bÀi giẢng ĚiỆn tỬ cƠ bẢn - thuvienso.net

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ... ...

BÀI GIẢNG

ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Bậc học: CAO ĐẲNG

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử

Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG

KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ ... ...

BÀI GIẢNG

ĐIỆN TỬ CƠ BẢN Bậc học: CAO ĐẲNG Số tiết: 45

Giảng viên: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử

Khoa: Kỹ thuật Công nghệ

Quảng Ngãi, năm 2017

LỜI NÓI ĐẦU

Bài giảng “Điện tử cơ bản” được biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh

viên bậc cao đẳng chính qui ngành Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử, Trường đại

học Phạm Văn Đồng. Bài giảng sẽ trình bày các lý thuyết cơ bản trong mạch điện

tử. Nội dung bài giảng được biên soạn đúng theo đề cương chi tiết môn học do

Trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành. Bài giảng gồm 8 chương, trong đó:

Chương 1. Đại cương về chất bán dẫn

Chương 2. Diode bán dẫn và mạch ứng dụng

Chương 3. Đại cương về Transistor lưỡng cực - BJT

Chương 4. Transistor hiệu ứng trường - FET

Chương 5. Các mạch phân cực của transistor

Chương 6. Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ

Chương 7. Các mạch khuếch đại ghép tầng

Chương 8. Khuếch đại thuật toán và mạch ứng dụng.

Trong quá trình biên soạn bài giảng, tác giả đã cố gắng trình bày các nội dung

rất ngắn gọn và dễ hiểu. Ngoài ra ở cuối mỗi chương đều có các câu hỏi ôn tập

nhằm giúp các sinh viên dễ dàng hệ thống lại các kiến thức đã học.

Tuy nhiên, trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những thiếu sót. Rất

mong nhận được các góp ý về nội dung bài giảng để bài giảng ngày càng hoàn thiện

hơn. Các ý kiến đóng góp của bạn đọc xin gởi về địa chỉ: Bộ môn Điện - Điện tử,

Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng.

Tác giả xin chân thành cảm ơn.

Tác giả

Th.S Trần Thị Ánh Duyên

Mục lục

Chƣơng 1. ĐẠI CƢƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN .................................. Trang 1

1.1. Giới thiệu sơ lược về chất bán dẫn ....................................................................... 1

1.2. Chất bán dẫn thuần ............................................................................................... 1

1.3. Chất bán dẫn tạp ................................................................................................... 3

1.4. Quá trình động trong chất bán dẫn ....................................................................... 4

1.5. Tiếp giáp P – N .................................................................................................... 5

Chƣơng 2. DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG .............................. 11

2.1. Cấu tạo, ký hiệu của diode ................................................................................. 11

2.2. Nguyên lý làm việc của diode ............................................................................ 11

2.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode .................................................................... 14

2.4. Các tham số của diode ........................................................................................ 16

2.5. Các thông số giới hạn của diode ........................................................................ 21

2.6. Phân loại diode ................................................................................................... 21

2.7. Giải tích mạch diode .......................................................................................... 24

2.8. Các mạch ứng dụng của diode ........................................................................... 25

Chƣơng 3. ĐẠI CƢƠNG VỀ TRANSISTOR LƢỠNG CỰC - BJT ........... 36

3.1. Cấu tạo và ký hiệu của BJT................................................................................ 36

3.2. Nguyên lý hoạt động của BJT ............................................................................ 36

3.3. Ba cách mắc cơ bản của BJT ............................................................................. 39

3.4. Đặc tuyến Vôn – Ampe của BJT ....................................................................... 39

3.5. Các thông số giới hạn của BJT .......................................................................... 44

Chƣơng 4. TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG - FET ............................ 47

4.1. Sơ lược về FET .................................................................................................. 47

4.2. JFET ................................................................................................................... 47

4.3. MOSFET ............................................................................................................ 52

Chƣơng 5. CÁC MẠCH PHÂN CỰC CỦA TRANSISTOR ........................ 58

5.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 58

5.2. Phân tích đường tải ............................................................................................ 58

5.3. Các mạch phân cực cho BJT .............................................................................. 61

5.4. Hệ số ổn định nhiệt ............................................................................................ 68

5.5. Các mạch phân cực cho FET ............................................................................. 72

Chƣơng 6. MẠCH KHUẾCH ĐẠI TÍN HIỆU NHỎ .................................... 84

6.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 84

6.2. Đặc trưng cơ bản của 1 tầng khuếch đại ............................................................ 84

6.3. Mô hình của BJT ................................................................................................ 85

6.4. Mô hình của FET ............................................................................................... 92

6.5. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng BJT ................................. 95

6.6. Các mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ thông dụng dùng FET ............................... 103

Chƣơng 7. CÁC MẠCH KHUẾCH ĐẠI GHÉP TẦNG ............................. 111

7.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 111

7.2. Mạch khuếch đại ghép tầng trực tiếp ............................................................... 112

7.3. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng tụ liên lạc (ghép RC) .................................. 114

7.4. Mạch khuếch đại ghép tầng bằng biến áp ........................................................ 117

7.5. Mạch khuếch đại ghép Darlington ................................................................... 119

7.6. Mạch khuếch đại ghép Cascode ....................................................................... 121

7.7. Mạch khuếch đại vi sai .................................................................................... 123

7.8. Mạch khuếch đại công suất .............................................................................. 127

Chƣơng 8. KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG ...... 138

8.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 138

8.2. Mạch khuếch đại không đảo ............................................................................ 140

8.3. Mạch khuếch đại đảo ....................................................................................... 140

8.4. Mạch khuếch đại không đảo có phân áp ngõ vào ............................................ 141

8.5. Mạch khuếch đại cộng đảo ............................................................................... 142

8.6. Mạch khuếch đại cộng không đảo .................................................................... 142

8.7. Mạch tích phân ................................................................................................. 143

