Tài liệu Giáo trình điện tử học

TS.ĐÀO MINH HƯNG (Chủ biên) ThS. BÙI QUANG BÌNH GIÁO TRÌNH DIỆN T0 NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ NỘI - 2020 LỜI NÓI ĐÀU Giáo trình Điện tử học đề cập một cách hệ thong các kiến thức không thể thiếu trong lĩnh vực điện tử, từ các linh kiện điện tử cơ bản như: diode, transistor, thyristor, vi mạch thuật toán Op-Amp... đến các mạch điện tử ứng dụng trong truyền thông tin như: chỉnh lưu, ổn áp, khuếch đại, tạo dao động, điều biển - tách sóng, kỹ thuật xung - sổ, truyền thông sổ, đo lường... Tài liệu trình bày các phương pháp phân tích, tồng hợp mạch điện từ cơ bản phù hợp với yêu cầu chuẩn đầu ra trong chương trình đào tạo hệ cử nhân Vật lý Ngoài ra, đây cũng là tài liệu tham khảo bổ ích cho các sinh viên ngành Điện Điện tử Viền thông, Công nghệ thông tin... Hiện nay, chương trình đào tạo được thiết kế theo hệ tín chi, thời gian học tập trên lớp không nhiều nên khi biền soạn chúng tôi cổ gắng trình bày chi tiết hơn các nội dung mà sinh viên không được nghe giảng trực tiếp, giúp cho họ có thể tự học và tham khảo ở nhà. Một sẻ nội dung có tính chất gợi mở, liên hệ thực tiễn. Sau mỗi chương đều cỏ câu hỏi ôn tập, bài tập, giúp nắm vững và củng cổ kiến thức vừa học. Giảo trình này gồm có 8 chương: Chương 1. Linh kiện điện từ Chương 2. Mạch khuếch đại Chương 3. Khuếch đại vi sai và khuếch đại thuật toán Chương 4. Mạch dao động Chương 5. Các mạch sổ cơ bản Chương 6. Mạch biển đổi tần số tín hiệu Chương 7. Nguồn cấp điện một chiều Chương 8. Dụng cụ đo lường điện tử Giáo trình đã được Hội đồng thấm định Trường Đại học Quy Nhơn thông qua. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp ở Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu, Khoa học Tự nhiên; các Thầv giáo, Cô giáo Khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã giúp đỡ, đọc bản thảo và đỏng góp nhiều ỷ kiến quỷ báu trong khi biên soạn tài liệu. Trong quá trình biên soạn, mặc dù các tác giả đã dành nhiều thời gian và nỗ lực đê hoàn thiện song chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của các đông nghiệp và bạn đọc. CÁC TÁC GIÀ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Việt BKĐ Bộ khuếch đại CTT Chuẩn tắc tuyển CTH Chuẩn tắc hội HSKĐ Hệ số khuếch đại KĐ Khuếch đại KĐCS Khuếch đại công suất KĐVS Khuếch đại vi sai SĐTĐ Sơ đồ tương đương Tiếng Anh Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Alternating Current Dòng điện xoay chiều ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số AM Amplitude Modulation Điều chế biên độ ASK Amplitude Shift Keying Điều chế khóa dịch biên độ BCD Binary Coded Decimal Mã nhị phân BCD Bit Binary digit Số (bit) nhị phân BJT Bipolar Junction Transistor Transistor lưỡng cực Binary Phase Shift Key Điều chế khóa dịch pha nhị phân CB Common Base Cực gốc chung cc Common Collector Cực thu chung CD Common Drain Cực máng chung CG Common Gate Cực cổng chung CE Common Emitter Cực phát chung Common Mode Rejection Ratio Tỷ số nén nhiễu đồng pha Common Source Cực nguồn chung Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi số - tương tự AC BPSK CMRR cs DAC Từ viết tắt Tiếng Việt DC Directing Current Diac Diode Alternative Current Semiconductor Switch Chuyển mạch bán dẫn xoay chiều 2 cực Demultiplexer Bộ tách kênh Division Độ chia (trong máy