể bán dẫn này là độ dẫn điện của nó rất nhỏ khi ở nhiệt độ thấp và nó sẽ tăng theo lũy thừa với sự tăng của nhiệt độ và tăng gấp bội khi có trộn thêm ít tạp chất. Do đó đặc điểm cơ bản của chất bán dẫn là độ dẫn điện phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi trường và nồng độ tạp chất, ngoài ra còn phụ thuộc vào ánh sáng, bức xạ ion hóa, v.v Ga PTITAs a. Bán dẫn nguyên chất b. Bán dẫn ghép Hình 2.5. Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn. Các chất bán dẫn quan trọng nhất trong lĩnh vực điện tử là: + Các chất bán dẫn nguyên chất thuộc phân nhóm chính nhóm IV như Ge (Gecmani) và Si (Silic). 49
71. + Chất bán dẫn ghép: Hợp chất của các nguyên tử thuộc phân nhóm chính nhóm III và phân nhóm chính nhóm V: GaAs, GaP, GaN, quan trọng trong các cấu kiện quang điện và IC tốc độ cao. 2.2.2. Chất bán dẫn nguyên chất (Intrinsic semiconductor) Chất bán dẫn nguyên chất là chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ có nguyên tử của một loại nguyên tố, ví dụ như các tinh thể Ge (gecmani), Si (silic) nguyên chất , được gọi tắt là chất bán dẫn thuần Ge, chất bán dẫn thuần Si, 0 Ví dụ xét tinh thể Si, EG= 1,21eV (tại nhiệt độ 300 K). Si Si Si +4 +4 +4 Si Si Si +4 +4 +4 Si Si Si +4 +4 +4 (a) Cấu trúc mạng tinh thể (b) Mô hình cấu trúc tinh thể Hình 2.6. Cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần Si Mạng tinh thể Si có cấu trúc kim cương như Hình 2.6-a, Tại mỗi nút mạng là nguyên tử Si, chúng đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Khi nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể Si chúng ta chỉ cần xét theo mô hình cấu trúc tinh thể 2 chiều như Hình 2.6-b. Trong cấu trúc tinh thể mỗi nguyên tử Si sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình tạo ra liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử xunh quanh. Như vậy có thể coi hạt nhân Si mang điện tích +4 (hay +4q). Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân. Mặc dù có sẵn 4 PTIT 0 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp. Ở nhiệt độ 0 K, cấu trúc lý tưởng như ở Hình 2.6 là gần đúng và tinh thể bán dẫn như là một chất cách điện. a. Sự tạo thành lỗ trống và điện tử tự do Ở nhiệt độ phòng, do sự chuyển động theo nhiệt một số điện tử hóa trị có năng lượng đủ lớn chuyển động bứt ra khỏi liên kết cộng hóa trị (liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ) tạo ra điện tử tự do và lỗ trống – minh họa như Hình 2.7. Lỗ trống là vị trí bị bỏ trống trong liên kết cộng hóa trị khi điện tử bứt ra khỏi liên kết, và nó có thể hấp thụ điện tử tự do. Do đó, lỗ trống cũng có khả năng dẫn điện như điện tử tự 50
72. do, khi đó nó hấp thụ điện tử tự do của liên kết cộng hóa trị bên cạnh và tạo ra lỗ trống mới ở vị trí của liên kết cộng hóa trị đó, như vậy sự dịch chuyển vị trí của lỗ trống kèm theo sự dịch của điện tử tự do, do đó tạo ra sự dẫn điện. Lỗ trống mang điện tích dương và có cùng độ lớn với điện tích điện tử tự do. Điện tử tự do và lỗ trống được gọi chung là hạt tải điện. Trong bán dẫn thuần có nồng độ hạt dẫn lỗ trống và nồng độ hạt dẫn điện tử tự do bằng nhau: pi = ni Si Dải E Si Si +4 +4 +4 dẫn Điện tử EC EG < 2 Si Si Si E eV +4 V +4 +4 Lỗ Điện tử Lỗ trống Dải Si tự do Si Si +4 +4 +4 hoá Hình 2.7. Minh họa sự hình thành điện tử tự do và lỗ trống b. Quá trình tạo hạt tải điện và quá trình tái hợp Quá trình tạo ra hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần chủ yếu là do năng lượng nhiệt “thermal generation”, tốc độ tạo hạt tải điện tăng theo hàm mũ của nhiệt độ T. Ngoài ra một quá trình tạo hạt tải điện khác là do năng lượng quang học “optical generation”. Điện tử trong dải hóa trị có thể nhận năng lượng của photon ánh sáng truyền tới và nhảy lên dải dẫn. Ví dụ trong bán dẫn thuần Si năng lượng tối thiểu cần thiết là 1.1eV, tương đương với ánh sáng bướcPTIT sóng ~1 m. Trong chất bán dẫn cũng xảy ra quá trình tái hợp giữa điện tử tự do và lỗ trống và giải phóng năng lượng theo cách: - Tạo ra nhiệt lượng làm nóng chất bán dẫn: “thermal recombination” - Phát xạ ra photon ánh sáng “optical recombination” “Optical recombination” rất hiếm xảy ra trong trong chất bán dẫn thuần Si, Ge mà chủ yếu xảy ra trong các loại vật liệu bán dẫn ghép. 51
73. Quá trình tạo và tái hợp liên tục xảy ra trong chất bán dẫn, và đạt trạng thái cân bằng khi tốc độ của 2 quá trình đó bằng nhau. Tốc độ tạo hạt tải điện phụ thuộc vào T nhưng lại độc lập với n và p - nồng độ của điện tử tự do và của lỗ trống : GGTG thermal() optical Trong khi đó tốc độ tái hợp lại tỷ lệ thuận với cả n và p R np Trạng thái ổn định xảy ra khi tốc độ tạo và tái hợp cân bằng G R np f ( T ) Nếu trong trường hợp không có các nguồn quang và nguồn điện trường ngoài, trạng thái ổn định được gọi là trạng thái cân bằng nhiệt “thermal equilibrium” 2 np ni () T c. Hàm phân bố Fermi-Dirac Khi xét một hệ gồm nhiều hạt giống hệt nhau có thể nằm trên nhiều mức năng lượng khác nhau bao giờ cũng nảy sinh vấn đề hàm phân bố, bởi vì để xét các tính chất khác nhau của hệ trước hết ta cần phải biết các hạt này phân bố theo các mức năng lượng trên như thế nào? Xét hệ gồm N điện tử tự do nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt tại nhiệt độ T. Phân bố các điện tử đó tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Tìm phân bố của các điện tử theo các mức năng lượng? Nguyên lý loại trừ Pauli là hệ quả của một nguyên lý cơ bản hơn, đó là nguyên lý không phân biệt giữa các hạt giống nhauPTIT áp dụng vào trường hợp hệ gồm các hạt farmion (các hạt có spin là bội 1/2). Áp dụng nguyên lý năng lượng tối thiểu: “xác suất để một hệ gồm N hạt giống hệt nhau nằm trong trạng thái năng lượng E tỷ lệ nghịch với E theo hàm mũ exp, cụ thể là: PN(E) ~ exp(-E/kT). Bằng cách áp dụng nguyên lý trên kèm theo với nguyên lý loại trừ Pauli người ta đã tính toán ra lời giải là hàm phân bố Fermi-Dirac: xác suất mức năng lượng E [eV] bị điện tử lấp đầy tại nhiệt độ T tuân theo hàm phân bố Fermi- Dirac như sau: 52
74. 1 f() E EE exp F 1 KT f(E) 0 1 T=0 K 0 0,5 T=300 K T=25000K 0 -1 0 0, 2 1 (E-EF) Hình 2.8. Hàm phân bố Fecmi- Dirac f(E) tại các nhiệt độ khác nhau. Trong đó: K: Hằng số Boltzmann (eV/ 0K), K= 8,62 10-5 eV/0K T - Nhiệt độ đo bằng 0K EF - Mức Fermi (eV) EF: mức năng lượng Fermi là mức năng lượng lớn nhất còn bị e- lấp đầy tại nhiệt độ T=00K. Phân tích hàm Fermi-Dirac Nhận xét hàm phân bố Fermi-Dirac: 0 - Tại 0 K, f(E) = 1 khi E 0 K đều luôn bằng 1/2 tại E = EF , không phụ thuộc vào nhiệt độ. - Hàm f(E) đối xứng qua điểm F, do đó, xác suất điện tử chiếm đóng ở mức năng lượng EF + E bằng xác suất các mức năng lượng mà điện tử không chiếm đóng ở mức EF - E . 53
75. 1 f (E) E E E exp F 1 KT Vùng dẫn T = 00K EC E > EF => f(E) = 0 E f(E) = 1 F 0 0 -3 E T > 0 K (T=300 K; KT=26.10 eV) F EG T = 00K (EF E) E E - E >>KT KT V F f (E) e Vùng hoá trị (E EF ) KT E - EF C EC EC ()EEFC KT => n NC . e (2.1) 54
