Chương 2: Kỹ thuật tương tự

1Chương 2: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ 2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬMỘT MẶT GHÉP P-N 2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất Phân biệt độ dẫn điện của các chất bằng phương pháp cổ điển Vùng dẫn Vùng hoá trị c) Vùng dẫn Vùng hoá trị a) Vùng cấm Eg R()Dẫn điện Bán dẫn điện Cách điện a. Cấu trúc vùng năng lượng trong chất rắn tinh thể Vùng dẫn Vùng hoá trị b) 0Eg  2eV 2b. Chất bán dẫn thuần Muốn có hạt dẫn tự do phải có năng lượng kích thích Ekt > Eg làm phát sinh một cặp hạt dẫn nên ni = pi. Vùng dẫn ni pi Vùng hoá trị 1,12eV Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) đều thuộc nhóm 4 của Bảng tuần hoàn. Si có Eg=1,12eV và Ge có Eg=0,72eV Si Si Si Si Si Si Si Si Si + .Lỗtrống Điện tử 3c. Chất bán dẫn tạp chất loại n Các điện tử dễ dàng nhận năng lượng kích thích bên ngoài để nhảy lên vùng dẫn và tham gia vào quá trình dẫn điện. Vùng dẫn Vùng hoá trị   Mức tạp chất loại n Pha tạp chất thuộc nhóm 5 của BTH (Như P, As…) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại n. Mức năng lượng tạp chất loại n nằm ở phía trên vùng cấm gần đáy vùng dẫn Hạt dẫn đa số là điện tử. Hạt dẫn thiểu số là lỗ trống: nn >> pn 4d. Chất bán dẫn tạp chất loại p Các điện tử dễ dàng nhận năng lượng kích thích bên ngoài để nhảy từ vùng hoá trị lên mức tạp chất loại p tạo nên điện tích tham gia vào quá trình dẫn điện. Vùng dẫn Vùng hoá trị Mức tạp chất loại p  Pha tạp chất thuộc nhóm 3 của BTH (Al, B…) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại p. Mức năng lượng tạp chất loại p nằm ở phía dưới vùng cấm gần đỉnh vùng hoá trị Hạt dẫn đa số là lỗ trống mang đt + Hạt dẫn thiểu số là điện tử mang đt - pp >> np 5e. Vài hiện tượng vật lý thường gặp • Hiện tượng ion hoá nguyên tử Ở nhiệt độ thường, bán dẫn nguyên chất hay tạp chất đều bị ion hoá và có số hạt dẫn n hay p xác định được dựa vào hàm Fermi -Dirac. ở trạng thái cân bằng thì tích số nồng độ hai loại hạt dẫn luôn là một hằng số:              KT EENp KT EENn VFVFCC exp exp        KT E NNpnppnn gVCiinppn exp Bán dẫn n có nn >> ni >> pn. Và: nn=N+D. Bán dẫn p có pp >> pi >> np. Và: np=N-A nn, pp: Là các hạt dẫn đa số (điện tử ở bd loại n, lỗ trống ở bd loại p) np, pn: Là các hạt dẫn thiểu số (điện tử ở bd loại p, lỗ trống ở bd loại n) N+D, N-A: Là các ion dương, âm tạp chất. Ec, Ev: Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị 6• Chuyển động có gia tốc trôi của các hạt dẫn trong điện trường Khi có điện trường thì các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng để tạo nên dòng điện. Dòng trôi toàn phần là tổng của 2 dòng trôi:  pntroi pnqEI   pn  ; Độ linh động của các hạt dẫn tương ứng. E: Cường độ điện trường q: Điện tích các hạt • Hiện tượng tái hợp các hạt dẫn Tái hợp là quá trình chuyển dời các điện tử từ mức cao xuống thấp làm mất đi một cặp hạt dẫn. Sự tái hợp có liên quan đến thời gian sống của điện tích đã được sinh ra và nó có quan hệ với tần số tác động nhanh của linh kiện điện tử 7• Chuyển động khuếch tán Nếu trong khối bán dẫn có chênh lệch nồng độ điện tích không gian thì sẽ có hiện tượng khuếch tán làm cân bằng nồng độ. dx dpqD dx dpqDI dx dnqD dx dnqDI ppktp nnktn             Với: Dn và Dp là hệ số khuếch tán của các hạt tương ứng pnTpnpn Uq KTD ,,,   2 p 2 D ; ppnnn LLD   Ln, Lp: Là quãng đường khuếch tán pn  ; Là thời gian sống của các hạt 82.1.2. Mặt ghép p-n và tính chất chỉnh lưu của Điốt bán dẫn a. Mặt ghép p-n khi chưa có Engoài p n p n Ikt Itr Etx utx • Khi hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc nhau sẽ xẩy ra hiện tượng khuếch tán vì có chênh lệch nồng độ hạt dẫn.