text:
Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
Chia sẻ: Nguyen Van Tri | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52
lượt xem 26
download
Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
Nghiên cứu về các hệ thống điện tử và phân loại các hệ thống điện tử. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp các thiết bị điện tử dưới dạng điện thoại, máy thu thanh, thu hình, các thiết bị âm thanh, các dụng cụ gia đình, máy tính, và thiết bị điều khiển công nghiệp và tự động. Điện tử học đã trở thành tác nhân kích thích và thành phần không thể thiếu cho sự thiết lập và phát triển của công nghệ hiện đại. Kỹ thuật điện tử sẽ đề cập đến việc chế...
Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!
Nội dung Text: Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
- Nội dung chính của chương gồm: - Tổng quan về lịch sử phát triển của điện tử học. - Nghiên cứu về các hệ thống điện tử và phân loại các hệ thống điện tử. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp các thiết bị điện tử dưới dạng điện thoại, máy thu thanh, thu hình, các thiết bị âm thanh, các dụng cụ gia đình, máy tính, và thiết bị điều khiển công nghiệp và tự động. Điện tử học đã trở thành tác nhân kích thích và thành phần không thể thiếu cho sự thiết lập và phát triển của công nghệ hiện đại. Kỹ thuật điện tử sẽ đề cập đến việc chế tạo và ứng dụng của các cấu kiện điện tử. 1.1 Quá trình lịch sử của điện tử học. Kỷ nguyên điện tử học bắt đầu bằng việc phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên bởi Fleming vào năm 1904 đó là đèn chân không ba cực. Phát minh này đã được tiếp theo bởi sự phát triển của diode tiếp xúc điểm bán dẫn (silicon) bởi Pickard vào năm 1906, các mạch máy thu thanh bằng các diode và đèn ba cực trong khoảng thời gian từ năm 1907 - 1927, máy thu thanh đổi tần bởi Armstrong vào năm 1920, minh chứng về truyền hình vào năm 1925, dụng cụ hiệu ứng trường bởi Lilienfield vào năm 1925, điều chế FM bởi Armstrong vào năm 1933, và radar vào năm 1940. Cuộc cách mạng về điện tử học đầu tiên bắt đầu vào năm 1947, bằng việc phát minh transistor silicon bởi Bardeen, Bratain, và Shockley ở các phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell. Phần lớn các công nghệ điện tử tiên tiến hiện nay là đều bắt nguồn từ phát minh đó, chẳng hạn như các vi mạch hiện đại đã được phát triển trong nhiều năm từ các dụng cụ bán dẫn. Cuộc cách mạng đã được tiếp theo bằng việc phát minh máy thu hình màu vào năm 1950 và phát minh ra các transistor hiệu ứng trường bởi Shockley vào năm 1952. Sự phát triển tiếp theo vào năm 1956, khi phòng thí nghiệm Bell phát minh ra transistor kích dẫn 4 lớp (pnpn), cũng gọi là thyristor hay bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng bán dẫn (SCR). Cuộc cách mạng điện tử lần thứ hai bắt đầu bằng việc phát triển thyristor thương mại do hãng General Electric sản xuất vào năm 1958. Cuộc cách mạng đó đã bắt đầu một kỷ nguyên mới về ứng dụng điện tử học trong việc xử lý hay điều hoà công suất, được gọi là điện tử công suất. Sau đó, nhiều loại dụng cụ bán dẫn công suất khác nhau và các kỹ thuật biến đổi đã được phát triển. Mạch tích hợp (IC) đã được phát minh vào năm 1958, thực hiện đồng thời bởi Kilby tại hãng Texas Instruments và Noyce và Moore tại hãng Fairchild Semiconductor đã mở đầu một giai đoạn mới trong cuộc cách mạng về vi điện tử. Phát minh này đã được tiếp theo bởi phát minh IC thương mại đầu tiên: bộ khuyếch đại thuật toán, A709, bởi hãng Fairchild Semiconductor vào năm 1968; bộ vi xử lý 4004 bởi hãng Intel vào năm 1971; bộ vi xử lý 8 bit bởi hãng Intel vào năm 1972; và chip nhớ gigabit bởi Intel vào năm 1995. Sự tiến triển từ các đèn chân không đến các bộ vi xử lý được thể hiện ở hình 1.1. Sự phát triển IC liên tục hiện nay với kết quả đạt được là các chip mật độ cao hơn với công suất nguồn cung cấp thấp hơn; các mức tích hợp trong các mạch được thể hiện ở bảng 1.1.
- Bảng 1.1: Các mức tích hợp. Mốc thời gian Mức độ tích hợp Số lượng cấu kiện trong một Chip Thập kỷ 1950 Các cấu kiện rời 1 đến 2 Thập kỷ 1960 Mạch tích hợp mức độ thấp (SSI) ít hơn 102 1966 Mạch tích hợp mức độ trung bình (MSI) từ 102 đến 103 1969 Mạch tích hợp mức độ lớn (LSI) từ 103 đến 104 1975 Mạch tích hợp mức độ rất lớn (VLSI) từ 104 đến 109 Thập kỷ 1990 Mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI) trên 109 1.2 Các hệ thống điện tử. Một hệ thống điện tử là sự lắp ráp các dụng cụ và linh kiện điện tử thành một khối xác định của các tín hiệu vào và các tín hiệu ra. Bằng cách sử dụng các transistor làm các dụng cụ tiếp nhận thông tin dưới dạng các tín hiệu vào, các transistor sẽ xử lý tín hiệu, và sau đó sẽ tạo ra các tín hiệu ra. Các hệ thống điện tử có thể được phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng, chẳng hạn như hệ thống thông tin, điện tử y tế, thiết bị đo lường, hệ thống điều khiển, hay hệ thống máy tính. Hình 1.2a, là sơ đồ khối của một máy thu thanh FM. Antenna có vai trò như một phần tử nhạy cảm với tín hiệu [cảm biến hay sensor]. Tín hiệu vào từ antenna có biên độ nhỏ, thường trong khoảng V, nên cần phải được khuyếch đại biên độ và mức công suất bằng hệ thống điện tử trước khi cung cấp cho loa. Sơ đồ khối của thiết bị đo hiển thị nhiệt độ ở hình 1.2b. Tín hiệu ra sẽ làm thiết bị đo hiển thị. Sensor nhiệt độ sẽ tạo ra một mức điện áp nhỏ, thường vào khoảng vài millivolt trên một độ tăng lên trên 0o (tức là 1mV/oC). Cả hai hệ thống đều nhận tín hiệu vào từ một sensor, xử lý tín hiệu, và tạo ra mức tín hiệu ra để điều khiển phần tử chấp hành [actuator]. Một hệ thống điện tử cần phải thông tin với các dụng cụ đầu vào và đầu ra. Thông thường, các tín hiệu vào và ra dưới dạng các tín hiệu điện. Các tín hiệu vào có thể lấy từ phép đo các đại lượng vật lý chẳng hạn như nhiệt độ hay mức chất lõng, còn các tín hiệu ra có thể sử dụng để làm thay đổi các đại lượng vật lý khác như độ hiển thị nhiệt độ hay mức chất lõng và các phần tử phát nhiệt. Các hệ thống điện tử thường sử dụng các các cảm biến [sensor] để thu các đại lượng vào và các bộ kích thích [actuator] để phát tín hiệu ra. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được gọi là các bộ chuyển đổi [transducer]. Ví dụ, loa là một bộ chuyển đổi dùng để biến đổi tín hiệu điện tử thành âm thanh. Các cảm biến: Có nhiều loại cảm biến, bao gồm: - Các nhiệt trở [thermistor] hay nhiệt ngẫu [thermocouple] dùng để đo nhiệt độ. - Các cấu kiện quang transistor hay quang diode dùng để đo ánh sáng. - Các bộ định cở sức căng và các vật liệu áp điện dùng để đo lực. - Các điện thế kế, các cảm biến điện cảm, và các bộ mã hoá vị trí tuyệt đối dùng để đo độ dịch chuyển. - Các máy phát tốc, các gia tốc kế, và các cảm biến theo hiệu ứng Doppler để đo độ dịch chuyển. - Các microphone để đo âm thanh. Các bộ kích thích hay phần tử chấp hành: Các bộ kích thích tạo ra các đại lượng ra không điện từ tín hiệu điện. Có nhiều kiểu bộ kích thích gồm: - Các bộ phát nhiệt bằng điện trở để tạo ra nhiệt. - Các diode phát sáng [LED] và các đèn chiếu sáng để điều khiển độ sáng. - Các cuộn dây kim loại tạo ra từ tính khi có dòng điện chạy qua [solenoid] để tạo ra lực.