76. 3/ 2 2 mn kT Trong đó: NC 2. 2 - Mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng dẫn. h mn – Khối lượng hiệu dụng của điện tử tự do k[J/0K] – Hằng số Boltzmann, h – hằng số Plank , T [0K] Tính nồng độ lỗ trống trong vùng hóa trị p: Nồng độ hạt dẫn lỗ trống nằm trong mức năng lượng từ E đến E+dE trong dải hóa trị là dp [số lỗ trống/m3]: dp=N(E).(1-f(E)).dE + N(E) - là mật độ trạng thái trong dải hóa trị (số lượng trạng thái/ eV/ m3). 4 NEEE  .( )1/ 2 ,  (2m )3/ 2 .( q ) 3/2 V h3 p p EV EV (E EF ) n N(E).(1 f (E)).dE  .(E E)1/ 2.e KT .dE V 0 0 ()EEVF KT => p NV . e (2.2) 3/ 2 2 mp kT Trong đó: NV 2. 2 (Mật độ trạng thái hiệu dụng trong vùng hóa trị) h mp – Khối lượng hiệu dụngPTIT của lỗ trống k[J/0K] – Hằng số Boltzman, h – hằng số Plank , T [0K] Khối lượng hiệu dụng: Si Ge GaAs mn/m0 0,26 0,12 0,068 mp/m0 0,39 0,30 0,50 55
77. Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn thuần EE CV KT EG / KT Xét tích: n p NCVCV N e N N e Thay biểu thức NC, NV vào ta có: 2 2 3 EG / KT n p ni p i AT e 3 2 .k 3/ 2 Trong đó: A 4. 2 . mn . m p h E E G G 2KT 3/ 2 2.KT ni NC .NV e A.T .e (2.3) 0,605eV 16 3 / 2 KT 3 Ví dụ Với bán dẫn thuần Si, ta có: => ni 3,9x10 T e [cm ] 0 10 -3 Tại nhiệt độ phòng T=300 K => ni 1,5.10 [cm ], như vậy nồng độ hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần ở nhiệt độ phòng rất nhỏ, nên chất bán dẫn thuần có độ dẫn điện kém. Mức Fermi của bán dẫn thuần Với bán dẫn thuần EF EC KT ni NCe EV EF KT pi NV e EE 3 m n p E CV kT ln p i i Fi 2 4 m PTITn Trong đó: mp, mn là khối lượng hiệu dụng của hạt tải điện lỗ trống và điện tử tự do, chúng phụ thuộc vào cấu trúc dải năng lượng. EECV Nếu mp mn thì mức Fermi EFi nằm giữa vùng cấm. EF i 2 0 Nếu mp mn mức Fermi chỉ nằm giữa vùng cấm khi T=0 K Độ dẫn điện của chất bán dẫn : 56
78.  (n. n p.  p ).q Trong đó: n - độ linh động của điện tử tự do p - độ linh động của lỗ trống q – điện tích của điện tử q=1,6.10-19C Khi có điện từ trường ngoài E đặt lên chất bán dẫn thuần, tạo ra dòng điện trôi, mật độ dòng điện J được tính như sau: J (n. n p.  p ).q.E  .E 2.2.3. Chất bán dẫn tạp Chất bán dẫn mà một số nguyên tử ở nút của mạng tinh thể của nó được thay thế bằng nguyên tử của chất khác gọi là chất bán dẫn không thuần. Có hai loại chất bán dẫn không thuần: + Chất bán dẫn không thuần loại N – gọi tắt là Bán dẫn loại N + Chất bán dẫn không thuần loại P – gọi tắt là Bán dẫn loại P PTIT (a): Bán dẫn n (b): Bán dẫn p Hình 2.9. Cấu trúc mạng tinh thể của bán dẫn n và bán dẫn p 57
79. a. Chất bán dẫn loại N (chất bán dẫn không thuần loại cho) Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 5, thí dụ As, P, Sb vào chất bán dẫn thuần Ge hoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạp chất sẽ đưa 4 điện tử trong 5 điện tử hóa trị của nó tham gia vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử Ge (hoặc Si) ở bên cạnh; còn điện tử thứ 5 sẽ thừa ra và liên kết của nó trong mạng tinh thể là rất yếu, ở nhiệt độ phòng cũng dễ dàng tách ra trở thành hạt tải điện - điện tử tự do trong tinh thể và nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành các ion dương cố định. Nồng độ điện tử tự do trong chất bán dẫn loại N tăng nhanh, nên tốc độ tái hợp tăng nhanh, do đó nồng độ lỗ trống giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần. E Si Si Si +4 +4 +4 Vùng dẫn e5 0,01eV Si EC Sb Si +4 +5 +4 ED Mức cho EG Si Si