(PP 1017 ,nP 1010; nn 1015, pn 1011) • Hiện tượng khuếch tán sinh ra dòng điện khuếch tán Ikt có chiều từ bd p sang bd n • Các ion tạp chất tạo ra điện trường tiếp xúc sinh ra dòng trôi Itr ngược chiều Ikt. Khi cân bằng động Itr=-Ikt. • Mặt ghép p-n được ứng dụng làm đi ốt bán dẫn. Anốt Katốt                p n n p tx n n q KT p p q KTU lnln UtxGe=0,3V UtxSi=0,6V 9b. Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài • Khi điện trường ngoài và điện trường tiếp xúc ngược nhau chúng có xu hướng triệt tiêu nhau làm vùng chuyển tiếp (vùng nghèo điện tích) hẹp lại, hàng rào thế giảm nên sự khuếch tán xẩy ra mạnh hơn --> có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp -> ta nói đi ốt phân cực thuận. p n p n Ikt Etx Eng p n Ikt Etx Eng • Khi điện trường ngoài và điện trường tiếp xúc cùng chiều nhau chúng có xu hướng cộng lại với nhau làm vùng chuyển tiếp (vùng nghèo điện tích) rộng ra, hàng rào thế tăng nên sự khuếch tán xẩy rất yếu -> không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp -> ta nói đi ốt phân cực ngược. 10 c. Đặc tuyến Von-Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán dẫn • Đặc tuyến của điốt là một đường cong phức tạp. • Mỗi đường chia làm 3 vùng. • Vùng và điốt phân cực ngược. Dòng điện ngược của điốt Ge lớn hơn. • Vùng điốt bị đánh thủng. Ge bị đánh thủng sớm hơn. • Nguyên nhân đánh thủng: vì nhịêt, vì điện ImA UAK (V) A  Ge Si  • Vùng điốt phân cực thuận Đặc tuyến của Ge gần trục I hơn. Cùng một giá trị I ? Cùng giá trị U ? • Đường Ge cắt trục hoành 0,2V • Đường Si cắt trục hoành 0,4 V 11 • Dòng điện trong vùng phân cực thuận:                1exp T AK SA mU UtII          p np n pn S L pD L nD sqI .. Dòng điện ngược bão hòa, không phụ thuộc vào UAK mà phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, và nhiệt độ Với: • Sự phụ thuộc vào nhiệt độ - Vùng phân cực thuận: K mV T U constI AK A 2    Nhận xét? -Vùng phân cực ngược: Dòng bão hòa ngược Is phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức 10%/K Điốt là linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ Phải có biện pháp ổn định nhiệt. Hiện tượng đánh thủng? 12 Các tham số của điốt • Tham số giới hạn chủ yếu (quá giới hạn này điốt sẽ bị hỏng) - Điện áp ngược cực đại Ungcmax (thường chọn 80% của Uđt) - Dòng thuận cực đại IAcf. - Công suất tiêu hao cực đại cho phép để điốt chưa bị đánh thủng vì nhiệt. PAcf. - Tần số giới hạn của điện áp hay dòng điện trong mạch fmax. • Tham số định mức chủ yếu (để đánh giá chất lượng và phạm vi ứng dụng của điốt) - Điện trở một chiều Rđ=UAK/IA - Điện trở vi phân (xoay chiều) rđ = UAK / IA = UT / (IA+ Is ) Trên nhánh thuận rđth nhỏ. Trên nhánh ngược rđngc lớn. Sự chênh lệch càng lớn tính chất chỉnh lưu càng tốt. - Điện dung tiếp giáp p-n. ở tần số cao dung kháng càng giảm và tín hiệu sẽ truyền qua điốt làm mất t/c chỉnh lưu. 13 Phân loại đi ốt bán dẫn • Dựa vào đặc điểm cấu tạo: Điốt tiếp điểm, tiếp mặt • Dựa vào chất bán dẫn: Ge hay Si • Dựa vào tần số giới hạn fmax: Điốt cao tần, điốt âm tần • Dựa vào công suất cực đại cho phép: Điốt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. • Dựa vào nguyên lý làm việc hay phạm vi ứng dụng: Điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (điốt zener), điốt biến dung (Varicap), điốt Gunn. • ... 