- - Các đồng hồ đo để chỉ thị độ dịch chuyển. - Các động cơ điện để tạo ra sự chuyển động hay tốc độ. - Loa và các bộ chuyển đổi siêu âm để tạo ra âm thanh. 1.3 Tín hiệu điện tử và ký hiệu. Các tín hiệu điện tử có thể phân chia thành hai loại: tín hiệu tương tự [analog] và tín hiệu số [digital]. Tín hiệu tương tự có dãi biên độ thay đổi liên tục theo thời gian, như mô tả ở hình 1.3a. Tín hiệu số chỉ có các mức điện áp gián đoạn theo thời gian, như thể hiện ở hình 1.3c. Một tín hiệu số chỉ có hai giá trị, tương ứng với trạng thái logic nhị phân 1 (cho mức cao) và trạng thái logic nhị phân 0 (cho mức thấp). Để có các biến thiên thích hợp theo các giá trị thành phần, nhiệt độ, và nhiễu (các tín hiệu bên ngoài), thì trạng thái logic 1 thường được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 2 đến 5V. Trạng thái logic 0 có thể được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 0,8V. Tín hiệu ra của một cảm biến thường có dạng tương tự, và các bộ kích thích thường đòi hỏi tín hiệu vào tương tự để cho tín hiệu ra mong muốn. Tín hiệu vào tương tự có thể được biến đổi thành dạng số và ngược lại. Các mạch điện tử thực hiện việc biến đổi đó gọi là các bộ biến đổi tương tự - số (A/D) và số - tương tự (D/A). Các bộ biến đổi tương tự - số: Bộ biến đổi A/D sẽ biến đổi tín hiệu tương tự thành dạng số và sẽ cho một giao tiếp giữa tín hiệu tương tự và số. Xét điện áp vào tương tự như ở hình 1.4a. Tín hiệu vào sẽ được lấy mẫu tại các khoảng thời gian tuần hoàn được xác định theo khoảng thời gian lấy mẫu Ts, và một số nhị phân n-bit (b1b2. . . . bn) sẽ được gán cho mỗi mẫu như ở hình 1.4b, với n = 3. Số nhị phân n-bit là một phần nhị phân sẽ tương ứng với tỷ số giữa điện áp vào chưa biết v1 và điện áp đầy thang VFS của bộ biến đổi. Đối với n = 3, mổi phần nhị phân là VFS/2n = VFS/8. Điện áp ra của bộ biến đổi A/D 3-bit biểu diễn ở hình 1.4c. Mối quan hệ vào - ra như thể hiện ở hình 1.4c, cho thấy rằng khi điện áp vào tăng lên từ 0 đến mức đầy thang, thì các mức ra nhị phân tăng lên từ 000 đến 111. Tuy nhiên, số nhị phân vẫn không đổi đối với khoảng điện áp vào là VFS/2n (= VFS/8 với n = 3), mà sẽ bằng 1 bit có nghĩa thấp nhất (LSB) của bộ biến đổi A/D. Do vậy, khi điện áp vào tăng, mức ra nhị phân sẽ cho đầu tiên là sai số âm và sau đó là sai số dương, như ở hình 1.4d. Sai số này được gọi là sai số lượng tử hoá, có thể giảm bằng cách tăng số lượng các bit n. Vậy, sai số lượng tử có thể được xác định theo mức điện áp thấp nhất mà LSB của mức ra nhị phân có thể thay đổi từ 0 đến 1. Sai số lượng tử cũng được gọi là độ phân giải của bộ biến đổi, và được tính từ biểu thức: VLSB Verror VFS/2n (1.1) trong đó: VFS là mức điện áp đầy thang của bộ biến đổi. Ví dụ, VLSB của bộ biến đổi 8 - bit là:
- VLSB VFS/2n 5/28 19,53mV 20mV Các bộ biến đổi số - tương tự: Bộ biến đổi D/A sẽ lấy tín hiệu vào dưới dạng nhị phân và sẽ tạo ra điện áp ra hoặc dòng ra dưới dạng tương tự (hay liên tục). Sơ đồ khối của bộ biến đổi D/A n - bit gồm các số nhị phân (b1b2......bn) như ở hình 1.5. Bộ biến đổi D/A sẽ tạo ra phần nhị phân mà sẽ được nhân với mức điện áp đầy thang VFS để có mức điện áp ra được biểu diễn bằng: Vo ( b1 2-1 b2 2-2 b3 2-3 . . . bn 2-n ) VFS (1.2) trong đó: số nhị phân thứ i là bi = 0 hoặc bi = 1 và b1 là bit có ý nghĩa nhất (MSB). Ví dụ, với VFS = 5V, n = 3, và từ số nhị phân b1b2b3 = 110, phương trình (1.2) sẽ cho: Vo ( 1 2-1 1 2-2 0 2-3 ) 5V 3,75V Ký hiệu: Một tín hiệu tương tự thường được biểu diễn bằng một ký hiệu với chỉ số dưới dòng, có thể là chữ viết hoa hoặc chữ viết thường, tuân theo biểu diễn quy ước ở bảng 1.2. Ví dụ, xét mạch ở hình 1.6a, đầu vào của mạch có điện áp dc VDC = 5V, và điện áp ac vab = 2sin t. Các mức điện áp tức thời có ở hình 1.6b. Các quy định về ký hiệu của điện áp và dòng điện như sau: 1. VDC, IDC là các giá trị một chiều (dc): các biến số viết hoa và các chỉ số dưới dòng viết hoa. VDC = 5V; IDC = VDC / RL = 5mA. 2. vab , ia là các giá trị xoay chiều (ac) tức thời: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết thường. vab = vac = 2sin t; ia = 2sin t mA (đối với RL = 1k ).
- 3. vAB, iA là các giá trị tức thời tổng: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết hoa. vAB = VDC + vab = 5 + 2sin t; iA = IDC + ia = 5mA + 2sin t mA (với RL = 1k ). 4. Vab, Ia là các giá trị biên độ tổng: các biến viết hoa, còn các chỉ số dưới dòng viết thường. Vab 52 ( 2 ) 2 5,20V ; I a 52 ( 2 ) 2 5,20 mA Bảng 1.2: Cách xác định các ký hiệu và chỉ số. Định nghĩa Đại lượng Chỉ số Ví dụ Giá trị một chiều (dc) của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in hoa VD Giá trị xoay chiều (ac) của tín hiệu Chữ in thường Chữ in thường vd Giá trị tức thời toàn bộ của tín hiệu (cả dc và ac) Chữ in thường Chữ in hoa vD Các biến số phức pha hay giá trị hiệu dụng của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in thường Vd 1.4 Phân loại các hệ thống điện tử. Hình thái của việc xử lý tín hiệu khi được tạo ra bằng một hệ thống điện tử tuỳ thuộc bản chất của các tín hiệu vào, các yêu cầu phát ra của các bộ kích thích, và yêu cầu chức năng toàn bộ. Tuy nhiên, có một số chức năng thông dụng đối với một số lượng lớn các hệ thống. Các chức năng đó gồm khuyếch đại, cộng và trừ các tín hiệu, tích phân và vi phân các tín hiệu, và lọc. Một vài hệ thống yêu cầu hàng loại các hoạt động chẳng hạn như phép đếm, định thời, thiết lập, thiết lập lại, và quyết định thực hiện. Ngoài ra, có thể yêu cầu tạo ra các tín hiệu sin hay dạng tín hiệu khác trong một hệ thống. Các hệ thống điện tử có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực ô tô, thiết bị nghe nhìn gia đình, thiết bị thông tin và công sở, thiết bị y tế, và trong nhiều lĩnh vực khác, giúp con người duy trì phong cách sống công nghệ cao [high - tech]. Các hệ thống điện tử thường được phân loại theo các kiểu ứng dụng: * Điện tử ô tô. * Điện tử thông tin. * Điện tử dân dụng. * Điện tử công nghiệp. * Điện tử đo lường. * Cơ điện tử. * Điện tử y tế. * Điện tử công sở. Lĩnh vực các ngành của điện tử được phân chia thành ba vùng riêng biệt tuỳ thuộc vào loại tín hiệu và việc xử lý tín hiệu được yêu cầu bởi các hệ thống điện tử. Điện tử tương tự sẽ đề cấp chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ khuyếch đại. Các tín hiệu vào và ra lấy trong một dãi liên tục của các giá trị biên độ theo thời gian. Chức năng của điện tử tương tự là truyền dẫn và xử lý thông tin chứa trong tín hiệu vào tương tự với mức nhiễu thấp nhất. Điện tử số sẽ đề cập chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ chuyển mạch kín [on] và hở [off]. Cả tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu xung không liên tục xuất hiện tại những thời điểm cách đều nhau về thời gian. Chức năng của điện tử số là truyền dẫn và xử lý thông tin chứa trong tín hiệu vào số với lượng sai số thấp nhất ở tốc độ nhanh nhất. Điện tử công suất sẽ đề cập về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của các dụng cụ bán dẫn công suất, bao gồm các transistor công suất như các chuyển mạch "đóng" và "mở" để điều khiển và chuyển đổi các nguồn điện. Điện tử tương tự và / hoặc điện tử số sẽ được sử dụng để tạo ra các tín hiệu điều khiển cho các chuyển mạch công suất để nhận được các chiến lược điều khiển mong muốn (tức là