Si EV +4 +4 +4 Vùng hoá trị Hình 2.10. Mô hình cấu trúc mạng tinh thể của bán dẫn loại N Trong chất bán dẫn loại N, nồng độ hạt dẫn điện tử (nn) nhiều hơn nhiều nồng độ lỗ trống pn và điện tử được gọi là hạt dẫn đa số, lỗ trống được gọi là hạt dẫn thiểu số. nn >> pn; nn=Nd+pn Nd ; Nd – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất cho (Donor) b. Chất bán dẫn loại P (chấtPTIT bán dẫn không thuần loại nhận) Thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 3, thí dụ In, Bo, Ga vào chất bán dẫn thuần Ge hoặc Si. Trong nút mạng nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử hóa trị đưa ra tạo liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử Ge (hoặc Si) ở bên cạnh, mối liên kết thứ 4 để trống và tạo thành một lỗ trống. Điện tử của mối liên kết gần đó có thể nhảy sang để hoàn chỉnh mối liên kết thứ 4 còn để trống đó. Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử sẽ trở thành ion âm và ngược lại ở nguyên tử Ge/Si vừa có 1 điện tử chuyển đi sẽ tạo ra một lỗ trống và nguyên tử này sẽ trở thành ion dương cố định. Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn loại P tăng nhanh, nên tốc độ tái hợp tăng nhanh, đo đó nồng độ lỗ điện tử tự do giảm xuống nhỏ hơn nồng độ có thể có trong bán dẫn thuần. 58
80. Trong chất bán dẫn loại P, nồng độ hạt dẫn lỗ trống (pp) nhiều hơn nhiều nồng độ điện tử tự do np và lỗ trống được gọi là hạt dẫn đa số, điện tử tự do được gọi là hạt dẫn thiểu số. p >> n p =N +n N N – Nồng độ ion nguyên tử tạp chất nhận (Acceptor) p p; p a p a ; a E Si Si Si +4 +4 +4 Vùng dẫn Si EC In Si +4 +3 +4 EG Mức nhận 0,01eV EA Si Si Si EV +4 +4 +4 Vùng hoá trị Hình 2.11. Mô hình mạng tinh thể của bán dẫn loại P c. Nồng độ hạt tải điện trong bán dẫn không thuần pha tạp cả Donor và Acceptor Trong thực tế Silicon thường được pha tạp cả chất Donor và Acceptor. Giả sử nồng độ pha tạp tương ứng là Nd, Na . - Để tạo thành bán dẫn N thì Nd>Na, điện tử cho của nguyên tử Donor sẽ ion hóa tất cả các nguyên tử Acceptor để hoàn thành liên kết còn thiếu điện tử, nồng độ nguyên tử Donor tạo ra điện tử tự do là: Nd-Na, quá trình như vậy gọi là quá trình bù “Compensation”. Điện tích trong chất bán dẫn N trung hòa nên: Nd- Na + p - n = 0. PTIT2 n → p n () N N i → n2 N N . n n 2 0 d a n d a i 2 NNNNd a d a 4ni → n 1 2 2 2 NNd a + Nếu Nd>>Na nên Nd-Na>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như sau: 59
81. 2 ni n Nd N a p  NNd a - Để tạo thành bán dẫn P thì Na>Nd, trong bán dẫn cũng xảy ra quá trình bù, tính toán tương tự ta có nồng độ lỗ trống trong trường hợp này được tính như sau: 2 NNNNa d a d 4ni p 1 2 2 2 NNa d Nếu Na>>Nd nên Na-Nd>>ni thì có thể tính gần đúng nồng độ các loại hạt tải điện như sau: 2 ni p Na N d n  NNa d d. Mức Fermi trong chất bán dẫn không thuần - Mức Fermi trong chất bán dẫn N (Nd càng tăng mức Fermi càng tiến gần tới đáy của dải dẫn): ()EEFC KT NC nn N C. e N d → EFC E KT ln Nd PTIT - Mức Fermi trong chất bán dẫn P (Na càng tăng mức Fermi càng tiến gần xuống đỉnh của dải hóa trị): ()EEVF KT NV p NV. e N a → EFV E KT ln Na 60
82. Mức Fecmi trong bán dẫn không thuần là một hàm của nhiệt độ cho các giá trị nồng độ tạp chất khác nhau. Ví dụ Mức Fecmi của bán dẫn Si thay đổi theo nhiệt độ và nồng độ pha tạp như sau: e. Quan hệ nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần và không thuần Giả sử mức Fermi của bánPTIT dẫn thuần là EF = EFi Nồng độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần ni=pi : (Ec E Fi )/ kT (EFi E v )/ kT n ni N c e p ni N v e và (Ec E Fi )/ kT (EFi E v )/ kT Nc n i e Nv n i e Nồng hạt dẫn trong chất bán dẫn không thuần là: ()EEFC ()/E E kT kT n n e F Fi n NC . e → i (2.4) 61
