Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
§1. CHẤT BÁN DẪN NGUYÊN CHẤT VÀ CHẤT BÁN DẪN TẠP CHẤT
1. Chất bán dẫn nguyên chất (chất bán dẫn thuần)
Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Si (14) và Ge (32), chúng có đặc điểm chung là ở
lớp ngoài cùng đều có bốn điện tử hoá trị. Ta xét nguyên tử Si trong mạng tinh thể .
Khi vật liệu Si đƣợc chế tạo thành
tinh thể thì từ trạng thái xắp xếp lộn
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
xộn chúng trở thành trạng thái hoàn
toàn trật tự. Khi đó khoảng cách giữa
các nguyên tử cách đều nhau.
Điện tử tự do
Lỗ trống
Si
Si
- Bốn điện tử lớp ngoài cùng của
một nguyên tử không những chịu sự
ràng buộc với hạt nhân của chính
nguyên tử đó mà còn liên kết với bốn
Liên kết đồng hoá trị
nguyên tử đứng cạnh nó, hai nguyên tử đứng cạnh nhau có một cặp điện tử góp
chung.
- Mỗi một điện tử trong đôi góp chung vừa chuyển động xung quanh hạt nhân của
nó vừa chuyển động trên quỹ đạo của điện tử góp chung. Sự liên kết này đƣợc gọi là
liên kết đồng hoá trị.
Ở nhiệt độ xác định, do chuyển động nhiệt, một số điện tử góp chung dễ dàng
tách khỏi mối liên kết với hạt nhân để trở thành các điện tử tự do, đó là hạt dẫn điện tử.
- Khi một điện tử tách ra trở thành điện tử tự do thì để lại một liên kết bị khuyết (lỗ
trống). Khi đó các điện tử góp chung ở đôi kề cạnh dễ dàng bị rơi vào lỗ trống đó tạo
thành sự di chuyển của các điện tử góp chung. Sự di chuyển này giống nhƣ sự di
chuyển của các điện tích dƣơng, đó là sự di chuyển của lỗ trống.
Nhƣ vậy, lỗ trống cũng là loại hạt mang điện. Khi đặt một điện trƣờng lên vật
liệu bán dẫn thì xuất hiện hai thành phần dòng điện chạy qua nó: thành phần dòng điện
do các điện tử tự do chuyển động có hƣớng và thành phần dòng điện lỗ trống do điện
tử góp chung dịch lấp lỗ trống. Điện tử tự do mang điện âm, lỗ trống mang điện
dương.
Các điện tử chuyển động ngƣợc chiều với véc tơ cƣờng độ điện trƣờng còn các lỗ
trống thì chuyển động cùng chiều tạo nên dòng điện trong chất bán dẫn.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
* Nhƣ vậy: Bán dẫn mà dẫn xuất đƣợc thực hiện bằng cả hai loại hạt mang điện (điện
tử tự do và lỗ trống) có số lƣợng bằng nhau đƣợc gọi là chất bán dẫn thuần (bán dẫn
nguyên chất).
2. Chất bán dẫn tạp chất
Để nâng cao tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn, ta thực hiện pha thêm tạp chất
vào chất bán dẫn nguyên chất, gọi là chất bán dẫn tạp.
2.1. Chất bán dẫn tạp loại P
Ta pha thêm tạp chất là những nguyên tố thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn
(Ga, In…) vào trong mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó trong mạng tinh thể, một
số nguyên tử Ga sẽ thay thế vị trí một số nguyên tử Si, ba điện tử hoá trị của Ga sẽ
tham gia vào ba mối liên kết với ba nguyên tử Si bên cạnh, còn mối liên kết với
nguyên tử Si thứ tƣ bị thiếu một điện tử đƣợc coi nhƣ một lỗ trống. Các mối liên kết bị
thiếu một điện tử này dễ dàng đƣợc lấp đầy bởi một điện tử đƣợc bắn ra từ các mối
liên kết bên cạnh bị phá vỡ, nhƣ vậy lỗ trống có thể di chuyển đƣợc, tạo thành dòng
điện.
- Khi nhiệt độ tăng lên số mối
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
liên kết bị phá vỡ càng nhiều làm cho
số lƣợng điện tử tự do và lỗ trỗng
tăng. Nhƣng ở bán dẫn có pha thêm
các tạp chất thuộc nhóm III thì số
lƣợng các lỗ trống bao giờ cũng lớn
hơn số lƣợng các điện tử tự do.
Lỗ trống
+3
Ga
Điện tử tự do
Si
Cặp điện tử tự do-lỗ trống
* Nhƣ vậy:
Vật liệu bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các lỗ trống gọi là chất
bán dẫn tạp loại P. Lỗ trống gọi là hạt dẫn điện đa số. Điện tử tự do là hạt dẫn điện
thiểu số.
2.2. Chất bán dẫn tạp loại N
Ta pha thêm các nguyên tố thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (As, P…) vào
trong cấu trúc mạng tinh thể của nguyên tử Si. Khi đó một số nguyên tử P sẽ thay thế
một số vị trí nguyên tử Si trong mạng tinh thể.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Nguyên tử P có năm điện tử hoá
trị, bốn trong năm điện tử hoá trị sẽ
tham gia vào bốn mối liên kết với bốn
nguyên tử Si đứng xung quanh nó, còn
điện tử hoá trị thứ năm không tham
gia vào mối liên kết nào mà chịu sự
ràng buộc rất yếu với hạt nhân, chúng
dễ dàng tách khỏi mối liên kết với hạt
nhân để trở thành các điện tử tự do và
sẽ tham gia vào việc vận chuyển dòng
điện.