- ac/dc, ac/ac, dc/ac, hay dc/dc) với hệ số biến đổi lớn nhất và độ méo dạng sóng thấp nhất. Tín hiệu vào của hệ thống điện tử công suất là điện áp (hoặc dòng) của nguồn cung cấp dc hoặc ac. Điện tử công suất có nội dung cơ bản về trạng thái và đặc tính của nguồn cung cấp đúng hơn là thông tin chứa trong tín hiệu. Ví dụ, mạch điện tử công suất có thể tạo ra một nguồn cung cấp ổn định 12V cho một hệ thống tương tự và 5V cho một hệ thống số, từ nguồn cung cấp 120V hay 220V. Các mạch vi điện tử có khả năng tạo ra và xử lý các tín hiệu điều khiển ở tốc độ cao, nên điện tử công suất cũng có khả năng tạo ra và điều khiển các mức công suất lớn với một hiệu suất cao, trong khoảng từ 94% đến 99%. Nhiều nguồn điện áp ứng dụng của điện tử công suất hiện nay tạo ra từ việc kết hợp giữa điện tử công suất - phần tử chấp hành, với vi điện tử - phần tử điều khiển. Ngoài ra, điện tử công suất cũng nổi bật như một môn học riêng và có sự thay đổi về vấn đề xử lý và điều hoà công suất cho việc điều khiển nguồn công nghiệp và tự động. Nhiều hệ thống điện tử sử dụng cả hai kỹ thuật tương tự và số. Mỗi phương pháp thực hiện đều có các ưu điểm và nhược điểm được tóm tắt như sau: - Nhiễu thường có trong các mạch điện tử. Nhiễu được xác định như tín hiệu từ bên ngoài xuất hiện bởi sự nhiễu loạn điện tử do nhiệt trong điện trở, cuộn cảm hay tụ khi ghép các tín hiệu từ các hệ thống khác, hay từ các nguồn cung cấp khác. Nhiễu được bổ sung trực tiếp vào các tín hiệu tương tự nên sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu như mô tả ở hình 1.7a. Vì vậy, nhiễu sẽ được khuyếch đại bởi các tầng khuyếch đại nối tiếp nhau. Do các tín hiệu số chỉ có hai mức (cao hoặc thấp), nên nhiễu sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu ra số, như mô tả ở hình 1.7b, nên nhiễu có thể bị loại bỏ một cách hiệu quả ra khỏi các tín hiệu số. - Một mạch tương tự cần phải có một vài cấu kiện chuyên dụng so với một mạch số để thực hiện một chức năng đã cho. Tuy nhiên, mạch tương tự thường yêu cầu các tụ điện hay các cuộn cảm có giá trị lớn mà không thể chế tạo được trong các vi mạch. - Mạch số dễ chế tạo hơn so với mạch tương tự dưới dạng các vi mạch (các IC), mặc dù có thể phức tạp hơn so với mạch tương tự. Tuy nhiên, các mạch số thường cho chất lượng và tốc độ xử lý tín hiệu cao hơn. - Các hệ thống tương tự được chế tạo để thực hiện các chức năng hay các hoạt động cụ thể, trong khi các hệ thống số có thể thích ứng với nhiều loại nhiệm vụ hay người dùng khác nhau. - Tín hiệu từ các sensor và tín hiệu đưa đến các bộ kích thích trong các hệ thống điện tử thường là tín hiệu tương tự. Nếu tín hiệu vào có biên bộ thấp và cần phải được xử lý tại các tần số rất cao, thì cần phải sử dụng kỹ thuật tương tự. Để hiệu quả trong thiết kế và chế tạo thường sử dụng cả hai phương pháp tương tự và số. 1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống điện tử. Một hệ thống điện tử thường được thiết kế để thực hiện các chức năng hay các hoạt động nào đó. Hiệu suất của hệ thống điện tử được quy định hay được đánh giá theo các thông số về điện áp, dòng điện, trở kháng, công suất, thời gian làm việc, và tần số tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Các thông số làm việc bao gồm các chỉ tiêu quá độ, độ méo, các chỉ tiêu về tần số, và các thông số dc và tín hiệu bé. Các thông số quá độ: Các thông số quá độ nghĩa là tín hiệu ra của mạch tạo ra theo đáp ứng đối với tín hiệu vào quy định, thường là tín hiệu xung lặp lại, như mô tả ở hình 1.8a. Tín hiệu ra thường xét thông qua thời gian trễ [delay time] td, thời gian tăng [rise time] tr, thời gian mở [on time] ton, thời gian giảm [fall time] tf, và thời gian ngưng [off time] toff trong mỗi chu kỳ, như ở hình 1.8b. Tuỳ thuộc vào hệ số suy giảm của mạch mà đáp ứng có thể biểu hiện vượt quá mức trên trước khi thiết lập vào trạng thái ổn định như thể hiện bởi đường đứt nét ở hình 1.8b. Các khoảng thời gian liên quan với tín hiệu ra được định nghĩa như sau: * Thời gian trễ td là khoảng thời gian trước khi mạch có thể đáp ứng với tín hiệu vào bất kỳ.
- * Thời gian tăng tr là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu đầu ra tăng lên từ 10% đến 90% của giá trị cuối cùng của tín hiệu (mức cao). * Thời gian mở ton là khoảng thời gian mà mạch được chuyển sang mở hoàn toàn và có chức năng theo chế độ thông thường của mạch. * Thời gian giảm tf là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu ra giảm từ 90% xuống 10% của giá trị ban đầu (mức cao) của tín hiệu. * Thời gian ngưng toff là khoảng thời gian để mạch ngưng hoàn toàn. Như vậy, chu kỳ chuyển mạch T là: T t d t r t on tf t off (1.3) và tần số chuyển mạch là f = 1/T. Các khoảng thời gian trên là giới hạn tốc độ chuyển mạch lớn nhất fmax của mạch. Ví dụ, tần số chuyển mạch lớn nhất của mạch có td = 1 s và tr = tf = 2 s là: f 1/ (t d t r tf ) 1/5 s 200kHz Độ méo dạng: Khi truyền qua các tầng khác nhau trong phạm vi một hệ thống điện tử, tín hiệu thường bị méo dạng. Độ méo dạng có thể lấy theo nhiều dạng và có thể do sự biến đổi về dạng, biên độ, tần số, hoặc pha của tín hiệu. Một số ví dụ về méo dạng như mô tả ở hình 1.9: hình 1.9b, là dạng sóng sin ở hình 1.9a, bị xén do giới hạn ở mức nguồn cung cấp, hình 1.9c, là méo dạng xuyên tâm do sự vô hiệu của mạch gần qua mức 0, còn hình 1.9d, là méo hài do các đặc tính phi tuyến của các dụng cụ điện tử. Một tín hiệu vào sin có tần số quy định thường được đưa đến đầu vào của một mạch điện tử, và sau đó các thành phần cơ bản và hài của tín hiệu ra có thể đo được. Độ méo dạng được quy định theo độ méo hài tổng [total harmonic distortion - THD], đó là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của thành phần hài đối với giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản (tại tần số của tín hiệu vào sin). THD cần phải nhỏ.