83. ()EEVF ()/EFi E F kT kT p n e p NV . e → i (2.6) f. Dòng điện trong chất bán dẫn - Dòng điện khuếch tán: Dòng điện tạo ra do sự chuyển động ngẫu nhiên do nhiệt của các hạt tải điện (thông thường giá trị trung bình =0, nên bỏ qua) và sự khuếch tán các hạt tải điện từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp hơn: 3 2 dn dp 1 Jdiff() n q. D n và Jdiff() p q. D p dx dx 4 electron 2 5 Trong đó: Dp [m /sec] - là hệ số khuếch tán của lỗ trống; Dn - là hệ số khuếch tán của điện tử; dp/dx, dn/dx gradient nồng độ lỗ trống và điện tử tự do - Dòng diện trôi p: Dòng chuyển dịch của các hạt tải điện do tác động của điện trường E: Jdriff =Jdriff(n) + Jdriff(p) = .E = q(nn + pp).E PTIT2 3 1 electron 4 5 E - Dòng tổng cộng trong chất bán dẫn: 62
84. J = Jdriff + Jdiff = Jn + Jp dn J J J qn E qD n driff() ndiff n n n dx dp J J J qp E qD p driff() pdiff p p p dx - Quan hệ Einstein “Einstein Relation”: Độ linh động  và hệ số khuếch tán D được xác định theo mô hình vật lý dựa trên cơ sở một số lượng lớn hạt tải chịu những chuyển động nhiệt ngẫu nhiên với sự va chạm thường xuyên, 2 hằng số này tỉ lệ với nhau theo “Einstein Relation” như sau: D kT  q Trong đó: Hằng số Boltzmann k =1,38.10-23 [J/0K] q [C] – điện tích hạt tải, T [0K ] Áp dụng công thức trên cho điện tử tự do và lỗ trống trong chất bán dẫn kT kT D  , D  n n q p p q kT Điện áp nhiệt “Thermal Voltage”: V th q g. Độ dẫn điện chất bán dẫn Độ dẫn điện của chất bánPTIT dẫn khi có cả 2 loại hạt tải điện tham gia  = q(nn + pp) - Với bán dẫn loại n, n>>p, độ dẫn điện là: -1 n = qNdn [(.m) ] Với bán dẫn loại p, p>>n, độ dẫn điện là: -1 p = qNap [(.m) ] 63
85. Chất tạp càng nhiều thì điện trở suất càng giảm, tuy nhiên độ linh động nvà p lại giảm khi nồng độ chất pha tạp tăng, như vậy cơ chế dẫn điện trong vùng pha tạp mạnh tương đối phức tạp Nồng độ giới hạn các nguyên tử tạp chất muốn đưa vào tinh thể bán dẫn được quyết định bởi giới hạn hòa tan của tạp chất ấy. Nếu vượt quá giới hạn này thì hiện tượng kết tủa sẽ xảy ra, khi đó tạp chất sẽ không còn có các tính chất như mong muốn nữa. i. Độ linh động của hạt tải điện Vận tốc dịch chuyển của hạt tải điện tỷ lệ thuận với điện trường ngoài: | v | = E Trong đó:  Độ linh động [cm2 /V.s] Độ linh động phụ thuộc vào nồng độ chất pha tạp tổng cộng (Na + Nd). j. Giải thích các thuật ngữ + Nồng độ điện tử tự doPTIT trong chất bán dẫn (Electron Concentration) n[cm-3]: Số lượng điện tử tự do trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn. Ứng với các loại bán dẫn khác nhau sẽ có ký hiệu khác nhau (nồng độ điện tử tự do của bán dẫn thuần: ni; nồng độ điện tử tự do của bán dẫn loại n: nn; nồng độ điện tử tự do của bán dẫn loại p: np). + Nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn (Hole Concentration) p[cm-3]: Số lượng lỗ trống trong một đơn vị thể tích chất bán dẫn. 64