hiện sóng điện tử) Differential Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha vi sai Double Sideband Suppressed Carrier Điều chế biên độ 2 biên triệt sóng mang External Trigger In Ngõ vào đồng bộ ngoài Full Adder Bộ toàn tổng FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần sổ FET Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường FF Flip Flop Mạch bập bênh FM Frequency Modulation Điều chế tần số FSK Frequency Shift Key Điều chế khóa dịch tần GND Ground Đất (mass) GTO Gate Turn O ff Thyristor Thyristor có cổng đóng mở HA Half Adder Bộ bán tổng IC Intergrated Circuit Mạch tích hợp (Vi mạch) IF Intermediate Frequency Trung tần IGFET Isolated Gate Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường có cực cửa cách ly JFET Junction Field Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường có cực cửa là chuyển tiếp p-n. LCD Liquid Crystal Display Bộ hiển thị tinh thể lỏng LED Light Emitting Diode Diode phát quang LSB Least Significant Bit Bit có ý nghĩa nhỏ nhất LTP Lower Threshold Point Điểm khởi động dưới Metal Oxide Semiconductor FET (Tên gọi khác của IGFET) Most Significant Bit Bít có ý nghĩa lớn nhất DEMUX DIV DPSK DSB-SC EXT TRIG IN FA MOSFET MSB 6 Tiếng Anh . ■ * Dòng điện một chiều Tiếng Anh Từ viết tắt Tiếng Việt MUX Multiplexer Bộ ghép kênh NTSC National Television System Committee ủ y ban hệ thống truyền hình quôc gia Mỹ (hệ màu NTSC) Operational Amplifier Bộ khuếch đại thuật toán OOK On - Off Keying Điều chế khóa đóng - ngắt PAL Phase Alternative Line Thay đổi pha theo dòng (hệ màu PAL) PAM Pulse Amplitude Modulaton Điều chế biên độ xung PCM Pulse Coded Modulation Điều chế xung mã PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PM Phase Modulation Điều chế pha PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung PSK Phase Shift Key Điều chế khóa dịch pha PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ vuông góc. QPSK Quartemary Phase Shift Key Điều chế khóa dịch pha 4 bit Reference Mức tham chiếu (chuẩn) Radio Frequency Tần số vô tuyến SCR Silicon Controlled Rectifier Bộ chỉnh lưu bán dẫn có điều khiên sw Switch Chuyển mạch điện tử S/N Signal/Noise Tỷ số công suất tín hiệu fren công suất tạp âm TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo thời gian THD Total Harmonic Distortion Hệ số méo hài tổng cộng Triac Triode Alternative Current Semiconductor Switch Chuyển mạch bán dẫn xoay chiêu 3 cực UTP Upper Threshold Point Điểm ngưỡng trên vco Voltage Controlled Oscillator Mạch dao động điều khiên băng điện áp WDM Wavelength Division Multiplexing Ghép kênh phân chia cheo bước sóng OA REF RF 7 C hư ơng 1 LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 1.1. CHẤT BÁN DẢN. CHUYỂN TIẾP P-N 1.1.1. Chất bán dẫn thuần khiết - Các vật liệu điện tử thường được phân chia thành 3 loại: cách điện, dẫn điện và bán dẫn. Chất bán dẫn có điện trở suất ở khoảng giữa chất dẫn điện và chất cách điện, trong khoảng (10"4 -ỉ-10+4) Í2.m [2], Tuy nhiên, giá trị này còn phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ tạp chất trong bán dẫn. - về cấu trúc, bán dẫn là chất rắn kết tinh và hầu hết có cấu trúc đơn tinh thể, gồm 2 loại là: bán dẫn đơn chất (Si, G e...) và bán dẫn hợp chất (Ga-As, In-P, Ga-Al-As...) [7], Để đơn giản, ta có thể hình dung cấu trúc tinh thể