- Các thông số về tần số: Khoảng tần số tín hiệu của các tín hiệu điện tử biến thiên rộng, tuỳ thuộc vào các ứng dụng, như mô tả ở bảng 1.3. Bảng 1.3: Độ rộng băng tần của các tín hiệu điện tử. Loại tín hiệu Độ rộng băng tần Dãi tín hiệu địa chấn 1Hz đến 200Hz Dãi tín hiệu điện tâm đồ 0,05Hz đến 100Hz Dãi tín hiệu âm tần 20Hz đến 15kHz Dãi tín hiệu video dc đến 4,2MHz Dãi tín hiệu radio AM 540kHz đến 1600kHz Dãi tín hiệu radar 1 đến 100MHz Dãi tín hiệu truyền hình VHF 54MHz đến 60MHz Dãi tín hiệu radio FM 88MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu truyền hình UHF 470MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu điện thoại di động 824MHz đến 891,5MHz Dãi tín hiệu truyền hình vệ tinh 3,7GHz đến 4,2GHz Dãi tín hiệu thông tin vi ba 1 đến 50GHz Các thông số tần số tức là đồ thị của tín hiệu ra như một hàm số của tần số tín hiệu vào. Đồ thị điển hình đối với một hệ thống như ở hình 1.10a, có dạng như ở hình 1.10b. Đối với các tín hiệu có tần số thấp hơn fL và cao hơn fH, tín hiệu ra sẽ bị suy giảm, nhưng đối với các tín hiệu có tần số trong khoảng fL và fH, thì tần số tín hiệu ra sẽ vẫn hầu như không đổi. Dãi tần số từ fL đến fH được gọi là độ rộng băng tần [bandwidth - BW] của mạch, tức là: BW = fH - fL. Một hệ thống với độ rộng băng tần như thể hiện ở hình 1.10b, được gọi là hệ thống có đặc tính thông dãi. Nếu fL = 0, thì hệ thống được gọi là có đặc tính dãi thông thấp. Nếu fH = , thì hệ thống được xem là có đặc tính dãi thông cao. Đối với tín hiệu có tần số làm việc trong phạm vi dãi tần của độ rộng băng tần, thì hệ số khuyếch đại điện áp giữa băng sẽ được xác định theo: Vout Amin (1.4) Vin trong đó: Vin và Vout là các giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp vào và điện áp ra tương ứng. Trở kháng vào được xác định theo: Vin Z in (1.5) I in trong đó: Iin là giá trị hiệu dụng của dòng vào của mạch. Trở kháng vào Zin thường được xem như điện trở vào của tín hiệu nhỏ Ri, bởi vì tín hiệu ra gần như không phụ thuộc tần số ở dãi tần số giữa băng. Hệ số khuyếch đại điện áp (tỷ số của điện áp ra vOUT đối với điện áp vào vIN) thường được quy định. Nếu quan hệ vOUT - vIN là tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11a, và mạch làm việc tại điểm tĩnh - Q, thì hệ số khuyếch đại điện áp sẽ được tính bởi: vout AV (1.6) vin AV thường được gọi là hệ số khuyếch đại điện áp tín hiệu lớn. Đặc tuyến của các transistor là không tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11b, và mạch làm việc tại điểm làm việc tĩnh, điểm Q, thì tín hiệu vào sẽ tạo ra sự thay đổi trên một khoảng nhỏ để cho quan hệ vOUT - vIN gần như tuyến tính. Nên hệ số sẽ được xem như hệ số khuyếch đại tín hiệu nhỏ, Av, được biểu diễn bằng:
- vout Av (1.7) vin Các mạch điện tử, các mạch khuyếch đại cơ bản thường làm việc trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến. Đối với tần số làm việc trong phạm vi BW của mạch, thì Av = Amin, trong đó, Amin là hệ số khuyếch đại ở tần số trung bình của bộ khuyếch đại. Tóm tắt nội dung chương 1: - Từ sự phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên, đèn chân không vào năm 1904, lĩnh vực điện tử học đã có sự tiến triển rất nhanh. Các mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI), có trên 109 cấu kiện trong một chip. - Một hệ thống điện tử bao gồm các dụng cụ và linh kiện điện tử dùng để xử lý các tín hiệu điện tử, thực hiện việc giao tiếp giữa các cảm biến ở đầu vào và các bộ kích thích ở đầu ra. - Các cảm biến sẽ biến đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, ngược lại các bộ kích thích sẽ biến đổi các tín hiệu điện thành các đại lượng vật lý. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được gọi là các bộ chuyển đổi. - Có hai loại tín hiệu điện tử: tương tự và số. Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số và ngược lại. - Ký hiệu chữ thường được dùng để biểu diễn một đại lượng tức thời, còn ký hiệu chữ in hoa dùng cho các giá trị dc và hiệu dụng (rms). Chỉ số dưới dòng bằng chữ in thường dùng để biểu diễn các đại lượng rms và ac tức thời, còn chỉ số dưới dòng bằng chữ in hoa dùng cho giá trị tổng, mà trong đó bao gồm cả hai đại lượng ac và dc. - Điện tử học có thể phân loại thành ba lĩnh vực: tương tự, số, và điện tử công suất. Việc phân loại trước hết là dựa vào kiểu xử lý tín hiệu. Các hệ thống điện tử thường được phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng chẳng hạn như điện tử y tế, điện tử dân dụng, và v. v... - Các thông số dùng để mô tả chức năng của các mạch và các hệ thống điện tử thường bao gồm các thông số quá độ, độ méo dạng, các thông số về tần số, và các thông số tín hiệu lớn và bé.
- Nội dung của chương bao gồm: - Nhận dạng các loại vật liệu dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn. - Định nghĩa sự liên kết đồng hoá trị. - Mô tả các quá trình pha tạp để tạo ra các vật liệu bán dẫn N và bán dẫn P. - Giải thích dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn khi có sự pha tạp. Các dụng cụ bán dẫn là cấu kiện cơ bản của thiết bị điện tử. Các dụng cụ bán dẫn thông dụng nhất là diode (được dùng để chỉnh lưu), transistor (được dùng để khuyếch đại), và các vi mạch (dùng để chuyển mạch hoặc khuyếch đại). Chức năng chính của các dụng cụ bán dẫn là để điều khiển điện áp hay dòng điện để có một số kết quả mong muốn. Các ưu điểm của dụng cụ bán dẫn bao gồm như sau: - Kích thước và trọng lượng nhỏ. - Tiêu thụ công suất thấp tại các mức điện áp thấp. - Hiệu suất cao. - Độ tin cậy cao. - Có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt. - Hoạt động ngay khi có nguồn cung cấp. - Sản xuất số lượng càng nhiều càng kinh tế. Các nhược điểm của dụng cụ bán dẫn gồm có: - Nhạy cảm mạnh đối với các thay đổi về nhiệt độ. - Nhiều cấu kiện chưa ổn định. - Dể bị đánh thủng (do vượt quá các giới hạn công suất, do mắc ngược cực tính điện áp làm việc, do quá nhiệt khi hàn vào mạch). 2.1 Các chất bán dẫn: Germanium và Silicon. Các vật liệu bán dẫn có các đặc tính nằm giữa đặc tính của các chất cách điện và các chất dẫn điện. Ba nguyên tố bán dẫn thuần là carbon (C), germanium (Ge), và Silicon (Si). Trong đó thích hợp cho việc chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Ge và Si. Germanium là một nguyên tố dòn có màu xám - trắng được tìm thấy vào năm 1886. Dioxide germanium dưới dạng bột, được lấy từ tro của một loại than đá nào đó, sẽ được khử bằng hoá chất để thành dạng chất rắn là germanium nguyên chất. Silicon được tìm thấy vào năm 1823. Silicon có nhiều trong thành phần võ trái đất dưới dạng hợp chất có màu trắng hay hay đôi khi là hợp chất có màu, dưới dạng dioxide Silicon. Dioxide Silicon (Silica) có thể tìm thấy nhiều trong cát, thạch anh, đá. Sau khi được khử bằng hoá chất thành Silicon nguyên chất có dạng rắn. Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất. Khi đã có vật liệu nguyên chất hay vật liệu cơ bản, các vật liệu cần phải được xử lý để tạo ra các đặc tính cần thiết cho các dụng cụ bán dẫn. Theo mô hình nguyên tử, tại tâm của nguyên tử là nhân, mà trong đó bao gồm các proton và các neutron. Các proton có điện tích dương còn neutron không mang điện tích. Các electron trên quỷ đạo
- quay xung quanh nhân và có điện tích âm. Hình 2.1, mô tả cấu trúc của một nguyên tử Silicon. Quỷ đạo thứ nhất chứa hai electron, quỷ đạo thứ hai có 8 electron, còn quỷ đạo ngoài cùng hay lớp hoá trị có 4 electron. Hoá trị cho biết khả năng của nguyên tử tăng hay giảm các điện tử và sẽ quyết định các tính chất lý học và hoá học của nguyên tử. Hình 2.2, thể hiện hình vẽ được đơn giản hoá của nguyên tử Silicon, chỉ với 4 điện tử ở lớp hoá trị. Các loại vật liệu cần có các điện tử để hoàn thành lớp hoá trị của nó là các loại vật liệu không ổn định gọi là các vật liệu hoạt động. Để có được tính ổn định, một vật liệu hoạt động phải thu nhận các điện tử vào lớp hoá trị của nó. Các nguyên tử Silicon có khả năng đóng góp các điện tử hoá trị của nó với các nguyên tử Silicon khác theo một quá trình được gọi là liên kết đồng hoá trị (hình 2.3). Liên kết đồng hoá trị là quá trình góp chung các điện tử hoá trị dẫn đến sự hình thành các tinh thể. Mổi nguyên tử trong cấu trúc mạng tinh thể có bốn điện tử hoá trị của chính nó và bốn điện tử góp chung của bốn nguyên tử khác để tạo thành tổng số là 8 điện tử hoá trị. Các liên kết hoá trị không thể cho sự dẫn điện do tính ổn định của nó. Ở nhiệt độ phòng, các tinh thể silicon nguyên chất có độ dẫn điện kém, giống như các chất cách điện. Tuy nhiên, nếu cung cấp năng lượng nhiệt vào các tinh thể, thì một số điện tử sẽ hấp thụ năng lượng và di chuyển lên quỹ đạo cao hơn, do sự bẻ gãy liên kết đồng hoá trị, cho phép các tinh thể dẫn điện. Silicon, giống như các vật liệu bán dẫn khác, có hệ số nhiệt độ âm, khi tăng nhiệt độ thì điện trở của nó sẽ giảm. Điện trở sẽ còn một nửa khi nhiệt độ tăng theo mổi khoảng 10oC. Giống như Silicon, Germanium có 4 điện tử ở lớp hoá trị nên có thể tạo thành cấu trúc tinh thể. Điện trở của Ge sẽ mất đi một nửa theo mổi khoảng nhiệt độ tăng lên 6oC. Do vậy, Si có tính ổn định theo sự thay đổi của nhiệt độ tốt hơn so với Ge. Tuy nhiên, Ge cần năng lượng nhiệt ít hơn để giải phóng các điện tử của nó so với Silicon. Silicon có điện trở lớn hơn 1000 lần điện trở của Ge ở nhiệt độ phòng. Nhiệt năng là nguồn năng lượng gây hư hỏng cho các chất bán dẫn, đó là nguồn năng lượng không dễ dàng điều khiển. Việc thiết kế mạch đảm bảo sẽ làm giảm các thay đổi nhiệt độ. Điện trở là đặc tính làm cho Silicon được ưa chuộng hơn so với Ge trong phần lớn các mạch. Trong một số ứng dụng, cần có dụng cụ nhạy cảm với nhiệt độ, hệ số nhiệt độ của Ge có thể là lợi thế nên thường sử dụng Ge. Tất cả các transistor trước đây đều được chế tạo bằng Ge. Transistor Si được chế tạo từ 1954. Hiện nay, silicon được sử dụng trong phần lớn các cấu kiện bán dẫn. Câu hỏi mục 2.1: 1. Vật liệu bán dẫn là gì ? 2. Định nghĩa các thuật ngữ sau: a) Liên kết đồng hoá trị. (b) Hệ số nhiệt độ âm. 3. Tại sao Si và Ge được xem là các vật liệu bán dẫn. 4. Tại sao Si được sử dụng nhiều hơn so với Ge ?
