›
›

Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Nguyễn Văn Hân (Phần 2)

pdf 37 trang phuongnguyen 170
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Nguyễn Văn Hân (Phần 2)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_dien_tu_chuong_2_ky_thuat_tuong_tu_nguyen.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Nguyễn Văn Hân (Phần 2)

  1. Chương 2: KỸ THUẬT TƯƠNG TỰ 2.1. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN - PHẦN TỬ MỘT MẶT GHÉP P-N 2.1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp chất Phân biệt độ dẫn điện của các chất bằng phương pháp cổ điển Dẫn điện Bán dẫn điện Cách điện R() a. Cấu trúc vùng năng lượng trong chất rắn tinh thể Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn 0 Eg 2eV Vùng cấm Eg Vùng hoá Vùng hoá trị trị Vùng hoá trị c) b) a) 1
  2. b. Chất bán dẫn thuần Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) đều thuộc nhóm 4 của Bảng tuần hoàn. Si có Eg=1,12eV và Ge có Eg=0,72eV Si Si Si Vùng dẫn Lỗ Điện tử trống n + . i Si Si Si 1,12eV p Si Si Si i Vùng hoá trị Muốn có hạt dẫn tự do phải có năng lượng kích thích Ekt > Eg làm phát sinh một cặp hạt dẫn nên ni = pi. 2
  3. c. Chất bán dẫn tạp chất loại n Pha tạp chất thuộc nhóm 5 của BTH (Như P, As ) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại n. Mức năng lượng tạp chất loại n nằm ở phía trên vùng cấm gần đáy vùng dẫn Các điện tử dễ dàng nhận năng lượng kích thích bên ngoài để Vùng dẫn Mức tạp nhảy lên vùng dẫn và tham gia   vào quá trình dẫn điện. chất loại n Hạt dẫn đa số là điện tử. Hạt dẫn thiểu số là lỗ trống: Vùng hoá trị nn >> pn 3
  4. d. Chất bán dẫn tạp chất loại p Pha tạp chất thuộc nhóm 3 của BTH (Al, B ) vào mạng tinh thể Ge hay Si với nồng độ khoảng 1010 đến 1018 nguyên tử/cm3 ta có chất bán dẫn loại p. Mức năng lượng tạp chất loại p nằm ở phía dưới vùng cấm gần đỉnh vùng hoá trị Các điện tử dễ dàng nhận năng Vùng dẫn lượng kích thích bên ngoài để nhảy từ vùng hoá trị lên mức tạp chất loại p tạo nên điện tích tham gia Mức tạp vào quá trình dẫn điện. chất loại p Hạt dẫn đa số là lỗ trống mang đt + Vùng hoá trị Hạt dẫn thiểu số là điện tử mang đt - pp >> np 4
  5. e. Vài hiện tượng vật lý thường gặp • Hiện tượng ion hoá nguyên tử Ở nhiệt độ thường, bán dẫn nguyên chất hay tạp chất đều bị ion hoá và có số hạt dẫn n hay p xác định được dựa vào hàm Fermi -Dirac. EC EF EF EV n NC exp p NV exp KT KT ở trạng thái cân bằng thì tích số nồng độ hai loại hạt dẫn luôn là một hằng số: E g nnnp p p pn ni pi NC NV exp KT + Bán dẫn n có nn >> ni >> pn. Và: nn=N D. - Bán dẫn p có pp >> pi >> np. Và: np=N A nn, pp: Là các hạt dẫn đa số (điện tử ở bd loại n, lỗ trống ở bd loại p) np, pn: Là các hạt dẫn thiểu số (điện tử ở bd loại p, lỗ trống ở bd loại n) + - N D, N A: Là các ion dương, âm tạp chất. Ec, Ev: Mức năng lượng đáy vùng dẫn, đỉnh vùng hóa trị 5