86. Ứng với các loại bán dẫn khác nhau sẽ có ký hiệu khác nhau (nồng độ lỗ trống của bán dẫn thuần: pi; nồng độ lỗ trống của bán dẫn loại n: pn; nồng độ lỗ trống của bán dẫn loại p: pp). 2 Độ linh động của điện tử tự do (Electron Mobility) n[cm /(V.s)]: Tham số xác định mức độ phân tán của điện tử trong chất bán dẫn, tỉ lệ thuận với vận tốc khuyếch tán của điện tử và cường độ trường điện trường, cũng như tỉ lệ giữa nồng độ điện tử và độ dẫn điện của chất bán dẫn. 2 Độ linh động của lỗ trống (Hole Mobility) p[cm /(V.s)] - Tham số xác định mức độ phân tán của lỗ trống trong chất bán dẫn, tỉ lệ thuận với vận tốc khuyếch tán của lỗ trống và cường độ trường điện trường, cũng như tỉ lệ giữa nồng độ lỗ trống và độ dẫn điện của chất bán dẫn Độ dẫn điện (Electrical conductivity)  [.m]-1 Tham số đo khả năng dẫn dòng điện thông qua một đơn vị vật liệu,  = 1/ , trong đó là điện trở suất. k. Một số hằng số - Electronic charge, q = 1,6 10-19 C -14 - Permittivity of free space, o = 8,854 10 F/cm - Boltzmann constant, K = 8,62 10-5 eV/K, k=1,38 10-23 J/K - Planck constant, h = 4.14 10-15 eV.s -31 - Free electron mass, m0= me = 9.1 10 kg 0 - Thermal voltage Vth=PTIT kT/q = 26 mV (at T= 300 K) Si Ge GaAs InAs 2  n (cm /V·s) 1400 3900 8500 30000 2  p (cm /V·s) 470 1900 400 500 65
87. 2.3. CHUYỂN TIẾP PN 2.3.1. Giới thiệu chung Khi bán dẫn P, N tiếp xúc với nhau, tại miền tiếp xúc hình thành chuyển tiếp P-N. Chuyển tiếp P-N được ứng dụng để chế tạo ra nhiều loại cấu kiện bán dẫn khác nhau. Lý thuyết về chuyển tiếp PN còn được coi là nền tảng của vật lý bán dẫn. Nghiên cứu nắm vững các đặc tính của chuyển tiếp PN là rất cần thiết để hiểu nguyên lý làm việc của các cấu kiện bán dẫn. Theo công nghệ chế tạo cấu kiện bán dẫn, người ta lấy một mẫu tinh thể bán dẫn loại p (ví dụ) có nồng độ pha tạp Na, sau đó cho khuếch tán vào mẫu bán dẫn đó tạp chất Donor với nồng độ Nd>Na từ một phía bề mặt tinh thể với độ sâu phụ thuộc vào quá trình khuếch tán tạo ’ ra một lớp bán dẫn n có nồng độ pha tạp N d= Nd-Na tạo thành chuyển tiếp PN. Sự phân bố tạp chất trong chuyển tiếp PN thức tế rất phức tạp, để đơn giản bài toán chúng ta sẽ xét một chuyển tiếp lý tưởng với sự phân bố tạp chất có tính chất đột biến như Hình 2.12b. P Metal SiO2 SiO2 n-type Si p-type Si Metal (a) (b) Hình 2.12. - Cấu tạo của chuyển tiếp PN 2.3.2. Chuyển tiếp PN ở trạngPTIT thái cân bằng nhiệt Xét chuyển tiếp PN mà phân bố tạp chất giữa các miền bán dẫn có tính chất đột biến. Như vậy phân bố của nồng độ hạt tải điện ở các miền bán dẫn P và N khi chưa tiếp xúc giả sử như Hình 2.13. Nồng độ hạt tải điện khi chưa tiếp xúc: 66
88. Hình 2.13. Phân bố nồng độ hạt tải điện của bán dẫn P và N khi chưa tiếp xúc Khi có tiếp xúc bán dẫn P và N tiếp xúc thì sẽ xảy ra hiện tượng gì? p n Ion - - - - - - + + + + + + Ion cho nhận - - - - - - + + + + + + Điện Lỗ - - - - - - + + + + + + trống tử tự - - - - - - + + + + + + do -xp0 0 xn0 x p0 N a log p0 (x) J diff 2 ni Et p0 N d x p 0 xn0 log n0 (x) n0 N d 2 J n diff n i E 0 N t PTITa . – – + + Hình 2.14. – Sự hình thành chuyển tiếp PN Khi chuyển tiếp PN được mới được hình thành, do sự chênh lệch nồng độ nên sẽ có sự khuếch tán điện tử và lỗ trống qua bề mặt tiếp xúc và chúng tái hợp với nhau, đồng thời tạo ra dòng khuếch tán hạt dẫn đa số qua vùng chuyển tiếp. Miền lân cận mặt tiếp xúc mất đặc tính trung hòa về điện, bên bán dẫn N tích điện (+), bên bán dẫn P tích điện (–), tạo thành miền điện tích không gian (còn được gọi là vùng chuyển tiếp PN) và hình thành một điện trường nội Et. 67