14 MỘT SỐ DẠNG ĐI ỐT CỤ THỂ • Đi ốt có vỏ bọc bằng thuỷ tinh hay nhựa tổng hợp chịu nhiệt. • Loại đơn có hai cực, vạch màu ở phía cực Ka tốt. • Loại đi ốt kép có ba cực, linh kiện đóng vỏ như tranzito.• Loại đi ốt cầu có bốn cực điện được đánh dấu +, - và ghi chữ AC hay ~ 15 NHỮNG DẠNG ĐI ỐT ĐẶC BIỆT • Để chỉnh lưu dòng điện lớn hàng trăm A, đi ốt được chế tạo có vỏ bọc ngoài bằng kim loại và tạo dáng phù hợp nhằm giải nhiệt tốt, dây dẫn điện vít bằng đinh ốc chứ không hàn. 16 NHỮNG DẠNG ĐI ỐT KHÁC • Đi ốt phát quang (LED) với nhiều hình dạng và màu sắc khác nhau. 17 2.1.3. Vài ứng dụng điển hình của đi ốt bán dẫn • Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng hai đi ốt. Biến áp có thứ cấp ba đầu ra tạo nên U2.1 = U2.2 nhưng ngược pha nhau (điểm giữa nối chung).Hoạt động... • Giá trị trung bình điện áp trên tải: U 0 =0,9U 2 • Giá trị trung bình của dòng điện trên tải: It=U 0/Rt . Dòng qua mỗi đi ốt Ia1=Ia2=It/2. • Đánh giá độ bằng phẳng bằng hệ số đập mạch: qn=Unm / Uo 18 • Unm là biên độ sóng có tần số n. m là số pha chỉnh lưu. Lấy n=1 và m=2 ta có: 67,0 1m 2 U U q 2 0 m1 1   02 U14,3U22maxUngc  • ­u điểm: Sơ đồ đơn giản • Khuyết điểm: Chất lượng điện áp một chiều thấp, hiệu suất năng lượng thấp, biến áp có hai phần thứ cấp đối xứng, điện áp ngược trên mỗi đi ốt cao. • Khắc phục: Chỉnh lưu cầu. Điện áp ngược cực đại trên mỗi đi ốt bằng tổng điện áp cực đại trên hai cuộn thứ cấp biến áp. 19 SO SÁNH KẾT QUẢMÔ PHỎNG VỚI LÝ THUYẾT 20 KẾT QUẢMÔ PHỎNG TRÊN DAO ĐỘNG KÝ 21 MẠCH CHỈNH LƯU CẦU • Sơ đồmạch điện. Nguyên tắc hoạt động. • Khảo sát mạch qua Work Bench và rút ra nhận xét: - Hệ số đập mạch... - Giá trị điện áp sau chỉnh lưu đo bằng đồng hồ khi hở mạch Dra UUU 22 20  - Điện áp ngược trên mỗi đi ốt?... 22 MẠCH CHỈNH LƯU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ • Cực K và A của các đi ốt? • Lối vào xoay chiều? • Nếu sai điểm đấu lối vào? • Nếu sai giá trị điện áp lối vào? • Lối ra một chiều? • Có gì chú ý đối với tụ điện? • Nếu mắc sai tụ điện? Đi ốt Đi ốt Tụ điện +/- 23 MẶT SAU BẢNG MẠCH THÍ NGHIỆM • Biến áp nguồn có sơ cấp nối vào điện lưới 220VAC. • Thứ cấp nối qua ckuyển mạch K1 dẫn vào hai phần thí nghiệm khác nhau. 24 MẠCH CHỈNH LƯU VÀ ỔN ÁP (THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ) • Những linh kiện nào làm nhiện vụ chỉnh lưu? • Số đi ốt trong mỗi mạch chỉnh lưu? • Tụ lọc sau đi ốt chỉnh lưu? Số tụ lọc và cách mắc? • Mạch điện tiếp theo? 25 æn áp dùng điốt zener I IDz IRt 26 KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH 27 SO SÁNH SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA U vào và U Dz Uvào=15V UDz=12,24V I=? Uvào=17V UDz=12,35V I=? 28 2.2. PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N 2.2.1a. Cấu tạo tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) p p n p nn JEJE JC JC C CEE B B Ba lớp bán dẫn xếp xen kẽ nhau pnp hay npn. Diện tích tiếp xúc BC (tiếp giáp JC ) lớn hơn EB (tiếp giáp JE ) . Miền emitơ (E) có nồng độ tạp chất cao hơn. Miền bazơ (B) xen giữa mỏng vài m, nồng độ tạp chất nhỏ. Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất thấp trung bình. 29 MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ • Ký hiệu trên linh kiện theo quy định của nước sản xuất. • Nhật: A...; B... ; C...; D... • Mỹ: 2N... • Châu Âu 2SA..., 2SB…, 2SC…, 2SD… Đóng vỏ bằng kim loại để tăng khả năng tản nhiệt. Cực C nối trưc tiếp ra vỏ. Đóng vỏ nhựa chịu nhiệt. Phần kim loại nối với cực C 30 Cách xác định các cực của Transistor Transistor công suất lớn Transistor công suất nhỏ Sử dụng đồng hồ vạn năng??? 31 MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ Tran zito siêu cao tần 32 2.2.1b. Nguyên lý làm việc của tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) • Để tranzito làm việc được ở chế độ khuếch đại cần đưa điện áp một chiều vào các cực (gọi là phân cực) theo nguyên tắc: JE phân cực thuận, JC phân cực ngược. • Các hệ thức cơ bản: IE = IB + IC .  = IC / IE đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ  = IC / IB đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC. Từ đó ta có: IE = IB (1 + ). và  =  / (1+ ). 33 2.2.1c. Cách mắc tranzito và các tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ • Mỗi tranzito có 3 điện cực mà một mạch điện xử lý tín hiệu có 4 điện cực nên phải có một cực được nối chung. Mạch EC Mạch BC Mạch CC • Từ ba cách mắc và coi mỗi cách mắc như một tứ cực ta có thể viết được 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra để xác định tham số của tranzito. (Tham khảo SGK) T U2 (ra)U1 (vao) E U1 (vao) U2 (ra) B U1 (vao) U2 (ra) C U1 (vao) U2 (ra) 34 2.2.1d. Phương trình các họ đường đặc tuyến của tranzito Tæng qu¸t EC BC CC §Æc tuyÕn vµo U1=f(I1)| U2 =const UBE=f(IB)| UCE UEB=f(IE)|UCE UBC=f(IB)|UEC §Æc tuyÕn ph¶n håi U1=f(U2)| I1 =const UBE=f(UCE)|IB UEB=f(UCB)| IE UBC=f(UEC)|IB §Æc tuyÕn truyÒn ®¹t I2=f(I1)| U2 =const IC=f(IB)| UCE IC=f(IE)| UCB IE=f(IB)| UEC §Æc tuyÕn ra I2=f(U2)| I1 =const IC=f(UCE)| IB IC=f(UCB)| IE IE=f(UEC)| IB 35 2.2.2a. Họ đặc tuyến của dạng mắc mạch EC dùng tranzito • Ivào = IB ; I ra = Ic . • Đặc tuyến truyền đạt: ứng với một giá trị UCE cố định thì quan hệ IB với IC là một đường thẳng. Khi tăng UCE lên một giá trị khác thì đường đặc tuyến càng dốc hơn. E UBE (vao) UCE (ra)UCE = 2V UCE = 6V IB A UBE V 1 100 IB =20A IB =40A IB =60A UCE = 6V UCE = 2V IC mA UCE V 4 -5 IB A 100 • Đặc tuyến ra: Miền có độ dốc lớn -> thay đổi nhỏ UCE -> thay đổi lớn IC. Miền có độ dốc nhỏ -> thay đổi nhỏ IB -> thay đổi lớn IC. • Đặc tuyến vào giống miền thuận của điốt 36 2.2.2b. Họ đặc tuyến của cách mắc mạch BC dùng tranzito • Ivào = IE ; I ra = Ic . Đặc tuyến vào giống miền thuận của điốt • Khi IE cố định thì IC  IE. Tăng UCB thì IC tăng không đáng kể. IC luôn luôn nhỏ hơn IE. Khi UCB = 0 thì IC  0 vì điệp áp tiếp xúc trong JC đã cuốn điện tích vượt qua miền bazơ rất mỏng. • Đặc tuyến truyền đạt có thể suy từ đặc tuyến ra. Vì dòng IB rất nhỏ nên đồ thị gần như đường thẳng. B UEB (vao) UCB(ra)IE mA UEB V UCB = 1V UCB = 6V 1 3 IC mA UCB V IE =1mA IE =2mA IE =3mA 3 -5 IE mA 3 UCB = 6V UCB = 2V 37 2.2.2c. Họ đặc tuyến của cách mắc mạch CC dùng tranzito • Ivào = IB ; I ra = IE . Đặc tuyến vào có dạng khác hẳn vì UCB phụ thuộc nhiều vào UCE. Nếu UCB tăng thì UBE giảm nên IB giảm. • Trong thực tế IC  IE nên đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của mạch EC và mạch CC là gần tương tự như nhau. IB A UCB V UCE =41V UCE = 21V -4 100 UCB(vao) UCE(ra) C IE mA UCE V IB =20A IB =40A IB =60A 4 -5 IB A 100 UCE = 6V UCE = 2V