  6. • Hiện tượng tái hợp các hạt dẫn Tái hợp là quá trình chuyển dời các điện tử từ mức cao xuống thấp làm mất đi một cặp hạt dẫn. Sự tái hợp có liên quan đến thời gian sống của điện tích đã được sinh ra và nó có quan hệ với tần số tác động nhanh của linh kiện điện tử • Chuyển động có gia tốc trôi của các hạt dẫn trong điện trường Khi có điện trường thì các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng để tạo nên dòng điện. Dòng trôi toàn phần là tổng của 2 dòng trôi: Itroi qE nn p p n ; p Độ linh động của các hạt dẫn tương ứng. E: Cường độ điện trường q: Điện tích các hạt 6
  7. • Chuyển động khuếch tán Nếu trong khối bán dẫn có chênh lệch nồng độ điện tích không gian thì sẽ có hiện tượng khuếch tán làm cân bằng nồng độ. dn dn Iktn qDn qDn dx dx dp dp Iktp qDp qDp dx dx Với: Dn và Dp là hệ số khuếch tán của các hạt tương ứng KT D  U  n, p q n, p T n, p 2 2 Dn n Ln ; Dp p Lp Ln, Lp: Là quãng đường khuếch tán 7  n ; p Là thời gian sống của các hạt
  8. 2.1.2. Mặt ghép p-n và tính chất chỉnh lưu của Điốt bán dẫn a. Mặt ghép p-n khi chưa có E ngoài p n • Khi hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc nhau sẽ xẩy ra hiện tượng khuếch tán vì có chênh lệch p  n 17 10 15 nồng độ hạt dẫn.(PP 10 ,nP 10 ; nn 10 , 11 pn 10 ) Ikt • Hiện tượng khuếch tán sinh ra dòng điện Itr khuếch tán Ikt có chiều từ bd p sang bd n E tx UtxSi=0,6V • Các ion tạp chất tạo ra điện trường tiếp xúc sinh ra dòng trôi Itr ngược chiều Ikt. Khi cân bằng động Itr=-Ikt. utx KT p KT n U ln p ln n Utx =0,3V tx Ge q pn q np • Mặt ghép p-n được ứng dụng làm đi ốt Anốt Katốt bán dẫn. 8
  9. b. Mặt ghép p-n khi có điện trường ngoài p  n Etx Etx p  n p  n E ng Eng Ikt Ikt • Khi điện trường ngoài và • Khi điện trường ngoài và điện điện trường tiếp xúc ngược trường tiếp xúc cùng chiều nhau chúng có xu hướng triệt nhau chúng có xu hướng cộng tiêu nhau làm vùng chuyển lại với nhau làm vùng chuyển tiếp (vùng nghèo điện tích) tiếp (vùng nghèo điện tích) hẹp lại, hàng rào thế giảm rộng ra, hàng rào thế tăng nên nên sự khuếch tán xẩy ra sự khuếch tán xẩy rất yếu -> mạnh hơn > có dòng điện không có dòng điện chạy qua chạy qua lớp tiếp giáp -> ta lớp tiếp giáp -> ta nói đi ốt nói đi ốt phân cực thuận. phân cực ngược. 9
  10. c. Đặc tuyến Von-Ampe và các tham số cơ bản của điốt bán dẫn • Đặc tuyến của điốt là một ImA đường cong phức tạp. Ge Si • Mỗi đường chia làm 3 vùng.  • Vùng  điốt phân cực thuận Đặc tuyến của Ge gần trục I hơn. Cùng một giá trị I ?  UAK (V) Cùng giá trị U ? • Đường Ge cắt trục hoành 0,2V  A • Đường Si cắt trục hoành 0,4 V • Vùng  và  điốt phân cực ngược. Dòng điện ngược của điốt Ge lớn hơn. • Vùng  điốt bị đánh thủng. Ge bị đánh thủng sớm hơn. • Nguyên nhân đánh thủng: vì nhịêt, vì điện 10
  11. • Dòng điện trong vùng phân cực thuận: U AK I A I S t exp 1 mUT D n D p Dòng điện ngược bão hòa, không phụ Với: I q.s. n p p n S L L thuộc vào UAK mà phụ thuộc vào bản chất n p chất bán dẫn, và nhiệt độ • Sự phụ thuộc vào nhiệt độ U mV - Vùng phân cực thuận: AK 2 T K Nhận xét? I A const -Vùng phân cực ngược: Dòng bão hòa ngược Is phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức 10%/K Điốt là linh kiện nhạy cảm với nhiệt độ Phải có biện pháp ổn định nhiệt. 11 Hiện tượng đánh thủng?