- 2.2 Độ dẫn điện của Si và Ge nguyên chất. Đặc tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tại nhiệt độ rất thấp, các điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với nguyên tử chính bằng mối liên kết đồng hoá trị. Do các điện tử hoá trị không thể di chuyển (trôi), nên vật liệu không thể cho dòng điện chảy qua. Các tinh thể Ge và Si có chức năng như các chất cách điện ở nhiệt độ thấp. Khi tăng nhiệt độ, một vài điện tử hoá trị do bị kích thích bởi năng lượng nhiệt, sẽ làm gãy các mối liên kết đồng hoá trị và di chuyển một cách ngẫu nhiên từ vị trí của nguyên tử này đến vị trí của nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Nếu đặt điện áp vào hai đầu khối tinh thể, thì các điện tử tự do sẽ di chuyển có hướng để có thể tạo thành dòng điện. Tại nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đủ để tạo ra một số lượng nhỏ các điện tử tự do nên sẽ cho một dòng điện nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, vật liệu bán dẫn sẽ bắt đầu nhận được các đặc tính của chất dẫn điện. Chỉ tại các mức nhiệt độ rất cao mới làm cho Si dẫn điện như các chất dẫn điện. Nhiệt độ cao như vậy thường không có ở điều kiện bình thường. Khi một điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy sẽ di chuyển ra xa khỏi mối liên kết đồng hoá trị, khoảng trống trước khi bị chiếm bởi điện tử được gọi là lổ trống (hình 2.4). Một lổ trống đơn giản là sự khuyết đi một điện tử. Vì điện tử có điện tích âm, nên sự khiếm khuyết được xem như mất đi một điện tích âm. Một lổ trống có đặc tính của một hạt tích điện dương. Khi một điện tử nhảy từ một lớp hoá trị này đến lớp hoá trị khác để lấp đầy lỗ trống, nó sẽ để lại một lỗ trống phía sau nó, nếu hoạt động tiếp tục, thì lỗ trống xuất hiện sẽ di chuyển ngược chiều với chiều của điện tử. Mổi điện tử tương ứng với một lỗ trống được gọi là một cặp điện tử - lỗ trống. Số lượng các cặp điện tử - lỗ trống tăng lên theo sự tăng của nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng chỉ có thể tồn tại một số lượng nhỏ các cặp điện tử - lỗ trống. Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được nối vào một nguồn điện áp, thì các điện tử tự do sẽ bị thu hút về cực dương của nguồn điện áp (hình 2.5). Các lỗ trống được tạo ra do sự di chuyển của các điện tử tự do sẽ trôi về phía cực âm. Các điện tử tự do chảy về phía cực dương bằng số lượng rời khỏi cực âm. Khi các lỗ trống và điện tử tái hợp, cả lỗ trống và điện tử tự đo đều triệt tiêu. Tóm lại: các lỗ trống trôi liên tục về phía cực âm của nguồn điện áp. Các điện tử luôn luôn trôi về phía cực dương. Dòng điện chảy trong chất bán dẫn bao gồm sự di chuyển của cả các điện tử và các lỗ trống. Độ lớn của dòng chảy được quyết định bởi số lượng các cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu. Khả năng làm cho dòng điện tăng theo nhiệt độ của vật liệu. Câu hỏi mục 2.2: 1. Sự cung cấp dòng chảy của Ge nguyên chất như thế nào ? 2. Khi đặt điện áp vào vật liệu Ge nguyên chất, chiều di chuyển của các điện tử và các lỗ trống như thế nào ? 3. Yếu tố nào quyết định mức dòng chảy trong vật liệu bán dẫn nguyên chất ?
- 2.3 Độ dẫn điện của vật liệu Ge và Si tạp. Các vật liệu bán dẫn nguyên chất, chẳng hạn như Ge, Si chỉ cho một lượng nhỏ các cặp điện tử - lỗ trống ở nhiệt độ phòng, tức là cho phép sự dẫn điện với mức dòng rất nhỏ. Để tăng cường độ dẫn điện của các vật liệu bán dẫn người ta phải sử dụng quá trình pha tạp. Pha tạp là quá trình bổ sung các nguyên chất khác gọi là tạp chất vào vật liệu bán dẫn. Hai loại tạp chất được sử dụng là tạp chất hoá trị 5 được tạo thành từ các nguyên tử có 5 điện tử hoá trị, ví dụ như arsenic, antimony, và loại tạp chất khác là tạp chất hoá trị ba được tạo thành từ các nguyên tử có ba điện tử hoá trị, như indium, gallium. Khi vật liệu bán dẫn được pha tạp với vật liệu hoá trị 5 chẳng hạn như arsenic (As), thì một số các nguyên tử hiện có sẽ được thay thế bằng các nguyên tử arsenic (hình 2.6). Nguyên tử arsenic sẽ đóng góp bốn trong số năm điện tử hoá trị của nó với bốn nguyên tử Si lân cận dưới dạng liên kết đồng hoá trị. Điện tử thứ 5 của nguyên tử As sẽ bị liên kết yếu với các nhân nên dễ dàng trở thành điện tử tự do. Nguyên tử arsenic được gọi là nguyên tử chất cho [donor] do đã cho điện tử dôi dư của nó. Càng nhiều nguyên tử donor trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp thì càng có nhiều điện tử tự do tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở nhiệt độ phòng, số lượng các điện tử tự do do pha tạp sẽ lớn hơn nhiều so với lượng các cặp điện tử - lỗ trống, tức là có nhiều điện tử hơn so với lỗ trống. Vì vậy, các điện tử được gọi là hạt tải điện đa số, còn các lỗ trống là các hạt tải điện thiểu số. Do điện tích âm của hạt tải điện đa số, mà vật liệu bán dẫn tạp được gọi là vật liệu dạng N. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng N (hình 2.7), các điện tử tự do được tạo ra bởi các nguyên tử donor sẽ di chuyển về phía cực dương. Các điện tử thứ 5 sẽ thoát ra xa khỏi các mối liên kết đồng hoá trị và di chuyển về phía cực dương của nguồn điện áp. Các điện tử tự do do sự bẻ gãy các mối liên kết đồng hoá trị sẽ tạo nên các cặp điện tử - lỗ trống. Các lỗ trống tương ứng di chuyển về phía cực âm của nguồn điện áp. Khi các vật liệu bán dẫn được pha tạp bằng các vật liệu hoá trị ba, chẳng hạn như Indium (I), nguyên tử Indium chỉ có thể góp chung ba điện tử hoá trị với ba nguyên tử bán dẫn lân cận trong cấu trúc mạng tinh thể (hình 2.8), nên sẽ tạo ra các lỗ trống trong mối liên kết đồng hoá trị. Sự hịên diện của các lỗ trống bổ sung sẽ cho phép các điện tử dễ dàng trôi từ một mối liên kết khác đến để chiếm vị trí. Vì các lỗ trống dễ dàng nhận các điện tử, nên các nguyên tử đóng góp các lỗ trống bổ sung được gọi là các nguyên tử chất nhận [acceptor]. Ở điều kiện bình thường, số lượng các lỗ trống lớn hơn nhiều so với số lượng các điện tử trong vật liệu đã được pha tạp. Do vậy, các lỗ trống là các hạt tải điện đa số và các điện tử là các hạt tải điện thiểu số. Bởi vì các hạt tải điện đa số mang điện tích dương, nên vật liệu tạp được gọi là vật liệu dạng P. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng P, thì sẽ làm cho các lỗ trống di chuyển về phía cực âm và các điện tử di chuyển về phía cực dương (hình 2.9) của nguồn điện áp. Ngoài các lỗ trống được tạo thành bởi nguyên tử chất nhận, còn có các lỗ trống được tạo ra khi các điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy thoát ra xa khỏi các mối liên kết đồng hoá trị khi tạo thành các cặp điện tử - lỗ trống. Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn nguyên chất. Độ dẫn điện của các vật liệu bán dẫn tạp có thể tăng hay giảm bằng cách bổ sung hoặc rút bớt các tạp chất. Các vật liệu bán dẫn được pha tạp đậm đặc hơn sẽ cho điện trở suất thấp hơn.