Si
P
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Điện tử tự do
+5
Si
Khi nhiệt độ tăng lên, số mối liên kết bị phá vỡ càng tăng sinh ra nhiều cặp điện tử
tự do - lỗ trống. Nhƣng ở chất bán dẫn pha thêm tạp chất thuộc nhóm V thì số lƣợng
các điện tử tự do bao giờ cũng lớn hơn số lƣợng các lỗ trống.
* Nhƣ vậy, loại bán dẫn mà dẫn xuất được thực hiện chủ yếu bằng các điện tử tự
do gọi là chất bán dẫn tạp loại N. Điện tử tự do là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn
thiểu số.
§2. TIẾP GIÁP P - N. TÍNH CHẤT CHỈNH LƢU CỦA ĐIỐT BÁN DẪN
l0
1. Tiếp giáp P-N khi chƣa có điện trƣờng ngoài
Khi cho hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc
công nghệ với nhau, giữa hai khối bán dẫn hình
thành một mặt tiếp xúc P-N, do sự chênh lệch về
nồng độ hạt dẫn giữa hai khối sẽ xảy ra sự
khuyếch tán. Các lỗ trống ở khối P sẽ khuyếch
tán sang khối N và các điện tử từ khối N sẽ
khuyếch tán sang khối P.
Mặt tiếp xúc
-
-
-
-
+
+
+
+
P
N
Et.xúc
Ik.tán
Itrôi
Ut.xúc
U
Kết quả làm cho bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối P nghèo đi về điện tích dƣơng và
giàu lên về điện tích âm. Bề mặt gần lớp tiếp giáp của khối N mất điện tích âm và nhận
thêm lỗ trống nên tích điện dƣơng. Nếu sự chênh lệch về nồng độ các loại hạt mang
điện ở hai khối này càng lớn thì sự khuếch tán diễn ra càng mạnh.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Kết quả: Hai bên mặt tiếp giáp hình thành nên điện trƣờng vùng tiếp xúc Etx có
chiều hƣớng từ khối N sang khối P. Điện trƣờng tiếp xúc này cản trở sự khuyếch tán
của các hạt mang điện đa số từ khối này sang khối kia. Khi Etx cân bằng với lực
khuyếch tán thì trạng thái cân bằng động xảy ra. Khi đó vùng điện tích không gian
không tăng nữa, vùng này gọi là vùng nghèo kiệt (vùng thiếu vắng hạt dẫn điện) đó là
chuyển tiếp P-N bao gồm các ion không di chuyển đƣợc. Khi cân bằng động, có bao
nhiêu hạt dẫn điện khuyếch tán từ khối này sang khối kia thì cũng bấy nhiêu hạt dẫn
đƣợc chuyển trở lại qua mặt tiếp xúc, chúng bằng nhau về trị số nhƣng ngƣợc chiều
nhau nên chúng triệt tiêu nhau, kết quả dòng điện qua tiếp xúc P-N bằng 0.
Kết luận: Không có dòng điện chạy qua lớp tiếp giáp P – N khi chƣa có điện trƣờng
ngoài.
2. Tiếp giáp P- N khi có điện trƣờng ngoài
2.1. Trường hợp phân cực thuận
Đặt điện áp một chiều vào tiếp giáp P-N sao cho cực dƣơng nối vào khối P, cực
âm nối vào khối N. Điện áp này tạo ra một điện trƣờng ngoài Eng có chiều hƣớng từ
khối P sang khối N. Khi đó điện trƣờng ngoài Eng có chiều ngƣợc với điện trƣờng vùng
tiếp xúc Etx nên điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc giảm.
l0
E = Etx – Eng giảm. Khi đó bề rộng
vùng nghèo giảm làm cho sự khuyếch tán
diễn ra dễ dàng. Các hạt mang điện đa số dễ
dàng khuyếch tán từ khối này sang khối kia.
Do mật độ hạt mang điện đa số lớn nên dòng
khuyếch tán Ikt lớn, dòng điện này gọi là
dòng điện thuận Ith. Ta nói tiếp giáp P-N
thông.
l0‟
-
+
+
+
+
(+)
(-)
-
-
-
P
N
IThuận
Et.xúc
Engoài
Ut.xúc
Ut.xúc - Ungoài
U
Ungoài
Trong đó:
l0: Bề rộng vùng nghèo khi chƣa có điện trƣờng ngoài
l‟0: Bề rộng vùng nghèo khi phân cực thuận
Do số lƣợng hạt dẫn thiểu số ít, nên dòng điện trôi dạt rất nhỏ, Itr 0. Điện trở
tiếp giáp P- N trong trƣờng hợp này gọi là điện trở thuận, có giá trị nhỏ Rth 0.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
2.2. Trường hợp phân cực ngược
Đặt cực dƣơng vào khối N, cực âm vào
khối P. Khi đó Eng cùng chiều với Etx nên
điện trƣờng tổng ở vùng tiếp xúc tăng, do đó
bề rộng vùng nghèo tăng, nó ngăn cản các hạt
dẫn đa số khuếch tán từ khối này sang khối
kia, do vậy dòng khuếch tán coi Ikt = 0. Dòng
điện trôi có giá trị nhỏ do số hạt dẫn thiểu số
rất ít, Itr = 0, nên dòng điện qua tiếp giáp P-N
khi phân cực ngƣợc có giá trị bằng 0.
l0‟
l0
-
+
+
+
+
(-)
(+)
-
-
-
P
N
Ingƣợc
Et.xúc
Engoài
Ungoài
Ut.xúc
U
Ut.xúc+ Ungoài
Ta nói tiếp giáp P-N bị khoá, trong trƣờng hợp này tiếp giáp P-N coi nhƣ một
điện trở có giá trị vô cùng lớn gọi là điện trở ngƣợc, Rng .