  12. Các tham số của điốt • Tham số giới hạn chủ yếu • Tham số định mức chủ yếu (để (quá giới hạn này điốt sẽ bị đánh giá chất lượng và phạm vi hỏng) ứng dụng của điốt) - Điện áp ngược cực đại - Điện trở một chiều Rđ=UAK/IA Ungcmax (thường chọn 80% - Điện trở vi phân (xoay chiều) của Uđt) rđ = UAK / IA = UT / (IA+ Is ) - Dòng thuận cực đại IAcf. Trên nhánh thuận rđth nhỏ. Trên - Công suất tiêu hao cực đại nhánh ngược rđngc lớn. Sự chênh lệch càng lớn tính chất chỉnh lưu cho phép để điốt chưa bị càng tốt. đánh thủng vì nhiệt. P . Acf - Điện dung tiếp giáp p-n. ở tần số - Tần số giới hạn của điện áp cao dung kháng càng giảm và tín hay dòng điện trong mạch hiệu sẽ truyền qua điốt làm mất fmax. t/c chỉnh lưu. 12
  13. Phân loại đi ốt bán dẫn • Dựa vào đặc điểm cấu tạo: Điốt tiếp điểm, tiếp mặt • Dựa vào chất bán dẫn: Ge hay Si • Dựa vào tần số giới hạn fmax: Điốt cao tần, điốt âm tần • Dựa vào công suất cực đại cho phép: Điốt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. • Dựa vào nguyên lý làm việc hay phạm vi ứng dụng: Điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (điốt zener), điốt biến dung (Varicap), điốt Gunn. • 13
  14. MỘT SỐ DẠNG ĐI ỐT CỤ THỂ • Đi ốt có vỏ bọc bằng thuỷ tinh hay nhựa tổng hợp chịu nhiệt. • Loại đơn có hai cực, vạch màu ở phía cực Ka tốt. • Loại đi ốt kép có ba cực, linh kiện đóng vỏ như • Lotranzitoại đi .ốt cầu có bốn cực điện được đánh dấu +, - và ghi chữ AC hay ~ 14
  15. NHỮNG DẠNG ĐI ỐT ĐẶC BIỆT • Để chỉnh lưu dòng điện lớn hàng trăm A, đi ốt được chế tạo có vỏ bọc ngoài bằng kim loại và tạo dáng phù hợp nhằm giải nhiệt tốt, dây dẫn điện vít bằng đinh ốc chứ không hàn. 15
  16. NHỮNG DẠNG ĐI ỐT KHÁC • Đi ốt phát quang (LED) với nhiều hình dạng và màu sắc khác nhau. 16
  17. 2.1.3. Vài ứng dụng điển hình của đi ốt bán dẫn • Mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ dùng hai đi ốt. Biến áp có thứ cấp ba đầu ra tạo nên U2.1 = U2.2 nhưng ngược pha nhau (điểm giữa nối chung).Hoạt động • Giá trị trung bình điện áp trên tải: U 0 =0,9U 2 • Giá trị trung bình của dòng điện trên tải: It=U 0/Rt . Dòng qua mỗi đi ốt Ia1=Ia2=It/2. • Đánh giá độ bằng phẳng bằng hệ số đập mạch: qn=Unm / Uo 17
  18. • Unm là biên độ sóng có tần số n. m là số pha chỉnh lưu. Lấy n=1 và m=2 ta có: U1m 2 q1 2 0,67 U 0 m 1 Điện áp ngược cực đại trên mỗi đi ốt bằng tổng điện áp cực đại trên hai cuộn thứ cấp biến áp. Ungc max 2 2U 2 3,14U 0 • ­u điểm: Sơ đồ đơn giản • Khuyết điểm: Chất lượng điện áp một chiều thấp, hiệu suất năng lượng thấp, biến áp có hai phần thứ cấp đối xứng, điện áp ngược trên mỗi đi ốt cao. • Khắc phục: Chỉnh lưu cầu. 18