của bán dẫn Si thuần khiết bằng mô hình phẳng như Hình 1.1. Silic là nguyên tố thuộc nhóm rv trong bảng tuần hoàn Medeleep, có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng. Trong tinh thể, mỗi nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử kế cận thông qua các liên kết cộng hóa trị. Khi đó, mỗi nguyên Hình 1.1. Cấu trúc tinh thể bán dẫn Si tử Si sẽ có 8 điện tử ở lớp ngoài cùng và trở nên bền vững. Trong trạng thái như vậy, tinh thể Si không có điện tích tự do nên không dẫn điện. - Theo thuyết Vùng năng lượng, giản đồ năng lượng của chất rắn tinh thể có 3 vùng năng lượng khác nhau [7]: + Vùng hoá trị: trong đó các mức năng lượng bị chiếm chỗ hoàn toàn bởi các điện tử. + Vùng dân: trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hoặc bị chiếm chồ một phần. + Vùng cấm: trong đó không tồn tại mức năng lượng nào để các điện tử có thể chiếm chỗ. - Đôi với kim loại (Hình 1.2a), giản đô vùng năng lượng có vùng dẫn và vùng hoá trị kề nhau hoặc gối lên nhau, không có vùng cấm xen vào giữa. Vì vậy, ngay ở nhiệt độ xấp xỉ OK, điện tử đã có thể lên chiếm giữ các mức năng lượng còn trống của vùng dẫn, trở thành điện tử tự do và tham gia dẫn điện. 9 w a) b) Hình 1.2. Giản đồ vùng năng lượng của kim loại c) ( a )y điện môi (b) và bán dân (c) - Đối với điện môi (Hình 1.2b), vùng dẫn cách vùng hoá trị một khoảng bằng bề rộng của vùng cấm (Wg > 5eV [2], [29]). Ở nhiệt độ thường, vùng dẫn hoàn toàn trông, không có điện tử, do đỏ, chất điện môi không dẫn điện. - Đối với chất bán dẫn thuần (Hình 1.2c), bề rộng vùng cấm hẹp hơn nhiều so với chất điện môi (Wg < 2eV. Ví dụ: Si có wg= 1,1 eV, Ge có Wg= 0,67eV [7], [29]). Vì vậy, khi được cung cấp năng lượng (nhiệt độ hoặc ánh sáng), một số điện tử trong vùng hoá trị có thể vượt qua vùng cấm, lên vùng dẫn để tham gia dẫn điện. Khi đó, trong vùng hóa trị, nơi điện tử vừa đi khỏi, xuất hiện mức năng lượng bỏ trống, được đặc trưng bời một điện tích dương gọi là lỗ , . . trống. Quá trình này được gọi là quá trình phát xạ cặp điện tử - lỗ trống. Lỗ trống có thê di chuyển trong mạng tinh thể bán dân đê tham gia dân điện (Hmh 1.3). Như vậy trong bán dẫn, điện tử và lồ trống đều tham gia vào thành phần dòng điện. Các điện tử dẫn điện trong vùng dẫn, các lỗ trống dẫn điện trong vùng hỏa trị. 1.1.2. Chất bán dẫn tạp chất 1.1.2.1. Bán dẫn tạp chất loại n - Để làm tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn ở điều kiện bình thường, người ta đưa vào bán dẫn Si thuần một tạp chất thuộc nhóm V (như là: p, A s...) với hàm lượng thích hợp, sao cho các nguyên tử tạp chất chiếm một trong những nút của mạng tinh thê Si (Hình 1.4). Khi đó, 4 điện tử hóa trị của nguyên từ tạp chất tham gia vào các môi liên kêt với mạng tinh thề Si, còn điện từ hóa trị thứ 5 chỉ liên kết rất yếu với hạt nhân của nó, chỉ 10 cần cung cấp một năng lượng rất nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng...) điện tử này sẽ trở thành hạt dẫn tự do [7]. Hình 1.4. Mạng tinh thể của bán dẫn loại n - Chất pha tạp thuộc nhóm V này được gọi là chất donor hay là chất cho điện tử. Bán dẫn được pha tạp chất donor gọi là bán dẫn loại n. số lượng các điện tử tự do của bán dẫn n lớn horn nhiều số lỗ trống (sinh ra do sự phát xạ cặp điện tử - lồ trống ). Do vậy, trong bán dẫn loại n, điện tử là hạt dẫn đa