- Câu hỏi mục 2.3: 1. Mô tả quá trình pha tạp ở vật liệu bán dẫn. 2. Hai loại tạp chất được sử dụng để pha tạp là gì ? 3. Yếu tố nào quyết định để có vật liệu bán dẫn tạp dạng N hoặc P ? 4. Sự pha tạp sẽ tạo ra dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn như thế nào ? 5. Điều gì sẽ quyết định độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn ? Tóm tắt nội dung chương 2: - Có nhiều loại vật liệu bán dẫn với các đặc tính dẫn điện nằm trong khoảng giữa đặc tính dẫn điện của vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện. - Các vật liệu bán dẫn nguyên chất là germanium (Ge), silicon (Si), và carbon (C). - Silicon được sử dụng cho phần lớn các dụng cụ bán dẫn. - Số lượng điện tử trong lớp hoá trị cho biết các nguyên tử có khả năng nhận hay cho các điện tử. - Các vật liệu bán dẫn có các lớp hoá trị bằng một nửa mức điền đầy. - Các tinh thể được tạo thành bởi các nguyên tử góp chung các điện tử hoá trị của nó thông qua mối liên kết đồng hoá trị. - Các vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm: khi nhiệt độ tăng, thì điện trở của vật liệu sẽ giảm. - Nhiệt độ sẽ làm cho các mối liên kết đồng hoá trị trong vật liệu bán dẫn bị bẻ gãy. - Khi tăng nhiệt độ ở vật liệu bán dẫn, các điện tử sẽ di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. - Một lỗ trống sẽ tương ứng vị trí của một điện tử bị khuyết trong lớp hoá trị. - Sự chênh lệch thế hiệu đặt vào vật liệu bán dẫn nguyên chất sẽ tạo ra dòng điện tử chảy về phía cực dương và lỗ trống chảy về phía cực âm. - Dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn bao gồm cả dòng điện tử và lỗ trống di chuyển. - Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào vật liệu bán dẫn. - Các vật liệu hóa trị ba có các nguyên tử với ba điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu dạng P. - Các vật liệu hoá trị năm có các nguyên tử với năm điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu dạng N. - Ở vật liệu dạng N, các điện tử là các hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số. - Ở vật liệu dạng P, các lỗ trống là hạt tải điện đa số và các điện tử là hạt tải điện thiểu số. - Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn thuần. Câu hỏi chương 2. 1. Lý do nào làm cho Silicon được sử dụng nhiều hơn so với Germanium ? 2. Tại sao liên kết đồng hoá trị là quan trọng trong việc hình thành các vật liệu bán dẫn ? 3. Mô tả sự chuyển động của các điện tử qua khối silicon nguyên chất ở nhiệt độ phòng. 4. Mô tả quá trình biến đổi khối vật liệu silicon nguyên chất thành vật liệu dạng N. 5. Quá trình nào sẽ xảy ra khi đặt điện áp vào hai đầu của khối vật liệu dạng N ?
- Nội dung của chương bao gồm: - Mô tả diode tiếp giáp là gì và việc chế tạo diode như thế nào. - Định nghĩa vùng nghèo và điện áp chắn. - Giải thích sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược của diode. - Vẽ và ghi tên chân ký hiệu mạch cho diode. - Mô tả ba kỹ thuật chế tạo diode. - Nhận dạng các kiểu vỏ diode thông dụng nhất. - Đo thử diode bằng ohmmeter. Các diode là loại cấu kiện bán dẫn đơn giản nhất. Diode cho phép dòng điện chảy chỉ theo một chiều. Để hiểu rõ các loại cấu kiện bán dẫn cần phải nghiên cứu kỹ các diode. 3.1 Tiếp giáp PN. Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được pha tạp với vật liệu hoá trị năm hay hoá trị ba, thì vật liệu đã được pha tạp gọi là vật liệu dạng N hay P dựa vào loại hạt tải điện đa số trong vật liệu được pha tạp. Điện tích của mỗi loại vật liệu là trung hoà do mỗi nguyên tử đóng góp số lượng các proton và electron bằng nhau. Các điện tích độc lập tồn tại trong mỗi loại vật liệu bán dẫn, do các điện tử tự do di chuyển. Các điện tử và lỗ trống di chuyển được gọi là các điện tích chuyển động. Ngoài các điện tích chuyển động, mỗi nguyên tử bị mất đi một điện tử nên có số lượng proton nhiều hơn số lượng điện tử, nên sẽ mang điện tích dương. Tương tự, mỗi nguyên tử nhận thêm một điện tử sẽ có số lượng điện tử nhiều hơn số lượng proton nên sẽ mang điện tích âm. Các nguyên tử mang điện tích riêng được gọi là các ion âm và dương. Như vậy luôn luôn có số lượng các điện tích của ion và hạt tải điện có khả năng di chuyển bằng nhau trong các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P. Một diode được tạo ra bằng cách ghép nối hai vật liệu tạp dạng N và P với nhau (hình 3.1). Khi các vật liệu tiếp xúc với mỗi loại vật liệu khác sẽ hình thành tiếp giáp, nên diode được gọi là diode tiếp giáp. Khi tiếp giáp được hình thành, các điện tích có khả năng di chuyển ở vùng lân cận tiếp giáp sẽ được thu hút mạnh về hai phía ngược nhau do chênh lệch nồng độ hạt tải điện, nên sẽ trôi về phía tiếp giáp. Khi các điện tích tích luỹ, tác động sẽ tăng lên. Một vài điện tử di chuyển ngang qua tiếp giáp nên sẽ tái hợp với một số lỗ trổng gần tiếp giáp ở phía vật liệu dạng P. Ở phía vật liệu dạng N, các điện tử trở nên rất ít gần tiếp giáp. Vùng lân cận tiếp giáp có rất ít các điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo, chỉ có độ rộng nhỏ về cả hai phía của tiếp giáp. Không có các hạt tải điện đa số trong vùng nghèo, nên hai phía bán dẫn N và P tại tiếp giáp không còn sự trung hoà điện tích nửa. Phía vật liệu N gần tiếp giáp mang điện tích dương, còn phía vật liệu P gần tiếp giáp mang điện tích âm. Vùng nghèo rất hẹp, có kích thước được giới hạn bởi các điện tích trái dấu tích luỹ ở hai bên tiếp giáp. Vùng điện tích âm tích luỹ sẽ đẩy các điện tử ra khỏi tiết diện của tiếp giáp. Điện tích dương sẽ thu hút các điện tử tự do. Hai vùng điện tích trái dấu tích luỹ ở mổi phía tiếp giáp sẽ tạo nên một điện áp được gọi là thế tiếp xúc hay điện áp chắn. Điện áp này có thể xem như một nguồn điện áp ngoài, mặc dù điện áp chắn chỉ tồn tại ngang qua tiếp giáp PN (hình 3.2).