* Nhƣ vậy: Tiếp giáp P-N chỉ có tác dụng dẫn điện theo một chiều (từ khối P
sang khối N) khi đƣợc phân cực thuận. Tính chất này gọi là tính chất van hay tính chất
chỉnh lƣu, đó là tính chất chỉnh lƣu của điốt bán dẫn.
3. Điốt bán dẫn.
3.1. Cấu tạo, kí hiệu.
A
K
Anốt
Katốt
P
N
Hình a: Cấu tạo
Hình b: Kí hiệu
Điốt thực chất là một tiếp giáp P-N. Điện cực nối với khối P đƣợc gọi là Anốt (ký
hiệu là A), điện cực nối với khối N gọi là Katốt (ký hiệu là K), toàn bộ cấu trúc trên
đƣợc bọc trong một lớp vỏ bằng kim loại hay bằng nhựa.
* Nguyên lý làm việc: Chính là các hiện tƣợng vật lý xảy ra ở tiếp giáp P-N trong
các trƣờng hợp: chƣa phân cực, phân cực thuận và phân cực ngƣợc đã xét ở trên.
uAK
ith Ingbh (e 1)
T
3.2. Đặc tuyến V-A.
IA
Đặc tuyến V-A đƣợc chia làm 3 vùng:
+ Vùng : Ứng với trƣờng hợp phân cực
thuận. Khi tăng UAK , lúc đầu dòng tăng từ từ,
sau khi UAK > U0 (thƣờng U0 = (0,60,7)V nếu
điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Silic,
Ungƣợc
Ung.max
UAK
0
Uthuậ
Ingƣợc
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
U0 = (0,20,3)V nếu điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Gecmani) thì dòng điện tăng theo
điện áp với quy luật của hàm số mũ.
+ Vùng : Tƣơng ứng với trƣờng hợp phân cực ngƣợc với giá trị dòng điện
ngƣợc ing có giá trị nhỏ (ing Ibhòa).
+ Vùng : Gọi là vùng đánh thủng, tƣơng ứng Ung > Ung.max (Uđánh thủng).
Dòng điện ngƣợc tăng lên đột ngột, dòng điện này sẽ phá hỏng điốt (vì vậy để
bảo vệ điốt thì chỉ cho chúng làm việc dƣới điện áp: U = (0,7 0,8).Uz , Uz là điện áp
đánh thủng) trong khi đó điện áp giữa Anốt và Katốt không đổi tính chất van của
điốt bị phá hỏng. Tồn tại hai dạng đánh thủng: do nhiệt độ cao và điện trƣờng mạnh
làm cho các hạt dẫn chuyển động nhanh, gây va đập và gây nên hiện tƣợng ion hoá do
va chạm làm cho quá trình tạo thành hạt dẫn ồ ạt, dẫn đến dòng điện tăng nhanh.
3.3. Các tham số cơ bản của điốt: chia ra 2 nhóm
* Các tham số giới hạn:
- Ung.max là giá trị điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên điốt mà tính chất van của nó
chƣa bị phá hỏng.
- Imax.cp là dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi điốt mở.
- Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp.
- Tần số làm việc cho phép: fmax
* Các tham số làm việc:
- Điện trở một chiều của điốt Rđ
- Điện trở xoay chiều của điốt rđ
3.4. Phân loại
- Theo vật liệu chế tạo: điốt Ge, điốt Si…
- Theo cấu tạo: điốt tiếp xúc điểm, tiếp xúc mặt…
- Theo dải tần số làm việc: điốt tần số thấp, điốt tần số cao, siêu cao…
- Theo công suất: điốt công suất lớn, trung bình, nhỏ.
- Theo công dụng: điốt chỉnh lƣu, điốt tách sóng, điốt ổn áp, điốt quang…
4. Một số ứng dụng của điốt bán dẫn
Ta xét một số ứng dụng của điốt trong các mạch chỉnh lƣu, các mạch hạn chế
biên độ điện áp ....
4.1. Các mạch chỉnh lƣu
Định nghĩa: Chỉnh lƣu là quá trình biến đổi năng lƣợng điện xoay chiều thành
năng lƣợng điện một chiều cung cấp cho các phụ tải điện một chiều.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Sau đây ta xét các bộ chỉnh lƣu công suất nhỏ
Để đơn giản cho quá trình phân tích, ta giả thiết các van điốt là lý tƣởng, điện áp
vào là hình sin 110/220 V xoay chiều, tần số 50 Hz, tải là thuần trở.
a. Mạch chỉnh lƣu một pha hai nửa chu kỳ có điểm trung tính
u1
* Sơ đồ nguyên lý
u1
i1
i2
2
4
0
3
D1
1
t
t
*
u2
i1
i2
u21
u21
u22
u22
*
Rt
u21
it
2
*
u1
0
u22
D1 mở
D2 mở D1 mở D2 mở
tải C
ut
3
UTB
D2
0
Hình a: Sơ đồ nguyên lý
Hình b: Giản đồ điện áp
t
uDng
t
0
D2
D1
D1
D2
Ungmax
Trong sơ đồ, cuộn thứ cấp của biến áp đƣợc chia làm hai nửa có số vòng dây
bằng nhau, chiều quấn dây ngƣợc nhau, với cách cuốn đó tạo ra hai điện áp u21, u22 có
cùng biên độ nhƣng lệch pha nhau 1800.
* Nguyên lý hoạt động:
- Khi t = 0 : u21>0, u22<0, điện thế điểm 1 dƣơng hơn điểm 2, điểm 2 dƣơng
hơn điểm 3, điốt D1 phân cực thuận nên mở, D2 phân cực ngƣợc nên bị khoá, cho dòng
i1 chạy qua D1 và phụ tải Rt về điểm 2.
Khi đó: ura = ut = u21 - uD1 = u21 = U21m.sint.
