Bài giảng Cấu kiện điện tử (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) - THS. Trần Thị Cầm

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) - THS. Trần Thị Cầm

1. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ (Dùng cho sinh viên hệ đào tạo đại học từ xa) Lưu hành nội bộ HÀ NỘI - 2007
2. HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Biên soạn : THS. TRẦN THỊ CẦM
3. CÊu kiÖn ®iÖn tö LỜI NÓI ĐẦU Tập giáo trình "Cấu kiện điện tử " được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, đồng thời giáo trình cũng có thể được sử dụng cho các sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, và làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sư chuyên ngành Điện tử - Viễn thông. Giáo trình được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử và quang điện tử" của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Nội dung của giáo trình 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 - quang điện tử đang sử dụng trong ngành kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viễn thông. Giáo trình "Cấu kiện điện tử" gồm 8 chương. + Chương 1 Giới thiệu chung về cấu kiện điện tử và vật liệu điện tử. Trong chương này đã đưa rađịnh nghĩa và các cách phân loại của cấu kiện điện tử, các đặc tính và các tham số kỹ thuật của các loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện tử - viễn thông như chất cách điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn và vật liệu từ. + Chương 2 trình bày về các cấu kiện điện tử thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn dây và biến áp, cùng các đặc tính và tham số cơ bản của các cấu kiện này, cách nhận biết và cách đọc các tham số của các linh kiện thực tế. + Chương 3 trình bày về điốt bán dẫn. Trong chương này, giáo trình đã nêu lên tính chất vật lý đặc biệt của lớp tiếp xúc P - N, đồng thời trình bày chi tiết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động cũng như các đặc tuyến, tham số kỹ thuật của điốt bán dẫn. Ngoài ra, trong chương 3 còn trình bày về các chế độ làm việc của đi ốt bán dẫn và giới thiệu một số loại đi ốt thông dụng và đặc biệt. + Chương 4 trình bày về cấu tạo và nguyờn lý hoạt động của tranzito lưỡng cực (BJT). Đồng thời, trong chương này cũng trình bày cụ thể về ba cách mắc cơ bản của tranzito trong các sơ đồ mạch khuếch đại, các đặc tính và đặc điểm của từng cách mắc. Đồng thời ở chương 4 cũng trình bày về các cách phân cực và các mạch tương đương của tranzito. + Chương 5 giới thiệu chung về tranzito hiệu ứng trường (FET) và phân loại tranzito trường. Trong chương trình bày cụ thể về cấu tạo và nguyện lý hoạt động cũng như các cách phân cực cho tranzito trường loại JFET và MOSFET. + Chương 6 giới thiệu về cấu kiện thuộc họ thyristo như chỉnh lưu silic có điều khiển, triac, diac; nờu cấu tạo và nguyờn lý hoạt động cũng như ứng dụng của chúng. Đồng thời, chương 6 cũng trình bày về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tranzito đơn nối (UJT). + Chương 7 đề cập đến sự phát triển tiếp theo của kỹ thuật điện tử là vi mạch tích hợp. Trong chương này trình bày về khái niệm, phân loại cũng như sơ lược về công nghệ chế tạo vi mạch bán dẫn, là loại vi mạch được sản xuất và sử dụng rộng rãi hiện nay. Ngoài ra, trong chương 4 còn trình bày đặc tính và tham số của trình bày về đặc điểm cũng như tham số của hai loại vi mạch: vi mạch tuyến tính và vi mạch số. Trong đó giới thiệu chi tiết về vi mạch khuếch đại thuật toán (OA), đây là loại vi mạch vạn năng được sử dụng rộng rãi ở nhiều chức năng khác nhau. + Chương 8 trình bày về các cấu kiện quang điện tử. Chương này trình bày khá tỉ mỉ và hệ thống về các loại cấu kiện quang điện tử bán dẫn và không bán dẫn đang được sử dụng trong kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viễn thông. Ở đây trình bày về các cấu kiện quang điện tử sử dụng trong kỹ thuật điện tử và thông tin quang: - Các linh kiện phát quang: LED chỉ thị, LED hồng ngoại, LASER, và mặt chỉ thị tinh thể lỏng LCD. 1
4. CÊu kiÖn ®iÖn tö - Các linh kiện thu quang: điện trở quang, điôt quang, tranzito quang, thyristo quang, tế bào quang điện và pin mặt trời. Trong tập giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, tập giáo trình không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp và những ai quan tâm đến chuyên ngành này để bổ sung và hoàn chỉnh tập giáo trình "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 I, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi Hà Nội - Hà Đông. Xin chân thành cảm ơn! 2
5. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương 1 giới thiệu khái niệm chung về cấu kiện điện tử, giúp cho sinh viên chuyên ngành Điện tử Viễn thông có khái niệm ban đầu bao quát về những linh kiện điện tử được sử dụng trong các mạch điện tử. Đồng thời trong chương 1 cũng giới thiệu về các đặc tính vật lý điện của các vật liệu cơ bản dùng trong kỹ thuật điện tử. Học xong chương 1, sinh viên phải nắm được khái niệm chung về cấu kiện điện tử, khái niệm sơ bộ về mạch điện điện tử. Sinh viên cũng phải hiểu được các đặc tính kỹ thuật của các loại vật liệu dùng trong lĩnh vực kỹ thuật điện tử, một số loại vật liệu thông dụng thường dùng và ứng dụng chúng. NỘI DUNG 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG Cấu kiện điện tử là môn học về cấu tạo, nguyên lý hoạt động 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, tranzito 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 radiocassettes, 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. 1.2. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ. Có nhiều cách phân loại cấu kiện điện tử dựa theo những tiêu chí khác nhau. Ở đây chúng ta kể đến một số cách phân loại thông thường: 1.2.1. Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: Dựa vào các đặc tính vật lý cấu kiện điện tử có thể chia làm 2 loại: - Các cấu kiện điện tử thông thường: Đây là các linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện - điện tử thông thường. Chúng hoạt động dưới tác dụng của các sóng điện từ có tần số từ cực thấp (f = 1Khz÷10Khz) đến tần số siêu cao tần(f = 10Ghz ÷ 100Ghz) hoặc sóng milimet. - Cấu kiện quang điện tử: Đây là các linh kiện điện tử có đặc tính vật lý điện – quang Chúng hoạt động dưới tác dụng của các sóng điện từ có tần số rất cao (f = 108 đến 109 Ghz) thường được gọi là ánh sáng. 1.2.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: Người ta chia cấu kiện điện tử ra làm 5 loại: - Cấu kiện điện tử chân không: là các cấu kiện điện tử mà sự dẫn điện xảy ra trong môi trường chân không. 3
6. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử - 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 nanô: 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 μm trở lên). 1.2.3. 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 (điện tử analoge) và cấu kiện điện tử số (điện tử digital). - Cấu kiện điện tử tương tự là các linh kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra liên tục theo thời gian. - Cấu kiện điện tử số là các linh kiện có chức năng xử lý các tín hiệu điện xảy ra rời rạc, không liên tục theo thời gian. 1.2.4. Phân loại dựa vào ứng dụng của cấu kiện điện tử: 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 điện tử thụ động là các linh kiện điện tử chỉ có khả năng xử lý và tiêu thụ tín hiệu điện - Cấu kiện điện tử tích cực là các linh kiện điện tử có khả năng biến đổi tín hiệu điện, tạo ra và khuếch đại tín hiệu điện. 1.3. KHÁI NIỆM VỀ MẠCH ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN TỬ 1.3.1. Mạch điện: Mạch điện là một tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng) 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, 1.3.2. Hệ thống điện tử Hệ thống điện tử là một tập hợp các mạch điện tử đơn giản có các chức năng kỹ thuật riêng 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 Mạch điện tử hay một hệ thống điện tử bao giờ cũng có nguồn điện cung cấp một chiều (DC) để phân cực cho các cấu kiện điện tử hoạt động đúng chế độ và nguồn tín hiệu cần xử lý trong mạch. 1.4. VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ. Các vật liệu sử dụng trong kỹ thuật điện tử rất đa dạng và rất nhiều. Chúng được gọi chung là vật liệu điện tử để phân biệt với các loại vật liệu sử dụng trong các lĩnh vực khác. Tuỳ theo mục đích sử dụng và yêu cầu kỹ thuật mà lựa chọn vật liệu sao cho thích hợp đảm bảo về các chỉ tiêu kỹ thuật, dễ gia công và giá thành rẻ - Dựa vào lý thuyết vùng năng lượng người ta chia vật chất ra làm ba loại là chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện. Theo lý thuyết này thì các trạng thái năng lượng của 4
7. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử nguyên tử vật chất được phân chia thành ba vùng năng lượng khác nhau là: vùng hóa trị, vùng dẫn và vùng cấm. Mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị ký hiệu là EV; mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn ký hiệu là EC và độ rộng vùng cấm ký hiệu là EG. + Chất cách điện: Cấu trúc vùng năng lượng của chất cách điện được mô tả trong hình 1-1a. Độ rộng vùng cấm EG có giá trị đến vài eV (EG ≥ 2eV). + Chất bán dẫn: Chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm rất nhỏ (EG 2 eV EV EG < 2 eV dẫn EV EG = 0 EV Lỗ trống EC Dải hoá trị Dải hoá trị a/ b/ c/ Hình 1- 1: Cấu trúc dải năng lượng của vật chất a- Chất cách điện; b- Chất bán dẫn; c- Kim loại + Kim loại: Cấu trúc vùng năng lượng của tinh thể không có vùng cấm, do đó vùng hóa trị hòa vào vùng dẫn (hình 1-1c) nên điện tử hóa trị chính là các điện tử tự do. - Dựa vào ứng dụng, các vật liệu điện tử thường được phân chia thành 4 loại là chất cách điện (hay chất điện môi), chất dẫn điện, chất bán dẫn và vật liệu từ. 1.4.1. Chất cách điện (hay chất điện môi). a. Định nghĩa. Chất cách điện, hay còn gọi là chất điện môi. Chất cách điện có điện trở suất cao vào khoảng 107 ÷ 1017Ωm ở nhiệt độ phòng. Chất cách điện gồm phần lớn các vật liệu vô cơ cũng như hữu cơ. Chúng có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn. b. Các tính chất của chất điện môi. - Độ thẩm thấu điện tương đối (hay còn gọi là hằng số điện môi): Hằng số điện môi ký hiệu là ε, nó biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi và được xác định bằng biểu thức: C ε = d (1. 1) C0 Trong đó: Cd là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi; C0 là điện dung của tụ điện sử dụng chất điện môi là chân không hoặc không khí. 5
8. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử - Độ tổn hao điện môi (Pa): Độ tổn hao điện môi là công suất điện chi phí để làm nóng chất điện môi khi đặt nó trong điện trường và được tính theo công thức tổng quát sau: 2 PUCtga =ωδ (1. 2) Trong đó: Pa là độ tổn hao điện môi đo bằng oát (w) U là điện áp đặt lên tụ điện đo bằng vôn (V) C là điện dung của tụ điện dùng chất điện môi đo bằng Farad (F) ω là tần số góc đo bằng rad/s tgδ là góc tổn hao điện môi - Độ bền về điện của chất điện môi (Eđ.t.): Nếu ta đặt một chất điện môi vào trong một điện trường mà nó bị mất khả năng cách điện - ta gọi đó là hiện tượng đánh thủng chất điện môi. Trị số điện áp khi xẩy ra hiện tượng đánh thủng chất điện môi gọi là điện áp đánh thủng Uđ.t. thường đo bằng KV, và cường độ điện trường tương ứng với điểm đánh thủng gọi là độ bền về điện. Độ bền về điện ký hiệu là Eđ.t. và được tính theo công thức: U E= ®.t [KV / mm;KV / cm] (1. 3) ®.t d Trong đó: Uđ.t. - là điện áp đánh thủng chất điện môi d - là bề dày của chất điện môi bị đánh thủng - Nhiệt độ chịu đựng: Là nhiệt độ cao nhất mà ở đó chất điện môi giữ được các tính chất lý hóa của nó. - Dòng điện trong chất điện môi (I): Dòng điện trong chất điện môi gồm có 2 thành phần là dòng điện chuyển dịch và dòng điện rò. • Dòng điện chuyển dịch IC.M (hay gọi là dòng điện phân cực): Quá trình chuyển dịch phân cực của các điện tích liên kết trong chất điện môi sẽ tạo nên dòng điện phân cực IC.M. Khi ở điện áp xoay chiều dòng điện chuyển dịch tồn tại trong suốt thời gian chất điện môi nằm trong điện trường. Khi ở điện áp một chiều dòng điện chuyển dịch chỉ tồn tại ở các thời điểm đóng hoặc ngắt điện áp. • Dòng điện rò Irò: Dòng điện rò là dòng điện được tạo ra do các điện tích tự do và điện tử phát xạ ra chuyển động dưới tác động của điện trường. Dòng điện tổng qua chất điện môi sẽ là: I = IC.M. + Irò - Điện trở cách điện của chất điện môi: Điện trở cách điện được xác định theo trị số của dòng điện rò: U Rc.® = (1. 4) II− ∑ CM Trong đó: I - Dòng điện nghiên cứu 6
9. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử ΣIC.M. - Tổng các thành phần dòng điện phân cực c.Phân loại và ứng dụng của chất điện môi. Chất điện môi được chia làm 2 loại là chất điện môi thụ động và chất điện môi tích cực. - Chất điện môi thụ động còn gọi là vật liệu cách điện và vật liệu tụ điện. Bảng 1.1 giới thiệu một số chất điện môi thông dụng và đặc tính của chúng. - Chất điện môi tích cực là các vật liệu có thể điều khiển được như: + Về điện trường có gốm, thuỷ tinh, + Về cơ học có chất áp điện như thạch anh áp điện + Về ánh sáng có chất huỳnh quang + Electric hay cái châm điện là vật chất có khả năng giữ được sự phân cực lớn và lâu dài. Bảng 1.1. Giới thiệu đặc tính của một số chất điện môi thụ động thông dụng Vật liệu Eđ.t. ε tgδ ρ Tỷ Ứng dụng KV/mm (Ω.m) trọng KG/m3 Mi ca 50 ÷ 200 6 ÷ 8 0,0004 1015 2,8.103 Tụ điện, cách điện Sứ 15 ÷ 30 6,3÷7,5 3.1014 Giá đỡ, tụ điện Gốm làm tụ 12÷900 0,002÷0,025 4.103 Tụ cao tần, 1700÷4500 0,0006 tụ tần thấp Nhựa tổng 10 ÷ 40 4 ÷ 4,6 0,05 ÷ 0,12 1,2.103 Cách điện hợp Bìa cáchđiện 9 ÷ 12 3 ÷ 4 0,15 1,6.103 Cách điện Giấy 30 3 ÷ 4 Tụ điện, cách điện Lụa 8 ÷ 60 3,8 ÷ 4,5 0,04 ÷ 0,08 1,5.103 Cách điện Sáp 20 ÷ 35 2,8 ÷ 2,9 Tẩm chống ẩm Paraphin 20 ÷ 30 2,2 ÷ 2,3 0,0003÷ 1016 Tẩm chống 0,0007. ẩm Nhựa thông 10 ÷15 3,5 0,01 Làm sạch mối hàn -4 -4 15 3 Polime 15 ÷20 2,3 ÷ 2,4 1.10 ÷5. 10 10 0,9.10 Cách điện ở 17 ÷10 cao tần Cao su 20÷30 3÷7 0,02÷0.1 1015 1,6.103 Vỏ dây dẫn Dầu tụ điện 20 2,2 0,002÷0.005 Tụ điện, cáp điện 1.4.2. Chất dẫn điện a.Định nghĩa. Chất dẫn điện là vật liệu có độ dẫn điện cao. Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng 10-8 ÷ 10-5 Ωm. Trong tự nhiên chất dẫn điện có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí. 7
10. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử b. Các tính chất của chất dẫn điện. - Điện trở suất: S ρ=R [ Ω .m],[ Ω .mm],[ μΩ .m] (1. 5) l trong đó: S - tiết diện ngang của dây dẫn [mm2; m2] l - chiều dài dây dẫn [mm; m] R - trị số điện trở của dây dẫn [Ω] Điện trở suất của chất dẫn điện nằm trong khoảng từ: ρ = 0,016 μΩ.m (của bạc Ag) đến ρ= 10 μΩ.m (của hợp kim sắt - crôm - nhôm) - Hệ số nhiệt của điện trở suất (α): Hệ số nhiệt của điện trở suất biểu thị sự thay đổi của điện trở suất khi nhiệt độ thay đổi 10C. Khi nhiệt độ tăng thì điện trở suất cũng tăng lên theo quy luật: ρ=ρt0(1 +α t ) (1. 6) 0 trong đó: ρt - điện trở suất ở nhiệt độ t ( C) 0 ρ0 - điện trở suất ở nhiệt độ 0 C α - hệ số nhiệt của điện trở suất [K-1] Để cho kim loại nguyên chất thì hệ số nhiệt của chúng hầu như đều bằng nhau và bằng: α= 1/ 273,15 K-1 = 0,004 K-1. - Hệ số dẫn nhiệt : λ Lượng nhiệt truyền qua diện tích bề mặt S trong thời gian t là: ΔT QSt=λ (1. 7) Δl Trong đó: λ - là hệ số dẫn nhiệt [w/ (m.K)]. ΔT/Δl - là gradien nhiệt độ (ΔT là lượng chênh lệch nhiệt độ ở hai điểm cách nhau một khoảng là Δl) S - là diện tích bề mặt t - là thời gian - Công thoát của điện tử trong kim loại: Năng lượng cần thiết cấp thêm cho điện tử để nó thoát ra khỏi bề mặt kim loại được gọi là công thoát của kim loại. EW - Điện thế tiếp xúc: Nghiên cứu hai chất kim loại tiếp xúc với nhau như tiếp xúc C trong hình 1- 2. A B 1 2 C Hình 1- 3 : Hai kim loại có tiếp xúc C. 8
11. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại này được xác định là sự chênh lệch thế năng EAB giữa điểm A và B và được tính theo công thức: EAB = EW2 - EW1 (1. 8) Tương ứng với thế năng EAB (đo bằng eV) ta có điện thế tiếp xúc (đo bằng Vôn), ký hiệu là VAB và có trị số bằng EAB. Nếu kim loại 1 và 2 giống nhau, điện thế tiếp xúc giữa chúng bằng 0. Nếu hai kim loại khác nhau thì kim loại nào có công thoát thấp hơn trở thành điện tích dương và kim loại có công thoát cao hơn sẽ trở thành điện tích âm. b. Một số loại vật liệu dẫn điện thường dùng. 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: Chất dẫn điện có điện trở suất thấp (hay độ dẫn điện cao) thường dùng làm vật liệu dẫn điện. Bảng 1.2 giới thiệu một số chất dẫn điện có điện trở suất thấp và tham số của chúng. Bảng 1.2. Chất dẫn điện có điện trở suất thấp và các tính chất điện. -1 0 Vật liệu ρ (μΩ.m) α (K ) tn.c. ( C) Tỷ trọng Ứng dụng (103Kg/ m3) Bạc (Ag) 0,0165 0,0038 960 10,8 Mạ công tắc, bản cực, ống dẫn sóng Đồng đỏ (Cu) 0,0175 0,0043 1080 8,96 Dây dẫn, chân cực linh kiện, ống dẫn sóng Hợp kim đồng 0,030÷0,06 0,002 900 lá tiếp xúc,dây điện thoại, dây điện trở Nhôm (Al) 0,0267 0,0045 660 2,7 Dây dẫn, điện cực, vỏ tụ Thiếc (Sn) 0,115 0,0042 230 7,3 hàn Chì (Pb) 0,21 0,004 330 11,4 Cầu chì, vỏ cáp, acqui axit. Vonfram (W) 0,055 2500 19,31 Sợi nung, công tắc, điện cực Moliden (Mo) 0,057 1500 10.2 Sợi nung, công tắc, điện cực Niken (Ni) 0,078 1450 8,9 Sợi nung, công tắc, điện cực Vàng (Au) 0,024 19,31 Dây dẫn cao tần, chân vi mạch, ống dẫn sóng chống ăn mòn Bạch kim (Pt) 0,105 Tiếp điểm, chất dẫn điện, đồng hồ đo điện 9
12. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử - Chất dẫn điện có điện trở suất cao: Các hợp kim có điện trở suất cao 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. Bảng 1.3. Một số hợp kim thông thường và tính chất điện của chúng. -1 0 Vật liệu ρ (μΩ.m) α (K ) tnc ( C) tỷ trọng Ứng dụng (103Kg/ m3) Manganhin 0,42 ÷ 0,48 0,00005 1200 8,4 Điện trở mẫu, dụng cụ đo điện Constantan 0,48 ÷ 0,52 0,00005 1270 8,9 Biến trở, sợi đốt Nicrôm 1 ÷ 1,2 0,00015 1400 8,2 Sợi nung, mỏ hàn, bếp điện, bàn là Cacbon (C) 0,28 ÷ 3,5 0,00004 1400 Điện trở, chất bôi trơn, micrôphôn 1.4.3. Chất bán dẫn a. Định nghĩa và đặc điểm của 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: ρ = 10-4 ÷ 107 Ω.m Trong kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng một số chất bán dẫn có cấu trúc đơn tinh thể, quan trọng nhất là hai nguyên tố Gecmani và Silic. Thông thường Gecmani và Silic được dùng làm chất chính, còn các chất như Bo, Indi (nhóm 3), phôtpho, Asen (nhóm 5) làm tạp chất cho các vật liệu bán dẫn chính. Đặc điểm của cấu trúc mạng tinh thể 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 tạp chất. b. Chất bán dẫn nguyên tính. Chất bán dẫn mà ở mỗi nút của mạng tinh thể của nó chỉ có nguyên tử của một loại nguyên tố thì chất đó gọi là chất bán dẫn nguyên tính (hay chất bán dẫn thuần) và được ký hiệu bằng chỉ số i (Intrinsic). - Hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần: Hạt tải điện trong chất bán dẫn là các điện tử tự do trong vùng dẫn và các lỗ trống trong vùng hóa trị Xét cấu trúc của tinh thể Gecmani hoặc Silic biểu diễn trong không gian hai chiều như trong hình (1- 3): Gecmani (Ge) và Silic (Si) đều có 4 điện tử hóa trị ở lớp ngoài cùng. Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử Ge (hoặc Si) sẽ góp 4 điện tử hóa trị của mình vào liên kết cộng hóa trị với 4 điện tử hóa trị của 4 nguyên tử kế cận để sao cho mỗi nguyên tử đều có hóa trị 4. Hạt nhân bên trong của nguyên tử Ge (hoặc Si) mang điện tích +4. Như vậy các điện tử hóa trị ở trong liên kết cộng hóa trị sẽ có liên kết rất chặt chẽ với hạt nhân. Do vậy, mặc dù có sẵn 4 điện tử hóa trị nhưng tinh thể bán dẫn có độ dẫn điện thấp. Ở nhiệt độ 00K, cấu trúc lý tưởng như ở hình (1- 3) là gần đúng và tinh thể bán dẫn như là một chất cách điện. 10
13. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Ge Ge Ge +4 +4 +4 Ge Ge Ge +4 +4 +4 Ge Ge Ge +4 +4 +4 Hình 1- 3 : Cấu trúc tinh thể Ge biểu diễn trong không gian hai chiều Ge Ge Ge +4 +4 +4 Lỗ trống Điện tử tự do Ge Ge Ge +4 +4 +4 Ge Ge Ge +4 +4 +4 Hình 1- 4 : Tinh thể Gecmani với liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Tuy nhiên, ở nhiệt độ trong phòng một số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ do nhiệt làm cho chất bán dẫn có thể dẫn điện. Hiện tượng này mô tả trong hình 1- 4. Ở đây, một số điện tử bứt ra khỏi liên kết cộng hóa trị của mình và trở thành điện tử tự do. Năng lượng EG cần thiết để phá vỡ liên kết cộng hóa trị khoảng 0,72eV cho Ge và 1,1eV cho Si ở nhiệt độ trong phòng. Chỗ thiếu 1 điện tử trong liên kết cộng hóa trị được gọi là lỗ trống. Lỗ trống mang điện tích dương và có cùng độ lớn với điện tích của điện tử. Điều quan trọng là lỗ trống có thể dẫn điện như điện tử tự do. Trong chất bán dẫn nguyên tính, số lượng các lỗ trống đúng bằng số lượng các điện tử tự do. pi = ni pi - nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn nguyên tính ni - nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn nguyên tính Tiếp tục tăng nhiệt độ thì từng đôi điện tử - lỗ trống mới sẽ xuất hiện, ngược lại khi có hiện tượng tái hợp sẽ mất đi từng đôi điện tử- lỗ trống. - Độ dẫn điện của chất bán dẫn: Mật độ dòng điện qua chất bán dẫn J sẽ là: 11
14. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử J = (n.μn + p.μ p )qE = σE (1. 9) Trong đó: n- là nồng độ điện tử tự do (điện tích âm) p- là nồng độ lỗ trống (điện tích dương) σ- là độ dẫn điện μn - độ linh động của điện tử μp.- độ linh động của lỗ trống Do đó độ dẫn điện: σ = (nμn + pμ p )q (1. 10) Bảng 1. 4 : Các đặc tính của Ge và Si Các đặc tính Ge Si Số nguyên tử 32 14 Nguyên tử lượng 72,6 28,1 Tỷ trọng (g/cm3) 5,32 2,33 Hằng số điện môi 16 12 Số nguyên tử/cm3 4,4.1022 5,0.1022 0 EG0,eV, ở 0 K (năng lượng vùng cấm) 0,785 1,21 0 EG, eV, ở 300 K 0,72 1,1 0 -3 13 10 ni ở 300 K , cm (nồng độ hạt dẫn điện tử) 2,5.10 1,5.10 Điện trở suất nguyên tính ở 3000K [Ω.cm] 45 230 2 μn , cm / V-sec 3800 1300 2 μp ,cm / V-sec 1800 500 2 99 34 Dn , cm / sec = μn.VT 2 47 13 Dp , cm / sec = μp.VT Khi tăng nhiệt độ, mật độ các đôi điện tử - lỗ trống tăng và do đó độ dẫn điện tăng. Cho nên, nồng độ điện tử ni của bán dẫn nguyên tính sẽ thay đổi theo nhiệt độ trong quan hệ: 23−E/KTG0 nATei0= (1. 11) 2 0 2 Trong đó: A0 - là hằng số đo bằng A/(m . K ) 0 EG0 - là độ rộng vùng cấm ở 0 K μn, μp và nhiều đại lượng vật lý quan trọng của Gecmani và Silic cho ở bảng (1.4). Độ dẫn điện của Gecmani hoặc Silic được tính theo công thức (1-11) sẽ tăng xấp xỉ 6% hoặc 8% khi nhiệt độ tăng 10C (tương ứng). b. Chất bán dẫn tạp loại N (chất bán dẫn tạp loại cho). Ta thêm một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 5 của bảng tuần hoàn Menđêlêép (thí dụ Antimon - Sb) vào chất bán dẫn Gecmani (Ge) hoặc Silic (Si) nguyên chất. Các nguyên tử tạp chất (Sb) sẽ thay thế một số các nguyên tử của Ge (hoặc Si) trong mạng tinh thể và nó sẽ đưa 4 điện tử trong 5 điện tử hóa trị của mình 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 nên liên kết của nó trong mạng tinh thể là rất yếu, xem hình (1-5) . Muốn giải phóng điện tử thứ 5 này thành điện tử tự do ta chỉ cần cấp một năng lượng rất nhỏ khoảng 0,01eV cho gecmani hoặc 0,05eV cho silic. Các tạp chất hóa trị 5 được gọi là tạp chất cho điện tử (Donor) hay tạp chất N. 12
15. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Ge Ge Ge +4 +4 +4 E Vùng dẫn e Ge 5 Sb Ge +4 +5 +4 EC 0,01 eV ED Mức cho Ge EG Ge Ge EV +4 +4 +4 Vùng hoá trị Hình 1- 5 : Mạng tinh thể Ge có thêm tạp chất Hình 1- 6 : Đồ thị vùng năng Sb hóa trị 5 (mạng tinh thể của gecmani loại N) lượng của bán dẫn Ge loại N Mức năng lượng mà điện tử thứ 5 chiếm đóng là mức năng lượng cho phép được hình thành ở khoảng cách rất nhỏ dưới dải dẫn và gọi là mức cho, xem hình (1-6). Và do đó, ở nhiệt độ trong phòng, hầu hết các điện tử thứ 5 của tạp chất cho sẽ nhảy lên dải dẫn, nhưng trong dải hóa trị không xuất hiện thêm lỗ trống. Các nguyên tử tạp chất cho điện tử trở thành các ion dương cố định. Ở chất bán dẫn tạp 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 trong đó: nn - là nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn tạp loại N pn - là nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn tạp loại N c. Chất bán dẫn tạp loại P (chất bán dẫn tạp loại nhận). Khi ta đưa một ít tạp chất là nguyên tố thuộc nhóm 3 của bảng tuần hoàn Menđêlêép (thí dụ Indi - In) vào chất bán dẫn nguyên tính Gecmani (hoặc Silic). Nguyên tử tạp chất sẽ đưa 3 điện tử hóa trị của mình tạo liên kết cộng hóa trị với 3 nguyên tử Gecmani (hoặc Silic) bên cạnh còn mối liên kết thứ 4 để trống. Trạng thái này được mô tả ở hình (1- 7). Điện tử của mối liên kết gần đó có thể nhảy sang để hoàn chỉnh mối liên kết thứ 4 còn để dở. Nguyên tử tạp chất vừa nhận thêm điện tử sẽ trở thành ion âm và ngược lại ở nguyên tử chất chính vừa có 1 điện tử chuyển đi sẽ tạo ra một lỗ trống trong dải hóa trị của nó. Các tạp chất có hóa trị 3 được gọi là tạp chất nhận điện tử (Acceptor) hay tạp chất loại P. Mức năng lượng để trống của tạp chất trong chất bán dẫn chính sẽ tạo ra một mức năng lượng cho phép riêng nằm ở bên trên dải hóa trị gọi là mức nhận, (xem hình 1- 8) 13
16. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Ge Ge Ge +4 +4 +4 E Vùng dẫn Ge In Ge +4 +3 +4 EC EG E Mức nhận Ge D 0,01 Ge Ge EV eV +4 +4 +4 Vùng hoá trị Hình 1- 7 : Mạng tinh thể gecmani với một Hình 1- 8 : Biểu đồ vùng năng nguyên tử In hóa trị 3 lượng của bán dẫn loại P Nếu tăng nồng độ tạp chất nhận thì nồng độ của các lỗ trống tăng lên trong dải hóa trị, nhưng nồng độ điện tử tự do trong dải dẫn không tăng. Vậy chất bán dẫn loại này có lỗ trống là hạt dẫn đa số và điện tử là hạt dẫn thiểu số và nó được gọi là chất bán dẫn tạp loại P. PP >> NP trong đó: PP - nồng độ hạt dẫn lỗ trống trong bán dẫn P NP - nồng độ hạt dẫn điện tử trong bán dẫn P Kết luận: Qua đây ta thấy, sự pha thêm tạp chất vào bán dẫn nguyên tính không những chỉ tăng độ dẫn điện, mà còn tạo ra một chất dẫn điện có bản chất dẫn điện khác hẳn nhau: trong bán dẫn tạp loại N điện tử là hạt dẫn điện chính, còn trong bán dẫn tạp loại P, lỗ trống lại là hạt dẫn điện chính. d. Mật độ điện tích trong chất bán dẫn. Quan hệ giữa nồng độ hạt dẫn điện tử n và nồng độ hạt dẫn lỗ trống p trong chất bán dẫn theo công thức gọi là luật khối lượng tích cực như sau: 2 n.p = ni (1. 12) Gọi ND là nồng độ các nguyên tử chất cho và chúng đều bị ion hóa. Do đó mật độ tổng các điện tích dương sẽ là ND + p. Tương tự, NA là nồng độ các ion nhận và tổng mật độ điện tích âm sẽ là NA + n. Do tính trung hòa về điện trong chất bán dẫn thì mật độ các điện tích dương bằng mật độ các điện tích âm, nên ta có: NpNnDA+= + (1. 13) Xét một vật liệu bán dẫn loại N thì sẽ có NA = 0. Số lượng điện tử trong bán dẫn N lớn hơn nhiều so với số lỗ trống, khi đó công thức (1.13) đơn giản còn: nN≈ D (1. 14) Như vậy, trong bán dẫn N nồng độ điện tử tự do xấp xỉ bằng mật độ các nguyên tử tạp chất cho. Do đó công thức (1.14) được viết: nNnD= (1. 15) Nồng độ lỗ trống trong bán dẫn N được viết theo công thức (1.12) ta có: 14
17. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử 22 nnii pn == (1. 16) nNnD và nn >> pn Tương tự, đối với bán dẫn tạp loại P ta có: 2 ni pNvnpA==µ p (1. 17) NA và pp >> np e. Dòng điện trong chất bán dẫn. Trong chất bán dẫn có 2 thành phần dòng điện là dòng điện khuếch tán và dòng điện trôi. - Dòng điện khuếch tán: Sự tồn tại gradient nồng độ hạt dẫn (dP/dx, dn/dx) sẽ dẫn đến hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp và tạo ra dòng điện khuếch tán trong chất bán dẫn. 2 Hiện tượng khuếch tán các lỗ trống tạo nên mật độ dòng điện lỗ trống JP [ampe/m ] được tính theo công thức sau: dP Jq.D=− (1. 18) PPdx 2 trong đó: DP [m /sec] - là hệ số khuếch tán của lỗ trống. Tương tự, công thức tính mật độ dòng điện điện tử khuếch tán là: dn J = q.D (1. 19) n n dx trong đó: Dn - là hệ số khuếch tán của điện tử. Cả hai hiện tượng khuếch tán và dịch chuyển (hiện tượng trôi) đều là các hiện tượng nhiệt động học thống kê, D và μ không độc lập, chúng quan hệ với nhau theo công thức: DDPn ==VT (1. 20) μμPn Trong đó KT T V == gọi là điện thế nhiệt. T q 11600 Tại nhiệt độ phòng (3000K) thì μ = 39D. Trong đó, giá trị D cho silic và gecmani cho ở bảng 1-4. Mật độ dòng điện khuếch tán là: Jk.t. = Jp + Jn - Dòng điện trôi: Dòng điện trôi là dòng chuyển động của các hạt dẫn dưới tác dụng của điện trường : J = σ.E = q(nμn + pμp).E (1. 21) f. Đặc điểm của vật liệu bán dẫn quang. Chất bán dẫn được dùng để tạo nguồn ánh sáng hầu hết đều có vùng cấm tái hợp trực tiếp. Trong chất bán dẫn các điện tử và lỗ trống có thể tái hợp trực tiếp với nhau qua vùng cấm mà không cần một hạt thứ 3 nào để bảo toàn xung lượng. Chỉ trong các vật liệu có vùng cấm trực tiếp hiện tượng tái hợp bức xạ mới có hiệu suất cao để tạo ra một mức độ phát xạ quang thích hợp. Mặc dù không có một đơn tinh thể bán dẫn nào có vùng cấm tái hợp trực tiếp, nhưng 15
18. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử các hợp chất của các chất thuộc nhóm III và nhóm V có thể cho ta vật liệu có vùng cấm tái hợp trực tiếp. Đây là các vật liệu được tạo nên từ sự liên kết của các nguyên tố nhóm III (như Al, Ga, hoặc In) và các nguyên tố nhóm V (như P, As, hoặc Sb). Sự liên kết ba và bốn thành phần khác nhau của các hợp chất đôi của các nguyên tố này cũng là các vật liệu rất thích hợp cho các nguồn ánh sáng. Để làm việc ở phổ từ 800 ÷ 900nm, vật liệu được sử dụng thường là hợp kim 3 thành phần AlXGaAs. Tỉ lệ x của nhôm (Al) và galium asenic (GaAs) xác định độ rộng vùng cấm của chất bán dẫn và, tương ứng, xác định bước sóng đỉnh của phát xạ bức xạ đỉnh. Điều này mô tả trong hình (1- 9). Giá trị x để cho vùng hoạt động của vật liệu được lựa chọn thường xuyên đạt được bước sóng là 800nm đến 850nm. Ở các bước sóng dài hơn thì chất 4 thành phần In1-XGaXAsYP1-Y là một trong các vật liệu cơ bản được sử dụng. Bằng sự thay đổi tỷ lượng phân tử gam x và y trong vùng hoạt động, các điốt phát quang (LED) có thể tạo ra công suất đỉnh ở bước sóng bất kỳ giữa 1,0 và 1,7μm. Để đơn giản ký hiệu GaAlAs và InGaAsP một cách tổng quát khi không cần nói rõ giá trị x và y cũng như các ký hiệu khác như AlGaAs; (AlGa)As; (GaAl)As; GaInPAs; và InXGa1-XAsYP1-Y. E (eV G 2,2 λ (μm) 2,0 0,6 “Trực tiếp” 1,8 0,7 “Gián tiếp” 1,6 0,8 Al Ga As 1,4 X 1-X 0,9 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Tỉ lượng Al : x Hình 1- 9 : Bề rộng vùng cấm và bước sóng bức xạ ra là hàm của tỉ lượng phân tử gam của Al cho chất AlXGa1-XAs ở nhiệt độ phòng. Các chất GaAlAs và InGaAsP thường được chọn để tạo chất bán dẫn sử dụng trong các linh kiện nguồn sáng vì nó có thể phù hợp với các tham số mạng tinh thể của giao diện cấu trúc dị thể bằng việc sử dụng một liên kết chính xác các vật liệu 2, 3, và 4 thành phần. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất bức xạ và tuổi thọ của nguồn sáng. Quan hệ cơ học lượng tử giữa năng lượng E và tần số ν(f): hc Eh=ν= λ Bước sóng phát xạ đỉnh λ đo bằng μm có thể biểu diễn như một hàm của năng lượng vùng cấm EG đo bằng eV theo công thức: 16
19. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử 1, 24 λμ(m) = (1.22) EG 1.5 VẬT LIỆU TỪ 1.5.1 Định nghĩa. 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 1.5.2 Các tính chất đặc trưng cho vật liệu từ. a. Từ trở và từ thẩm: Giống như điện trở của một dây dẫn, mạch từ cũng có từ trở Rm. Từ trở là một đại lượng đánh giá sự ngăn cản việc lập nên từ thông của một mạch từ. Từ trở được tính theo công thức sau: 1l R.= (1. 23) m μ S trong đó: l - là độ dài của mạch từ S - là tiết diện của mạch từ μ - là độ từ thẩm của vật liệu trong mạch từ Số nghịch đảo của μ tương ứng với điện trở suất ρ trong mạch điện. Vậy 1/μ là từ trở suất của 1m3 vật liệu từ. Độ từ thẩm là số nghịch đảo của từ trở 1l Φ μ= = (1. 24) RSmm F trong đó : μ là độ từ thẩm của vật liệu từ Fm là lực từ động và Φ là từ thông. Thay các giá trị của Rm và Fm và thay công thức tính mật độ từ thông (độ cảm ứng từ) B = Φ / S (1. 25) ta có công thức tính độ từ thẩm: B μ= [H/ m] (1. 26) H Vậy độ từ thẩm là tỉ số giữa cảm ứng từ B và cường độ từ trường H và có đơn vị đo bằng Henry/met [H/m], trong đó H đo bằng Ampe/met. Độ từ thẩm của không gian tự do μ0: −7 μ=π0 4.10 [H/m] b. Độ từ thẩm tương đối (μr): Sự gia tăng từ thông tổng hợp là độ cảm ứng từ B khi cho sắt hoặc thép vào một mạch điện được tính là độ từ thẩm tương đối μr và công thức (1-61) được viết lại thành: B μμ. = (1. 27) r0 H Trong trường hợp của không khí và các vật liệu không từ tính khác thì μr = 1. 17
20. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Tuỳ theo từng loại sắt hoặc thép mà μr = 400 ÷ 2500 Thép lá B (T) 1,8 μr 1,6 2500 1,4 Thép tấm 2000 1,2 Gang 1,0 1500 0,8 0,6 1000 0,4 μr (Thép lá) 500 0,2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 (10 H/A/m) Hình 1- 10 : Đường cong từ hóa của gang, thép lá, thép đúc tấm và đường cong từ thẩm của thép lá. Hình (1- 10) mô tả sự thay đổi của độ cảm ứng từ B khi cường độ từ trường H thay đổi trên các mẫu là mạch sắt từ khép kín và đường cong từ thẩm của thép lá. Đường từ hóa có thể được dùng để xác định độ cảm ứng từ B đối với một giá trị cường độ từ trường đã cho. Từ đó, độ từ thẩm tương đối của mỗi mẫu có thể được tính và vẽ trên đồ thị đường từ hóa này. Đường đứt nét trong hình (1-10) mô tả độ từ thẩm tương đối μr của thép lá. Độ từ thẩm tương đối không phải là đại lượng không đổi, nó phụ thuộc vào cường độ từ trường H. Đối với thép lá độ từ thẩm cực đại đạt được ở cường độ từ trường xấp xỉ 250A/m. c. Đường cong từ hóa: Đặc trưng cho tính chất của vật liệu từ ta có đường cong từ hóa B = f (H) biểu thị mối quan hệ giữa độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H (xem hình 1- 11). Khi độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H trong cuộn dây thay đổi với số gia là ΔB và ΔH thì số gia của độ từ thẩm ΔB / ΔH sẽ trở nên quan trọng. 18
21. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử ΔH B ΔB c b ΔH ΔB a ΔB H 0 ΔH Hình 1- 11 : Độ từ thẩm là tỉ số của B/H. Điều cần biết ở đây là ta muốn đạt được một giá trị độ từ thẩm lớn nhất khi độ cảm ứng từ B cực đại với cường độ từ trường H có thể nhỏ nhất. Một quan hệ quan trọng khác là các giá trị thay đổi của B và H trong hình (1- 11). Độ nghiêng của đường cong từ hóa tại một điểm bất kỳ được gọi là gia lượng từ thẩm Δμ. Δμ =ΔB/ΔH Độ gia từ thẩm quan trọng trong ứng dụng mà ở đó yêu cầu sự thay đổi rất nhỏ của cường độ từ trường H và sự thay đổi lớn của cảm ứng từ B. • Hiện tượng trễ: Hình (1- 12) Đường cong từ hóa biểu thị quan hệ giữa độ cảm ứng từ B và cường độ từ trường H của vật liệu từ khi ta đặt nó trong từ trường. Như biểu thị trong hình ta có: Bs - cảm ứng từ bão hòa Bd - cảm ứng từ dư Hc - lực kháng từ Đường cong 0-a-b-c xảy ra khi vật liệu từ ban đầu là không bị nhiễm từ và cường độ từ trường tăng từ 0 lên. Khi ta giảm cường độ từ trường từ Hmax xuống đến 0 thì vật liệu từ vẫn còn giữ lại một số từ thông. Độ cảm ứng từ còn lại trong vật liệu từ đã nhiễm từ khi cường độ từ trường giảm xuống đến 0 gọi là độ cảm ứng từ dư (đoạn o-d): (Bd). Để giảm độ cảm ứng từ dư đến 0, ta cần cung cấp một cường độ từ trường âm. Cường độ từ trường cần thiết (o-e) để giảm độ cảm ứng từ dư đến 0 được gọi là lực kháng từ (HC). Khi tiếp tục tăng giá trị ngược của cường độ từ trường H, thì độ cảm ứng từ B cũng tăng theo chiều âm đến giá trị bão hòa, ta có đường cong từ hóa mới (đoạn e-f). Một lần nữa, cường độ từ trường ngược lại giảm đến 0 thì độ cảm ứng từ cũng giảm đến giá trị cảm ứng từ dư (đoạn o-g). Và để giảm độ cảm ứng từ đến 0, ta lại phải tăng cường độ từ trường theo chiều dương đến trị số HC (đoạn o-h) và đây cũng chính là lực kháng từ. Tiếp tục tăng cường độ từ trường theo chiều dương ta được đoạn "h-c" của đồ thị. Như vậy, đồ thị B/H có dạng một vòng khép kín. Vòng này đối xứng với độ lớn +Bmax = -Bmax, và +Hmax = -Hmax. Vòng từ trễ chứng minh rằng, một ít năng lượng được hấp thụ vào trong vật liệu từ để 19
22. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử thắng lực ma sát và làm thay đổi sự sắp xếp thẳng hàng của các đomen từ. Năng lượng này là nguyên nhân làm nóng lõi cuộn dây, và nó chính là năng lượng lãng phí. Diện tích phủ kín vòng từ trễ tỉ lệ thuận với năng lượng hao phí này. Hình (1- 13) biểu diễn 3 vòng từ trễ tiêu biểu cho 3 loại vật liệu sắt từ. +B +Bb. c Bd b a -Hmax HC h e 0 +Hmax H (A/m) g - f Hình 1- 12 : Vòng từ trễ (Khi cường độ từ trường giảm từ Hmax đến 0, độ cảm ứng từ còn dư lại. Nếu H đổi hướng thì cảm ứng từ dư cũng đổi hướng). Vòng từ trễ hình (1- 13a) là của sắt mềm. Vòng từ trễ hình (1- 13b) mô tả vòng từ trễ tiêu biểu của chất thép cứng, và diện tích của nó lớn là nguyên nhân dẫn đến tổn thất của lõi lớn. Tuy nhiên, vì độ cảm ứng từ dư của chất thép cứng lớn nên nó rất thuận lợi cho nam châm vĩnh cửu. Vòng từ trễ hình (1- 13c) là của Ferit. Đây là một lõi ceramic được làm từ oxit sắt. Vòng từ trễ có hình dạng như vậy sẽ có tổn thất trễ lớn. Đặc tính độ cảm ứng B đạt tới trị số cảm ứng từ dư không đổi trong một hướng này cho phép sử dụng Ferit làm các bộ nhớ từ. • Dòng điện xoáy trong lõi sắt từ: Như ta đã biết, một từ trường thay đổi sẽ cảm ứng một sức điện động trong một dây dẫn đặt trong từ trường đó. Do vậy, một lõi sắt từ đặt trong một cuộn dây sẽ cảm ứng một sức điện động và tạo ra một dòng điện lưu thông trong lõi sắt từ được gọi là dòng điện xoáy. Dòng điện xoáy làm nóng lõi sắt từ và nó giữ vai trò quan trọng trong tổng tổn thất của cuộn dây. Để hạn chế dòng điện xoáy, lõi sắt từ làm việc với dòng điện xoay chiều luôn được chế tạo từ các lá mỏng. Bề mặt của các lá mỏng này được quét vecni hoặc một lớp sơn cách điện mỏng lên cả hai mặt để tăng điện trở của chúng đối với dòng điện xoáy. Bằng cách này các tổn thất do dòng điện xoáy không còn đáng kể. 20
23. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử +B +B +B Bd Bd HC 0 HC 0 0 H +H +H max a/ b/ c/ Hình 1- 13: Hình dạng của một số vòng từ trễ của các vật liệu 1.5.3 Phân loại và ứng dụng của vật liệu từ. Dựa vào vòng từ trễ người ta chia vật liệu từ làm 2 loại: - Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao và lực kháng từ nhỏ (Hc nhỏ và μ lớn). - Vật liệu từ cứng có độ từ thẩm nhỏ và lực kháng từ cao (Hc lớn và μ nhỏ). a. 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. Một cách khác, hợp kim sắt từ được tạo thành bằng cách nung dính một hỗn hợp bột kẽm nguyên chất, sau đó được cán nguội và ủ. Khi cán nguội, nhờ tác động sắp xếp lại trục tinh thể nên tính chất từ theo hướng cán là tốt nhất và được gọi là vật liệu từ có định hướng. Để giảm độ tiêu hao do các dòng điện xoáy trong lõi biến áp người ta dùng vật liệu từ có điện trở suất cao. Để thay đổi tính chất từ và điện trở suất của vật liệu sắt từ ta phải thay đổi tỉ lệ thành phần hợp kim. Các tính chất của vật liệu từ thường cho dưới dạng các đường cong từ hóa và các đường cong độ từ thẩm. Độ dễ từ hóa của một vật liệu từ được đo bằng độ từ thẩm. Với sắt- silic có độ từ thẩm cực đại khoảng 7500H/m, còn sắt -niken khoảng 60000H/m. Các khoảng tần số làm việc của các vật liệu từ thông dụng như biểu diễn trong hình (1- 14). 21
24. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử Bề dày Ferit mangan (Q cao, xung) đặc đặc TS (công suất) Lõi sắt bụi (Q cao) 16 mile TS.Ni (âm tần) TSHD, Ni (công suất) 5 mile TSHD (âm tần, tổn thất nhỏ) 2 mile TSHD, Ni (công suất, xung) 1 mile TSHD, Ni (công suất, xung) 2 3 4 5 6 7 1 10 10 10 10 10 10 10 f(Hz) Hình 1- 14 : Khoảng tần số làm việc của của các vật liệu từ thông dụng • 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 thiêu 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 Ferit mangan kẽm (MnZn ferit) được chế tạo thành nhiều loại khác nhau tuỳ theo ứng dụng với những cuộn dây có hệ số phẩm chất cao (Q cao) trong khoảng tần số từ 1 đến 500KHz, có loại tổn thất nhỏ, có hệ số nhiệt của độ từ thẩm thấp và độ ổn định cao. Dùng trong truyền hình có loại thích hợp làm việc với điện cảm ứng từ cao; cũng có loại có độ từ thẩm thích hợp với các biến áp thông tin dải rộng và các biến áp xung. Ferit niken kẽm (NiZn ferit) cũng có nhiều loại có thành phần oxit niken và oxit kẽm khác nhau, đồng thời chúng đều có điện trở suất cao. + Pecmaloi có độ từ thẩm cao (có thể tới hàng trăm ngàn H/m). Pecmaloi là hợp kim gồm có 50% ÷ 80% là Niken, 18% ÷ 18,5% là Fe còn lại là Mangan, Crôm, Đồng, Silic và còn lại là Moliden. Pecmaloi thường được dát mỏng. Chúng thường được dùng làm biến áp Micrô, đầu từ, biến áp kích thước nhỏ, chất lượng cao. Nhược điểm của Pecmaloi rất dễ vỡ, dễ biến dạng nên 22
25. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử cẩn thận khi sử dụng và gia công chế tạo. b. Vật liệu từ cứng: 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. - 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. • Đặc điểm của nam châm vĩnh cửu là: Năng lượng từ cực đại bao quanh không gian xung quanh chất sắt từ được tính bằng Oat (W): B.H W = dd (1. 28) d 2 như vậy, năng lượng bao quanh không gian chất sắt từ được tính theo công thức: B.H W = 2 Nam châm trong trạng thái khép kín sẽ không truyền năng lượng ra không gian xung quanh. Khi tồn tại 1 khe không khí giữa các cực thì sẽ xuất hiện sự truyền năng lượng vào không gian xung quanh, trị số của nó phụ thuộc nhiều vào chiều dài khe không khí. Các đặc tính của nam châm vĩnh cửu là các đại lượng: - Lực kháng từ HC. - Độ cảm ứng từ dư Bdư. - Năng lượng cực đại bao quanh không gian quanh chất sắt từ Wd. - Độ từ thẩm của vật liệu từ cứng nhỏ hơn của vật liệu từ mềm và với sự tăng của HC thì độ từ thẩm giảm. Đại lượng H.B/ 2 tỉ lệ với năng lượng cực đại của từ trường bao quanh chất sắt từ. 1.4.5. Thạch anh áp điện (SiO2) Thạch anh là tinh thể Si02 tự nhiên không màu, trong suốt, thường gọi là pha lê tự nhiên; hoặc thạch anh màu (thạch anh khói, thạch anh tím). Tinh thể thạch anh áp điện có thể được gia công bằng phương pháp nhân tạo, khi đó các tính chất của nó gần giống như các tính chất của các tinh thể tự nhiên. Thạch anh áp điện thường được dùng làm các bộ dao động thạch anh có tần số dao động rất ổn định. Bộ cộng hưởng thạch anh: Bề mặt của các tấm thạch anh được mài bằng bột mịn và trên chúng được đặt các điện cực bằng kim loại tạo ra bộ cộng hưởng thạch anh. Ký hiệu và mạch tương đương: 23
26. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử CM A B A B R L C Hình 1-5. Ký hiệu và sơ đồ mạch tương đương của thạch anh trong mạch Bộ cộng hưởng thạch anh cần có hệ số nhiệt tần số thấp và không được tạo ra các cộng hưởng ký sinh theo cả hai hướng kể từ tần số cộng hưởng chính trong dải tần đã cho của nó. Điện tích xuất hiện ở hiệu ứng áp điện được xác định bằng công thức: Q = dij .F (1. 29) trong đó: F - là lực gây ra biến dạng dij - môdun điện tương ứng với loại tinh thể. TÓM TẮT NỘI DUNG Trong chương này chúng ta đã trình bày định nghĩa về cấu kiện điện tử một cách khái quát, đưa ra một số cách phân loại cấu kiện điện tử thông dụng. Thông thường nhất ta chia cấu kiện điện tử dựa theo ứng dụng của nó là cấu kiện điện tử thụ động và cấu kiện điện tử tích cực. Ngoài ra còn phân loại theo lịch sử phát triển công nghệ chế tạo của các cấu kiện mà chúng ta rất quen gọi là cấu kiện điện tử chân không, cấu kiện điện tử có khí, cấu kiện điện tử bán dẫn, vi mạch và cấu kiện điện tử nanô. Trong chương 1 cũng cho chúng ta một khái quát chung cấu trúc của một mạch điện tử và một hệ thống điện tử. Từ đây chúng ta có thể hình dung được tầm quan trọng của các cấu kiện điện tử và vị trí có thể sử dụng chúng trong các thiết bị điện tử. Vật liệu điện tử là phần quan trọng của chương 1. Chúng ta đã nghiên cứu về đặc tính vật lý điện của các loại vật liệu sử dụng trong lĩnh vực điện tử và đã được phân ra làm 4 loại theo ứng dụng của nó. Chất cách điện hay còn gọi là chất điện môi là loại dẫn điện kém, điện trở suất của nó rất cao (107 ÷ 10 17 ) Ωm. Khi sử dụng chất cách điện ta phải chú ý đến các tính chất kỹ thuật sau: Hằng số điện môi ε, biểu thị khả năng phân cực của chất điện môi; Độ bền về điện Eđ.t. biểu thị khả năng chịu được điện áp cao của chất điện mội; Độ tổn hao điện môi P (hay góc tổn hao điện môi tgδ) biểu thị chi phí năng lượng điện vô ích của chất điện môi khi có dòng điện chạy qua. Tuỳ theo mục đích sử dụng mà chúng ta chú ý đến các tính chất đặc trưng này một cách tối ưu để lựa chọn vật liệu thích hợp. Trong sử dụng, chất cách điện được chia làm 2 loại chính là vật liệu cách điện thụ động và chất cách điện tích cực. Chất cách điện thụ động thường dùng làm vật liệu cách điện và làm tụ điện. Còn chất cách điện tích cực có một số đặc tính cơ-điện đặc biệt như biến cơ năng thành điện năng (gốm xét nhét, muối xét nhét), tính áp điện ( muối xét nhét, gốm xét nhét, thạch anh áp điện) hoặc Êlectret (cái châm điện) Chất dẫn điện là vật liệu dẫn điện tốt, thông thường ở thể rắn chúng là kim loại và hợp kim, còn ở thể lỏng chúng là các kim loại nóng cháy và dung dịch điện phân. Khi sử dụng chất 24
27. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử dẫn điện chúng ta phải chú ý đến các tính chất sau của nó: Điện dẫn suất hay điện trở suất (σ = 1/ρ); Hệ số nhiệt của điện trở suất (α); Nhiệt dẫn suất (λ); Hiệu điện thế tiếp xúc và Giới hạn bền khi kéo. Trong sử dụng, chất dẫn điện được chia làm 2 loại: chất dẫn điện có điện trở suất thấp, thường dùng làm dây dẫn điện như đồng nguyên chất, nhôm nguyên chất và chất dẫn điện có điện trở suất cao thường được dùng làm các điện trở, các sợi nung nóng Tuỳ theo mục đích sử dụng mà chúng ta lựa chọn các vật liệu có tính chất thích hợp. Chất bán dẫn là vật liệu mà điện trở suất của nó có giá trị ở giữa giá trị của chất cách điện và chất dẫn điện. Trong kỹ thuật điện tử người ta chỉ sử dụng các chất bán dẫn có cấu trúc mạng tinh thể, quan trọng là 2 chất silic và gecmani. Đặc tính dẫn điện quan trọng của chất bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất có trong nó. Chất bán dẫn được chia làm 3 loại chính: chất bán dẫn thuần (nguyên tính), chất bán dân tạp loại N và chất bán dẫn tạp loại P. Chất bán dẫn nguyên tính có nồng độ hạt tải điện điện tử và hạt tải điện lỗ trống bằng nhau (pi = ni); chất bán dẫn tạp loại P có hạt tải điện đa số là lỗ trống, hạt tải điện điện tử là thiểu số (pp >> np); chất bán dẫn tạp loại N có hạt tải điện đa số là điện tử, hạt tải điện thiểu số là lỗ trống (nn >> pn). Chất bán dẫn quang là vật liệu bán dẫn có cấu trúc điện tử đặc biệt để có thể bức xạ quang từ quá trình tái hợp của các hạt dẫn (biến đổi điện sang quang) hoặc hấp thụ quang để tạo ra các hạt dẫn điện (biến đổi quang sang điện). Vật liệu từ là vật liệu có khả năng nhiễm từ khi đặt trong từ trường. Khi sử dụng vật liệu từ chúng ta phải chú ý các tính chất từ tính sau: Độ từ thẩm tương đối (μr), Từ trở (RM) và Tổn hao từ trễ. Ngoài ra chúng ta còn quan tâm đến tính chất của đường cong từ hoá và vòng từ trễ của vật liệu từ. Người ta thường chia vật liệu từ ra làm 3 loại: Vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng và vật liệu từ có công dụng đặc biệt. Vật liệu từ mềm có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ. Vật liệu từ cứng là loại có độ từ thẩm thấp, lực kháng từ cao. Vật liệu từ có công dụng đặc biệt. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy cho biết một số cách phân loại cấu kiện điện tử thông thường? 2. Hãy cho biết các tính chất vật lý-điện cơ bản của chất cách điện? 3. Em hãy cho biết thông thường chất cách điện được chia làm mấy loại? Là những loại nào và phạm vi sử dụng chính của từng loại? 4. Hãy cho biết các tính chất vật lý-điện cơ bản của chất dẫn điện? 5. Dựa vào tính dẫn điện, chất dẫn điện được phân chia thành mấy loại? Là những loại nào? Cho ví dụ và nêu ứng dụng của chúng? 6. Hãy cho biết những yếu tố nào ảnh hưởng chính đến độ dẫn điện của chất bán dẫn? 7. Tại sao trong chất bán dẫn thuần, nồng độ hạt tải điện điện tử và hạt tải điện lỗ trống lại bằng nhau? 8. Thế nào là chất bán dẫn tạp loại N? Đặc điểm dẫn điện của nó là gì? 9. Thế nào là chất bán dẫn tạp loại P? Đặc điểm dẫn điện của nó là gì? 10. Chất bán dẫn quang điện tử có đặc điểm gì khác với chất bán dẫn thông thường? 11. Nêu những tính chất cơ bản của vật liệu từ? 12. Hãy cho biết vật liệu từ được phân chia thành mấy loại? Cho ví dụ ứng dụng của từng loại? 13. Cho một miếng bán dẫn Silic được pha thêm photpho nồng độ 1015 / cm−3 . Hãy tính nồng 25
28. CÊu kiÖn ®iÖn Giới thiệu chung và vật liệu điện tử độ hạt dẫn trong miếng bán dẫn tại nhiệt độ3000 K . 14. Hãy cho biết những tính chất đặc biệt của thạch anh áp điện và ứng dụng của nó? 15. Dựa vào cấu trúc vùng năng lượng của vật chất, chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm là: a. EG > 2eV b. 0eV < EG < 2eV c. EG = 0eV d. 3eV < EG < 6eV 16. Hãy điền vào chỗ trống của mệnh đề một trong những nhóm từ dưới đây: “Độ bền về điện của chất điện môi là giá trị ngoài đặt lên chất điện môi mà làm cho nó mất khả năng cách điện”. a. dòng điện; b. điện áp; c. công suất điện; d. cường độ điện trường 17. Độ từ thẩm tương đối của vật liệu từ µr là một đại lượng . a. không thay đổi. b. thay đổi theo cường độ từ trường H. c. thay đổi theo tần số làm việc. d. thay đổi theo điều kiện môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giáo trình “Cấu kiện điện tử và quang điện tử” của Trần Thị Cầm, Học viện Công nghệ BCVT, năm 2002. 2. Vật liệu kỹ thuật điện, của Nguyễn Đình Thắng, nhà xuất bản KHKT Hà Nội, năm 2005. 26
29. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động CHƯƠNG 2 CÁC CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ THỤ ĐỘNG GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương 2 giới thiệu về các cấu kiện điện tử thụ động. Đó là cấu kiện điện trở, tụ điện, cuộn cảm và biến áp. Đây là các cấu kiện không thể thiếu được trong các mạch điện. Chúng luôn giữ một vai trò rất quan trọng trong hầu hết các mạch điện. Các cấu kiện này được trình bày một cách cụ thể từ định nghĩa, cấu tạo, ký hiệu trong các sơ đồ mạch, các cách phân loại thông dụng, các tham số cơ bản và các cách nhận biết chúng trên thực tế. Ngoài ra, chương 2 còn cho biết đặc tính của một số cấu kiện điện tử thụ động đặc biệt, sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau. NỘI DUNG 2.1 ĐIỆN TRỞ 2.1.1. Định nghĩa và ký hiệu của điện trở a. Định nghĩa: Điện trở là cấu kiện dùng làm phần tử ngăn cản dòng điện trong mạch. Trị số điện trở được xác định theo định luật Ôm: U R = [Ω] ( 2. 1) I Trong đó: U – hiệu điện thế trên điện trở [V] I - dòng điện chạy qua điện trở [A] R - điện trở [Ω] Trên điện trở, dòng điện và điện áp luôn cùng pha và điện trở dẫn dòng điện một chiều và xoay chiều như nhau. b. Ký hiệu của điện trở trên các sơ đồ mạch điện Trong các sơ đồ mạch điện, điện trở thường được mô tả theo các qui ước tiêu chuẩn như trong hình 2-1. R12 R159 Điện trở thường 0,25W 1W 0,5W 10W Điện trở công suất Biến trở Hình 2-1: Ký hiệu của điện trở trên sơ đồ mạch điện c. Cấu trúc của điện trở: 27
30. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Cấu trúc của điện trở có nhiều dạng khác nhau. Một cách tổng quát ta có cấu trúc tiêu biểu của một điện trở như mô tả trong hình 2-2. Mũ chụp và chân điện trở Vỏ bọc Lõi Vật liệu cản điện Hình 2.2: Kết cấu đơn giản của một điện trở 2.1.2. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở a. Trị số điện trở và dung sai + Trị số của điện trở là tham số cơ bản và được tính theo công thức: l R = ρ ( 2. 2) S Trong đó: ρ - là điện trở suất của vật liệu dây dẫn cản điện l- là chiều dài dây dẫn S - là tiết diện của dây dẫn + Dung sai hay sai số của điện trở biểu thị mức độ chênh lệch giữa trị số thực tế của điện trở so với trị số danh định và được tính theo %. Dung sai được tính theo công thức: R t.t − R d.d Trị số thực tế của điện trở 100% ⎧R t.t ⎨ R d.d ⎩R d.d Trị số danh định của điện trở Dựa vào % dung sai, ta chia điện trở ở 5 cấp chính xác: 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 % b. Công suất tiêu tán danh định: (Pt.tmax) Công suất tiêu tán danh định cho phép của điện trở 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. Nếu quá mức đó điện trở sẽ nóng cháy và không dùng được. 2 2 U max Pt.t.max = RI max = [W] (2.3) R Với yêu cầu đảm bảo cho điện trở làm việc bình thường thì Ptt < Pttmax. c. Hệ số nhiệt của điện trở : TCR 28
31. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Hệ số nhiệt của điện trở biểu thị sự thay đổi trị số của điện trở theo nhiệt độ môi trường và được tính theo công thức sau: 1 ΔR TCR = . .106 [ppm/ 0C] (2.4) R ΔT Trong đó: R- là trị số của điện trở ΔR- là lượng thay đổi của trị số điện trở khi nhiệt độ thay đổi một lượng là ΔT. TCR là trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1°C (viết tắt là ppm/°C). Lưu ý: Điện trở than làm việc ổn định nhất ở nhiệt độ 200C. Khi nhiệt độ tăng lớn hơn 200C hoặc giảm nhỏ hơn 200C thì điện trở than đều tăng trị số của nó. 2.1.3. Cách ghi và đọc các tham số trên thân điện trở Trên thân điện trở thường ghi các tham số đặc trưng cho điện trở như: trị số của điện trở và % dung sai, công suất tiêu tán (thường từ vài phần mười Watt trở lên). Người ta có thể ghi trực tiếp hoặc ghi theo nhiều qui ước khác nhau. a. Cách ghi trực tiếp: Cách ghi trực tiếp là cách ghi đầy đủ các tham số chính và đơn vị đo của chúng. Cách ghi này thường dùng đối với các điện trở có kích thước tương đối lớn như điện trở dây quấn. b. Ghi theo qui ước Cách ghi theo quy ước có rất nhiều các quy ước khác nhau. ở đây ta xem xét một số cách quy ước thông dụng: + Không ghi đơn vị Ôm: Đây là cách ghi đơn giản nhất và nó được qui ước như sau: R (hoặc E) = Ω M = MΩ K = KΩ + Quy ước theo mã: Mã 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 %. + Quy ước màu: Thông thường người ta sử dụng 4 vòng màu, đôi khi dùng 5 vòng màu (đối với loại có dung sai nhỏ khoảng 1%).  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 thứ tư là số nhân để chỉ số số 0 cần thêm vào - Vòng màu thứ 5 chỉ % dung sai. 29
32. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Bảng 2.1 : Bảng qui ước màu Vạch màu thứ 1 Vạch màu thứ 2 Vạch màu thứ 3 Vạch màu thứ 4 Màu Hàng chục Đơn vị Số nhân Dung sai Đen 0 0 1 20% Nâu 1 1 10 1% Đỏ 2 2 100 2% Cam 3 3 1000 - Vàng 4 4 10000 - Lục 5 5 100000 - Lam 6 6 1000000 - Tím 7 7 10000000 Xám 8 8 100000000 Trắng 9 9 1000000000 Vàng kim - - 0,1 5% Bạch kim - - 0,01 10% Không màu - - - 20% Thứ tự vòng màu được qui ước như sau: 1 2 3 4 Hình 2-3: Thứ tự vòng màu 2.1.4. Phân loại và ứng dụng của điện trở a. Phân loại: 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:  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) + 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 (gốm kim loại). Dựa vào ứng dụng điện trở được phân loại như liệt kê trong bảng 2.2. 30
33. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Bảng 2.2: Các đặc tính chính của điện trở cố định tiêu biểu 0 Loại điện trở Trị số R Pt.t.max t làmviệc TCR [w] 0C ppm/0C Chính xác Dây quấn 0,1Ω ÷ 1,2M 1/8 ÷3/4 ở1250C -55÷+145 ± 10 Màng kim 10Ω ÷ 5M 1/20÷ 1/2 ở1250C -55÷+125 ± 25 Bán chính xác Oxyt kim loại 10Ω ÷ 1,5M 1/4 ÷ 2 ở 700C -55÷+150 ± 200 Cermet 10Ω ÷ 1,5M 1/20÷1/2 ở1250C -55÷+175 ± 200 Than màng 10Ω ÷ 5M 1/8 ÷ 1 ở 700C -55÷+165 ± 200; Đa dụng ± 510 Than tổng hợp 2,7Ω ÷ 100M 1/8 ÷ 2 ở 700C -55÷+130 ±1500 Công suất Dây quấn 0 0,1Ω ÷ 180K 1 ÷ 21 ở 25 C -55÷+275 ± 200 Hình ống 0 1,0Ω ÷ 3,8K 5 ÷ 30 ở 25 C -55÷+275 ± 50 Bắt sườn máy 0,1Ω ÷ 40K 1 ÷ 10 ở 250C -55÷+275 ± 20 Chính xác 20Ω ÷ 2M 7 ÷1000 ở 250C -55÷+225 ±500 Màng kim loại Điện trở miếng (màng vi điện tử) 1Ω ÷ 22M -55÷+125 ±25đến ± 200 Điện trở dây quấn chính xác Điện trở màng Điện trở oxit im loại Loại than tổng hợp Loại dây quấn công suất Hình 2-4: Một số hình dạng bên ngoài của một số điện trở cố định  Điện trở có trị số thay đổi (hay còn gọi là biến trở) Biến trở có hai dạng. Dạng kiểm soát dòng công suất lớn dùng dây quấn. Loại này ít gặp trong các mạch điện trở. Dạng thường dùng hơn là chiết áp. 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 31
34. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động 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. Hình 2-5: Ký hiệu của biến trở trên các mạch Chân điện trở α Dây điện trở Trục xoay Con trượt 1 3 2 Chân điện trở Hình 2-6: Cấu trúc của một chiết áp dây quấn Theo ứng dụng có thể chia chiết áp thành 3 loại chính: loại đa dụng, loại chính xác và loại điều chuẩn. Ngoài các đặc tính tương tự như của điện trở cố định, chiết áp còn có các tham số riêng, trong đó cơ bản là luật điện trở. Luật điện trở cho biết trị số của điện trở thay đổi thế nào khi ta thay đổi góc xoay α của con chạy (hình 2-7). R 100% 2 Đường 1: tuyến tính Đường 2: logarit - điều chỉnh âm sắc 1 Đường 3: hàm mũ - điều chỉnh âm lượng 3 α 100% Hình 2.7: Ba luật điện trở thông dụng của chiết áp b. Ứng dụng: Ứng dụng của điện trở rất đa dạng: để giới hạn dòng điện, tạo sụt áp, dùng để phân cực, làm gánh mạch, chia áp, định hằng số thời gian, v.v c. 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 điện trở, nếu nhiệt độ càng tăng cao thì điện trở của nó càng giảm. 32
35. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động 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 Tecmixto t Hình 2-8: Ký hiệu của tecmixto trên sơ đồ mạch  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. VDR Hình 2-9: Ký hiệu của varixto trong sơ đồ mạch R (KΩ) 3000 200 100 20 10 3 2 1 0 2 4 6 40 60 U(v) Hình 2-10: Sự thay đổi trị số điện trở của Varixto theo điện áp Điện áp danh định là đặc tính cơ bản của varixto trong đó dòng điện qua varixto có trị số danh định. Ứng dụng: Varixto dùng để chia áp trên các lưới điều khiển để ổn định điện áp. Đồng thời, nó còn được mắc song song với các cuộn ra của biến áp quét dòng, quét mành để ổn định điện áp trên các cuộn lái tia điện tử.  Điện trở Mêgôm: có trị số điện trở từ 108 ÷ 1015 Ω (khoảng từ 100 MΩ đến 1000000 GΩ). Điện trở Mêgôm được dùng trong các thiết bị đo thử, trong mạch tế bào quang điện.  Điện trở cao áp: Là điện trở chịu được điện áp cao từ 5 KV đến 20 KV. Điện trở cao áp có trị số từ 2000 ÷ 1000 MΩ, công suất tiêu tán cho phép từ 5 W đến 20 W. Điện trở cao áp thường dùng làm gánh các mạch cao áp, các bộ chia áp.  Điện trở chuẩn: Là các điện trở dùng vật liệu dây quấn đặc biệt có độ ổn định cao. Thí dụ, các vật liệu có sự thay đổi giá trị điện trở khoảng 10 ppm/năm, TCR = 4 ppm/0C. 33
36. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động  Mạng điện trở: Mạng điện trở là một loại vi mạch tích hợp có 2 hàng chân. a. Mạng điện trở: 8 chân 2 hàng b. Sắp xếp các điện trở ở bên trong RN Hình 2-11: Cấu trúc của mạng điện trở 2.2 TỤ ĐIỆN 2.2.1. Định nghĩa và ký hiệu của tụ điện a. Định nghĩa: Tụ điện là dụng cụ dùng để chứa điện tích. Một tụ điện lý tưởng có điện tích ở bản cực tỉ lệ thuận với hiệu điện thế đặt ngang qua nó theo công thức: Q = C . U [culông] (2. 5) trong đó: Q - điện tích ở trên bản cực của tụ điện [C] U – hiệu điện thế đặt trên tụ điện[v] C - điện dung của tụ điện[F] Q εε .S C = = 0 U d b. Ký hiệu của tụ điện trên các sơ đồ mạch: + + Tụ thường Tụ điện giải Tụ có điện dung thay đổi Hình 2-12: Các ký hiệ u của tụ điện c. 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. Bản cực Chân tụ Chất điện môi Vỏ bọc Hình 2-13: Cấu tạo của tụ điện 2.2.2. Các tham số cơ bản của tụ điện 34
37. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động a. Trị số dung lượng và dung sai: + 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. Dung lượng được tính theo công thức: ε ε S C = r 0 [F] (2.6) d Trong đó: εr - hằng số điện môi của chất điện môi ε0 - hằng số điện môi của không khí hay chân không S - diện tích hữu dụng của bản cực [m2] d - khoảng cách giữa 2 bản cực [m] C - dung lượng của tụ điện [F] Đơn vị đo dung lượng theo hệ SI là Farad [F], thông thường ta chỉ dùng các ước số của Farad. + Dung sai của tụ điện: 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% (2. 7) 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%). b. Điện áp làm việc: Điện áp cực đại có thể cung cấp cho tụ điện thường thể hiện trong thuật ngữ "điện áp làm việc một chiều". Mỗi một tụ điện chỉ có một điện áp làm việc nhất định, nếu quá điện áp này lớp cách điện sẽ bị đánh thủng và làm hỏng tụ. c. Hệ số nhiệt: 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 ΔC TCC = .106 [ppm/0C] (2. 8) C ΔT Trong đó: ΔC - là lượng tăng giảm của điện dung khi nhiệt độ thay đổi một lượng là ΔT. C - là trị số điện dung của tụ điện. 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. 2.2.3. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: Sơ đồ mạch tương đương của tụ điện được mô tả ở hình 2-14. 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 RP RL L RS 35 RS C C C aSơ đồ tương đương b Sơ đồ tương đương c sơ đồ tương đương
38. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Trong đó hình "a" cho tụ bình thường; hình "b" cho tụ có điện trở rò lớn và hình "c" cho tụ có điện trở rò thấp. Hình 2-14 “c” 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 DF: R DF = S .100% (2. 9) XC Trong đó: RS - là trị số hiệu dụng nối tiếp của tụ điện (điện trở bản cực, dây dẫn ) XC - là dung kháng của tụ điện DF càng nhỏ thì tụ điện càng ít mất mát, tức là phẩm chất càng cao. Khi làm việc ở tần số cao cần tụ có phẩm chất cao. Hệ số phẩm chất của tụ điện được tính: 1 Q = (2. 10) DF Đối với các tụ điện làm việc ở tần số cao thì tổn hao điện môi sẽ tăng tỉ lệ với bình phương của tần số: 2 2 2 Pa = U ω C R (2. 11) Do đó, trên thực tế các tụ điện làm việc ở tần số cao cần phải có điện trở của các bản cực, dây dẫn và tiếp giáp nhỏ nên các chi tiết này thường được tráng bạc. 2.2.3 Các cách ghi và đọc tham số trên thân 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. a. Cách ghi trực tiếp: Ghi trực tiếp là 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. b. Cách ghi gián tiếp theo qui ước: Cách ghi gián tiếp là cách ghi theo quy ước. Tụ điện có tham số ghi theo qui ước thường có kích thước nhỏ và điện dung ghi theo đơn vị pF. Có rất nhiều các qui ước khác nhau như quy ước mã, quy ước màu, v.v Sau đây ta chỉ nêu một số quy ước thông dụng: + Ghi theo qui ước số: Cách ghi này thường gặp ở các tụ Pôlystylen. Ví dụ 1: Trên thân tụ có ghi 47/ 630: có nghĩa tử số là giá trị điện dung tính bằng pF, tức là 47 pF, mẫu số là điện áp làm việc một chiều, tức là 630 Vdc. + Quy ước theo mã: Giống như điện trở, mã gồm các chữ số chỉ trị số điện dung và chữ cái chỉ % dung sai. Tụ gốm có kích thước nhỏ thường được ghi theo qui ước sau: ví dụ trên tụ ghi là 204 có nghĩa là trị số của điện dung 20.0000 pF Vdc. 36
39. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Tụ Tantan là tụ điện giải cũng thường được ghi theo đơn vị μF cùng điện áp làm việc và cực tính rõ ràng. + Ghi theo quy ước màu: Tụ điện cũng giống như điện trở được ghi theo qui ước màu. Qui ước màu cũng có nhiều loại: có loại 4 vạch màu, loại 5 vạch màu. Nhìn chung các vạch màu qui ước gần giống như ở điện trở. TCC 1 1 1 2 3 2 3 2 3 4 4 4 5 + Tụ hình ống Tụ hình kẹo Tụ Tantan Hình 2-15: Mã màu của tụ điện Bảng 2.3: Bảng qui ước mã màu trên tụ điện Vạch 1 Vạch 2 Vạch 3 Vạch 4 Vạch 4 Vạch 5 Màu Số có Số có Số nhân (PF) UDC (V) Dung sai Polyster nghĩa nghĩa Tantan(μF) Tụ Tantan ≤10PF >10PF Đen 0 0 1 - 2PF ±20% - 1 10 Nâu 1 1 10 100 0,1PF ±1% - 10 - Đỏ 2 2 100 250 - ±2% 250w 100 Cam 3 3 1K - - - ±2,5% - Vàng 4 4 10K - 400 - - - 6,3 Lục 5 5 100K - - 0,5PF ±5% - 16 Lam 6 6 - - 630 - - - 20 Tím 7 7 - - - - - - - Xám 8 8 0,01 - 0.25PF - - 0,01 25 Trắng 9 9 0,1 - 1PF ±10% - 0,1 3 Hồng - - - - - - 35 2.2.4. Phân loại và ứng dụng. 37
40. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Có nhiều cách phân loại tụ điện, thông thường người ta phân tụ điện làm 2 loại là: - Tụ điện có trị số điện dung cố định - Tụ điện có trị số điện dung thay đổi được. 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 và công dụng của chúng như trong bảng 2.4. Bảng 2.4: Bảng phân loại tụ điện dựa theo vật liệu và công dụng. Loại tụ Điện dung U làm việc t0 làm việc (Vdc) + Chính xác: . Mi ca 1 ÷ 91000 PF 100 ÷ 2500 -55 ÷ 125 . Thuỷ tinh 1 ÷ 10000 PF 300 ÷ 500 -55 ÷ 125 . Gốm 1 ÷ 1100 PF 150 ÷ 500 -55 ÷ 85 . Màng Polystylen 1000 ÷ 220000 PF 200 ÷ 600 -55 ÷ 85 + Bán chính xác: . Màng chất dẻo 1000PF ÷ 10 μF 30 ÷ 1000 -55 ÷ 125 . Màng chất dẻo- giấy 4700PF ÷ 10 μF 50 ÷ 400 -55 ÷ 125 (tráng kim loại) + Đa dụng: . Gốm Li- K 10 ÷ 100000 PF 50 ÷ 200 -55 ÷ 125 . Ta O (nung dính, chất điện 2 3 1 ÷ 580 PF 10 ÷ 300 -55 ÷ 125 giải rắn có cực tính) . Màng dính ướt có cực 5,6PF ÷ 560 μF 4 ÷ 85 -55 ÷ 125 . Al2O3 khô, có cực tính 150PF ÷120000 μF 5 ÷ 450 -40 ÷ 85 + Triệt - nuôi .Giấy 10000 PF ÷ 3 μF 100 ÷ 600 -55 ÷ 125 . Mi ca (hình khuy) . Gốm 5 ÷ 2400 PF ≈ 500 -55 ÷ 125 + Thoát 100 ÷ 1500 PF 500 ÷ 1500 -55 ÷ 125 .Giấy 10000 ÷ 35000 PF 100 ÷ 500 -55 ÷ 85 + Tụ điện giải nhôm: (Thường gọi là tụ hóa) Tính chất quan trọng nhất của tụ điện giải nhôm là chúng có trị số điện dung rất lớn trong một "hộp" nhỏ. Giá trị tiêu chuẩn của các tụ hóa nằm trong khoảng từ 1 μF đến 100000 μF. 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 μF. Ngoài điện áp làm việc thấp và phân cực thì tụ điện giải nhôm còn một nhược điểm nữa là dòng rò tương đối lớn. + Tụ tantan: (chất điện giải Tantan) Đây là một loại tụ điện giải. Tụ tantan, cũng giống như tụ điện giải nhôm, thường có một giá trị điện dung lớn trong một khối lượng nhỏ. . Giống như các tụ điện giải khác, tụ tantan cũng phải được đấu đúng cực tính. Tụ tantan cũng được ghi theo qui ước 4 vòng màu. 38
41. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động b. Tụ điện có trị số 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 đa dụng và loại điều chuẩn. - 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, 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) Loại tụ này có nhiều kiểu. Chất điện môi cũng dùng nhiều loại như không khí, màng chất dẻo, thuỷ tinh hình ống Để thay đổi trị số điện dung ta dùng tuốc-nơ-vit để thay đổi vị trí giữa hai lá động và lá tĩnh + 103 Tụ giấy + Tụ gốm Tụ hóa + Tụ mica 22UF + Tụ tantan Tụ xoay Tụ dầu Trimcap Hình 2 -16: Một số tụ điện thường gặp c. Ứng dụng: + Tụ điện được dùng để tạo phần tử dung kháng ở trong mạch. Dung kháng Xc được tính theo công thức: 1 1 X = = [Ω] (2. 12) c 2πfC ωC Trong đó : f - là tần số của dòng điện (Hz) 39
42. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động C - là trị số điện dung của tụ điện (F) + Do 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 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. + 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 2.3. CUỘN CẢM (hay CUỘN DÂY) 2.3.1. Định nghĩa và ký hiệu của cuộn cảm. a. Định nghĩa: Cuộn dây, còn gọi là cuộn tự cảm, là cấu kiện điện tử dùng để tạo thành phần cảm kháng trong mạch. Cảm kháng của cuộn dây được xác định theo công thức: XL = 2 π f L = ω L (Ω) (2. 13) Trong đó: L – điện cảm của cuộn dây (đo bằng Henry), phụ thuộc vào hình dạng, số vòng dây, cách sắp xếp, và cách quấn dây. f - tần số của dòng điện chạy qua cuộn dây (Hz) Các cuộn dây được cấu trúc để có giá trị độ cảm ứng xác định. Ngay cả một đoạn dây dẫn ngắn nhất cũng có sự cảm ứng. Như vậy, cuộn dây cho qua dòng điện một chiều và ngăn cản dòng điện xoay chiều. Đồng thời, trên cuộn dây dòng điện và điện áp lệch pha nhau 900. Cuộn dây gồm những vòng dây dẫn điện quấn trên một cốt bằng chất cách điện, có lõi hoặc không có lõi tùy theo tần số làm việc. b. Ký hiệu các cuộn cảm trong sơ đồ mạch điện: Trong các mạch điện, cuộn cảm được ký hiệu bằng chữ cái L. L L L a- Cuộn dây lõi Ferit b- Cuộn dây lõi sắt từ c- Cuộn dây không lõi Hình 2- 17: Ký hiệu cuộn dây trong sơ đồ mạch 2.3.2. Các tham số của cuộn cảm. a. Điện cảm của cuộn dây (L): Điện cảm của cuộn dây được tính theo công thức (2.14): S L = μ .μ .N 2 . r 0 l (2. 14) Trong đó : S - là tiết diện của cuộn dây (m2) N - là số vòng dây l - là chiều dài của cuộn dây (m) μr , μ0 - là độ từ thẩm của vật liệu lõi sắt từ và của không khí (H/ m) 40
43. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Qua biểu thức (2.14) ta thấy độ cảm ứng lớn nhất khi có cuộn dây ngắn với tiết diện lớn và có số vòng dây lớn. b. Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q): Một cuộn cảm thực khi có dòng điện chạy qua luôn có tổn thất, đó là công suất điện tổn hao để làm nóng cuộn dây. Các tổn thất này được biểu thị bởi một điện trở RS nối tiếp với cảm kháng XL của cuộn dây. Hệ số phẩm chất Q của cuộn dây là tỷ số của cảm kháng XL trên điện trở RS này. Trị số Q càng cao thì tổn thất càng nhỏ và ngược lại. X Q = L (2.15) R S L X R L S Hình 2 -18: Sơ đồ mạch tương đương của cuộn dây khi xét đến tổn thất 2.3.3. Cuộn cảm cao tần số và sơ đồ mạch tương đương. Cuộn dây thực còn có tần số làm việc bị giới hạn bởi điện dung riêng của nó. Ở tần số thấp, điện dung này được bỏ qua vì dung kháng của nó rất lớn. Nhưng ở tần số đủ cao thì cuộn dây 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. Hình 2 -19: Sơ đồ tương đương của cuộn dây khi làm việc ở tần số cao Tần số cộng hưởng riêng của cuộn dây: 1 f = [Hz] (2.16) 0 2Π LC Trong đó: L - là điện cảm của cuộn dây [H] C - là điện dung riêng của cuộn dây [F] Tần số làm việc cao nhất của cuộn dây phải nhỏ hơn tần số f0 này. fmax < f0 2.3.4. Phân loại và ứng dụng của cuộn cảm.  Dựa theo ứng dụng mà cuộn cảm có một số loại sau: - Cuộn cộng hưởng là các cuộn dây dùng trong các mạch cộng hưởng LC. 41
44. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động - Cuộn lọc là các cuộn dây dùng trong các bộ lọc một chiều. - Cuộn chặn dùng để ngăn cản dòng cao tần, v.v  Dựa vào loại lõi của cuộn dây, có thể chia các cuộn dây ra một số loại sau. Chúng ta sẽ xem xét cụ thể từng loại một: a. Cuộn dây lõi không khí hay cuộn dây không có lõi: Cuộn dây lõi không khí có nhiều ứng dụng, thường gặp nhất là các cuộn cộng hưởng làm việc ở tần 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 cao ở tần số làm việc. - Điện dung riêng nhỏ. - Hệ số nhiệt của điện cảm thấp. - Kích thước và giá thành phải hợp lý. Để có độ ổn định cao, cuộn dây thường được quấn trên một ống cốt bền chắc bằng bìa hoặc sứ. Để giảm điện dung riêng có thể chia cuộn dây thành nhiều cuộn nhỏ nối tiếp. Dây đồng nói chung được dùng đến tần số khoảng 50 MHz. Ở tần số cao hơn, cuộn dây thường được thay bằng ống đồng hoặc dải đồng tự đỡ (thường được mạ bạc để có điện dẫn xuất bề mặt cao) để tránh tổn thất trong ống quấn. Các cuộn dây thường được tẩm dung dịch paraphin để chống ẩm, tăng độ bền cơ học, nhất là đối với các cuộn dây dùng sợi nhỏ chập lại hoặc cuộn dây quấn theo kiểu "tổ ong". Ở tần số Radio, các cuộn đây thường được bọc kim (đặt trong vỏ nhôm ) để tránh các nhiễu điện từ không mong muốn. Muốn tăng điện cảm của cuộn dây mà không cần tăng số vòng dây, người ta dùng các lõi sắt từ b. Cuộn dây lõi sắt bụi: Cuộn dây lõi sắt bụi thường được 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. c. Cuộn dây lõi Ferit: Cuộn dây lõi Ferit là các cuộn dây 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 Trong hình (2-20) mô tả một số loại cuộn dây cao tần và trung tần. Lõi trong cuộn dây có thể được chế tạo để điều chỉnh đi vào hoặc đi ra khỏi cuộn dây. Như vậy điện cảm của cuộn dây sẽ thay đổi. Tuỳ thuộc vào độ dày của sợi dây sử dụng và vào kích thước vật lý của cuộn dây, dòng điện cực đại có thể khoảng từ 50 mA đến 1 A. 42
45. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động b. Cuộn dâylõi không khí c. Cuộn dây hình khuôn hoặc Ferit ống dây Cuộn dây Lõi nồi Ferit a. Cuộn dây cao tần d. Cuộn RF lõi e. Cuộn dây màng lõi nồi Ferit không khí mỏng Hình 2 -20: Một số loại cuộn dây cao tần d. Cuộn dây lõi sắt từ: Lõi của cuộn dây thường là sắt - silic và sắt silic hạt định hướng, hoặc sắt- niken tuỳ theo mục đích ứng dụng. Đây là các cuộn dây làm việc ở tần số thấp. Dây quấn là dây đồng đã được tráng men cách điện, quấn thành nhiều lớp có cách điện giữa các lớp và được tẩm chống ẩm sau khi quấn. Các cuộn chặn tần số thấp được dùng chủ yếu để lọc bỏ điện áp gợn cho nguồn cung cấp một chiều qua chỉnh lưu, làm tải anôt trong các tầng khuếch đại dùng đèn điện tử ghép LC, và trong các ứng dụng một chiều khác. Giá trị cảm ứng của các cuộn dây này nằm trong khoảng từ 50 mH đến 20 H với dòng điện một chiều đến 10 A và điện áp cách điện đến 1000 V. Kẹp bằng nhôm Lõi sắt từ Cuộn dây Hình 2 -21: Cuộn dây lọc nguồn tiêu chuẩn  Ký hiệu của lõi Ferit và các cuộn dây: Ký hiệu của lõi và của các cuộn dây được qui định theo từng nước sản xuất. Qui ước vòng màu cho các cuộn dây kích thước nhỏ. Nhìn chung qui ước màu giống như ở điện trở 1,2,3,4 43
46. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Qui ước: - Vòng màu thứ 1: chỉ số có nghĩa thứ nhất hoặc chấm thập phân - Vòng màu thứ 2: chỉ số có nghĩa thứ hai hoặc chấm thập phân - Vòng màu thứ 3: chỉ số 0 cần thêm vào - Vòng màu thứ 4: chỉ dung sai %. Trong trường hợp này, đơn vị đo của điện cảm là μH. Thứ tự các vòng màu ngược với điện trở. Bảng 2.5: Mô tả ký hiệu màu cho các cuộn dây Màu Giá trị của các số Dung sai Đen 0 - Nâu 1 - Đỏ 2 - Cam 3 - Vàng 4 - Xanh lá cây 5 - Xanh lam 6 - Tím 7 - Xám 8 - Trắng 9 - Bạch kim - 10% Vàng kim Chấm thập phân 5% Không vạch màu - 20% 2.4. BIẾN ÁP 2.4.1. Định nghĩa và ký hiệu trong sơ đồ mạch. a. Định nghĩa: Biến áp là thiết bị gồm hai 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 tiêu thụ năng lượng điện gọi là cuộn thứ cấp. 44
47. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Lõi sắt U2 Rt Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp ~ U1 Từ thông Hình 2 -23: Cấu tạo cơ bản của biến áp b. Ký hiệu của biến áp trong các sơ đồ mạch điện: a. Biến áp âm tần b. Biến áp nguồn lõi sắt và biến áp tự ngẫu c. Biến áp cao tần không lõi d. Biến áp lõi Ferit e. Biến áp trung tần Hình 2 -24: Các ký hiệu của biến áp trong sơ đồ mạch điện 2.4.2. Các tham số kỹ thuật của biến áp. a. Hệ số ghép biến áp K: Số lượng từ thông liên kết từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp được định nghĩa bằng hệ số ghép biến áp K: Từ thông liên kết giữa hai cuộn sơ cấp và cuộn thứ K= Tổng số từ thông sinh ra do cuộn sơ cấp Thông thường hệ số ghép biến áp được tính theo công thức: M K = (2. 17) LL12 45
48. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động Trong đó: 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: I1 U2 N 2 == I 2 U1 N1 Và dòng điện ở cuộn thứ cấp bằng: N1 I2 = I1 (2. 19) N 2 Ta thấy tỉ số dòng điện cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp là tỉ số nghịch đảo của điện áp cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, nên một biến áp tăng áp cũng chính là một biến áp hạ dòng và ngược lại. d. Hiệu suất của biến áp: Các biến áp thực đều có tổn thất nên người ta ra đưa 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 η = 2 . 100% = 2 100% (2. 20) P1 PP2ton+ that 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 đồng. Muốn giảm tổn hao năng lượng trong 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. 46
49. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động 2.4.3. Phân loại và ứng dụng của biến áp. Biến áp là thiết bị làm việc với dòng điện xoay chiều, còn khi làm việc với tín hiệu xung gọi là biến áp xung. 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 trong trường hợp 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 η ≈ 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. b. 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 biến áp thường được ghi giới hạn bằng Vôn- Ampe. Các yêu cầu thiết kế chính của một biến áp cấp điện tốt là: - Điện cảm cuộn sơ cấp cao để giảm dòng điện không tải xuống giá trị nhỏ nhất. - Hệ số ghép K cao để điện áp thứ cấp ít sụt khi có tải. - Tổn thất trong lõi càng thấp càng tốt . - Kích thước biến áp càng nhỏ càng tốt. c. Biến áp âm tần: 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 Các yếu tố ảnh hưởng đến biến áp âm tần cần chú ý: - Đáp ứng tần số: Ở tần số thấp, công suất ra bị giới hạn chủ yếu bởi điện cảm cuộn sơ cấp. Đáp ứng tần số bằng phẳng ở khoảng tần số từ 100 Hz đến 10 KHz. Ở khoảng này, sự thay đổi tần số không gây ảnh hưởng đến điện áp ra U2. 47
50. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động U2 100Hz 1kHz 10kHz 20kHz f Hình 2 -25: Đặc tính tần số của biến áp âm tần Ở tần số đủ cao, sự mất mát năng lượng do lõi sắt tăng đến mức điện áp ra bị giảm xuống. Như vậy ở tần số làm việc cao, ảnh hưởng của điện cảm rò và điện dung phân tán giữa các vòng dây cao hơn. - Khả năng truyền tải công suất: Để có thể truyền tải công suất cực đại phải chấp nhận một lượng méo dạng sóng nhất định. Lượng méo này tuỳ thuộc vào người thiết kế. Biến áp âm tần có thể dùng lõi sắt từ hoặc lõi ferit, và trên biến áp có ghi công suất (tuỳ thuộc vào kích thước ), tổng trở cuộn sơ cấp và tổng trở thứ cấp, loại có điểm giữa Lõi biến áp âm tần cũng thường có khe không khí để chống bão hòa từ do dòng điện một chiều gây ra. d. Biến áp xung: Biến áp xung có hai loại: loại tín hiệu và loại công suất. 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. 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 ~ R t2 Hình 2 -26: Ký hiệu biến áp nhiều đầu ra 48
51. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động 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. TÓM TẮT NỘI DUNG Cấu kiện điện tử thụ động thông dụng gồm có điện trở, tụ điện, cuộn cảm và biến áp. Điện trở (R) được coi là phần tử thông dụng nhất của các mạch điện tử. Đây là cấu kiện được chế tạo từ chất dẫn điện có điện trở suất cao. Trị số của điện trở được tính theo định luật Ôm. Điện trở dẫn dòng một chiều và xoay chiều như nhau. Các tham số kỹ thuật chính của điện trở là: - Trị số điện trở và dung sai: Trị số điện trở đo bằng đơn vị Ôm (Ω), nó cho biết khả năng cản điện nhiều hay ít của điện trở; Dung sai của điện trở chỉ phần trăm (%) sai số cho phép của điện trở so với giá trị danh định của nó. - Công suất tiêu tán cho phép là công suất điện cao nhất mà điện trở có thể chịu đựng được, quá trị số này thì điện trở sẽ bị nóng, cháy và hỏng. Tham số này thường được chú ý khi điện trở làm việc ở mạch điện có dòng điện lớn. - Hệ số nhiệt của điện trở (TCR) biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ lên trị số của điện trở thường tính theo đơn vị phần nghìn trên độ bách phân (ppm/oC). Điện trở được chế tạo và ghi các tham số cần thiết trên thân của nó để người sử dụng có thể đọc dễ dàng. Có một số cách ghi thông dụng được các nhà sản xuất qui định như ghi trực tiếp, ghi gián tiếp theo qui ước mã, qui ước màu Tụ điện (C) là cấu kiện điện tử được dùng làm phần tử tích điện tích trong mạch. Tụ điện ngăn cản dòng điện một chiều và dẫn dòng điện xoay chiều. Dòng điện và điện áp trên tụ điện lệch pha nhau 90 độ. Các tham số kỹ thuật chính của tụ điện là: - Trị số điện dung và dung sai: Trị số điện dung biểu thị khả năng tích điện của tụ điện và nó được đo bằng đơn vị Farad (F). Tuy nhiên đơn vị này rất lớn nên trong kỹ thuật thường dùng các ước số của nó là Micrô Farad (μF), nanô Farad (nF), picô Farad (pF). Dung sai của điện dung là sai số cho phép tính theo phần trăm (%) so với giá trị điện dung danh định của tụ điện. - Điện áp làm việc cho phép (Vdc) là trị số điện áp cao nhất đo bằng vôn mà tụ điện chịu đựng được, quá giá trị này tụ điện sẽ bị “đánh thủng”. - Hệ số nhiệt của tụ điện (TCC) biểu thị ảnh hưởng của nhiệt độ lên trị số điện dung được tính bằng phần triệu trên độ bách phân (ppm/oC). Cuộn cảm (L) là cấu kiện điện tử dùng để tạo thành phần cảm kháng ở trong mạch. Cuộn cảm dẫn dòng điện một chiều và tần số thấp dễ dàng, dòng xoay chiều có tần số càng cao qua càng khó. Cảm kháng của cuộn cảm được tính theo công thức: XL = 2ΠfL. Dòng điện và điện áp trên cuộn cảm lệch pha 90 độ. Khi sử dụng cuộn cảm chúng ta phải chú ý đến các tham số kỹ thuật cơ bản sau: - Điện cảm của cuộn dây ( L) đo bằng henry (H). Điện cảm phụ thuộc vào kích thước của cuộn dây, số vòng dây và cách quấn dây, vào lõi của cuộn dây. - Hệ số phẩm chất của cuộn cảm (Q). Xét hệ số phẩm chất của cuộn cảm chúng ta phải xét về độ tổn hao của cuộn dây. Độ tổn hao được đặc trưng bằng một điện trở nối tiếp với cuộn dây. Hệ số phẩm chất Q = XL/r (r- điện trở của các thành phần tạo ra cuộn dây). 49
52. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động - Tần số làm việc giới hạn (fg.h.) là tần số cao nhất mà cuộn dây vẫn làm việc bình thường, vẫn đảm bảo các tham số kỹ thuật của cuộn dây. Chúng ta đã xem xét một số loại cuộn cảm thông dụng: + Cuộn cảm không có lõi, đó là các cuộn cảm làm việc ở tần số cao và siêu cao nên yêu cầu về điện dung riêng của cuộn cảm phải rất nhỏ, hệ số phẩm chất cao và chúng thường là các cuộn cộng hưởng. + Cuộn cảm lõi fe-rit: là các cuộn cảm làm việc ở tần số cao và trung tần và chúng cũng thường là cuộn cộng hưởng. Cuộn cảm lõi fe rit có thể điều chỉnh điện cảm được và nó có nhiều hình dạng khác nhau. + Cuộn cảm lõi sắt từ: là các cuộn cảm làm việc ở tần số thấp, thường là cuộn chặn cao tần, hoặc cuộn lọc nguồn. Biến áp là cấu kiện dùng để biến đổi điện áp nhờ vào hiện tượng hỗ cảm của các cuộn dây đặt gần nhau. Cấu tạo cơ bản của biến áp gồm có cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp. Cuộn sơ cấp có đầu vào thường được đấu với nguồn điện áp cần biến đổi, cuộn thứ cấp thường có đầu ra đấu với tải tiêu thụ. Khi sử dụng biến áp chúng ta cần chú ý các tham số kỹ thuật cơ bản của chúng. - Tỉ số điện áp giữa cuôn thứ cấp và cuộn sơ cấp: U2/U1 = N2/N1, trong đó N1 và N2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp, tương ứng. - Tỉ số giữa dòng điện thứ cấp và dòng điện sơ cấp: I2/I1 = N1/N2 - Tỉ số giữa trở kháng vào và trở kháng ra: Z2/Z1 = N1/N2 - Hệ số ghép biến áp K Biến áp có nhiều loại, thông thường được phân chia theo mục đích sử dụng là biến áp cộng hưởng, biến áp nguồn, biến áp âm tần và biến áp xung. Biến áp cộng hưởng làm việc ở tần số cao và trung tần, thường là loại không có lõi hoặc lõi fe-rit. Biến áp cộng hưởng dùng để biến đổi tổng trở thì thuộc loại ghép chặt, còn dùng để truyền tín hiệu có chọn lọc thì thuộc loại ghép lỏng. Biến áp nguồn dùng để biến đổi điện áp ở tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz). Biến áp nguồn thường dùng lõi sắt từ và là loại ghép chặt. Biến áp âm tần làm việc ở dải tần số âm thanh nên yêu cầu về đáp ứng tần số phải tốt trong suốt dải tần công tác. Biến áp xung là loại biến áp làm việc ở chế độ tín hiệu xung nên yêu cầu về đáp ứng tần số còn cao hơn biến áp âm tần vì nó phải làm việc tốt ở tần số cao cũng như ở tần số thấp. Biến áp âm tần có lõi là sắt từ hoặc fe-rit tuỳ theo yêu cầu mạch điện. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Hãy cho biết các tham số cơ bản của điện trở? 2. Trình bày về các cách phân loại điện trở và nêu ứng dụng của chúng? 3. Cho biết các tham số cơ bản của tụ điện? 4. Nêu các cách phân loại tụ điện, cho một vài ví dụ. 5. Định nghĩa về cuộn cảm và nêu các tham số chính của nó. 6. Trình bày về đặc điểm của cuộn cảm lõi không khí và phạm vi sử dụng của chúng? 7. Trình bày các đặc điểm của cuộn cảm lõi fe-rit và ứng dụng của chúng? 8. Hãy cho biết các đặc tính của cuộn cảm lõi sắt từ và ứng dụng? 9. Nêu định nghĩa, cấu trúc và tham số chính của biến áp? 10. Trình bày về biến áp cộng hưởng? 11. Nêu các yêu cầu và đặc điểm chính của biến áp âm tần? 12. Đặc điểm của biến áp nguồn? 50
53. CÊu kiÖn ®iÖn tö Cấu kiện điện tử thụ động 13. Dựa vào % dung sai, điện trở được phân chia làm . a. 3 loại; b. 4 loại; c. 5 loại; d. 6 loại 14. Cấu trúc của biến trở khác với điện trở cố định chủ yếu là do a. vỏ bọc và lõi b. vật liệu cản điện c. số chân của cấu kiện. d. có thêm con chạy để điều chỉnh trị số điện trở. 15. Biến áp âm tần được thiết kế để làm việc ở dải tần số . a. từ 0Hz đến 20.000Hz; b. từ 20KHz đến 1MHz c. từ 20Hz đến 20.000Hz; d. từ 6MHz đến 1GHz TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giáo trình “Cấu kiện điện tử và quang điện tử”, Trần Thị Cầm, Học viện CNBCVT, năm 2002. 2. Fundamentals of electric circuits, David A. Bell, Prentice-Hall International Editions, 1988 51
54. cÊu kiÖn ®iÖn tö Điốt bán dẫn CHƯƠNG 3 ĐIỐT BÁN DẪN GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương 3 trình bày về các tính chất vật lý điện của lớp tiếp xúc P-N. Lớp tiếp xúc P-N là bộ phận chính của các cấu kiện bán dẫn. Lớp tiếp xúc P-N bao gồm các ion âm và dương cố định, chúng không dẫn điện nên lớp tiếp xúc P-N còn được gọi là lớp điện tích không gian hay lớp nghèo hạt dẫn. Trong chương 3 sẽ trình bày về các tính chất dẫn điện của lớp tiếp xúc P-N khi được phân cực thuận và phân cực ngược. Cũng trong chương này chúng ta sẽ được giới thiệu về một cấu kiện bán dẫn chỉ có một lớp tiếp xúc P-N đó là điốt bán dẫn. Điốt bán dẫn có nguyên lý dẫn điện một chiều và ta cũng nghiên cứu về đặc tuyến vôn-ampe của nó, các tham số tĩnh của điốt và chế độ động của nó. Ngoài ra chương 3 còn giới thiệu một số loại điôt thông dụng. NỘI DUNG 3.1. LỚP TIẾP XÚC P-N 3.1.1 Sự tạo thành lớp tiếp xúc P-N và các tính chất điện. Nếu trên một miếng bán dẫn đơn tinh thể (bán dẫn nguyên tính), bằng các phương pháp công nghệ, ta tạo ra hai vùng có bản chất dẫn điện khác nhau: một vùng là bán dẫn tạp loại P và một vùng kia là bán dẫn tạp loại N. Như vậy, tại ranh giới tiếp xúc giữa hai vùng bán dẫn P và N này sẽ xuất hiện một lớp có đặc tính vật lý khác hẳn với hai vùng bán dẫn P và N, được gọi là lớp tiếp xúc P-N. Trong lớp tiếp xúc P-N chỉ bao gồm hai khối điện tích trái dấu là các ion âm bên phía bán dẫn P và ion dương bên phía bán dẫn N. Đây là các ion cố định,không dẫn điện, do vậy, lớp tiếp xúc P-N còn gọi là vùng điện tích không gian hay vùng nghèo hạt dẫn. Độ dày của lớp này khoảng 10-4 cm = 10-6 m = micron. Hình 3.1 mô tả các tính chất điện của tiếp xúc P-N. Trong lớp tiếp xúc tồn tại một điện trường tiếp xúc hay điện trường khuếch tán (Hình 3-1c) có cường độ là E được tính là tích phân của mật độ điện tích ρ (trong hình 3-1b). Điện trường tiếp xúc này có chiều tác dụng từ bán dẫn N sang bán dẫn P. Sự thay đổi của điện thế tĩnh ở vùng điện tích không gian được chỉ ra ở hình (3-1d). Đó chính là hàng rào thế năng ngăn cản sự khuếch tán tiếp theo của các lỗ trống qua lớp tiếp xúc. Hình dạng hàng rào thế năng, hình (3-1e), ngăn cản sự khuếch tán của các điện tử từ bán dẫn N qua lớp tiếp xúc. 52
55. cÊu kiÖn ®iÖn tö Điốt bán dẫn Mặt tiếp xúc Ion cho Ion nhận a/ Điện tử tự - - - - - - + + + + + + do - - - - - - + + + + + + - - - - - + + + Lỗ trống - + + + - - - - - - + + + + + + BD loại P BD loại N 0,5 cm 0,5 cm 10-4cm Vùng điện tích không gian b/ Mật độ điện tích ρ d 2V ρ = − 2 + dX e - (e=2,73) c/ Cường độ điện trường tiếp xúc E dV ρ E = − = dX dX ∫ e d/ Điện thế tĩnh V hoặc hàng rào thế năng đối V0 với lỗ trống V = 0 khoảng cách từ tiếp xúc P-N E = 0 e/ Hàng rào thế E năng đối với điện 0 Phía N tử khoảng cách từ tiếp xúc P-N Hình 3 - 1 : Đồ thị của tiếp xúc P-N gồm: a- cấu trúc tiếp P-N ; b- mật độ điện tích c- cường độ điện trường d, e- hàng rào thế năng ở tiếp xúc P-N 3.1.2. Điều kiện cân bằng động của lớp tiếp xúc P-N Khi dòng điện do các hạt dẫn chuyển động khuếch tán và các hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N có giá trị bằng nhau thì ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng động,. Do các dòng điện này ngược chiều nhau nên chúng triệt tiêu lẫn nhau và dòng điện tổng qua lớp tiếp xúc P-N bằng không. Lúc này lớp tiếp xúc có bề dày ký hiệu là d, điện trở lớp tiếp xúc ký hiệu là RP/N, cường độ điện trường tiếp xúc ký hiệu là E0 (hay còn gọi là hàng rào thế năng) và tương ứng với nó có hiệu điện thế tiếp xúc ký hiệu là V0. Các đại lượng này ta sẽ tính được qua 53
56. cÊu kiÖn ®iÖn tö Điốt bán dẫn các công thức dưới đây. Do lớp tiếp xúc P-N là vùng nghèo hạt dẫn nên điện trở của nó lớn hơn nhiều điện trở của hai vùng bán dẫn P và N (RP/N >>RN và RP). Điều kiện cân bằng này giúp ta tính được độ cao của hàng rào thế năng V0 phụ thuộc vào nồng độ tạp chất cho và tạp chất nhận. Giá trị của V0 khoảng từ vài phần mười vôn. Theo hình (3- 2) ta thấy mức năng lượng Fecmi của cả hai phần bán dẫn P và N nằm trên một đường thẳng. Mức năng lượng E0 - thế năng của điện tử hay hàng rào thế năng của điện tử ở tiếp xúc P-N khi nó ở trạng thái cân bằng là: E0 = ECp - ECn = EVp - EVn (3 . 1) Bán dẫn loại P Bán dẫn loại N Tiếp xúc P-N ECP Vùng dẫn Vùng dẫn E 0 Ei E Cn EF EVP Ei E0 EVn Vùng hóa trị Vùng hóa trị Hình 3 - 2: Đồ thị vùng năng lượng của tiếp xúc P-N khi hở mạch (trạng thái cân bằng). Phác họa này minh họa cho hình 3-1e và biểu thị thế năng của điện tử. Bề rộng vùng cấm EG [eV]. Hiệu điện thế tiếp xúc V0 ở tiếp xúc P-N trong trạng thái cân bằng nhiệt động được tính theo công thức sau: NNDA VVVVln0npT=−= 2 (3. 2) ni Tương ứng với V0 ta có cường độ điện trường tiếp xúc ở trạng thái cân bằng nhiệt động E0 là: NNDA E0 = KT ln 2 (3. 3) n i Trong đó E0 đo bằng [eV], và V0 đo bằng [V] . Ngoài ra, hiệu điện thế tiếp xúc E0 còn được tính theo công thức sau: PP0 n n0 E0 = KT ln = KT ln (3. 4) Pn0 n P0 Chỉ số 0 trong công thức trên để biểu thị rằng các nồng độ hạt dẫn này được tính ở điều kiện cân bằng nhiệt động. 3.1.3. Lớp tiếp xúc P-N khi phân cực thuận. 54