8.8. Mạch vi phân .................................................................................................... 146

Tài liệu tham khảo……………………………………………………………

Chƣơng 1

ĐẠI CƢƠNG VỀ CHẤT BÁN DẪN

1.1. Giới thiệu sơ lƣợc về chất bán dẫn

Tùy theo điện trở suất của vật chất, người ta chia vật chất ra thành 3 loại:

- Chất dẫn điện: m.10 4

- Chất bán dẫn điện: m.1010 74

- Chất cách điện: m.10 7

Hoặc người ta dựa vào cấu trúc vùng năng lượng để phân biệt các loại chất trên như trên hình 1.1.

Để chế tạo các linh kiện bán dẫn người ta thường sử dụng 2 chất bán dẫn là: - Silic (Si) có Eg = 1,12eV.

- Germani (Ge) có Eg = 0,72eV.

Trên thực tế thì Silic là chất bán dẫn được sử dụng phổ biến nhất. * Phân loại: Người ta phân chất bán dẫn thành 2 loại là bán dẫn thuần và bán dẫn

tạp. 1.2. Chất bán dẫn thuần

Xét chất bán dẫn loại Silic: Cấu hình electron của Si (Z = 14) là: 1s22s

22p

63s

23p

2.

Từ cấu hình electron ta thấy: Silic có 3 lớp điện tử, lớp ngoài cùng có 4 điện tử hóa trị trong khi đó có thể chứa đến 8 nguyên tử nên lớp điện tử ngoài cùng là chưa hoàn thiện.

Eg > 5eV

Vùng dẫn

Vùng cấm

Vùng hóa trị

E

a) Chất cách điện

Eg 5eV

E

b) Chất bán dẫn

Vùng dẫn (hoặc vùng tự do)

Vùng hóa trị

E

c) Chất dẫn điện

Hình 1.1. Giản đồ cấu trúc vùng năng lượng

Các điện tử sẽ tham gia tác động lẫn nhau giữa các nguyên tử, chúng tạo thành tinh thể Silic hay phân tử hợp chất hóa học của Silic với các chất khác.

Hình 1.2. Cấu trúc nguyên tử của a. Germani; b.Silic

(a) (b)

Hình 1.3. a. Cấu trúc tinh thể đơn của Ge và Si; b. Cấu trúc mạng tinh thể của Si Trong mạng tinh thể của Silic, mỗi nguyên tử Silic liên kết với 4 nguyên tử Silic

khác nằm cạnh nó nhờ 4 liên kết cộng hóa trị như hình 1.3b. Tính chất dẫn điện của kim loại là do sự tồn tại của các điện tử tự do (hay điện tử

dẫn), chúng có mối liên kết rất yếu với các nguyên tử. Nếu khối tinh thể Silic là hoàn toàn nguyên chất và trong điều kiện bình thường thì

tất cả các điện tử hóa trị của nguyên tử sẽ liên kết với nhau nên không tồn tại điện tử tự do. Do vậy trong điều kiện bình thường thì tinh thể Silic không dẫn điện.

Nếu ta kích thích năng lượng bằng cách đốt nóng, chiếu chùm tia phóng xạ hoặc đặt một cường độ điện trường,… vào mạng tinh thể để làm tăng mức năng lượng của các điện tử thì các điện tử này có thể phá vỡ mối liên kết với nguyên tử, thoát ra ngoài thành điện tử tự do.

Ở mỗi liên kết vừa bị phá vỡ, điện tử thoát ra ngoài để lại 1 lỗ trống, lỗ trống này dễ bị 1 điện tử ở mối liên kết khác nhảy đến lấp chỗ trống và do vậy sẽ xuất hiện 1 lỗ trống mới ở nơi điện tử vừa đi khỏi.

Quá trình cứ tiếp tục như vậy, ta thấy điện tử di chuyển theo 1 chiều nhất định nào đó, lỗ trống không di chuyển nhưng ta thấy dường như nó di chuyển theo chiều ngược lại với chiều di chuyển của điện tử.

Ta nhận thấy rằng ở chất bán dẫn nguyên chất thì mật độ điện tử tự do bằng mật độ lỗ trống nên tính chất dẫn điện của chất bán dẫn phụ thuộc vào tác nhân bên ngoài kích thích các điện tử thoát khỏi mối liên kết với nguyên tử.

Gọi n là mật độ điện tử (số điện tử di chuyển trong 1 đơn vị thể tích), p là mật độ lỗ trống (số lỗ trống lần lượt xuất hiện trong 1 đơn vị thể tích). Ta có:

n = p = ni gọi là chất bán dẫn thuần. Người ta đã chứng minh được rằng:

)T.K

E.qexp(T.An

g32

i

Trong đó: A: là hằng số tỉ lệ

T: nhiệt độ Kenvin (0K), (0

0C = 273

0K)

q = 1,6.10-19

C là điện tích điện tử

Eg: là năng lượng kích thích

K = 1,38.10-23

J/0K = 8,816.10

-5 eV/

0K là hằng số Boltzman

1.3. Chất bán dẫn tạp

Mật độ điện tử tự do hay mật độ lỗ trống của chất bán dẫn có thể được tăng cường nếu ta pha thêm tạp chất, gọi là bán dẫn tạp.

Người ta phân bán dẫn tạp thành 2 loại là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. Hai nhóm tạp chất dùng để pha trộn có hóa trị 3 và hóa trị 5.