- Điện áp chắn tương đối nhỏ, chỉ vào khoảng vài phần mười volt. Điện áp chắn điển hình là 0,3V đối với tiếp giáp PN bằng Germanium, còn đối với tiếp giáp PN Silicon là 0,7V, đây là mức điện áp biểu kiến khi áp đặt một nguồn điện áp ngoài. Câu hỏi mục 3.1: 1. Định nghĩa các thuật ngữ sau: a. Nguyên tử Donor; b. Nguyên tử Acceptor; c. Diode. 2. Điều gì sẽ xảy ra khi ghép nối vật liệu bán dẫn N với vật liệu bán dẫn P ? 3. Vùng nghèo được hình thành như thế nào ? 4. Điện áp chắn là gì ? 5. Điện áp chắn điển hình của diode Ge và Si là bao nhiêu ? 3.2 Phân cực cho diode. Khi đặt một điện áp vào diode, thì gọi là điện áp phân cực. Hình 3.3, là một diode tiếp giáp PN được nối với một nguồn điện áp. Điện trở được mắc trong mạch để giới hạn mức dòng ở giá trị an toàn. Cực âm của nguồn điện áp được nối đến vật liệu N, sẽ đẩy các điện tử ra xa khỏi điện cực di chuyển về phía tiếp giáp PN. Các điện tử tự do tích luỹ ở phía bán dẫn P của tiếp giáp sẽ được hấp thụ bởi điện cực dương, tức là sẽ làm triệt tiêu điện tích âm ở phía bán dẫn P, nên điện áp chắn sẽ bị giảm, và dòng điện có thể chảy qua tiếp giáp. Dòng điện chỉ có nếu điện áp ngoài lớn hơn so với điện áp chắn. Nguồn điện áp sẽ cung cấp dòng điện tử không đổi trôi qua vùng vật liệu N cùng với các điện tử tự do có trong vùng vật liệu N. Các lỗ trống trong vùng vật liệu P cũng di chuyển về phía tiếp giáp. Các lỗ trống và điện tử sẽ kết hợp với nhau tại tiếp giáp và triệt tiêu nhau. Tuy nhiên, khi điện tử và lỗ trống kết hợp với nhau, thì sẽ có các điện tử và lỗ trống mới xuất hiện tại các cực của nguồn điện áp. Các hạt tải điện đa số tiếp tục di chuyển về phía tiếp giáp PN chỉ với điều kiện có nguồn điện áp đặt vào diode. Dòng điện tử chảy qua vùng bán dẫn P của diode sẽ được hấp thụ bởi cực dương của nguồn điện áp. Khi các điện tử rời khỏi vùng vật liệu P, các lỗ trống được tạo ra sẽ trôi về phía tiếp giáp PN, các lỗ trống sẽ kết hợp với các điện tử khác. Khi có dòng điện chảy từ phía vật liệu P sang phía vật liệu N, thì diode được coi là phân cực thuận. Dòng điện chảy qua diode khi được phân cực thuận sẽ được giới hạn bởi điện trở của hai vùng vật liệu P và N và điện trở ngoài của mạch. Điện trở của diode thường có giá trị nhỏ, nên việc mắc trực tiếp điện áp để diode được phân cực thuận sẽ tạo ra dòng điện lớn, tức là có thể phát sinh nhiệt đủ lớn để phá huỹ diode. Để hạn chế dòng thuận cần phải mắc một điện trở ngoài nối tiếp với diode. Một diode sẽ dẫn dòng điện theo chiều thuận chỉ nếu điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn và có cách mắc mạch đúng. Diode Ge cần điện áp phân cực thuận nhỏ nhất là 0,3V; diode Si cần điện áp phân cực thuận nhỏ nhất là 0,7V. Khi một diode bắt đầu dẫn, sẽ có sụt áp trên diode bằng điện áp chắn và được coi như mức sụt áp thuận (EF). Đối với diode Ge, mức sụt áp là 0,3V, còn đối với diode Si mức sụt áp là 0,7V. Mức dòng thuận (IF) tuỳ thuộc vào mức điện áp ngoài (E), sụt áp thuận (EF) và điện trở ngoài (R), tính theo định luật Ohm: I E ( E EF )/R Ví dụ: Một diode Silicon có điện áp phân cực ngoài là 12V, và điện trở ngoài là 150 . Tính dòng thuận tổng. E EF 12V 0,7V IF 75mA R 150 Khi diode được phân cực thuận, cực âm của nguồn điện áp ngoài được nối với vật liệu N, còn cực dương được nối với vật liệu P. Nếu đảo ngược điện cực, thì diode sẽ không dẫn, nên được gọi là diode
- được mắc theo chiều phân cực ngược (hình 3.4). Khi phân cực ngược, các điện tử tự do ở phía vật liệu N sẽ được thu hút về phía cực dương của nguồn điện áp ngoài, nên sẽ làm tăng số lượng các ion dương ở vùng N của tiếp giáp PN, đồng thời làm tăng độ rộng của vùng nghèo ở phía N của tiếp giáp. Các điện tử cũng rời khỏi cực âm của nguồn điện áp ngoài và di chuyển vào vùng vật liệu P, điền đầy các lỗ trống gần tiếp giáp PN, làm cho các lỗ trống di chuyển về phía đầu cực âm, tức là làm tăng độ rộng vùng nghèo ở phía vật liệu P của tiếp giáp. Tác động chung là vùng nghèo rộng hơn so với khi diode chưa được phân cực hay phân cực thuận. Điện áp phân cực thuận sẽ làm tăng điện áp chắn. Nếu điện áp chắn bằng nguồn điện áp ngoài, thì các lỗ trống và điện tử không thể cho dòng chảy. Chỉ có một dòng điện rất nhỏ chảy qua diode khi được phân cực ngược, gọi là dòng rò thường được xem như dòng ngược (IR) do các hạt tải điện thiểu số. Ở nhiệt độ phòng, các hạt tải điện thiểu số có số lượng rất ít. Khi nhiệt độ tăng, sẽ tạo ra nhiều cặp điện tử - lỗ trống hơn, nên sẽ làm tăng lượng các hạt tải điện thiểu số và dòng rò. Tất cả các diode tiếp giáp PN đều có dòng rò nhỏ. Ở các diode Ge mức dòng rò vào khoảng vài microampere; còn các diode Si có mức dòng rò vào khoảng vài nanoampere. Diode Ge có mức dòng rò cao hơn là vì nó nhạy cảm với nhiệt độ hơn, bù lại là điện áp chắn nhỏ hơn. Tóm lại: diode tiếp giáp PN là dụng cụ dẫn điện một chiều. Khi diode được phân cực thuận sẽ cho dòng chảy. Khi diode được phân cực ngược chỉ có dòng rò chảy qua. Đặc tính này của diode cho phép diode được sử dụng như một bộ chỉnh lưu để chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC. Câu hỏi của mục 3.2: 1. Điện áp phân cực là gì ? 2. Mức điện áp nhỏ nhất cần để làm cho dòng điện chảy qua một diode tiếp giáp PN là bao nhiêu ? 3. Sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược là gì ? 4. Dòng rò trong diode tiếp giáp PN là gì ? 3.3 Các đặc tính của diode. Cả diode Ge và Si đều có thể hõng do quá nhiệt và quá điện áp ngược. Nhà sản xuất quy định mức dòng thuận lớn nhất (IFmax) đó là mức dòng làm việc an toàn. mức điện áp ngược an toàn lớn nhất [Peak Inverse Voltage, hay PIV]. Nếu vượt quá mức PIV, sẽ có dòng ngược lớn chảy qua diode, tạo ra sự quá nhiệt và nguy hiểm cho diode. Ở nhiệt độ phòng, dòng ngược nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, dòng ngược tăng làm sai lệch hoạt động đúng của diode. Đối với các diode Ge, mức dòng ngược cao hơn so với các diode Si, gần gấp đôi theo mỗi khoảng nhiệt độ tăng lên 10oC. Ký hiệu mạch của diode như ở hình 3.5. Phần bán dẫn P được tượng trưng bằng mũi tên, còn phần N bằng một gạch dọc. Dòng thuận chảy từ phía bán dẫn P sang phía bán dẫn N (cùng chiều mũi tên). Phần N được gọi là cathode, còn phần P được gọi là anode. Cathode sẽ cung cấp các điện tử, còn anode sẽ thu nhận các điện tử. Hình 3.6, là mạch diode được phân cực thuận. Cực âm được nối với cathode, cực dương được nối với anode, nên sẽ thiết lập dòng dẫn thuận. Mắc thêm điện trở (RS) nối tiếp để giới hạn mức dòng thuận ở trị số an toàn. Mạch diode được mắc theo phân cực ngược (hình 3.7). Cực âm được nối với anode, còn cực dương được nối đến cathode. Khi phân cực ngược chỉ có dòng ngược nhỏ (IR) chảy qua diode. Câu hỏi mục 3.3: 1. Có thể tạo ra dòng ngược qua diode Ge và Si bằng cách nào ? 2. Vẽ và ghi tên ký hiệu mạch cho diode.