- Khi t = 2 : u21< 0, u22 > 0, điện thế điểm 3 dƣơng hơn điểm 2, điểm 2
dƣơng hơn điểm 1, D1 khoá, D2 mở, cho dòng i2 chạy qua: D2, Rt về điểm 2.
Khi đó: ura = ut = u22 - uD2 = u22 = U22m.sint..
Kết quả: Dòng điện (điện áp) nhận đƣợc trên tải có dạng là các nửa hình sin liên
tiếp nhau, trong 1 chu kỳ của điện áp lƣới các điốt thay phiên nhau làm việc.
+ Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
1
U0 = 2.
U2m.sint.dt 0,9.U2
2
0
với: U2 là giá trị hiệu dụng của điện áp trên 1 cuộn dây thứ cấp MBA.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
U0
Rt
+ Giá trị trung bình của dòng điện trên tải:
I0 =
I0
2
+ Dòng trung qua các điốt:
ID1 = ID2 =
+ Điện áp ngƣợc cực đại đặt vào mỗi điốt khi khoá bằng tổng điện áp cực đại trên
hai cuộn dây thứ cấp biến áp. Ung.max = 2.U2m
b. Mạch chỉnh lƣu cầu
u2 =U2m.sint
u2
i1
i2
2
4
0
3
M
t
1
D1
D4
ut
*
*
it
D1 mở
D2 mở D1 mở D2 mở
tải C
Q
u2~
N
i2
i2
C
i1
u1
UTB
Rt
D3
D2
D3
D2
0
i1
D3
t
uDng
2
D2
P
0
D2
D2D4
D1D3
D1D3
Hình a: Sơ đồ nguyên lý
t
Ungmax
Hình b: Giản đồ điện áp
Cầu gồm có bốn nhánh với bốn điốt đƣợc nối theo nguyên tắc: hai cạnh đối diện
các điốt nối cùng chiều, tạo hai nhóm điốt: một nhóm có Katốt chung, một nhóm có
Anốt chung.
* Nguyên lý hoạt động:
- t=0: điện thế điểm 1 dƣơng hơn điểm 2, D2, D4 phân cực ngƣợc khoá. D1,
D3 phân cực thuận mở cho dòng điện i1 chạy qua D1, Rt, D3 về điểm 2.
- t=2: điện thế điểm 2 dƣơng hơn điểm 3, D1, D3 phân cực ngƣợc, khoá. D2,
D4 phân cực thuận mở cho dòng điện i2 chạy qua D2, Rt, D4 về điểm 1.
Kết quả:
Điện áp (dòng điện) ra trên tải là các nửa hình sin liên tiếp nhau trong một chu kỳ
giống nhƣ sơ đồ chỉnh lƣu 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính. Các biểu thức tính dòng và
áp hoàn toàn giống nhƣ sơ đồ có điểm trung tính. Chỉ khác, nếu cùng 1 giá trị của điện
áp trên tải thì trong sơ đồ này điện áp ngƣợc đặt lên mỗi điốt khi khoá giảm đi một
nửa: Ung.max = U2m đây chính là ƣu điểm cơ bản của sơ đồ cầu. Do đó sơ đồ này là sơ
đồ cơ bản đƣợc sử dụng chủ yếu trong các mạch chỉnh lƣu trong thực tế.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
4.2. Các mạch hạn chế biên độ
- Các mạch hạn chế biên độ đƣợc sử dụng để hạn chế biên độ của điện áp ra lớn
hơn, nhỏ hơn hoặc nằm giữa hai giá trị nào đó gọi là các mức ngƣỡng.
- Thông thƣờng, giá trị của các mức ngƣỡng không vƣợt quá biên độ lớn nhất của
điện áp đƣa vào hạn chế.
- Tuỳ theo cách mắc của phần tử hạn chế so với tải và cách lấy điện áp ra mà ta
có các mạch hạn chế nối tiếp, song song, mạch hạn chế trên, dƣới và mạch hạn chế 2
phía.
a. Các mạch hạn chế nối tiếp: là mạch mà điốt hạn chế mắc nối tiếp với mạch
tải.
D
D
Rng
Rng
R
E
R
uv
ura1
uv
ura2
+
+
E _
_
~
~
Hình a: Mạch hạn chế trên mức E
uv =Um.sint
Hình b: Mạch hạn chế dƣới mức E
uv =Um.sint
uvào
uvào
E
E
t
t
t
2
4
2
4
3
3
t1 t2
t3 t4
t1 t2
t3 t4
0
0
ura2
ura1
ura2
E
E
t
4
4
2
3
2
3
0
0
ura1
Hình c: Giản đồ điện áp
Hình d: Giản đồ điện áp
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Để đơn giản khi phân tích, ta giả thiết tín hiệu vào là hình sin, điốt là lý tƣởng.
Trong đó:
RDth và RDng là giá trị trung bình của điện trở thuận và điện trở ngƣợc của điốt.
Nếu thoả mãn điều kiện: RDth + Rng << R << RDng + Rng
Do đó với mạch hạn chế trên, khi UD 0 thì ura1 = uv; UD < 0 thì ura2 = E
Với mạch hình a:
Khi uv E UD < 0 D khoá ura1 = E
Khi uv < E UD > 0 D mở ura1 = uv
Với mạch hình b:
Khi uv E UD > 0 D mở ura2 = uv
Khi uv < E UD < 0 D khoá ura2 = E
b. Các mạch hạn chế song song: là các mạch mà điốt hạn chế mắc song song
với mạch tải.