89. Mặt khác điện trường nội Et lại làm tăng dòng cuốn các hạt dẫn thiểu số của 2 miền bán dẫn qua chuyển tiếp tiếp tạo ra dòng điện trôi. Như vậy khi cho bán dẫn P và N tiếp xúc tạo ra miền chuyển tiếp PN và đồng thời tạo ra dòng khuếch tán hạt đa số và dòng cuốn hạt thiểu số qua chuyển tiếp. Chuyển tiếp PN đạt trạng thái cân bằng khi dòng khuếch tán Jdiff bằng dòng trôi Jdriff, khi đó trong chuyển tiếp PN hình thành các vùng: 1. Vùng chuyển tiếp PN - Vùng điện tích không gian (Vùng bán dẫn P tích điện (-) có độ rộng xp0, vùng bán dẫn N tích điện (+) có độ rộng xn0. 2. Vùng bán dẫn n, p cận trung hòa Kết luận: Chuyển tiếp PN trong điều kiện cân bằng nhiệt: + Hình thành vùng chuyển tiếp (vùng điện tích không gian) + Hình thành hàng rào thế năng (hiệu điện thế tiếp xúc) giữa chuyển tiếp PN, hàng rào thế năng tăng khi nồng độ pha tạp của các miền bán dẫn tăng, hàng rào thế năng ngăn không cho hạt đa số từ các miền bán dẫn khuếch tán qua chuyển tiếp PN. + Độ rộng của vùng chuyển tiếp mở rộng hơn về vùng bán dẫn có nồng độ pha tạp nhỏ hơn. + Khi có điện áp phân cực đặt vào 2 đầu của chuyển tiếp PN, phân bố điện thế trong chuyển tiếp thay đổi ? 2.3.3. Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực Khi có điện áp phân cựcPTIT V đặt vào 2 đầu của chuyển tiếp PN như Hình 2.15. Hình 2.15. Đặt điện áp phân cực cho chuyển tiếp PN V > 0 – Phân cực thuận - Cực + của nguồn đặt vào bán dẫn p, cực - đặt vào bán dẫn n. V < 0 – Phân cực ngược - Cực - của nguồn đặt vào bán dẫn p, cực + đặt vào bán dẫn n. 68
90. - Phân cực thuận: Điện thế tiếp xúc trong giảm – hàng rào thế năng giảm, dòng cuốn giảm, dòng khuếch tán tăng lên. Điện trường tiếp xúc giảm. Độ rộng vùng điện tích không gian giảm - Phân cực ngược: Điện thế tiếp xúc trong tăng – hàng rào thế năng tăng, dòng cuốn tăng, dòng khuếch tán giảm. Điện trường tiếp xúc tăng. Độ rộng vùng điện tích không gian tăng, điện trở vùng chuyển tiếp tăng lên. Dòng điện qua chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực - Khi đặt điện áp phân cực thuận: Cân bằng dòng điện bị phá vỡ : + Phần lớn các hạt dẫn đa số có năng lượng đủ lớn dễ dàng khuếch tán qua chuyển tiếp PN. Kết quả là dòng điện qua chuyển tiếp PN tăng lên và đây là thành phần dòng điện khuếch tán. Dòng điện chạy qua chạy qua tiếp xúc PN khi nó phân cực thuận gọi là dòng điện thuận Ith. + Những hạt dẫn đa số sau khi vượt qua lớp tiếp xúc PN vào các phần bán dẫn P và N thì chúng trở thành các hạt dẫn thiểu số của các chất bán dẫn này, như vậy có hiện tượng “phun" các hạt dẫn thiểu số qua vùng điện tích không gian. + Khi tăng điện áp thuậnPTIT lên, tiếp xúc P-N được phân cực thuận càng mạnh, hiệu điện thế tiếp xúc càng giảm, hàng rào thế năng càng thấp xuống, các hạt dẫn đa số khuếch tán qua tiếp xúc P-N càng nhiều nên dòng điện thuận càng tăng và nó tăng theo qui luật hàm số mũ với điện áp ngoài. - Khi đặt điện áp phân cực ngược Cân bằng dòng điện bị phá vỡ: 69
91. Do điện trường của lớp tiếp xúc tăng lên sẽ thúc đẩy quá trình chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp PN, tạo nên dòng điện trôi có chiều từ bán dẫn N sang bán dẫn P và được gọi là dòng điện ngược Ingược. Nếu ta tăng điện áp ngược lên, hiệu điện thế tiếp xúc càng tăng lên làm cho dòng điện ngược tăng lên. Nhưng do nồng độ các hạt dẫn thiểu số rất nhỏ, nên dòng điện ngược nhanh chóng đạt giá trị bão hòa nào đó vì thế nó còn được gọi là dòng điện ngược bão hòa IS có giá trị rất nhỏ. Minh họa dòng dịch chuyển của các hạt tải điện qua chuyển tiếp PN + Phân cực thuận + Phân cực ngược Hình 2.16. Dòng dịch chuyển của các hạt tải điện qua chuyển tiếp PN - Như vậy chuyển tiếp PN có tính chất chỉnh lưu dòng điện, cho phép dòng điện qua theo một chiều nhất định. 2.3.4. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN a. Trong chế độ phân cực thuận Dòng điện qua chuyển tiếpPTIT PN là tổng dòng khuyến tán điện tử và lỗ trống: I = In + Ip qV V I I (exp 1) I I (e Vth 1) S kT hay S IS : Dòng bão hòa ngược b. Trong chế độ phân cực ngược Trong chế độ phân cực ngược dòng điện ngược qua chuyển tiếp PN rất nhỏ. Dòng gồm 2 thành phần chính: 70