số, còn lỗ ưổng là hạt dẫn thiểu số. - Việc đưa tạp chất donor vào mạng tinh thể bán dẫn Si thuần làm xuất hiện trên giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn mức năng lượng donor Wd nằm trong vùng cấm, sát đáy vùng dẫn (Hình 1.5). Vì vậy, chỉ cần nhận một năng lượng rất nhỏ là điện tử hóa trị của nguyên tử tạp chất này nhảy từ mức donor lên vùng dẫn, ưở thành điện tử tự do, còn nguyên tử donor trở thành ion dưomg. Ở nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt mà các điện tử nhận được đã vượt xa năng lượng cần thiết nói ưên, vì vậy trong vùng dẫn của bán dẫn N luôn có các điện tử tự do và toàn bộ các nguyên tử tạp chất đều bị ion hóa [8], *w wd Hình 1.5. Giản đồ năng lượng bản dẫn loại n 1.1.2.2. Bán dẫn tạp chất loạip - Người ta cũng có thể chọn tạp chất pha vào bán dẫn thuần Si thuộc nhóm III của bảng tuần hoàn các nguyên tố (như là: B, In,...). Do lớp ngoài cùng củanguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể của Si chỉ tạo nên 3 mốiliên kết hoànchỉnh, còn mối liên kết thứ 4 bị bỏ trống (Hình 1.6). Khi đó, chỉ cần một kích thích nhỏ (nhờ nhiệt độ, ánh sáng,...) là một trong những điện tử của các mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ 11 đến thế vào liên kết bỏ trống nóị trên. Tại''mối liên kết mà điện tử vừa đi khỏi sẽ xuất hiện một lỗ trống. Neu có điện trường .đặt .vào, các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện [7]. Hình 1.6. Mạng tinh thể bán dẫn loại p ,~ c^at °h0m III tiếp nhận điện tử từ bán dẫn Si đê sinh các lỗ trống nên được gọi là chất acceptor hay chat nhạn điẹn tử. Chât bán dẫn có pha tạp nhóm như trẹn gọi la ban dân loại p. Do số lượng lỗ trống của bán dạn P lơn hơn nhiêu số điện tử nên trong bán dẫn loại p lô trông là hạt dẫn đa số, còn điện tử là hạt dẫn thiểu số - Trên giản đồ vùng năng lượng của bán dẫn loại p xuât hiện mức năng lượng acceptor wa nằm trong vùng câm, gần với đỉnh vùng hoá trị (Hình 1.7). Khi được cung câp một năng lượng nhỏ, điện tử từ các mức phía trên vùng hóa trị sẽ nhảy lên chiếm mức w~ đê lại những mức trống, tức là những lỗ trống, còn nguyên tử tạp chất trở thành ion âm [8], Hình 1.7. Giản đồ năng lượng bán dẫn loại p 1.1.3. Chuyển tiếp p-n Khi cho 2 mau bán dân loại p và n tiêp xúc với nhau (bằng phương pháp công nghệ), tại ạt tiep xuc se hình thành một vùng chuyên tiếp p-n. Đặc tính điện đặc biệt của chuyển tiep p-n là cơ sở cho hầu hết các linh kiện bán dẫn. Ỉ-L3.1. Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng - Khi tiếp xúc nhau, do chênh lệch về nồng độ, tại mặt tiếp xúc sẽ có hiện tượng khuếch .. , t*an ^ so: trông khuêch tán từ p sang n, còn điện tử khuếch tán từ n sang p. Sự .X ^ en m ỵ tạo n^n khuêch tán I(rt hướng từ p sang n, và làm cho nồng độ hạt an . o ơ vùng gân mặt tiếp xúc giảm xuống rất thấp. Kết quả là tại bề mặt tiep xúc, 12 , phía bán dẫn p hầu như chỉ còn lại các ion âm acceptor, còn bên bán dẫn n hầu như chỉ còn các ion dương donor, nghĩa là hình thành một vùng nghèo hạt dẫn. Các ion âm và dương ở vùng này tạo nên điện trường tiếp xúc Etx hướng từ n sang p (Hình 1.8). E tx N Điện tử tự do Hình 1.8. Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng - Điện trường tiêp xúc E(X có tác dụng: một mặt cản trở sự di chuyển các hạt đa sô làm giảm dòng điện khuêch tán Ikt, mặt khác làm tăng cường sự di chuyển các hạt dẫn thiêu sô (điện tử từ p sang n và lồ trổng từ n sang p) làm tăng dòng điện trôi Itr. Sự khuếch tán các hạt dân đa sô càng mãnh liệt, vùng nghèo càng rộng ra, điện trường tiếp xúc càng tăng, kêt quả là dòng điện khuêch tán ngày một giảm đi còn dòng điện trôi ngày một tăng lên. Cho đên khi dòng điện khuếch tán bằng dòng điện trôi, chuyển tiếp p-n đạt đến trạng thái cân bằng động [7], - Chuyển tiếp p-n ở trạng thái cân bằng có tính chất: + Dòng điện tổng cộng qua mặt tiếp xúc bị triệt tiêu: I = Ikt - Itr = 0 + Độ rộng vùng nghèo ngừng tăng, xác định giá trị /0. + Điện trường trong chuyển tiếp có giá trị xác định Ete, xác lập một thế hiệu tiếp xúc U.X. Thê hiệu tiêp xúc có tác dụng ngăn cản, không cho các hạt dẫn tiếp tục di chuyển qua mặt tiếp xúc, duy trì trạng thái cân bằng, nên còn được gọi là “hàng rào điện thế”. Ở nhiệt độ phòng, u ,x có giá trị cỡ 0,3V (đối với Ge) hoặc 0,7V (đối với Si). 1.1.3.2. Chuyển tiếp p-n khi phân cực ngược Chuyên tiep p-n được phan cực ngược khi ta đặt một nguồn điện áp ngoài u sao cho cực dương được nối vào bán dẫn loại n và cực âm nối vào bán dẫn p - Giả thiết điện trở của chất bán dẫn ở vùng trung hòa là không đáng kể. Lúc đó hầu như toàn bộ điện áp u sẽ đặt vào vùng nghèo, xếp chồng lên thế hiệu tiếp xúc u ,x. Trạng thái 13 cân băng của chuyên tiêp bị phá .vỡ. Điện trường E (do điện áp u gây ra) cùng chiều với Etx sẽ đây các hạt dân đa số rời xđ khỏi mặt ranh giới, đi về phía 2 điện cực. Do đó, vùng nghèo được mờ rộng ra (/ > /0), điện frở của nó tăng (Hình 1.9). Hàng rào điện thế tăng lên (Utx+U) khiên dòng khuếch tán Ikt của hạt dẫn đa số giảm xuống rất nhanh theo quy luật hàm mũ âm, còn dòng trôi Itr của hạt dẫn thiểu số tăng lên theo Ư. Do nồng độ hạt dẫn thiêu sô vôn rât bé, cho nên trị số dòng này cũng rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bão hoà Iso ngay khi u còn thấp. u <1 m o 0 0 0 0 0 o Om 0 0 N m o • o o o o # © !© !© !© o © 11111 o o m m m m • ° • • • • * ° • * o # • • • Ik, lụ />/o ỉ 1 ■ Ư.X+ Ư Hình 1.9. Chuyên tiếp p-n khỉ phân cực ngược - Khi đó, dòng điện tổng cộng qua chuyển tiếp p-n (với chiều dương quy ước là chiều từ p sang n) được xác định theo công thức [8]: qU u trong đó: Iso - dòng điện ngược bão hòa, có giá trị từ (10 8 - 10'6) A tùy thuộc vào nồng độ hạt dẫn thiểu sổ trong hai chất bán dẫn (và do đó phụ thuộc nhiệt độ); q - điện tích nguyên tố (q = 1,6.10'19C); k - hằng số Boltzmann (k = 1,38.10'23 J/K); T - nhiệt độ tuyệt đối; Ut - điện thế nhiệt. kT UT =- 14 ( 1.2 ) Ở nhiệt độ thường (T = 300K), ta có: U t ~ 26 mV. Như vậy, khi bị phân cực ngược, dòng điện qua chuyển tiếp theo chiều từ bán dẫn n sang bán dẫn p và có trị số rất bé gọi là dòng điện ngược. 1.1.3.3. Chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận - Khi nguồn điện áp ngoài u được mắc cho cực dương nối bán dẫn p và cực âm nối bán dẫn n, ta nói chuyển tiếp p-n được phân cực thuận. Điện trường ngoài E, ngược chiều Etx, có xu hướng đẩy các hạt dẫn đa số về phía chuyển tiếp, làm trung hòa các ion âm và dương ờ hai bờ của vùng nghèo, khiến cho vùng nghèo bị thu hẹp (/ < lò) và giảm điện trở (Hình 1:10). Hàng rào điện thế giảm còn (U tx- U), gây ra hiện tượng “phim” các hạt dẫn đa số đi qua vùng nghèo, sang miền đối diện. Dòng hạt