Rng
Rng
D
D
ur
uv
uv
ur
+
+
E
E
_
_
~
~
Hình b: Mạch hạn chế dƣới mức E
Hình a: Mạch hạn chế trên mức E
Với mạch hình a:
Khi uv E UD > 0 D mở ura = E
Khi uv < E UD < 0 D khoá ura = uv
Với mạch hình b:
Khi uv E UD < 0 D khoá ura = uv
Khi uv < E UD > 0 D mở ura = E.
4.3. Ổn định điện áp bằng điốt Zener (Điốt ổn áp)
- Điốt ổn áp làm việc dựa trên hiệu ứng đánh thủng Zener và đánh thủng thác lũ
của tiếp giáp P-N khi phân cực ngƣợc, bị đánh thủng nhƣng không hỏng.
- Điốt ổn áp dùng để ổn định điện áp đặt vào phụ tải.
- Kí hiệu, đặc tuyến V-A, sơ đồ ổn áp đơn giản dùng điốt Zener nhƣ hình vẽ.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
iA
uAK
Uođ =ura
iAth Ingbh (e 1)
T
K
ura
Rhc
Ung
Ibh
uv
+
+
_
0
DZ
Rt
uAK
Uv
_
Ur
ung
A
P2
Iôđ.min
A
Iôđ.tb
P1
Hình a: Kí hiệu
Iôđ.max
B
Hình c: Sơ đồ ổn áp đơn giản
Ing
Hình b: Đặc tuyến V-A của điốt ổn áp
- Nhánh thuận đặc tuyến V-A của điốt này giống nhƣ điốt chỉnh lƣu thông thƣờng
nhƣng nhánh ngƣợc có phần khác: Lúc đầu khi điện áp ngƣợc còn nhỏ thì Ingƣợc có trị
số nhỏ giống nhƣ các điốt thông thƣờng.
+ Khi điện áp ngƣợc đạt tới giá trị điện áp ngƣợc đánh thủng thì dòng điện ngƣợc
qua điốt tăng lên đột ngột còn điện áp ngƣợc trên điốt đƣợc giữ hầu nhƣ không đổi.
Đoạn đặc tuyến gần nhƣ song song với trục dòng điện (đoạn A-B). Đoạn (A-B) đƣợc
giới hạn bởi (Iôđmin , Iôđmax) là đoạn làm việc của điốt ổn áp.
+ Để đảm bảo cho hiện tƣợng đánh thủng về điện không kéo theo đánh thủng về
nhiệt làm cho điốt bị hỏng, khi chế tạo ngƣời ta đã tính toán để tiếp giáp P-N chịu
đƣợc dòng điện ngƣợc. Mặt khác, trong mạch điện còn đặt điện trở hạn chế để hạn chế
không cho dòng điện ngƣợc qua điốt vƣợt quá dòng điện ngƣợc cho phép.
+ Khi dòng điện qua điốt nhỏ hơn giá trị Iôđmin thì điốt làm việc ở đoạn OA nên
không có tác dụng ổn định điện áp.
+ Khi dòng điện qua điốt lớn hơn giá trị Iôđmax thì công suất toả ra trên điốt vƣợt
quá công suất cho phép có thể làm cho điốt bị phá hỏng vì nhiệt.
- Trong mạch ổn áp điốt ổn áp mắc song song với phụ tải.
- Nếu uv thay đổi, Rt không đổi, trên đặc tuyến V-A khi uV thay đổi 1 lƣợng uv
khá lớn nhƣng ura thay đổi một lƣợng ura rất nhỏ, dƣờng nhƣ mọi sự thay đổi của
uv đều hạ trên Rhc, đảm bảo điện áp ra tải không thay đổi.
- Nếu uv không đổi, Rt thay đổi. Lúc đó nội trở của điốt thay đổi dẫn tới sự phân
bố lại dòng điện qua điốt và qua tải đảm bảo cho điện áp ra tải là không đổi.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
§3. TRANZITO LƢỠNG CỰC ( Transistor Bipolar)
Nếu trên cùng một đế bán dẫn ngƣời ta tạo ra hai tiếp giáp P-N ở gần nhau, dựa
trên đặc tính dẫn điện của mỗi tiếp giáp và tác dụng tƣơng hỗ giữa chúng sẽ làm cho
dụng cụ này có khả năng khuếch đại đƣợc những tín hiệu điện và khi đó ngƣời ta gọi
là đèn bán dẫn 3 cực hay Tranzito.
1. Cấu tạo
JE
JE
JC
JC
Cực góp
Cực phát
Cực phát
Cực góp
P
N
P
N
P
N
C
C
E
E
Cực gốc
Cực gốc
B
B
Hình a: Cấu tạo tranzito PNP
Hình b: Cấu tạo tranzito NPN
C
C
B
B
E
E
Hình d: Kí hiệu tranzito NPN
Hình d: Kí hiệu tranzito PNP
Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn điện cùng
loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo cách sắp xếp các
khối bán dẫn mà ta có Tranzito thuận p-n-p (hình a) và Tranzito ngƣợc n-p-n (hình b)
đƣợc chỉ ra trên hình vẽ.
- Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là nồng độ
tạp chất lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E.
- Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thƣớc rất mỏng cỡ m và nồng độ
tạp chất ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B.
- Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ), điện cực
nối với nó gọi là cực góp C.
- Tiếp giáp giữa lớp phát với lớp gốc gọi là tiếp giáp phát JE
- Tiếp giáp giữa lớp gốc với lớp góp gọi là tiếp giáp góp JC
- Chiều mũi tên trong ký hiệu của Tranzito bao giờ cũng là chiều của điện áp phân cực
thuận cho tiếp giáp phát JE (có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N).
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
2. Nguyên lý làm việc
Để cho Tranzito có thể làm việc ở chế độ khuyếch đại tín hiệu điện, ngƣời ta phải
đƣa điện áp một chiều tới các điện cực của nó gọi là phân cực cho tranzito, sao cho
tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nhƣ hình vẽ.