Nguyên tố hóa trị 3 Nguyên tố hóa trị 5

Aluminum (Al) Phosphorus (P)

Gallium (Ga) Arsenic (As)

Boron (B) Antimony (Sb)

Indium (In) Bismuth (Bi)

a. Bán dẫn loại N

Xét chất bán dẫn Silic, nếu ta pha thêm 1 lượng nhỏ Phôtpho (P) hay Antimon (Sb), … thuộc nhóm 5 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 5 điện tử lớp ngoài cùng. Lúc này có 4 điện tử lớp ngoài cùng tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Silic nằm cạnh của tinh thể bán dẫn. Còn điện tử thứ 5 nằm tự do trong mạng tinh thể.

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ điện tử lớn hơn mật độ lỗ trống được gọi là bán dẫn điện tử hay bán dẫn loại N.

Hình 1.4. Chất bán dẫn loại N với tạp chất là nguyên tử Sb

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử Sb.

Gọi nN là mật độ điện tử trong bán dẫn loại N, pN là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại N thì: nN > pN. Trong bán dẫn loại N, điện tử là hạt đa số, lỗ trống là hạt thiểu số.

b. Bán dẫn loại P

Cũng với chất bán dẫn Silic, nếu ta pha thêm 1 lượng nhỏ Nhôm (Al), Bo (B), Gali (Ga)… thuộc nhóm 3 trong bảng hệ thống tuần hoàn, có 3 điện tử lớp ngoài cùng. Lúc này mỗi nguyên tử tạp chất thiếu 1 điện tử để tạo thành mối liên kết đồng hóa trị với 4 nguyên tử Silic nằm cạnh của tinh thể bán dẫn, như vậy tạo thành 1 lỗ trống.

Người ta nói bán dẫn có tạp chất sao cho mật độ lỗ trống lớn hơn mật độ điện tử được gọi là bán dẫn lỗ trống hay bán dẫn loại P.

Hình 1.5. Chất bán dẫn loại P có tạp chất là nguyên tử B

Tỉ lệ pha tạp chất là: 108 nguyên tử Silic ứng với 1 nguyên tử B.

Gọi nP là mật độ điện tử trong bán dẫn loại P, pP là mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại P thì: nP < pP. Trong bán dẫn loại P, điện tử là hạt thiểu số, lỗ trống là hạt đa số.

1.4. Quá trình động trong chất bán dẫn

1.4.1. Thời gian sống của hạt mang điện

Một electron nằm ở lớp hóa trị, khi nó được cung cấp một năng lượng vừa đủ để nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn, thì nó để lại một chỗ trống trong liên kết hóa trị, chỗ trống này xem như lỗ trống (hole) như hình 1.6.

Hình 1.6. Một cặp điện tử và lỗ trống tượng trưng

Sau khoảng vài s ở trạng thái điện tử tự do, electron này sẽ mất hết năng lượng và rơi vào 1 trong các lỗ trống nằm trong liên kết hóa trị. Quá trình này gọi là tái kết hợp. Thời gian từ khi electron trở thành điện tử tự do cho đến khi xảy ra việc tái hợp lại được gọi là thời gian sống của cặp điện tử – lỗ trống.

1.4.2. Chuyển động trôi Như đã biết, nếu đặt điện tử hoặc lỗ trống vào môi trường chân không và khi có

điện trường tác động, các hạt dẫn sẽ chuyển động có gia tốc (nhanh dần đều hoặc chậm dần đều). Ở trong mạng tinh thể của chất rắn, cách thức xảy ra không hoàn giống như vậy. Mạng tinh thể chứa rất nhiều nguyên tử (kể cả tạp chất), chúng luôn luôn dao động vì nhiệt. Vì vậy khi chịu tác động của điện trường, các hạt dẫn trên đường chuyển động có gia tốc sẽ va chạm với các nguyên tố của mạng tinh thể. Mỗi lần va chạm sẽ làm thay đổi trị số và chiều của vận tốc nghĩa là làm tán xạ chúng. Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác động của điện trường như vậy được gọi là chuyển động trôi (hoặc chuyển động cuốn).

1.4.3. Chuyển động khuếch tán

Trong chất rắn, ngoài hình thức chuyển động trôi dưới tác động của điện trường, các hạt dẫn còn chuyển động khuếch tán. Dạng chuyển động này xảy ra cho mọi phần tử vật chất khi có sự phân bố không đồng đều trong thể tích.

Đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều, chúng sẽ khuếch tán từ nơi nồng độ cao về nơi nồng độ thấp. Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra gọi là dòng điện khuếch tán.

1.5. Tiếp giáp P – N

Tiếp giáp p - n gồm một khối chất bán dẫn p và một khối chất bán dẫn n được ghép lại với nhau như hình 1.7.

Hình 1.7. Tiếp giáp p - n

1.5.1. Tiếp giáp p - n khi chưa có địên trường ngoài đặt vào

Hình 1.8 trình bày các chất bán dẫn khi chưa ghép nối. Ta có thể thấy rằng chất bán dẫn n với hạt tải đa số là điện tử và chất bán dẫn loại p với hạt tải đa số là lỗ trống.

Băng dẫn (lớp dẫn)

Băng hóa trị.

p n

Hình 1.8. Chất bán dẫn loại n và chất bán dẫn loại p

Trước khi tiếp xúc, mỗi khối bán dẫn nằm ở trạng thái cân bằng (tổng điện tích âm bằng với tổng điện tích dương trong thể tích) đồng thời giả thiết rằng nồng độ hạt dẫn cũng như nồng độ tạp chất (acceptor, donor) phân bố đều.