92. + Dòng bão hòa ngược IS: Dòng này được tạo ra do nhiệt, biến đổi theo nhiệt độ của chuyển tiếp PN và độc lập với điện áp phân cực ngược. Nếu T=const thì IS=const. + Dòng rò bề mặt ISL: Đây chính là dòng trôi hạt dẫn thiểu số qua chuyển tiếp do điện áp phân cực ngược, dòng này được tạo ra theo bề mặt của chuyển tiếp PN. ISL phụ thuộc và điện áp phân cực ngược, nhưng độc lập với nhiệt độ, và nhanh chóng đạt giá trị bão hòa. ISL<<IS do đó thành phần dòng này ảnh hưởng không lớn đến dòng ngược. Từ đó xây dựng được đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN như Hình 2.17. qV I I (exp 1) S kT IS : Dòng bão hòa ngược Hình 2.17. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN Hiệu chỉnh phương trình đặc tuyến khi tính đến sự tái hợp của điện tử và lỗ trống tại chuyển tiếp PN, phương trình đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN trong chế độ tích cực như sau: V Vth I I S e 1 Trong đó: IS- dòng bãoPTIT hòa ngược; Vth – điện áp nhiệt;  - hệ số phát xạ: =12 + Trong mạch tích hợp =1. + Chuyển tiếp PN dùng Si làm việc như một cấu kiện Điốt rời rạc =2. + Chuyển tiếp PN dùng dùng Ge, và GaAs làm việc như một cấu kiện Điốt rời rạc =1 71
93. +  cũng phụ thuộc vào độ rộng của chuyển tiếp PN và như vậy cũng phụ thuộc vào điện áp làm việc của chuyển tiếp PN + Thông thường không có ghi chú thì thường chọn =1 2.3.5. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN Dòng phân cực ngược rất nhỏ, nhưng khi điện áp ngược đặt trên chuyển tiếp PN tăng vượt qua một giá trị nhất định dòng ngược sẽ tăng đột ngột – đó là hiện tượng đánh thủng, hiện tương này có thể làm hỏng linh kiện nhưng có một số loại linh kiện hoạt động tích cực dựa trên cơ chế này. a. Cơ chế đánh thủng xuyên hầm b. Cơ chế đánh thủng thác lũ Hình 2.18. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN Hai cơ chế đánh thủng chuyển tiếp PN là: - Cơ chế thác lũ: Khi điện áp ngược tăng, điện trường trong miền điện tích không gian tăng, hạt dẫn thiểu số bị cuốn qua điện trường có động năng ngày càng lớn, khi chuyển động chúng va đập với các nguyên tử làm bắn ra điện tử lớp ngoài của chúng, số điện tử tự do mới phát sinh do va chạm này cũng được điện trường mạnh gia tốc, chúng tiếp tục đập vào các nguyên tử mới làm bắn ra điện tử tự do. Hiện tượng này xảy ra liên tục và nhanh, khiến số hạt dẫn trong bán dẫn tăng đột ngột,PTIT điện trở suất chuyển tiếp giảm đi, dòng qua chuyển tiếp PN tăng đột ngột. - Cơ chế xuyên hầm: Khi điện trường ngược tăng lên, còn cung cấp năng lượng cho các điện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử bán dẫn, nếu các điện tử này có năng lượng đủ lớn chúng tách ra khỏi nguyên tử tạo thành điện tử tự do, nguyên tử bị ion hóa. Nếu điện trường ngược đủ lớn hiện tượng ion hóa xảy ra nhiều dẫn đến số lượng hạt dẫn trong bán dẫn tăng đột ngột, làm cho dòng ngược tăng nhanh. Trong thực tế 2 cơ chế đánh thủng xảy ra rất phức tạp, khó phân biệt, 72