C
C
IC
IC
IB
IB
B
_
B
_
+
UCE < 0
UCE > 0
_
+
+
UBE < 0
_
UBE > 0
+
IE
IE
E
E
Hình b: Phân cực cho trazito PNP
Hình a: Phân cực cho trazito NPN
Giả sử ta xét tranzito pnp nhƣ hình vẽ
Do tiếp giáp JE đƣợc phân
JE
JC
cực thuận bằng nguồn UEB, điện
N
P
P
C
E
+++++++++++++
+
trƣờng EEB này có tác dụng gia
IE
IC
_
+
-
UEB
UCB
_
tốc các hạt dẫn điện đa số
(lỗ trống) từ vùng phát qua JE
đến vùng gốc tạo thành dòng
+
IB
-
ICB
-
-
- - - - - - - - - - - -
B
điện cực phát IE. Do nồng độ các lỗ trống ở vùng phát lớn nên dòng điện cực phát IE
có giá trị lớn.
Khi đến vùng gốc, một phần nhỏ lỗ trống sẽ tái hợp với các điện tử đến từ cực âm
của nguồn UEB tạo thành dòng điện cực gốc IB. Do vùng gốc có bề dày mỏng và nồng
độ các hạt dẫn điện tử rất ít nên dòng điện cực gốc IB rất nhỏ. Phần lớn các lỗ trống
còn lại khuyếch tán qua vùng gốc và di chuyển đến tiếp giáp góp JC. Tại tiếp giáp góp,
điện trƣờng UCB thuận chiều với các hạt này nên sẽ cuốn chúng qua tiếp giáp JC sang
lớp góp để tạo thành dòng điện cực góp IC.
Thực tế, vì tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nên trên nó vẫn tồn tại một dòng điện
ngƣợc có trị số nhỏ (giống nhƣ dòng điện ngƣợc của điốt) ICB0 , do mật độ các hạt dẫn
thiểu số nhỏ nên dòng ICB0 có trị số nhỏ, ta có thể bỏ qua.
Khi đó, ta có biểu thức dòng điện trong tranzito là:
IE = IB + IC . Do IB << IE , IB << IC nên IE IC
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Để đánh giá mức độ hao hụt của dòng điện cực phát tại vùng cực gốc, ngƣời ta
đƣa ra khái niệm gọi là hệ số truyền đạt dòng điện :
= IC / IE , 1 càng tốt.
(1)
Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện cực gốc tới dòng điện cực góp
ngƣời ta đƣa ra hệ số khuyếch đại dòng điện : = IC / IB . (2)
Thƣờng = vài chục vài trăm lần , từ (1) và (2) ta có quan hệ: = / 1+
Đối với Tranzito ngƣợc P-N-P, nguyên lý làm việc cũng tƣơng tự nhƣ tranzito
thuận, chỉ khác là ở tranzito ngƣợc phần tử mang điện đa số ở cực phát là điện tử, đồng
thời để cho sơ đồ hoạt động ta phải đổi lại cực tính của các nguồn điện cũng nhƣ đổi
lại chiều của các dòng điện IE, IB, IC .
3. Các cách mắc Tranzito ở chế độ khuếch đại
Khi sử dụng về nguyên tắc có lấy hai trong số ba cực của tranzito làm đầu vào,
cực thứ ba còn lại cùng với một cực đầu vào làm đầu ra. Nhƣ vậy có tất cả sáu cách
mắc mạch khác nhau. Nhƣng dù mắc nhƣ thế nào cũng cần có một cực chung cho cả
đầu vào và đầu ra. Trong số sáu cách mắc đó thì chỉ có ba cách mắc là tranzito có thể
khuếch đại đƣợc công suất, đó là cách mắc chung Emitơ (EC), chung Bazơ (BC) và
chung Colectơ (CC). Ba cách mắc còn lại không có ứng dụng trong thực tế.
E
C
C
B
B
E
ura
ua
ura
uvào
uvào
uvào
C
E
B
Hình c: Mắc CC
Hình a: Mắc EC
Hình b: Mắc BC
Từ cách mắc đƣợc dùng trong thực tế của tranzito, về
mặt sơ đồ có thể coi tranzito là một mạng 4 cực gần tuyến
tính có hai đầu vào và hai đầu ra.
I2
I1
U1
vào
T
U2
Có thể viết ra 6 cặp phƣơng trình mô tả quan hệ giữa
đầu vào và đầu ra của mạng 4 cực trong đó dòng điện và
điện áp là những biến số độc lập. Nhƣng trong thực tế tính
toán thƣờng dùng nhất là 3 cặp phƣơng trình tuyến tính sau:
ra
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
Cặp phƣơng trình trở kháng có đƣợc khi coi các điện áp là hàm, các dòng điện là
biến có dạng sau:
r r
11 12
U f
I1, I2
r .I1 r .I2
I
1
11
12
1
U2 f
I1, I2
r21.I1 r22.I2
I2
r21r22
Cặp phƣơng trình dẫn nạp có đƣợc khi coi các dòng điện là hàm của các biến điện áp :
g g
11 12
I f
U1,U2
g11.U1 g12.U2
g21.U1 g22.U2
U
1
1
I2 f
U1,U2
U2
g21g22
Cặp phƣơng trình hỗn hợp :
U f
h h
11 12
I1,U2
I1,U2
h .I1 h .U2
I
1
11
12
1
U2 f
h21.I1 h22.U2
U2
h21h22
Trong đó: rij , gij , hij tƣơng ứng là các tham số trở kháng, dẫn nạp và hỗn hợp của
tranzito.