Khi tiếp xúc nhau, các dãy dẫn và dãy hóa trị trùng lắp nhau. Do chênh lệch nồng độ sẽ xảy ra hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ p sang n, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngược lại từ n sang p. Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán (chiều từ p sang n).

Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau, hình thành 1 vùng hẹp ở 2 bên mặt ranh giới có nồng độ hạt tải giảm xuống rất thấp. Tại vùng hẹp, bên bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm (acceptor), còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn lại các ion dương (donor), nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích không gian khác dấu đối diện nhau như hình 1.9. Giữa hai lớp điện tích này sẽ có một sự chênh lệch điện thế (bên n dương hơn bên p) gọi là hiệu điện thế tiếp xúc Vtx. Nói cách khác: trong vùng lân

cận mặt ranh giới đã xuất hiện một điện trường (hướng từ n sang p) gọi là điện trường tiếp xúc Etx.

Hình 1.9. Mối nối p - n khi chưa có địên trường ngoài Vùng hẹp nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp p - n. Nồng độ hạt dẫn

trong vùng này còn rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng còn lại. Do tồn tại điện trường tiếp xúc, các hạt tải thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía

đối diện: lỗ trống của bán dẫn n chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn p chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng khuếch tán của hạt tải đa số.

Nồng độ hạt tải đa số trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều, dẫn đến điện trường tiếp xúc càng tăng và dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số cũng tăng. Vì vậy, chỉ sau một khoảng thời

gian rất ngắn, dòng trôi và dòng khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau và dòng tổng hợp qua mặt ranh giới bằng 0.

0 driftdiffustion III

Ta nói tiếp giáp p - n đạt tới trạng thái cân bằng động. Ứng với trạng thái đó, hiệu điện thế tiếp xúc (hoặc điện trường tiếp xúc) giữa bán dẫn n và bán dẫn p có 1 giá trị nhất định.

Thông thường, hiệu điện thế tiếp xúc vào cỡ 0,2 -> 0,3V (đối với Germani) hoặc 0,6 -> 0,7V (đối với Silic). Hiệu thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên được gọi là “điện thế hàng rào”.

1.5.2. Tiếp giáp p - n khi có điện trường ngoài đặt vào

a. Phân cực nghịch (VD < 0 )

Giả sử nguồn điện áp VD được kết nối như hình 1.10: p nối cực âm và n nối cực dương, gọi là phân cực nghịch cho tiếp giáp p - n. Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể. Lúc đó gần như toàn bộ điện áp VD sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm cho tình trạng cân bằng trước đây không còn nữa.

Số lượng các ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ tăng lên phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích dương tự do lấy từ điện thế dương của nguồn điện áp cung cấp. Tương tự số lượng các ion âm sẽ tăng trong chất bán dẫn loại p.

Kết quả làm cho vùng nghèo nới rộng ra. Sự nới rộng của vùng nghèo sẽ thiết lập một rào cản làm cho các hạt tải đa số không thể nào băng qua được nên dòng khuếch tán là zero như được trình bày trong hình 1.10.

Hình 1.10. Phân cực nghịch mối nối p - n

Do vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng. Điện thế hàng rào trở thành: Dtx VVV

Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì tăng theo VD. Nhưng do nồng độ hạt tải thiểu số vốn rất ít, nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bão hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp.

Vậy: Sdriftdriftdiffustion IIIII

b. Phân cực thuận (VD > 0 )

Khi nguồn điện áp VD được mắc như hình 1.11: p nối cực dương và n nối cực âm thì quá trình sẽ xảy ra ngược lại. Điện thế hàng rào giảm chỉ còn Vtx - VD. Số lượng các

ion dương trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại n sẽ giảm xuống phụ thuộc vào số lượng rất lớn các điện tích âm tự do lấy từ điện thế âm của nguồn điện áp cung cấp.

Tương tự, số lượng các ion âm sẽ giảm trong chất bán dẫn loại p. Kết quả làm cho vùng nghèo thu hẹp lại. Sự thu hẹp của vùng nghèo sẽ làm cho hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện. Dòng do hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp VD, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo VD. Tuy nhiên, do dòng hạt tải thiểu số vốn rất bé nên có thể coi như không đổi.

Khi đó dòng tổng hợp qua tiếp giáp p - n sẽ là: 1 TD VV

Sdriftdiffustion eIIII

Trong đó:

SI : dòng điện bão hòa

: hằng số phụ thuộc vào vật liệu: 1≤ ≤2

VT: là hiệu điện thế nhiệt: q

kTV k

T

Tk : nhiệt độ Kelvin Tk = Tc +273

q: điện tích. q = 1,6 x 10-19

C

k: hằng số Boltzman, k = 1,38 x 10-23 J/

0K

Hình 1.11. Phân cực thuận mối nối p - n

Vẽ đồ thị của phương trình dòng điện qua tiếp giáp p - n ta được hình 1.12 chính là

đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n.

Hình 1.12. Đặc tuyến Vôn - Ampe của tiếp giáp p - n

1.5.3. Hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p- n

Khi tiếp giáp p - n bị phân cực ngược, nếu điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngược trở nên tăng vọt, nghĩa là tiếp giáp p - n dẫn điện mạnh

cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van của nó. Hiện tượng này gọi là hiện tượng đánh thủng .

Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc nhiệt, vì vậy người ta thường phân biệt hai dạng đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt.

a. Đánh thủng về điện:

Đánh thủng về điện được chia làm 2 loại: - Đánh thủng thác lũ: Khi điện áp phân cực nghịch của tiếp giáp p - n tăng, vận tốc của các hạt tải thiểu

số tương ứng với dòng điện bão hòa ngược IS cũng sẽ tăng. Khi đó vận tốc của nó và động năng kết hợp vừa đủ để giải phóng các hạt tải khác làm tăng số lượng hạt tải (gọi là các hạt tải mở rộng) thông qua sự va chạm với các cấu trúc ổn định của nguyên tử khác. Đó là một quá trình ion hóa sẽ dẫn đến các điện tử cân bằng hấp thụ đủ năng lượng để rời khỏi nguyên tử. Sau đó các hạt tải mở rộng có thể trợ giúp cho quá trình ion hóa đạt đến điểm mà dòng điện thác lũ cao được thiết lập và vùng đánh thủng thác lũ được xác định.

Vùng thác lũ (VZ) có thể dịch chuyển tới gần trục tung bằng cách tăng các mức độ kích thích trong chất bán dẫn loại n và p. Tuy nhiên khi VZ giảm đến mức rất thấp chẳng hạn như 5V, một cơ cấu khác – được gọi là đánh thủng zener – sẽ tham gia vào sự thay đổi đặc tính đột ngột. Điều này xảy ra do có một điện trường mạnh trong vùng mối nối mà nó có thể phá vỡ các mối liên kết của nguyên tử và tạo ra các hạt tải. Sự thay đổi đột ngột của đặc tính tại bất kỳ mức điện áp nào được gọi là vùng zener.

Hình 1.13. Vùng zener

- Đánh thủng xuyên hầm: Xảy ra khi cấu trúc của tiếp giáp là những bán dẫn có nồng độ tạp chất rất lớn, khi

đó điện trường trong vùng tiếp xúc rất lớn, có khả năng gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử trong vùng hóa trị của bán dẫn p có khả năng chui qua hàng rào thế để chạy sang vùng bán dẫn n, làm cho dòng điện tăng vọt.

b. Đánh thủng về nhiệt Xảy ra do sự tích luỹ nhiệt trong vùng tiếp xúc. Khi có điện áp ngược lớn, dòng

điện ngược tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đó làm dòng điện ngược tăng nhanh. Quá trình cứ tiến triển như thế khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc và dòng điện ngược liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng.

Hiện tượng đánh thủng này có trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc vào dòng điện ngược ban đầu, nhiệt độ môi trường và điều kiện tỏa nhiệt của tiếp giáp p - n. Đánh thủng về nhiệt thường phá hỏng vĩnh viễn đặc tính chỉnh lưu của tiếp giáp p - n.

Điện áp phân cực nghịch lớn nhất mà có thể áp đặt tới lên tiếp giáp p - n được gọi là điện áp ngược đỉnh (peak inverse voltage: PIV).

Câu hỏi ôn tập

Câu 1. Điện trở suất của chất bán dẫn có giá trị: A. Nhỏ hơn 10-4Ωm B. Từ 10-4Ωm đến 10+7Ωm C. Lớn hơn 10+7Ωm D. Lớn vô cùng. Câu 2. Độ dẫn điện của chất bán dẫn thuần so với chất bán dẫn ngoại lai là: A. Bằng nhau B. Lớn hơn

C. Nhỏ hơn D. Không thể so sánh. Câu 3. Các nguyên tố tạp chất pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo ra chất bán

dẫn loại P, có số electron ngoài cùng là: A. 2 B. 3

C. 4 D. 5

Câu 4. Nguyên tố nào sau đây được pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo chất bán dẫn tạp loại N:

A. Si B. In

C. P D. Al

Câu 5. Nguyên tố nào sau đây được pha thêm vào chất bán dẫn thuần để tạo chất bán dẫn tạp loại P:

A. Si B. Sb

C. P D. Bo

Chƣơng 2

DIODE BÁN DẪN VÀ MẠCH ỨNG DỤNG

2.1. Cấu tạo, ký hiệu của diode

Cho tiếp xúc 2 thỏi bán dẫn P và N của cùng 1 chất bán dẫn Si hoặc Ge bằng 1 công nghệ đặc biệt ta được 1 tiếp giáp P – N, gọi là diode bán dẫn. Cấu tạo và kí hiệu của diode như hình 2.1.

2.2. Nguyên lý làm việc của diode

Ta đã biết bán dẫn loại P có mật độ lỗ trống cao hơn rất nhiều so với bán dẫn loại N, ngược lại bán dẫn loại N có mật độ điện tử lớn hơn rất nhiều so với bán dẫn loại P.

Khi cho 2 bán dẫn loại P và N tiếp xúc nhau, các hạt điện tử (hạt đa số) trong bán dẫn loại N có khuynh hướng di chuyển ngang qua mặt tiếp giáp để tái hợp với lỗ trống (hạt đa số) trong bán dẫn loại P.

Như vậy có sự dịch chuyển điện tử giữa 2 tiếp giáp hình thành nên dòng điện có chiều ngược với chiều dịch chuyển của các điện tử, gọi là dòng điện khuếch tán Ikt có

chiều hướng từ P sang N. Trên đường khuếch tán, các điện tích trái dấu sẽ tái hợp với nhau làm cho trong 1

vùng hẹp giữa 2 bên mặt ranh giới, nồng độ hạt dẫn giảm xuống rất thấp. Tại vùng đó (vùng có bề dày l0), bên bán dẫn P hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, bên bán dẫn N hầu như chỉ còn lại các ion dương donor, nghĩa là hình thành 2 lớp điện tích trái ngược nhau.

Giữa 2 lớp điện tích này có 1 sự chênh lệch điện thế gọi là điện thế tiếp xúc Utx có

chiều từ N sang P. Hay nói cách khác: trong vùng lân cận mặt ranh giới đã xuất hiện 1

điện trường hướng từ N sang P, gọi là điện trường tiếp xúc Etx.