dẫn đa số tăng lên nhanh theo điện áp u , theo quy luật hàm mũ dương, còn dòrig trôi của hạt dẫn thiểu số giảm, nhưng không đáng kể theo u j(do nồng độ vốn rất nhỏ). E Hình 1.10. Chuyển tiếp p-n khi phân cực thuận - Dòng điện tổng qua chuyển tiếp lúc này bằng [8]: qU _u_ I = U e l T - l ) * I , 0e uT (1.3) được gọi là dòng điện thuận, có trị số lớn hơn rất nhiều so với dòng điện ngược và tăng nhanh theo điện áp thuận u . Khi điện áp thuận càng tăng, độ rộng vùng nghèo và độ cao hàng rào thế thẳng (Utx - ự ) càng giảm. Khi u = Utx, hàng rào thế biến mất, dòng qua chuyển tiếp p-n theo chiều thuận sẽ rất lớn (chỉ bị hạn chế bởi điện trở khối của bán dần) và có thể phá hỏng chuyển tiếp. Đây là trạng thái cần phải tránh khi chuyển tiếp p-n phân cực thuận. 15 Tóm lại, đặc' tính của chuyển tiếp prn là: - Khi phân cực thuận: vùng nghèo thu hẹp lại, điện trở nhỏ, dòng điện lớn và tăng nhanh theo điện áp. - Khi phân cực ngược: vùng nghèo mở rộng ra, điện trở rất lớn, dòng điện chạy qua rất nhỏ và ít thay đổi theo điện áp. - Chuyển tiếp p-n dẫn điện theo hai chiều không giống nhau. Nếu có điện áp xoay chiều dựng theo lý thuyết với biểu thức (1.4) có dạng như Hình 1.11. Hình 1.11. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp 1.1.4. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp p-n - Khi chuyển tiếp p-n bị phân cực nghịch, điện áp ngược tăng đến một giá trị khá lớn nào đó, dòng điện ngược đột ngột tăng mạnh, phá hỏng đặc tính van vốn có của nó. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp p-n. - Người ta thường phân biệt hai dạng: đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt. Đánh thủng về nhiệt gây ra hậu quả không mong muốn, làm phá hỏng đặc tính chỉnh lưu của chuyển tiếp p-n. Đánh thùng về điện, nếu có biện pháp hạn chế dòng điện sao cho công suất tiêu tán chưa vượt qua giá trị cực đại cho phép thì chuyển tiếp p-n vẫn có thể phục hồi đặc tính chỉnh lưu. - Đánh thủng về điện được phân làm hai loại: + Đánh thủng thác lũ (hiệu ứng Zener): thường xảy ra một trong các chuyển tiếp p-n có bề dày lớn, điện trường trong vùng nghèo có trị số khá lớn. Điện trường này gia tốc mạnh cho các hạt dần thiểu số đi qua vùng nghèo, gây ra hiện tượng ion hóa do va chạm làm sàn sinh những cặp điện tử - lồ trống. Các hạt dẫn vừa sinh ra này lại tiếp tục được gia tốc và ion hóa các nguyên tử khác..., cứ như thế số lượng hạt dẫn tăng lên gấp bội, khiên dòng điện tăng vọt. 16 + Đánh thủng xuyên hầm (hiệu ứng Tunel): xảy ra ở những vùng nghèo tương đối hẹp do pha tạp chất có nồng độ rất lớn. Điện trường trong vùng nghèo rất lớn đến mức làm phá vỡ liên kết ghép đôi của các điện tử hóa trị, sinh ra một lượng lớn hạt dẫn tự do. Khi đó, điện tử trong vùng hoá trị của bán dẫn p có khả năng “xuyên qua” hàng rào thế để sang vùng dẫn của bán dẫn n, làm cho dòng điện tăng vọt. Ta nói các điện tử đó gây ra hiệu ứng “xuyên hầm” [8]. 