Bằng cách lấy vi phân toàn phần các hệ phƣơng trình trên, ta sẽ xác định đƣợc các
tham số vi phân tƣơng ứng của tranzito. Ví dụ:
U2
I2
1
là điện trở ra vi phân;
r22
h22
I1const
I2
U1
1
g21
S
là hỗ dẫn truyền đạt;
r
12
U2 const
U1
I1
r
h11
11
là điện trở vào vi phân;
I2 const
I2
I1
h21
là hệ số khuếch đại dòng điện vi phân.
U2 const
* Sơ đồ tƣơng đƣơng của tranzito: có 2 loại cơ bản là sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên và
sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế.
- Sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên: dạng của sơ đồ phụ thuộc vào dạng mắc mạch của
tranzito và các tham số của sơ đồ trực tiếp biểu thị những tính chất vật lý của tranzito,
vì thế các tham số của nó còn gọi là các tham số bản thân hay các tham số vật lý.
- Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế: dạng của sơ đồ không phụ thuộc vào dạng mắc mạch
của tranzito và đƣợc thành lập dựa trên cơ sở các hệ phƣơng trình cơ bản của các tham
số.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
iE
iE
rE
rC
A
E
C
Sơ đồ tương đương tự nhiên hình T
của tranzito mắc theo sơ đồ gốc chung (BC)
rB
B
CE
CC
Các tham số cơ bản:
rE - điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực emitơ.
rB - điện trở khối của vùng bazơ
rC - điện trở vi phân của tiếp giáp góp
CE - điện dung của tiếp giáp phát
CC - điện dung của tiếp giáp góp
IE – nguồn dòng tƣơng đƣơng của cực emitơ đƣa tới colectơ.
I1
I2
Sơ đồ tương đương thay thế
h11
1
h22
U2
U1
h21I1
của tranzito dựa theo tham số h.
~
h12U2
U1, I1, U2, I2 lần lƣợt tƣơng ứng là điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch.
h11 - Điện trở đầu vào của tranzito khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:
U1
h
I2 const
11
I1
U1
U2
h
I1 const
I2
h12 - Hệ số phản hồi điện áp khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:
12
h21
U2 const
h21 - Hệ số khuếch đại dòng điện khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:
I2
I1
h22
I1 const
h22 - Điện dẫn đầu ra khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:
U2
Nếu tranzito đƣợc mắc theo mạch phát chung thì các tham số h còn phải có thêm
chữ E bên cạnh các chữ số, ví dụ nhƣ: h21E để nói lên rằng các tham số đƣợc xác định
cho tranzito mắc theo mạch phát chung, tƣơng tự khi tranzito đƣợc mắc theo mạch gốc
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
chung ta phải thêm chữ B và khi tranzito đƣợc mắc theo mạch góp chung ta phải thêm
chữ C
Mối quan hệ giữa những tham số h của tranzito trong sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế
và những tham số vật lý của nó trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên, khi nó đƣợc mắc
theo mạch gốc chung có thể thiết lập đƣợc nếu các phƣơng trình liên hệ giữa dòng điện
và điện áp trong sơ đồ tƣơng đƣơng tự nhiên cũng đƣợc viết dƣới dạng tƣơng tự với
các phƣơng trình:
U h .I h .U
1
11
1
12
2
U2 h21.I1 h22.U2
Ta có thể đƣa ra các quan hệ giữa các tham số của hai sơ đồ trên nhƣ sau:
Khi U2 = 0 với mạch đầu vào ta có:
U1 I1. rE (1)rB
h
rE (1)rB
hay
11B
Với mạch đầu ra: I2 .I1 do đó h21B khi I1 = 0
U2
U2
1
I2
h22
do đó
Dòng mạch ra:
rC(B) rB C(B)
rC(B)
U I .r
rB
1
2
B
h12
nên ta có:
và
rC(B)
U2 I2.rC(B)
4. Các họ đặc tuyến tĩnh của Tranzito
Trƣờng hợp tổng quát, có 4 họ đặc tuyến tĩnh:
4.1. Đặc tuyến vào : uv = f(iv) khi ura = hằng số
4.2. Đặc tuyến ra: ira = f(ura) khi iv = hằng số
4.3. Đặc tuyến truyền đạt: ira = f(iv) khi ura = hằng số
4.4. Đặc tuyến phản hồi: uv = f(ura) khi iv = hằng số
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
§4. CÁC DẠNG MẮC MẠCH CƠ BẢN VÀ CÁC HỌ ĐẶC TUYẾN CỦA TRANZITO
1. Sơ đồ Emitơ chung (EC)
Trong cách mắc EC, điện áp vào đƣợc lấy giữa cực B và cực E, điện áp ra lấy từ
cực C và cực E. Dòng điện vào, điện áp vào, dòng điện ra và điện áp ra đƣợc đo bằng
miliampe kế và vôn kế nhƣ hình vẽ:
+
mA
1.1. Họ đặc tuyến vào:
VR
IB
+
U1
2
IC
IE
U2
µA
IB = f(UBE)
V
VR
UCE
1
mV
UBE
UCE = const
Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến
Ta dùng các nguồn U1, U2 để phân cực cho các tiếp giáp JE, JC.
UCE1 < UCE2
IB (A)
Để xác định đặc tuyến vào, cần giữ UCE = const,
thay đổi trị số điện áp UBE bằng cách điều chỉnh
biến trở VR1 và ghi lại các giá trị tƣơng ứng IB,
thay đổi UCE đến một giá trị khác và làm tƣơng
tự ta sẽ nhận đƣợc họ đặc tuyến vào nhƣ hình
vẽ bên.
IB1
IB2
0
UBE (V)
Ta thấy, đặc tuyến vào giống nhƣ đặc tuyến thuận của tiếp giáp P-N.
Khi UBE > U0 thì dòng IB tăng nhanh theo UBE.