Vùng hẹp l0 nói trên gọi là vùng nghèo hoặc vùng tiếp giáp P – N. Nồng độ hạt dẫn trong vùng này rất thấp nên điện trở suất của nó rất lớn so với các vùng khác.

Do tồn tại điện trường tiếp xúc nên các hạt dẫn thiểu số của 2 miền sẽ bị cuốn về phía đối diện: lỗ trống của bán dẫn N chạy về phía cực âm của điện trường, điện tử của bán dẫn P chạy về phía cực dương của điện trường. Chúng tạo nên dòng điện trôi ngược chiều với dòng điện khuếch tán.

Nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn càng chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán càng mãnh liệt và quá trình tái hợp càng nhiều. Do đó điện trường tiếp xúc càng tăng và dẫn đến dòng điện trôi của hạt dẫn thiểu số càng tăng. Vì vậy sau 1 khoảng thời gian rất

ngắn dòng điện trôi và dòng điện khuếch tán trở nên cân bằng nhau, triệt tiêu nhau, dòng điện tổng bằng không.

Hình 2.1. Cấu tạo và ký hiệu của diode

P N

Anôt Katôt + + + +

+ + + + + + + +

- - - -

- - - - - - - -

-

-

+

+ +

+

+

+

-

-

-

l0

tiếp giáp

Ikt Utx

a) Cấu tạo diode

A K D

b) Kí hiệu diode

Lúc này ta nói tiếp giáp P – N đạt trạng thái cân bằng, ứng với trạng thái đó hiệu điện thế tiếp xúc giữa 2 bán dẫn P – N có 1 giá trị nhất định. Người ta chứng minh được rằng giá trị hiệu điện thế tiếp xúc này tỉ lệ với lượng chênh lệch nồng độ hạt dẫn trong 2 khối bán dẫn:

P

N

N

Ptx

n

nln.

q

T.K

p

pln.

q

T.KU

Điện thế tiếp xúc này gọi là hàng rào điện thế hay hàng rào thế năng. Tại nhiệt độ t = 26

0C (điều kiện chuẩn, hay 300 0K), người ta tính được:

- Đối với bán dẫn Silic: Utx = 0,6 0,7V.

- Đối với bán dẫn Ge: Utx = 0,2 0,3V.

2.2.1. Phân cực thuận cho diode

Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anôt nối với cực dương, Katôt

nối với cực âm như hình 2.2, gọi là phân cực thuận cho diode.

Giả sử điện trở của chất bán dẫn ở ngoài vùng nghèo là không đáng kể. Lúc đó gần như toàn bộ điện áp V đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên điện thế tiếp xúc Utx. Tình

trạng cân bằng trước đây không còn nữa. Điện trường E do điện áp V gây ra ngược chiều với Etx, hàng rào điện thế giảm độ cao, chỉ còn Utx – V nên hạt dẫn đa số (điện tử miền N) tràn qua hàng rào sang miền đối diện (miền P), gọi là hiện tượng phun hạt dẫn. Tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo giảm bớt nên bề dày vùng nghèo lúc này thu

hẹp lại (l < lo).

Lúc này có dòng điện chạy qua diode từ cực P sang cực N gọi là dòng điện thuận do các hạt dẫn đa số gây ra. Dòng điện qua diode lúc này được xác định bởi:

)U

V.exp(I1]-)

k.T

q.V.[exp(II

T

SSD

Ta thấy trị số của dòng điện phân cực thuận qua diode tăng nhanh theo điện áp đặt vào diode theo hàm mũ.

- Đối với các điện tử thiểu số từ miền P không thể di chuyển sang miền N vì bị khống chế bởi cực âm của nguồn V.

- Khi điện áp thuận càng tăng thì bề dày vùng nghèo càng giảm. Khi Utx = V thì

hàng rào điện thế biến mất, dòng qua tiếp giáp P – N vô cùng lớn gây phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là trạng thái cần tránh khi phân cực thuận cho diode.

2.2.2. Phân cực ngược cho diode

Ta nối nguồn điện áp 1 chiều V với diode sao cho: Anốt nối với cực âm, Katôt nối với cực dương như hình 2.3, gọi là phân cực ngược cho diode.

Hình 2.2. Phân cực thuận cho diode

+ + + +

+ + + + + + + +

- - - -

- - - - - - - -

+

+

+

-

-

-

l0

l

V

Utx

E

A K

Tương tự như trên nhưng lúc này điện trường ngoài do điện áp 1 chiều V gây ra

ngược chiều với Etx, hàng rào điện thế tăng độ cao thành Utx + V khiến cho dòng khuếch tán của hạt dẫn đa số giảm xuống còn rất nhỏ, còn dòng trôi của hạt thiểu số thì tăng theo điện áp V. Nhưng nồng độ của hạt dẫn thiểu số vốn rất bé nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt đến giá trị dòng bão hòa khi V còn rất bé.

Dòng điện tổng hợp qua tiếp giáp P – N có chiều từ N sang P có trị số âm và rất bé, gọi là dòng điện ngược hay dòng ngược bão hòa.

nA1A10II 9

S

* Giải thích cách khác: a) Diode phân cực thuận

- Đối với hạt đa số: Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tử từ miền N có khuynh hướng di chuyển sang miền P để tái hợp với lỗ trống trong miền P, sau đó nó được hút về cực dương của nguồn.

