Đồ án Thiết kế mạch quản lý nguồn buck converter ứng dụng trong năng lượng tái tạo mặt trời (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế mạch quản lý nguồn buck converter ứng dụng trong năng lượng tái tạo mặt trời (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ÐIỆN-ÐIỆN TỬ ÐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ ÐIỆN TỬ VIỄN THÔNG THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NGUỒN BUCK CONVERTER ỨNG DỤNG TRONG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO MẶT TRỜI GVHD: TS. VÕ MINH HUÂN SVTH: TRẦN NGỌC NGUYÊN MSSV: 10117047 SVTH: TRẦN TRIỀU MSSV: 10117071 SKL003312 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2014
2. BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH QUẢN LÝ NGUỒN BUCK CONVERTER ỨNG DỤNG TRONG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO MẶT TRỜI GVHD : TS. VÕ MINH HUÂN SVTH : TRẦN NGỌC NGUYÊN 10117047 TRẦN TRIỀU 10117071 TP. HỒ CHÍ MINH – 7/2014
3. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập trên giảng đường đại học, đồ án tốt nghiệp được xem như là một bước ngoặt lớn của các sinh viên. Nó giúp tổng kết lại những kiến thức đã học, đồng thời giúp sinh viên có thể tìm hiểu và nghiên cứu đề tài mà mình yêu thích. Được sự giúp đỡ tận tình của thầy Võ Minh Huân là một điều vô cùng quý giá đối với những người thực hiện. Bên cạnh đó, thầy là người đã đưa ra những định hướng đúng đắn và giúp cho những người thực hiện hoàn thành đồ án một cách xuất sắc và đúng tiến độ nhất có thể. Do đó, những người thực hiện xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy. Và những người thực hiện không thể không gửi lời cảm ơn đến những thầy cô đã dìu dắt, dạy dỗ, cung cấp kiến thức cho những người thực hiện để tập đồ án có thể hoàn thiện. Cũng là thiếu sót nếu những người thực hiện đồ án quên nói lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, nhưng anh chị và bạn bè đã ủng hộ về mặt tinh thần cũng như là vật chất để những người thực hiện có trên tay tập đồ án này. Trong quá trình thực hiện tập đồ án, những người thực hiện khó lòng tránh khỏi những sai sót không đáng có, mong thầy cô và các có thể đóng góp ý kiến để những người thực hiện có thể sửa chữa và hoàn thiện hơn. Tp.Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2014 Những người thực hiện Trần Ngọc Nguyên Trần Triều LỜI CẢM ƠN
4. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii LIỆT KÊ HÌNH vi LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT ix TÓM TẮT x ABSTRACT xi Chương 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan 1 1.2 Mục tiêu đề tài 1 1.3 Hướng thực hiện 2 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2 1.6 Bố cục của đề tài 2 Chương 2 4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4 2.1 Chất bán dẫn 4 2.2 Chuyển tiếp P-N 5 2.2.1 Giới thiệu chuyển tiếp P-N 5 2.2.2 Phân cực cho chuyển tiếp P-N 6 2.3 Tranzitor trường MOSFET 9 Chương 3 16 HỆ THỐNG MẠCH SẠC PIN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16 3.1 Hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời 16 3.2 Pin mặt trời (Solar cell) 16 MỤC LỤC
5. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iii 3.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời 16 3.2.2 Phân loại pin mặt trời 17 3.2.3 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời 18 3.2.4 Đặc tuyến làm việc của pin mặt trời 19 3.3 Maximum power point tracking 22 3.4 Buck converter 23 3.4.1 Giới thiệu mạch buck converter 23 3.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch buck converter 23 3.4.3 Nguyên tắc dung hợp tải 25 3.5 Pin (bộ dữ trữ năng lượng) 26 3.5.1 Giới thiệu về pin 26 3.5.2 Cấu tạo của pin li-on 27 3.5.3 Chu trình nạp của pin li-on 28 3.5.4 Quá trình nạp lại của pin li-on 29 Chương 4 30 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ TÍNH TOÁN CHO MẠCH 30 4.1 Xây dựng solar cell 30 4.2 Bandgap reference 30 4.2.1 Giới thiệu về mạch bandgap reference 30 4.2.2 Ý tưởng của mạch bandgap reference 30 4.2.3 Thực hiện hóa mạch bandgap reference 31 4.2.4 Tính toán cho ngõ ra 1.4V 34 4.3 Operation transconductance amplifier 35 4.3.1 Giới thiệu về mạch ota 35 4.3.2 Đặc tính cơ bản của ota 35 4.3.3 Tính toán cho mạch ota 36 MỤC LỤC
6. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iv 4.3.4 Độ dữ trữ biên độ và độ dữ trữ pha trong thiết kế ota 37 4.4 Mppt controller 37 4.4.1 Giới thiệu về mạch mppt controller 37 4.4.2 Nguyên lý hoạt động của mạch mppt controller 38 4.5 Current sensor 38 4.5.1 Giới thiệu về mạch current sensor 38 4.5.2 Nguyên lý hoạt động của mạch current sensor 39 4.6 Mạch vtoi 41 4.6.1 Giới thiệu mạch vtoi 41 4.6.2 Ý tưởng thiết kế mạch vtoi 41 4.6.3 Thực hiện hóa mạch vtoi 41 4.7 Mạch pulsegen 41 4.7.1 Giới thiệu mạch pulsegen 41 4.7.2 Nguyên lý hoạt động của mạch pulsegen 42 4.8 Mạch tg 42 4.8.1 Giới thiệu mạch tg 42 4.8.2 Nguyên lý hoạt động của mạch tg 43 4.9 Xây dựng hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời 43 Chương 5 46 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46 5.1 Mô phỏng hệ thống 46 5.1.1 Đặt vấn đề 46 5.1.2 Kết quả mô phỏng 47 Chương 6 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 51 6.1 Kết luận 51 MỤC LỤC
7. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang v 6.1.1 Những vấn đề nghiên cứu trong đề tài: 51 6.1.2 Kết quả đạt được 51 6.1.3 Hạn chế đề tài 51 6.2 Hướng phát triển 51 PHỤ LỤC A: MÃ NGUỒN CHƯƠNG TRÌNH 52 PHỤ LỤC B: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM CADENCE VIRTUOSO 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 MỤC LỤC
8. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vi LIỆT KÊ HÌNH Hình 2.1: Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N 5 Hình 2.2: Chuyển tiếp P-N 6 Hình 2.3: Phân cực thuận chuyển tiếp P-N 7 Hình 2.4: Phân cực ngược chuyển tiếp P-N 7 Hình 2.5: Đặc tuyến V-I của chuyển tiếp P-N 8 Hình 2.6: Tranzito MOSFET kênh N làm nghèo 10 Hình 2.7: Phân cực cho MOSFET kênh N làm nghèo 10 Hình 2.8: Đặc tuyến MOSFET kênh N làm nghèo 11 Hình 2.9: Tranzito MOSFET kênh N làm giàu 13 Hình 2.10: Phân cực cho MOSFET kênh N làm giàu 13 Hình 2.11: Đặc tuyến MOSFET kênh N làm giàu 14 Hình 2.12: Ký hiệu các loại tranzito MOSFET 15 Hình 3.1: Hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời 16 Hình 3.2: Pin mặt trời 17 Hình 3.3: Tế bào quang điện cơ bản 18 Hình 3.4: Đặc tuyến V-I và P-V của pin mặt trời 19 Hình 3.5: Mô hình tương đương của pin mặt trời 20 Hình 3.6: Sự phụ thuộc của đặc tuyến V-I vào cường độ ánh sáng 20 Hình 3.7: Sự phụ thuộc của đặc tuyến V-I vào nhiệt độ 21 Hình 3.8: Đặc tuyến làm việc của tải và pin mặt trời 21 Hình 3.9: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 22 Hình 3.10: Sơ đồ mạch buck converter 23 Hình 3.11: Sự hợp tải cho pin mặt trời và pin 26 Hình 3.12: Cấu trúc của pin li-on hình trụ 28 Hình 3.13: Quá trình nạp lại của pin li-on 29 Hình 3.14: Quá trình xả của pin li-on. 29 Hình 4.1: Đặc tính dòng áp của BJT 31 Hình 4.2: Hàm nội suy của band gap 32 Hình 4.3: Cách tạo ra đại lượng tỷ lệ thuận với nhiệt độ 32 Hình 4.4: Cách tạo ra điện áp tham chiếu 33 LIỆT KÊ HÌNH
9. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vii Hình 4.5: Điện áp tham chiếu 33 Hình 4.6: Mạch bandgap reference 34 Hình 4.7: Mạch tương đương của mạch ngõ 1.4V 34 Hình 4.8: Sơ đồ mạch ota 36 Hình 4.9: Sơ đồ mạch mppt controller 38 Hình 4.10: Sơ đồ mạch current sensor 39 Hình 4.11:Mạch current sensor khi MP1 hoạt động 39 Hình 4.12: Mạch current sensor khi MP1 không hoạt động 40 Hình 4.13: Mạch current sensor xây dựng thực 40 Hình 4.14: Sơ đồ mạch vtoi 41 Hình 4.15 Sơ đồ mạch pulsegen 42 Hình 4.16: Sơ đồ mạch tg 42 Hình 4.17: Sơ đồ toàn bộ hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời 43 Hình 4.18: Mô hình hóa hệ thống mạch sạc pin băng năng lượng mặt trời 44 Hình 5.1: Hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời 46 Hình 5.2: Công suất và dòng điện solar array với I ph = 75mV 47 Hình 5.3: Công suất và dòng điện solar array với I ph = 100mV 47 Hình 5.4: Công suất và dòng điện solar array với I = 125mV 47 Hình 5.5: Công suất và dòng điện solar array với I = 150mV 48 Hình 5.6: Sự gia tăng công suất lớn nhất theo I của solar array 48 Hình 5.7: Chế độ sạc dòng và áp của pin tại I = 75mV 49 Hình 5.8: Chế độ sạc dòng và áp của pin tại I = 100mV 49 Hình 5.9: Chế độ sạc dòng và áp của pin tại I = 125mV 49 Hình 5.10: Chế độ sạc dòng và áp của pin tại I = 150mV 50 Hình 1: Command Interpreter Window 56 Hình 2: Library Manager 56 Hình 3: Cách tạo một thư viện mới trong Cadence 57 Hình 4: Cách đính kèm file technology 58 Hình 5: Cách tạo cell mới 58 Hình 6: Cách lựa chọn linh kiện 59 LIỆT KÊ HÌNH
10. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang viii Hình 7: Kết quả sau khi nối dây 60 Hình 8: Kết quả sau khi chèn pin (chân) 60 Hình 9: Cách tạo symbol 61 Hình 10: Kết quả tạo symbol 61 Hình 11: Chỉ định thư viện mô phỏng 62 Hình 12: Chọn hình thức mô phỏng 62 Hình 13: Hoàn tất cho chuẩn bị cho mô phỏng 63 Hình 14: Kết quả mô phỏng được 63 LIỆT KÊ HÌNH
11. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ix LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT ADC : Analog to Digital Converter CC : Constant Current CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CPU : Central Processing Unit CV : Constant Voltage DC : Direct Current ESR : Equivalent Series Resistance FET : Field Effect Transistor IC : Integrated Circuit LED : Light Emitting Diode JFET : Junction Field-Effect Transistor MESFET : Metal–Semiconductor Field-Effect Transistor MOSFET : Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor MPPT : Maximum Power Point Tracking OTA : Operation Transconductance Amplifier PV : Photovoltaic PWM : Pulse Width Modulation LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT
12. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang x TÓM TẮT Trong công cuộc tìm kiếm và sử dụng nguồn năng lượng mới cho con người, không thể nào thiếu công đoạn cải tiến chất lượng việc sử dụng nguồn năng lượng ấy sao cho tốt hơn, hiệu quả hơn. Chúng ta đã và đang sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, tuy nhiên để nâng hiệu suất sử dụng chúng ta cần có phương pháp mới. Trong bài báo cáo đồ án tốt nghiệp này, những người thực hiện giới thiệu về hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời dành cho các thiết bị di động trong đó có mạch maximum power point tracking để tìm điểm có công suất lớn nhất và mạch buck converter làm cho hệ thống hoạt động ở điểm có công suất lớn nhất cũng như là ổn định điện áp đưa vào pin. Thông qua việc tìm hiểu, tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời bằng phần mềm cadence virtuoso, nhóm thực hiện đã đạt được những kết quả nhất định như là quá trình sạc dòng và áp của pin. Cũng bởi vì đề tài còn khá mới mẻ và việc đọc hiểu nguồn tài liệu chủ yếu bằng tiếng anh còn hạn chế nên mạch được thiết kế có một số nhược điểm. Nhóm thực hiện đề tài rất mong muốn nhận được sự đóng góp của quý thầy cô để mạch được hoàn thiện hơn và có thể đưa vào ứng dụng trong cuộc sống phục vụ theo đúng mục đích nghiên cứu. TÓM TẮT
13. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang xi ABSTRACT In search of using new energy sources, it is essential to improve the quality of these energy sources. We have used solar energy for years; nevertheless, we need to have new methods of improving its efficiency. This graduation project introduces the charger circuit system using solar energy for mobile devices. The circuit system is composed of the maximum power point tracking circuit which is used to discover the maximum power point and the buck converter circuit that helps the system run at the maximum power as well as makes the battery’s input voltage stable. After days of examining, calculating, designing and demonstrating the charger circuit system using solar energy by using cadence virtuoso software, some results are found out such as CC charging and CV charging. Although the aims of the project have been reached, there are some limitations because the topic is quite new and most related documents are in English. Our team is looking forward to receiving your feedbacks and suggestions so that we can make the circuit better and can apply it into the real life. Keywords: photovoltaic, solar energy, battery charger, Buck converter, maximum power point tracking. ABSTRACT
14. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan Ngày nay, xã hội phát triển và có nhiều tiến bộ. Cuộc sống con người ngày càng tiện nghi hơn với nhiều loại máy móc hiện đại. Và để chúng hoạt động được thì cần phải có năng lượng. Do đó, năng lượng là vấn đề quan trọng và cấp thiết trong đời sống. Như chúng ta đã biết, chúng ta đã sử dụng năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ từ rất lâu. Nhưng những nguồn năng lượng truyền thống này không phải là vô tận và khi sử dụng nó thì có nhiều vấn đề cần quan tâm như sự ô nhiễm môi trường là một ví dụ. Và để phát triển một cách bền vững cũng như là tiết kiệm cho thế hệ sau, chúng ta cần phải tìm ra các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi trường, vô tận như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt Trong đó năng lượng mặt trời được quan tâm hơn cả bởi vì sự phổ biến, hiệu suất cao, điện áp DC được lấy ra trực tiếp từ pin mặt trời. Do đó, chúng ta có thể thấy việc nghiên cứu về năng lượng mặt trời là một vấn đề rất đáng để nghiên cứu và nó phù hợp với xu thế hiện đại. Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời đã diễn ra từ lâu và cũng đã đạt được những thành công nhất định. Nhưng vấn đề làm sao có thể nâng cao hiệu suất hoạt động để lấy được nhiều năng lượng mặt trời nhất có thể thì luôn được quan tâm và trăn trở. Nắm bắt được vấn đề này, những người thực hiện đã tiến hành việc nghiên cứu, tìm hiểu và thiết kế mạch quản lý nguồn buck converter ứng dụng trong năng lượng tái tạo mặt trời (hay gọi tắc là năng lượng mặt trời). 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu của đề tài: - Tìm hiểu, nghiên cứu sơ đồ khối của của hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời (gọi tắc là hệ thống). - Tiến hành thiết kế các mạch trong hệ thống. - Tiến hành mô phỏng hệ thống bằng phần mềm cadence virtuoso. - Phân tích kết quả mô phỏng của hệ thống. - Báo cáo kết quả đạt được. Chương 1: TỔNG QUAN
15. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 2 1.3 Hướng thực hiện Với mục đích tìm hiểu, nghiên cứu về hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời, những người thực hiện sẽ tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu hệ thống này thông qua các tài liệu của thế hệ đi trước, rút ra kiến thức cho mình. Từ đó tiến hành thiết kế các mạch và kiểm tra lại thông qua việc mô phỏng hệ thống dùng phần mềm cadence virtuoso. 1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đồ án tốt nghiệp này là mạch buck converter trong hệ thống mạch sạc pin từ năng lượng mặt trời. Trong đó để thu được năng lượng mặt trời một cách tốt nhất chúng ta sẽ sử dụng mạch Maximum Power Point Tracking. Do công nghệ chế tạo IC tại Việt Nam còn chưa phát triển và chi phí cho việc chế tạo IC tương đối cao nên không thể chế tạo được thành sản phẩm, do đó phạm vi nghiên cứu chỉ có thể dừng lại ở việc mô phỏng mạch, không tạo ra chip thực tế. Dẫn đến không khảo sát được mạch thực tế. 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc nghiên cứu mạch sạc pin từ năng lượng trời giúp con người tiếp cận gần hơn một nguồn năng lượng mới, vô hạn và ít gây ô nhiễm môi trường, thay thế cho việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống. Tạo điều kiện cho sự phát triển một cách bền vững. Do đó có thể thấy rằng nó có ý nghĩa vô cùng to lớn. Việc nghiên cứu mạch sạc pin từ năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ CMOS. Tạo điều kiện tiếp cận công nghệ mới hiện đại, quảng bá ngành vi mạch. Từ đó, phần nào có thể phát triển ngành công nghệ vi mạch cho nước nhà. 1.6 Bố cục của đề tài Đề tài được chia thành 5 chương: - Chương 1: Tổng quan: trong chương này sẽ giới thiệu về đề tài nghiên cứu, mục tiêu của đề tài, hướng nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu cũng như là ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết: chương này sẽ bắt đầu nghiên cứu cấu tạo cũng như là cơ chế dẫn điện và các đặc trưng của các linh kiện tích cực như điốt và tranzito MOSFET. Những linh kiện này được xem như là cơ sở của các mạch điện tử hiện đại. Chúng chỉ rộng khoảng vài micro mét vuông, nhưng lại là những viên gạch cơ sở của vi mạch. Chương 1: TỔNG QUAN
16. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 3 - Chương 3: Hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời: đến với chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời bao gồm những thành phần nào ? Tính chất, đặc điểm, nhiệm vụ của chúng ra sao ? Cung cấp những kiến thức cơ bản phục vụ cho việc thiết kế cấu trúc bên trong hệ thống. - Chương 4: Nguyên lý hoạt động và tính toán cho mạch: sau khi đã có những kiến thức cơ bản về linh kiện cơ sở vi mạch và chức năng của chúng. Nhiệm vụ, tính chất và đặc điểm của các khối trong hệ thống mạch sạc pin bằng năng lượng mặt trời, chúng ta sẽ bắt đầu tính toán, thiết kế cho từng mạch con trong hệ thống. Từ đó tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh như mong muốn. Đó chính là những điều mà chương 4 sẽ trình bày. - Chương 5: Kết quả mô phỏng: hoàn thành việc thiết kế, chúng ta sẽ tiến hành xây dựng mạch trên phần mềm cadence virtuoso. Từ đó, chúng ta sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống mạch để thu được kết quả. Kết quả này sẽ làm cơ sở cho việc đánh giá nhận xét mạch. Do đó, nhiệm vụ của chương 5 sẽ là tiến hành mô phỏng mạch, đưa ra kết quả mô phỏng và nhận xét. - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: mục đích của chương 6 sẽ là tổng kết lại tất cả các chương trước để xem xét lại chúng ta đã làm được gì ? những gì chưa làm được ? Từ những gì đã đạt được và chưa đạt được đó sẽ rút ra hướng phát triển cho đề tài sao cho phù hợp với tương lai và đúng như mục đích nghiên cứu ban đầu. Chương 1: TỔNG QUAN
17. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Chất bán dẫn Như đã biết, có ba loại vật liệu cơ bản là: kim loại, chất cách điện và bán dẫn. Nhìn nhận ở cấp độ nguyên tử, mỗi nguyên tử của chất dẫn điện đều có ít nhất một điện tử dẫn, còn chất cách điện thì ngược lại mỗi nguyên tử thường không có điện tử dẫn, còn đối với chất bán dẫn thì chỉ vài nguyên tử có chứa điện tử hoặc lỗ trống liên kết yếu. Khi có một điện tích tác động ở gần một vật liệu, các hạt tải điện tử tự do sẽ bị hút hay đẩy. Điện tử bị hút bởi một điện tích dương và bị đẩy bởi một điện tích âm; các lỗ trống bị đẩy bởi một điện tích dương và bị hút bởi một điện tích âm. Khi đó, các hạt tải tự do chuyển dịch trong vật liệu và như vậy làm xuất hiện một dòng điện. Khi đó ta nói rằng vật liệu bị tác dụng của một điện trường. Đó là trường hợp khi tác dụng một hiệu điện thế bằng một máy phát điện. Trong các chất cách điện, các hạt tải tự do có số lượng không đáng kể và có thể bỏ qua, do vậy không bị ảnh hưởng dưới tác động của điện trường. Trong các vật liệu bán dẫn tình trạng dẫn điện nằm trong vị trí trung gian bởi vì một phần nhỏ nguyên tử có chứa các hạt tải điện tự do. Tại sao công nghiệp điện tử lại chỉ sử dụng các vật liệu đặc biệt như bán dẫn ? Đó chính là nói về việc sản xuất các linh kiện có khả năng điều khiển một dòng điện bằng điện áp. Thực vậy, các linh kiện này cho phép khuếch đại các tín hiệu yếu vì có thể tạo ra dòng điện đạt giá trị cao. Chúng cũng cho phép thực hiện các bộ chuyển mạch điện tử, khi dòng bị điều khiển chuyển từ một giá trị không tới một giá trị khác không. Sự lựa chọn từ một vật liệu cách điện là không hy vọng bởi vì dòng điện không thể lưu thông. Lựa chọn từ một vật dẫn điện thì dẫn đến bế tắc. Thực vậy, điện trường không thể xuyên vào trong vật dẫn. Tính chất quan trọng này được suy ra từ các định luật điện từ. Với các điều kiện đó, không thể điều khiển dòng điện bằng điện trường. Vì thế, chỉ còn vật liệu bán dẫn là có thể thực hiện các linh kiện điện tử. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
18. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 5 Để chế tạo các linh kiện đó, ta cần phải điều khiển độ dẫn điện của bán dẫn. Nếu sử dụng vật liệu bán dẫn tinh khiết, thì số lượng các hạt tải điện tự do chỉ phụ thuộc nhiệt độ, ta nó đó là vật liệu tinh khiết (hay gọi là bán dẫn ròng). Chẳng hạn, một khối hình vuông silic cạnh 1cm, giữa hai măt đối diện có điện trở 10000Ω ở nhiệt độ phòng. Đối với silic thường dùng, điện trở khoảng 10Ω. Để có giá trị đó, người ta phải đưa tạp chất vào tinh thể bán dẫn tinh khiết. Thao tác này được gọi là sự pha tạp. Khi ta muốn tăng số lượng lỗ trống tự do, ta phải đưa tạp chất thuộc nhóm 3 vào và khi ta muốn tăng số lượng điện tử dẫn, ta phải đưa vào tạp chất thuộc nhóm 5. Các điện từ và lỗ trống do chính silic tạo ra trở nên rất nhỏ bé so với số lượng điện tử và lỗ trống do tạp chất đưa vào. Trong gần đúng bậc nhất, số các lỗ trống tự do bằng số lượng nguyên tử của tạp chất thuộc nhóm 3 đã được đưa vào và số lượng điện tử tự do bằng số lượng số lượng các nguyên tử tạp chất thuộc nhóm 5 đã được đưa vào. Trong trường hợp đầu, bán dẫn được gọi là bán dẫn loại P, còn trường hợp còn lại bán dẫn được gọi là bán dẫn loại N. Hình 2.1: Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N Trong hình 2.1 biểu diễn hai loại bán dẫn P và bán dẫn loại N, chúng ta thấy rằng khi việc hình thành các điện tử và lỗ trống tự do sẽ tạo ra các nguyên tử mang điện tích âm hoặc dương. Các nguyên tử tích điện hay còn gọi là các ion này có vai trò quan trọng trong các các linh kiện bán dẫn. 2.2 Chuyển tiếp P-N 2.2.1 Giới thiệu chuyển tiếp P-N Chúng ta đã đề cập ở phần 2.1 về các loại bán dẫn, vậy khi chúng ta cho hai loại bán dẫn P và N tiếp xúc với nhau thì chuyện gì sẽ xảy ra ? Khi đó phải xem các điện tử và lỗ trống như hai chất khí. Lỗ trống có lượng rất lớn ở trong miền P sẽ khuếch tán sang miền N. Các lỗ trống này được đặt ở nơi tồn tại một lượng lớn các điện tử Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
19. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 6 dẫn và chúng sẽ không bỏ lỡ cơ hội tái hợp với các điện tử vì một lỗ trống thực chất là thiếu một điện tử ở trong tinh thể. Cũng như vậy các điện tử các điện tử từ miền N khuếch tán sang miền P, tái hợp với lỗ trống có mặt ở đấy. Kết quả là ở phía bên này và phía bên kia của mặt phân cách hai vật liệu bán dẫn tạo nên hai vùng không có điện tích linh động. Vì thế chúng tạo nên điện tích trong mỗi vùng, các điện tích âm ở phía bán dẫn loại P và dương ở phía bán dẫn loại N. Cả hai tạo thành điện tích không gian. Bây giờ trở lại với trường hợp một lỗ trống từ miền P tìm cách khuếch tán sang miền N. Sự có mặt của điện tích không gian dương trong miền N ngăn cản sự dịch chuyển này. Tương tự như thế, điện tích không gian âm của miền P sẽ ngăn cản sự khuếch tán của điện tử. Vì thế quá trình được tự cân bằng vì điện tích điện đã được tạo nên bởi cơ chế khuếch tán chống lại chính sự khuếch tán. Một trạng thái cân bằng được thiết lập trong đó các tác động của sự khuếch tán và sự dẫn điện được tự cân bằng nhau. Nếu nhìn từ bên ngoài, toàn thể sự truyền điện bằng không nên không có dòng điện đi qua lớp chuyển tiếp. Kết quả này không có gì bất ngờ vì trong trường hợp ngược lại, linh kiện sẽ tạo ra một dòng điện xuất phát từ hư vô, mà điều này hoàn toàn trái ngược với các quy tắc cơ sở của vật lý. Hình 2.2: Chuyển tiếp P-N 2.2.2 Phân cực cho chuyển tiếp P-N Bây giờ chúng ta sẽ nghiên cứu chuyển tiếp P-N khi ta tác động ở hai đầu của nó một hiệu điện thế. Trong trường hợp điện áp dương đặt vào phía P và điện áp âm được đặt vào phía N. Đặt một thế bên ngoài đưa đến tác động một lực điện vào các điện tích chuyển động của vật liệu. Lực làm dịch chuyển các điện tích dương từ cực Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
20. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 7 dương tới cực âm của nguồn (một pin chẳng hạn). Các điện tử chịu tác động lực theo chiều ngược lại, các lỗ trống của miền P bị đẩy tới miền điện tích không gian và các điện tử cũng của miền N cũng bị đẩy tới vùng điện tích không gian. Cuối cùng, vùng điện tích không gian giảm xuống, do vậy các điện tích được tao ra bởi các ion cố định của vùng điện tích không gian giảm và ngăn cản ít hơn sự khuếch tán của các hạt tải. Các dòng điện khuếch tán tăng lên và một dòng điện có giá trị lớn chuyển qua linh kiện. Ta nói rằng chuyển tiếp phân cực thuận. Hình 2.3: Phân cực thuận chuyển tiếp P-N Trong trường hợp ngược lại, khi thế âm đặt vào miền P và thế dương được đặt vào miền N, khi đó tính chất ngược lại trường hợp trên. Các lỗ trống của miền P bị hút bởi cực âm và các điện tử thì bị hút bởi cực dương. Vùng điện tích không gian tăng lên, các điện tích cố định cũng tăng lên. Các điện tích của vùng điện tích không gian lúc này cũng có giá trị rất lớn, ngăn cản dòng khuếch tán, nhưng có một dòng ngược rất bé đi qua chuyển tiếp P-N. Chúng tương ứng với một số điện tích dương rất bé đi qua chuyển động của vùng N và với một số điện tử chuyển động của vùng P. Các điện tích này cho đến bây giờ chưa được xem xét, do nhiệt độ sinh ra hoặc liên quan với tính không tinh khiết của linh kiện. Hình 2.4: Phân cực ngược chuyển tiếp P-N Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
21. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 8 Nếu ta chấp nhận quy định, dòng điện đại số chạy từ P đến N, thì biểu thức của dòng điện phụ thuộc vào thế của hai đầu sẽ có dạng như sau: qoV I=I e kT 1 (2.1) s Trong đó: I s là một giá trị phụ thuộc vào dạng hình học và tạp chất 19 q o là điện tích cơ sở bằng 1,6.10 C k là hằng số Boltzmann T là nhiệt độ tuyệt đối của linh kiện Công thức này đúng cho hai điện áp phân cực, nhưng đối với điện áp phân cực ngược thì dòng điện có chiều ngược lại, dòng điện âm. Đường cong liên hệ giữa dòng và áp theo hình 2.5. Nó cho phép khẳng định sự tăng mạnh của dòng theo điện áp theo điện áp thuận. Đối với các dòng điện thường được sử dụng trong nhiều trường hợp, thường là nằm giữa 1mA và vài trăm mA, thì điện áp ở hai đầu điốt khoảng 700mV đối với silic. Giá trị này thay đổi rất ít với dòng điện I nên trong nhiều trường hợp, ta lấy giá trị này để tính toán cho mạch. Từ công thức 2.1 ta cũng nhận thấy rằng dòng điện tăng theo nhiệt độ và ngược lại. Nhận xét này rất quan trọng. Nó giải thích tính cần thiết phải cân bằng sự trôi theo của nhiệt độ trong các mạch điện trong đó có các lớp chuyển tiếp P-N. Hình 2.5: Đặc tuyến V-I của chuyển tiếp P-N Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
22. S K L 0 0 2 1 5 4