- Ứng với một giá trị của UBE khi tăng UCE thì đặc tuyến dịch sang phải, dòng IB
giảm, vì: khi tăng UCE tức là UCE = UCB + UBE, coi UBE = const, tức là tăng UCB, điện áp
ngƣợc của tiếp giáp JC tăng vùng nghèo mở rộng chủ yếu về miền bazơ pha tạp ít, do đó
khả năng tái hợp của điện tử và lỗ trống trong miền gốc giảm do đó dòng IB giảm.
IC =f(UCE) khi IB = const
1.2. Họ đặc tuyến ra:
Để vẽ đặc tuyến ra, giữ IB = const, thay
đổi UCE và ghi lại các giá trị tƣơng ứng của
dòng IC. Thay đổi IB đến giá trị cố định khác
và làm tƣơng tự nhƣ trên sẽ nhận đƣợc họ đặc
tuyến ra biểu thị mối quan hệ giữa UCE với
dòng IC.
iC (mA)
3
i> 0
2
- Họ đặc tuyến ra chia làm 3 vùng:
tuyến tính, bão hoà, cắt dòng:
i= 0
uCE(V)
0
1
+ Vùng (vùng cắt dòng): với tiếp
giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp JE
ICB0
uCEbh
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
đƣợc phân cực không (uBE=0) hoặc phân cực ngƣợc. Dòng điện trên cực góp chỉ là
dòng điện ngƣợc của tiếp giáp JC (iC=iCB0 0).
+ Vùng (vùng khuếch đại): với tiếp giáp góp JC phân cực ngƣợc, tiếp giáp phát
JE phân cực thuận. Vùng này dòng điện cực gốc iB gần nhƣ tỷ lệ thuận với uBE (trong
phạm vi tín hiệu bé) và đƣợc dùng làm vùng làm việc của các bộ khuếch đại vì:
uBE uvào
uvào
Rvào
iB
; iC iB
;
Rvào Rvào
RC
ura E iC RC E
..uvào
Rvào
+ Vùng (vùng bão hòa) : là vùng mà với mọi giá trị iB khác nhau thì dòng iC
chỉ có một giá trị cố định (với các tham số xác định của mạch). Khi đó điện áp giữa
các cực của tranzito rất nhỏ và tranzito có thể xem nhƣ quy tụ thành 1 điểm.
- Họ đặc tuyến truyền đạt biểu thị mối quan hệ IC = f(IB) khi UCE = const đƣợc
suy ra từ họ đặc tuyến ra.
IC
_
mA
2. Sơ đồ bazơ chung (BC)
+
U1
_
IE
U2
mA
Cực bazơ B dùng chung cho cả đầu
vào và đầu ra. Tín hiệu vào đặt giữa cực
E và cực B, tín hiệu ra đặt giữa cực C và
cực B.
V
UCB
mV
UEB
IB
+
Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến
2.1. Đặc tuyến vào: IE =f(UEB) khi UCB = const
- Đặc tuyến vào cũng giống nhƣ đặc tuyến
thuận của điốt, khi tăng UEB thì dòng IE tăng
tƣơng ứng.
UCB2 > UCB1
IE (mA)
IE2
Ứng với cùng một giá trị của UEB khi tăng
UCB thì dòng IE tăng, vì: tăng UCB làm điện áp
phân cực ngƣợc tại IC tăng, điện trƣờng ngƣợc
tại vùng này chính là điện trƣờng thuận đối với
IE1
0
UEB (V)
các hạt dẫn điện đa số ở miền phát làm cho các hạt dẫn điện từ miền gốc chuyển sang
miền góp tăng, IC tăng do đó IE tăng.
Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự
2.2. Đặc tuyến ra: IC =f(UCB) khi IE = const
- Đặc tuyến ra là các đƣờng thẳng
IC mA
Miền khuyếch đại
Miền bão hoà
IE4
IE3
IE2
IE1
gần nhƣ song song nhau. IC IE
(thƣờng IC IE ). Đặc tuyến ra không
xuất phát từ gốc 0.
V
UBC
0
UCB
- Khi UCB = 0 vẫn tồn tại dòng IC 0. Vì khi đó trên tiếp giáp JC vẫn tồn tại một điện
trƣờng tiếp xúc hƣớng từ khối N sang khối P, nó đẩy các hạt dẫn điện từ miền gốc sang
miền góp, do đó IC 0.
3. Sơ đồ Côlêctơ chung (CC): Cực Côlêctơ dùng chung cho cả đầu vào và đầu ra.
+
mA
+
U1
_
IE
IB
U2
_
µA
V
UEC
V
UBC
IC
Hình a: Sơ đồ lấy đặc tuyến
IE (mA)
IB (A)
Đặc tuyến truyền đạt
Đặc tuyến ra
IB5 = IBmax
100
IB4
IB3
IB2
80
60
UCE1 UCE2
40
20
IB1
A
IB = 0
V
0
0
UEC
UBC(V)
IB
IC0(E)
Hình b: Đặc tuyến vào
Hình c: Đặc tuyến ra
- Họ đặc tuyến vào của sơ đồ CC có dạng khác hẳn, nó không xuất phát từ gốc 0, vì
trong cách mắc này điện áp vào UBC phụ thuộc rất nhiều vào điện áp ra UEC. Khi UBC
tăng, UEC = const, khi đó UEB giảm làm giảm dòng IB . Dòng IB giảm về bằng 0 khi
UBC = UEC, khi đó UEB = 0.
- Họ đặc tuyến ra tƣơng tự nhƣ họ đặc tuyến ra của sơ đồ mắc EC bởi vì coi IC IE.
Tải về để xem bản đầy đủ
141 trang
14880
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật điện tử tương tự", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_ky_thuat_dien_tu_tuong_tu.pdf