Dòng điện ID do hạt đa số tạo ra, gọi là dòng điện thuận có chiều từ P sang N được xác định như sau:

)U

V.exp(I1]-)

k.T

q.V.[exp(II

T

SSD

- Đối với hạt thiểu số: Các điện tử thiểu số trong miền P không thể di chuyển sang miền N vì bị khống chế bởi cực âm của nguồn V.

Như vậy khi diode phân cực thuận chỉ có duy nhất dòng điện thuận IA chạy qua diode từ P sang N. Lúc này tình trạng thiếu hạt dẫn trong vùng nghèo được giảm bớt nên bề dày của vùng nghèo lo thu hẹp lại (l < lo), điện áp đặt trên vùng nghèo là Utx – V. Khi

Utx = V thì hàng rào điện thế biến mất, dòng qua tiếp giáp P – N vô cùng lớn gây phá hỏng miền tiếp xúc. Đây là trạng thái cần tránh khi phân cực thuận cho diode.

b) Diode phân cực ngược

- Đối với hạt đa số: Do bị khống chế bởi cực âm của nguồn nên các hạt điện tử đa số trong miền N không thể di chuyển sang miền P để tái hợp với các lỗ trống trong miền này. Vì vậy không có dòng điện qua tiếp giáp P – N đối với hạt dẫn đa số.

- Đối với hạt thiểu số: Các hạt điện tử thiểu số từ miền P sẽ di chuyển sang vùng N

để tái hợp với các lỗ trống thiểu số trong miền N, sau đó đi về cực dương của nguồn V. Như vậy có 1 dòng điện được tạo ra bởi các hạt thiểu số có chiều từ N sang P, gọi

là dòng điện ngược Is (hay dòng ngược bão hòa) I = - Is = 1nA = 10

-9 A 0

Hình 2.3. Phân cực ngược cho diode

+ + + +

+ + + + + + + +

- - - -

- - - - - - - -

+

+

+

-

-

-

l0

l

V

Utx

E

A K

Ngược lại với trường hợp phận cực thuận, lúc này bề dày của vùng nghèo được mở rộng, điện áp đặt lên cùng nghèo là Utx + V.

* Kết luận: Vậy diode chỉ cho dòng điện qua nó theo 1 chiều nhất định từ P sang N khi nó phân cực thuận. Tính chất dẫn điện 1 chiều của diode gọi là tính chất chỉnh lưu hay tính chất van của diode.

2.3. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

2.3.1. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

Xét mạch điện đơn giản như hình 2.4

Dòng điện thuận qua diode là: ]1)U.m

Uexp([.I)U(fI

T

AKSAKD

Trong đó: m là hệ số hiệu chỉnh, thường có giá trị từ 1 -> 2, m phụ thuộc vào công nghệ chế

tạo.

]n.L

Dp.

L

D[S.qI P

N

NN

p

p

S

Với: q = 1,6.10-19

C là điện tích điện tử

S là diện tích mặt tiếp xúc

DN, DP là hệ số khuếch tán của điện tử, lỗ trống

LN, LP là độ dài khuếch tán của điện tử, lỗ trống

PN là số hạt thiểu số của bán dẫn N (tức lỗ trống) nP là số hạt thiểu số của bán dẫn P (tức điện tử) Thông thường IS thường có giá trị rất nhỏ và tăng nhanh theo nhiệt độ nên còn

được gọi là dòng điện nhiệt.

D

R

V

A

K

Hình 2.4. Mạch điện gồm điện trở R và diode

ID

Hình 2.5. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode

Cho thay đổi giá trị nguồn 1 chiều V, tức thay đổi giá trị điện áp đặt vào 2 đầu diode, ta có các giá trị dòng qua diode khác nhau. Mối quan hệ giữa dòng điện theo điện áp 1 chiều UAK đặt trên diode gọi là đặc tuyến tĩnh của diode hay đặc tuyến Vôn – Ampe

như hình 2.5. Dòng điện qua diode biến thiên theo qui luật hàm mũ. Từ hình 2.5, ta thấy: - Khi điện áp thuận Vth nhỏ hơn giá trị V = 0,6 V đối với diode Silic (hoặc 0,2 V

đối với diode Ge) thì dòng điện thuận còn bé, chưa đáng kể. Khi Vth vượt quá giá trị điện áp mở V thì dòng điện thuận ID mới tăng nhanh theo điện áp. Đoạn đặc tuyến này gần như 1 đoạn thẳng với độ dốc không đổi.

- Dòng điện ngược có giá trị rất nhỏ, cỡ A. Khi điện áp ngược tăng, dòng điện ngược thực tế tăng dần và khi đạt đến giá trị điện áp đánh thủng VBR thì dòng điện ngược tăng vọt. Nếu không có biện pháp ngăn chặn sự tăng vọt của VBR thì sẽ gây ra quá trình đánh thủng làm hỏng diode.

2.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên chế độ làm việc của diode

- Khi diode phân cực thuận, nếu nhiệt độ tăng 1 0C thì điện áp V trên tiếp giáp P

– N giảm vài mV, gọi là hệ số nhiệt của diode. Diode có hệ số nhiệt âm. + Đối với Silic: -2,5 mV/

0C

+ Đối với Ge: -1,8 mV/ 0C

- Dòng điện ngược IS có hệ số nhiệt dương, nó phụ thuộc vào nhiệt độ theo biểu thức:

10

25t

0

S

0

S 2).C25(I)Ct(I

Nghĩa là khi nhiệt độ tăng lên 10 0C thì dòng điện ngược IS sẽ tăng lên gấp đôi. Dòng điện ngược IS còn gọi là dòng điện rỉ.

Ví dụ: Đối với diode Si, điều kiện để diode dẫn ở 25 0C là V = 0,7V. Khi nhiệt độ

tăng lên thành 35 0C thì điện áp chuẩn để diode dẫn là bao nhiêu?