  19. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VỚI LÝ THUYẾT 19
  20. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN DAO ĐỘNG KÝ 20
  21. MẠCH CHỈNH LƯU CẦU • Sơ đồ mạch điện. Nguyên tắc hoạt động. • Khảo sát mạch qua Work Bench và rút ra nhận xét: - Hệ số đập mạch - Giá trị điện áp sau chỉnh lưu đo bằng đồng hồ khi hở mạch U ra0 2U 2 2U D - Điện áp ngược trên mỗi đi ốt? 21
  22. MẠCH CHỈNH LƯU Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đi ốt  • Cực K và A của các đi ốt? • Lối vào xoay chiều? • Nếu sai điểm đấu lối vào? • Nếu sai giá trị điện áp lối vào? • Lối ra một chiều? • Có gì chú ý đối với tụ điện? • Nếu mắc sai tụ điện? Đi ốt  Tụ điện +/- 22
  23. MẶT SAU BẢNG MẠCH THÍ NGHIỆM • Biến áp nguồn có sơ cấp nối vào điện lưới 220VAC. • Thứ cấp nối qua ckuyển mạch K1 dẫn vào hai phần thí nghiệm khác nhau. 23
  24. MẠCH CHỈNH LƯU VÀ ỔN ÁP (THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ) • Những linh kiện nào làm nhiện vụ chỉnh lưu? • Số đi ốt trong mỗi mạch chỉnh lưu? • Tụ lọc sau đi ốt chỉnh lưu? Số tụ lọc và cách mắc? • Mạch điện tiếp theo? 24
  25. I IDz IRt æn áp dùng điốt zener 25
  26. KHẢ NĂNG ĐÁP ỨNG CỦA MẠCH 26
  27. SO SÁNH SỰ BIẾN ĐỘNG CỦA U vào và U Dz Uvào=15V UDz=12,24V I=? Uvào=17V UDz=12,35V I=? 27
  28. 2.2. PHẦN TỬ HAI MẶT GHÉP P-N 2.2.1a. Cấu tạo tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) Ba lớp bán dẫn xếp xen kẽ nhau pnp hay npn. Miền emitơ (E) có nồng độ tạp chất cao hơn. Miền bazơ (B) xen giữa mỏng vài m, nồng độ tạp chất nhỏ. Miền colectơ (C) có nồng độ tạp chất thấp trung bình. Diện tích tiếp xúc BC (tiếp giáp JC ) lớn hơn EB (tiếp giáp JE ) . p n p n p n E C E C JE JC JE JC B B 28
  29. MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ • Ký hiệu trên linh Đóng vỏ bằng kim kiện theo quy loại để tăng khả năng tản nhiệt. định của nước Cực C nối trưc tiếp ra vỏ. sản xuất. • Nhật: A ; B ; C ; D • Mỹ: 2N • Châu Âu 2SA , 2SB , 2SC , 2SD Đóng vỏ nhựa chịu nhiệt. Phần kim loại nối với cực C 29
  30. Cách xác định các cực của Transistor Transistor công suất nhỏ Transistor công suất lớn Sử dụng đồng hồ vạn năng??? 30
  31. MỘT SỐ DẠNG TRANZITO TRONG THỰC TẾ Tran zito siêu cao tần 31
  32. 2.2.1b. Nguyên lý làm việc của tranzito bipola (tranzito lưỡng cực) • Để tranzito làm việc được ở chế độ khuếch đại cần đưa điện áp một chiều vào các cực (gọi là phân cực) theo nguyên tắc: JE phân cực thuận, JC phân cực ngược. • Các hệ thức cơ bản: IE = IB + IC . = IC / IE đánh giá mức hao hụt dòng khuếch tán trong vùng bazơ  = IC / IB đánh giá tác dụng điều khiển của dòng IB tới dòng IC. Từ đó ta có: IE = IB (1 + ). và =  / (1+ ). 32