1.2. DIODE BÁN DẪN 1.2.1. Cấu tạo và phân loại - Diode bán dẫn gồm có một lớp chuyển tiếp p-n và hai điện cực kim loại là anốt (ký hiệu là A) và catốt (ký hiệu là K). Anốt đượơ nối với bán dẫn p, catốt được nối với bán dân n, được bọc trong vỏ bảo vệ bằng kim loại hoặc nhựa tổng hợp. Ud Hình 1.12. Cấu trúc minh họa và kỷ hiệu cùa diode bán dẫn Kết cấu thực tế của diode bán dẫn chế tạo theo phương pháp hợp kim (Hình 1.13a) và chế tạo theo phương pháp khuếch tán (Hình 1.13b). A Si-P S i0 2 K a) b) Hình 1.13. Cáu trúc thực tê của diode bản dẫn - Tùy theo mục đích sử dụng, chuyển tiếp p-n được chế tạo một cách phù hợp. Trên cơ sở đó, người ta phân diode bán dẫn thành các loại sau: 17 + Diode chỉnh lưu. + Diode tách sóng. . . + Diode ổn áp (Zener) — H - + Diode biến dung (Varicap) + Diode phát quang (LED - Light Emiting Diode) + Diode quang (Photodiode) + Diode đường hầm (Tunel, Esaki)... 1.2.2. Đặc tuyến Vôn - Ampe - Đặc tuyến Vôn - Ampe của một diode chỉnh lưu thực tế biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên diode theo công thức thực nghiệm: qU UD ID = I s o ( e ^ ĩ - 1) = U e mUT- l ) (L 5 ) trong đó m = 1 -ỉ- 2 là hệ số hiệu chỉnh (giữa lý thuyêt với thực nghiệm). + Đối với diode làm bằng Ge, m = 1. + Đối với diode làm bằng Si có mức dòng cao m = 1, mức dòng thap m —2. - Đặc điểm: Chia thành 3 đoạn (Hình 1.14) + Đoạn 1: phân cực thuận, U d > 0. Khi ƯD < U|C (= 0,3V hoặc 0,7V): ID nhỏ và tăng chậm theo UD. lD(mA) Hình 1.14. Đặc tuyển V-A điển hình của diode chinh lưu Khi U d > U k: Id tăng nhanh gần như tỷ lệ tuyến tính theo U d, đặc trưng cho trạng thái phân cực thuận cùa diode: điện áp thấp, dòng điện lớn và tăng mạnh theo điện áp, điện trở nhỏ. 18 + Đoạn 2: phân cực ngược, U d < 0 Dòng điện nhanh chóng bão hòa khi điện áp nhỏ và gần như không đổi khi điện áp ngược tăng. Đặc tính của diode ở đoạn này là: dòng điện nhỏ, điện áp ngược lớn, điện trở rất lớn. + Đoạn 3: Khi điện áp ngược I Ung I > Ungmax (là điện áp ngược cực đại của diode), chuyển tiếp p-n bị đánh thủng và trở nên dẫn điện. Dòng điện ngược qua chuyển tiếp đột ngột tăng mạnh, có thể làm phá hủy diode. 1.2.3. Các tham số đặc trưng cơ bản 1.2.3.1. Các tham sổ định mức - Điện trở một chiều (điện trở tĩnh): điện trở chuyển tiếp p-n ở chế độ một chiều. ( 1.6) R = UD R° Il n Khi diode phân cực thuận, điện trở thuận có giá trị đến hàng chục Q. Khi diode phân cực nghịch, điện trở ngược từ hàng chục đến hàng trăm kí2. - Điện trở xoay chiều (điện trở động, điện trở vỉ phân): dUD rD — (1.7) di. Điện trở xoay chiều chính là nghịch đảo độ dốc của đặc tuyến V-A của diode. Khi diode phân cực thuận, đặc tuyến có dạng dốc đứng nên ro nhỏ, khi diode phân cực nghịch, đặc tuyến gần như nằm ngang nên rD rất lớn. Từ biểu thức (1.5), bỏ qua hệ số m, dễ dàng suy ra: U D = U T ln + Khi phân cực thuận: ^ *D I +4- T ^ 1so _ dUD UT UT rn — .- —~ ^D+lso 1d ( 1.8) (1.9) Biểu thức trên cho thấy ro giảm khi dòng điện thuận tăng. + Khi phân cực nghịch, dòng điện khuếch tán xấp xỉ bằng 0 nên: u, rD l ( 1. 10) Vì Iso nhỏ và ít thay đổi nên ro có giá trị rất lớn và hầu như không phụ thuộc điểm làm việc. Điện dung chuyển tiếp p-n: Khi diode được phân cực, trong chuyển tiếp p-n sẽ xuất hiện một điện dung tương đương là: - 19 Cp.n = .Ch.rào +Ck.tán (1-11) Ch.rào - điện dung hàng rào,, liên quan đến sự hình thành hai miền điện tích khác dấu năm trong miền nghèo. Ck.tán - điện dung khuếch tán, liên quan đến hiện tượng “phun” hạt dẫn qua lại giữa miền p và miền n khi phân cực thuận [8]. I.2.3.2. Các tham số giới hạn - Điện áp ngược cực đại (Ungmax): là điện áp ngược lớn nhất mà không đánh thủng chuyển tiếp p-n diode. - Dòng điện thuận lém nhất cho phép (ỈDmax): là dòng thuận qua diode lớn nhất mà vẫn chưa làm hỏng chuyển tiếp p-n. Công suất tiều thụ lởn nhất cho phép (Pomax): là công suất tiêu hao lớn nhất mà chưa - làm hỏng chuyển tiếp p-n vì nhiệt. - Tân sô giới hạn (fmax)\ là tần số lớn nhất diode vẫn còn giữ tính chất van. - Dải nhiệt độ làm việc: dải nhiệt độ cho phép diode làm việc bình thường. 1.2.4. Mô hình tương đương của diode bán dẫn Mô hình tương đương của diode bán dẫn là mạch điện thay thế cho diode nhằm thuận lợi cho việc tính toán định lượng hay xác định các tính chất định tính của nó. Việc sử dụng mô hình tương đương để tính toán sẽ dẫn đến các kết quả gần đúng [4], 1.2.4.1. Mô hình diode lý tưởng + « A + Id »-■ ■ - A UD K U D= 0 o) ƯD •----w ------ • A uT 1 A Id = 0 + K b) Hình 1.15. Mó hình diode lý tường (a) Phản cực thuận; (b) Phân cực ngược; (c) Đặc tuyến V-A. 20 1.2.4.2. M ô hình điện thế ngưỡng Hình 1.16. Mỏ hình điện thế ngưỡng (a) Phân cực thuận; (b) Phân cực ngược; (c) Đặc tuyến V-A. 1.2.5. Một số ứng dụng của dỉode bán dẫn 1.2.5.1. Mạch chỉnh lưu - Diode chỉnh lưu sử dụng tính chất van điện để biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều. Các diode chinh lưu thường là loại diode tiếp mặt (chuyển tiếp p-n có diện tích rộng), làm việc với công suất lớn, tần số thấp. - Các mạch chinh lưu: + Mạch chinh lưu nửa sóng (Hình 1.17a) + Mạch chỉnh lưu cân bằng (Hình 1.17b) + Mạch chỉnh lưu cầu (Hình 1.17c) + Mạch chỉnh lưu bội áp (Hình 1.17d) - Các thông số của mạch chỉnh lưu: + Điện áp ra trung bình (Urtb ): là điện áp một chiều ngõ ra. U nb = Udc= I J u r.dt 10 (1.12) + Điện áp ngược mà các diode phãi chịu (UDng) + Dòng điện lớn nhất qua các diode (ỈDmax) + Dòng điện trung bình qua các diode (Iotb) Các diode chỉnh lưu hay được sử dụng là: 1N4004, 1N4007, 1N5408... 21 Di dẫn, D 2 ngưng / ^ 'D 2 dẫn, Di ngưng t D 2 D4 dẫn, Di D 3 ngưng / ( Di D 3 dẫn, D 2 D4 ngưng Hình 1.17. Các mạch chinh lim 1.2.5.2. Mạch cắt zx _Uv Hình 1.18. Mạch cắt noi tiếp dùng diode lý tưởng 22 Mạch này dùng để cắt một phần tín hiệu xoay chiều. Mạch chỉnh lưu nửa sóng cũng là một mạch cắt đcm giản. Có 2 loại mạch cắt: - Mạch cắt nối tiếp. - Mạch cắt song song. Hình 1.19. Mạch cắt song song dùng diode lý tưởng - 1.2.5.3. Mạch ghim áp - Mạch ghim áp được dùng dịch mức một chiều của tín hiệu. Mạch ghim áp cơ bản với diode lý tưởng cho như Hình 1.20. Điện trở R rất lớn sao cho T = RC » T. c * Uv1 • + Uo 0 T/2 T +11" ill- Uc t 0 % T/2 T t |R Uv -U o Ur É ' Ur A -2Uo Hình 1.20. Mạch ghim áp dùng diode lỷ tưởng Kết quả là đỉnh trên của tín hiệu ngõ ra sẽ được “ghim” giữ ở mức điện áp ov và mức điện áp một chiều của tín hiệu bị dịch đi một lượng -Uo. Muốn thay đổi mức điện áp “ghim” ta mắc thêm nguồn điện áp E nối tiếp với D. I.2.5.4. Diode Zener. Mạch ổn áp dùng diode Zener a) Diode Zener (Diode ổn áp) Diode Zener (Dz) có chuyển tiếp p-n được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt, do đó khi điện áp ngược đủ lớn sẽ xảy ra quá trình đánh thủng về điện mà không đánh thủng về nhiệt. Việc pha tạp trong bán dẫn được thực hiện để tạo ra đoạn đánh thủng của đặc tuyến V-A gần như song song với trục dòng điện, nghĩa là điện áp U d hầu như không đổi khi dòng điện I d thay đổi trong phạm vi rộng (đoạn AB). Người ta lợi dụng ưu điểm này để dùng diode Zener làm phần tử ổn định điện áp. 23