Giải: Điện áp chuẩn để diode dẫn là: 0,7.10+3

– 10.2,5 = 675 mV

Vậy điện áp để diode Si dẫn ở nhiệt độ 35 0C là 0,675V.

2.3.3. So sánh diode Silic và diode Germani

Diode Silic có PIV, dòng điện và dãy điện áp hoạt động lớn hơn diode Germani.

Điện áp PIV đối với Silic khoảng chừng 1000V trong khi đó giá trị lớn nhất của Germani là 400V.

Silic có thể sử dụng trong các ứng dụng mà nhiệt độ có thể lên đến 200 0C trong

khi đó nhiệt độ chịu đựng lớn nhất của Germani là 100 0C.

Tuy nhiên khuyết điểm của Silic so với Germani được xác định ở hình 2.5, trong

đó điện áp phân cực thuận yêu cầu cao hơn để đạt đến vùng hoạt động. Điện áp tại thời điểm bắt đầu dẫn được xem là điện áp ngưỡng (threshold) và kí

hiệu là Vγ. V7.0V (Silic)

V3.0V (Germani)

Rõ ràng về điện áp ngưỡng thì diode Germani lý tưởng hơn Silic nhưng các đặc tính khác của Silic so với Germani vẫn quan trọng hơn nhiều, chính vì thế loại Silic

thường được dùng nhiều hơn.

2.4. Các tham số của diode

2.4.1. Điện trở tĩnh (hay điện trở dc) Điện trở dc của diode tại điểm hoạt động có thể được tìm thấy một cách đơn giản

bằng cách tìm các mức điện áp VD và dòng điện ID tương ứng với điện áp nguồn cung cấp dc được trình bày trong hình 2.6 và áp dụng phương trình sau:

D

DD

I

VR

Các mức điện trở dc tại vị trí uốn cong và phía dưới sẽ lớn hơn điện trở từ khúc uốn cong trở lên. Các mức điện trở trong vùng phân cực nghịch rất lớn.

Hình 2.6. Xác định điện trở dc của diode tại điểm làm việc

2.4.2. Điện trở động (điện trở ac)

Trong phương trình D

DD

I

VR , ta thấy điện trở dc của diode không phụ thuộc vào

hình dạng đặc tính trong vùng xung quanh điểm tĩnh Q. Nếu xếp chồng một nguồn tín

hiệu sin lên nguồn điện áp dc ở trên thì tín hiệu vào thay đổi sẽ làm điểm hoạt động thay đổi lên và xuống như hình 27.

Hình 2.7. Dạng sóng trên diode khi có tín hiệu nhỏ ac

Nếu tín hiệu biến thiên đưa đến bằng 0, điểm hoạt động sẽ là điểm Q xuất hiện trên hình 2.7 được xác định bởi các mức điện áp dc. Điểm gán chữ Q được rút ra từ chữ quiscent có nghĩa là mức không thay đổi hay còn gọi là điểm tĩnh.

Hình 2.8. Xác định điện trở ac tại điểm Q

Phương trình tính điện trở động của diode là: D

DD

i

vr

Nếu vùng làm việc của diode được xem là tuyến tính thì điện trở động của diode

trong phương trình D

DD

I

VR có thể được viết lại như sau:

D

D

Ddi

dvr

Từ phương trình dòng qua diode, ta có: TD VV

SSD eIII

TD VV

S

SD eI

II

Hay: S

SD

TDI

IIVV

ln

Vậy: SD

T

D

D

DII

V

di

dvr

Khi phân cực thuận thì dòng SD II nên rD có thể tính gần đúng như sau:

D

T

DI

Vr

Trường hợp η = 1 và xét tại nhiệt độ phòng C25t o thì VT = 26mV:

)mA(I

mV26r

D

D

Đến đây ta có thể tính điện trở ac mà không cần phải vẽ đường tiếp tuyến. Tuy nhiên, một điều quan trọng cần phải nhớ là phương trình tính rD chỉ chính xác khi vùng

hoạt động của diode có thể được xem là tuyến tính và giá trị của ID nằm ở vùng thẳng đứng của đường cong.

Khi ID nằm từ điểm uốn trở xuống thì giá trị = 2 (Silic) làm dòng ID giảm xuống phân nữa và kết quả là điện trở rD nhân thêm hệ số 2.

Tất cả các điện trở đã xác định là chưa tính đến điện trở của chính vật liệu bán dẫn và điện trở bởi các đầu nối giữa vật liệu bán dẫn và các dây dẫn kim loại bên ngoài. Các điện trở này được cộng lại và kí hiệu là rB và được tính thêm vào điện trở ac, kết quả điện trở rd’ gồm có điện trở động và điện trở rB:

'

D B

D

26mVr r

I

Điện trở rB nằm trong khoảng từ 0,1 đối với các linh kiện công suất lớn cho đến 2 đối với các linh kiện công suất nhỏ.

2.4.3. Mạch điện tương đương của diode

Một mạch điện tương đương là tổ hợp các phần tử được lựa chọn 1 cách hợp lý để biểu diễn các đặc tính của 1 linh kiện thật, 1 hệ thống hoặc 1 vùng hoạt động đặc biệt một cách tốt nhất.

Mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn: Một phương pháp để thành lập mạch điện tương đương cho diode bằng cách kẽ các

đường thẳng gần giống như đường đặc tính như trong hình 2.9a. Mạch điện tương đương có được gọi là mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn. Đối với phần độ

bÀi giẢng ĚiỆn tỬ cƠ bẢn - thuvienso.net

Documents