  33. 2.2.1c. Cách mắc tranzito và các tham số ở chế độ tín hiệu nhỏ • Mỗi tranzito có 3 điện cực mà một mạch điện xử lý tín hiệu có 4 điện cực nên phải có một cực được nối chung. U1 (vao) T U2 (ra) U U2 (ra) U 2 (ra) U1 (vao) U2 (ra) 1 (vao) U1 (vao) E B C Mạch EC Mạch BC Mạch CC • Từ ba cách mắc và coi mỗi cách mắc như một tứ cực ta có thể viết được 6 cặp phương trình mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra để xác định tham số của tranzito. (Tham khảo SGK) 33
  34. 2.2.1d. Phương trình các họ đường đặc tuyến của tranzito Tæng qu¸t EC BC CC §Æc tuyÕn vµo U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| U =f(I )| 1 1 U2 =const BE B UCE EB E UCE BC B UEC §Æc tuyÕn ph¶n håi U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| U =f(U )| 1 2 I1 =const BE CE IB EB CB IE BC EC IB §Æc tuyÕn truyÒn I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| I =f(I )| ®¹t 2 1 U2 =const C B UCE C E UCB E B UEC §Æc tuyÕn ra I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| I =f(U )| 2 2 I1 =const C CE IB C CB IE E EC IB 34
  35. 2.2.2a. Họ đặc tuyến của dạng mắc mạch EC dùng tranzito I• AIvào = IB ; I ra = Ic . B U = 2V CE UCE (ra) UBE (vao) UCE = 6V 100 E UCE = 6V IC mA UBE V 1 IB =60A UCE = 2V 4 IB =40A • Đặc tuyến vào giống IB =20A IB A miền thuận của điốt 100 -5 UCE V • Đặc tuyến ra: Miền có độ dốc lớn -> thay đổi nhỏ UCE -> thay đổi lớn IC. Miền có độ dốc nhỏ -> thay đổi nhỏ IB -> thay đổi lớn IC. • Đặc tuyến truyền đạt: ứng với một giá trị UCE cố định thì quan hệ IB với IC là một đường thẳng. Khi tăng UCE lên một giá trị khác thì đường đặc tuyến càng dốc hơn. 35
  36. 2.2.2b. Họ đặc tuyến của cách mắc mạch BC dùng tranzito • Ivào = IE ; I ra = Ic . Đặc tuyến vào giống miền thuận của điốt UEB (vao) UCB(ra) IE mA UCB = 6V U = 1V B CB U = 6V 3 CB IC mA IE =3mA UCB = 2V 3 IE =2mA U V EB I =1mA 1 E IE mA 3 -5 UCB V • Khi IE cố định thì IC IE. Tăng UCB thì IC tăng không đáng kể. IC luôn luôn nhỏ hơn IE. Khi UCB = 0 thì IC 0 vì điệp áp tiếp xúc trong JC đã cuốn điện tích vượt qua miền bazơ rất mỏng. • Đặc tuyến truyền đạt có thể suy từ đặc tuyến ra. Vì dòng IB rất nhỏ nên đồ thị gần như đường thẳng. 36
  37. 2.2.2c. Họ đặc tuyến của cách mắc mạch CC dùng tranzito • Ivào = IB ; I ra = IE . Đặc tuyến vào có dạng khác hẳn vì U phụ thuộc nhiều vào U . CB CE UCE(ra) Nếu UCB tăng thì UBE giảm nên IB giảm. UCB(vao) IB A C UCE = 21V 100 UCE = 6V I mA UCE =41V E IB =60A IB =40A UCE = 2V 4 I =20A UCB V B -4 IB A 100 -5 UCE V • Trong thực tế IC IE nên đặc tuyến ra và đặc tuyến truyền đạt của mạch EC và mạch CC là gần tương tự như nhau. 37