- 3. Vẽ mạch diode phân cực thuận. 4. Vẽ mạch diode phân cực ngược. 5. Tại sao cần phải mắc điện trở nối tiếp với diode phân cực thuận ? 3.4 Các kỹ thuật chế tạo diode. Tiếp giáp PN của một diode có thể là một trong ba kiểu: Tiếp giáp kéo tinh thể, tiếp giáp hợp kim, hoặc tiếp giáp khuyếch tán. Mổi kiểu tiếp giáp đều có kỹ thuật chế tạo riêng. Ở tiếp giáp chế tạo theo phương pháp kéo tinh thể (kỹ thuật dễ dàng nhất được sử dụng), vật liệu bán dẫn thuần và các tạp chất dạng P được đặt trong bình chứa bằng thạch anh và được nung nóng cho đến khi nóng chảy. Tiếp theo, người ta đưa một tinh thể bán dẫn nhỏ được gọi là mầm, vào hổn hợp nóng chảy. Tinh thể mầm sẽ được xoay từ từ và rút ra khỏi hổn hợp nóng chảy đủ chậm để cho hổn hợp nóng chảy bám vào mầm. Hổn hợp nóng chảy, khi bám vào tinh thể mầm sẽ được làm nguội và sẽ được tôi luyện để có cùng các đặc tính tinh thể như mầm. Khi tinh thể mầm được rút ra nó sẽ lần lượt được pha tạp với các tạp chất dạng N và P. Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào các tinh thể bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) để làm tăng số lượng điện tử tự do hay số lượng lỗ trống. Điều này sẽ tạo ra các lớp bán dẫn N và P trong tinh thể như sự tăng trưởng. Tinh thể tạo thành sau đó sẽ được cắt thành nhiều phần PN. Tiếp giáp hợp kim là phương pháp chế tạo chất bán dẫn rất đơn giản. Một mẩu nhỏ vật liệu có hoá trị 3, chẳng hạn như Indium sẽ được đặt vào tinh thể bán dẫn dạng N. Mẩu và tinh thể sẽ được nung cho đến khi mẩu sẽ nóng chảy và sẽ nối từng phần với tinh thể bán dẫn. Vùng kết hợp hai loại vật liệu sẽ tạo thành vật liệu bán dẫn dạng P. Khi được làm nguội, vật liệu sẽ kết tinh và sẽ tạo thành tiếp giáp PN dạng rắn. Phương pháp chế tạo tiếp giáp khuyếch tán là phương pháp sử dụng nhiều nhất hiện nay. Một mặt nạ để hở sẽ được đặt trên phần mõng bằng vật liệu bán dẫn N hoặc P được gọi là lát mõng, sau đó được đặt vào lò nung và được trãi ra để tạp chất thành trạng thái hơi. Ở mức nhiệt độ rất cao, các nguyên tử tạp chất sẽ thẩm thấu hay khuyếch tán qua các mặt được trãi ra của lát mõng. Độ sâu khuyếch tán sẽ được điều chỉnh theo độ dài của mặt trãi và nhiệt độ. Khi tiếp giáp PN đã được tạo thành, các diode cần phải được đóng vỏ để bảo vệ diode khỏi sự xâm thực của môi trường và va chạm cơ học. Vỏ cũng phải được có biện pháp để nối diode với mạch. Kiểu vỏ tuỳ thuộc vào mục đích hay ứng dụng của diode (hình 3.8). Nếu mức dòng lớn chảy qua diode, thì vỏ phải được chế tạo để giữ cho tiếp giáp không bị quá nhiệt. Hình 3.9, là dạng vỏ của các diode làm việc ở mức dòng 3A hay thấp hơn. Cực cathode được nhận dạng bằng vòng màu trắng hay nhũ bạc ở một đầu của diode. Câu hỏi mục 3.4: 1. Mô tả ba phương pháp chế tạo diode. 2. Phương pháp chế tạo diode nào được sử dụng nhiều hơn ? 3. Vẽ bốn dạng vỏ diode thông dụng. 4. Cực cathode của diode có thông số định mức dưới 3A được nhận dạng như thế nào ? Tóm tắt nội dung chương 3: - Diode tiếp giáp được tạo ra bằng cách ghép hai loại vật liệu N và P với nhau. - Vùng sát tiếp giáp được gọi là vùng nghèo. Các điện tử di chuyển qua tiếp giáp từ vật liệu N sang vùng P nên cả lỗ trống và điện tử sát tiếp giáp là rất ít. - Kích thước của vùng nghèo được giới hạn bởi điện tích ở mổi phía của tiếp giáp. - Điện tích tại tiếp giáp sẽ tạo ra điện áp được gọi là điện áp chắn. - Điện áp chắn là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si. - Dòng điện chảy qua diode chỉ có khi điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn. - Khi được phân cực thuận diode sẽ dẫn. Vật liệu P nối với cực dương của nguồn, còn vật liệu N được nối với cực âm của nguồn.
- - Diode khi được phân cực ngược chỉ dẫn dòng rò ngược nhỏ. - Diode là dụng cụ dẫn điện theo một chiều. - Mức dòng thuận và điện áp ngược lớn nhất của diode được quyết định bởi nhà sản xuất. - Ký hiệu mạch của diode là: - Trong diode, cathode là vùng vật liệu N, còn anode là vùng vật liệu P. - Các diode có thể được chế tạo bằng phương pháp tiếp giáp grown, tiếp giáp hợp kim, hay tiếp giáp khuyếch tán. - Phương pháp tiếp giáp hợp kim là một trong những phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất. - Dạng vỏ của các diode có mức dòng nhỏ hơn 3A được nhận dạng đầu cathode của diode có dãi trắng hay nhũ bạc. - Diode được đo thử bằng cách so sánh điện trở thuận với điện trở ngược với một ohmmeter. - Khi diode được phân cực thuận, sẽ có điện trở thấp. - Khi diode được phân cực ngược sẽ có điện trở cao. Câu hỏi chương 3: 1. Một diode tiếp giáp PN được thực hiện như thế nào ? 2. Ở điều kiện nào diode tiếp giáp PN silicon sẽ chuyển sang dẫn ? 3. Vẽ mạch diode tiếp giáp PN theo chiều phân cực thuận và phân cực ngược (sử dụng ký hiệu mạch).
- Nội dung của chương bao gồm: - Giải thích chức năng và các đặc tính của diode Zener. - Vẽ ký hiệu mạch của một diode Zener - Giải thích hoạt động của diode Zener như một bộ điều hoà (ổn định) điện áp. - Mô tả trình tự kiểm tra diode Zener. Các diode Zener có quan hệ gần gũi với các diode tiếp giáp PN. Diode Zener được chế tạo để có lợi thế về dòng ngược. Các diode Zener được sử dụng phổ biến để điều khiển điện áp trong tất cả các loại mạch điện tử. 4.1 Các đặc tính của diode Zener. Như trên đã nói, khi đặt điện áp phân cực ngược vào diode có thể gây ra dòng ngược lớn, tức là có thể tạo ra sự quá nhiệt nên diode sẽ bị đánh thủng. Mức điện áp ngược đặt vào mà tại đó xảy ra sự đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng, hay điện áp ngược đỉnh. Diode đặc biệt gọi là diode Zener hoạt động theo chế độ phân cực ngược được chế tạo để làm việc tại các giá trị điện áp vượt quá điện áp đánh thủng. Vùng đánh thủng được gọi là vùng Zener. Khi điện áp phân cực ngược đặt vào diode Zener đủ lớn để tạo ra sự đánh thủng trong diode Zener thì sẽ có một dòng điện ngược lớn chảy qua diode. Mức dòng ngược thấp khi điện áp ngược chưa đạt đến mức điện áp đánh thủng. Sau khi đạt đến mức điện áp đánh thủng, mức dòng ngược sẽ tăng đột ngột. Điều này xảy ra do điện trở của diode Zener giảm xuống khi điện áp ngược tăng lên. Điện áp đánh thủng của một diode Zener (EZ) được quyết định bởi điện trở suất của diode, tức là do việc điều khiển kỷ thuật pha tạp sử dụng trong quá trình chế tạo. Điện áp đánh thủng định mức tương ứng với mức điện áp ngược tại mức dòng đo thử của zener (IZT). Mức dòng đo thử của zener là mức dòng nhỏ hơn nhiều so với mức dòng ngược lớn nhất mà diode có thể xử lý. Thông thường, điện áp đánh thủng định mức có sai số từ 1% đến 2%. Khả năng tiêu tán công suất của diode zener sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do vậy thông số tiêu tán công suất sẽ được cho theo các mức nhiệt độ quy định. Các thông số công suất cũng dựa trên các độ dài của điện cực, các điện cực của diode ngắn hơn sẽ tiêu tán công suất lớn hơn. Hệ số suy giảm công suất được nhà sản xuất giới thiệu dùng để xác định mức công suất làm việc ở các nhiệt độ khác nhau từ mức nhiệt độ cụ thể. Ví dụ, hệ số suy giảm công suất là 6mW trên một oC, có nghĩa là mức công suất định mức của diode sẽ giảm 6mW theo mỗi độ nhiệt độ thay đổi. Các diode zener có dạng vỏ như diode tiếp giáp PN (hình 4.1). Các diode zener công suất thấp được lắp trong vỏ bằng thuỷ tinh hoặc bằng nhựa epoxy. Các diode công suất cao được lắp trong vỏ bằng kim loại. Ký hiệu mạch của diode zener gần giống như ký hiệu mạch của diode tiếp giáp PN nhưng hơi khác ở đường gạch chỉ cathode là đường zíc - zắc (hình 4.2). Câu hỏi mục 4.1: 1. Đặc tính duy nhất chỉ có ở diode zener là đặc tính gì ? 2. Một diode zener được mắc như thế nào trong mạch ? 3. Đại lượng nào sẽ quy định mức điện áp đánh thủng của diode zener ? 4. Các lý do nào dùng để xem xét khi xác định mức tiêu tán công suất của một diode zener ? 5. Vẽ và ghi tên điện cực ký hiệu mạch dùng để thể hiện một diode zener ?
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Bài giảng vi xử lý - Chương 1
8 p | 567 | 334
-
Bài giảng Trang bị điện ô tô - Chương 1: Tổng quan hệ thống điện ô tô
18 p | 570 | 290
-
Kĩ thuật vi xử lý-chương 1 - Tổng quan về vi điều khiển
28 p | 260 | 126
-
Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 1: Tổng quan về mạch điện
18 p | 168 | 74
-
Bài báo cáo: Chiến lược phát triển ngành điện Việt Nam
9 p | 202 | 67
-
Chương 1: Tổng quan về hệ thống khí nén
102 p | 108 | 49
-
Chương 1: Lịch sử phát triển của vi xử lý
8 p | 127 | 45
-
Tổng quan về viễn thông - HV Bưu chính Viễn thông
156 p | 71 | 19
-
Bài giảng Bảo vệ Rowle và tự động hóa: Chương 1 - Phạm Thị Minh Thái
26 p | 30 | 16
-
Bài giảng Chuẩn trong thiết kế và thi công các công trình điện: Chương 1 - Tổng quan về thiết kế và thi công các công trình điện
17 p | 55 | 15
-
Bài giảng Tín hiệu số - Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số
10 p | 39 | 8
-
Bài giảng Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp điện
21 p | 21 | 8
-
Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 11: Tổng quan về hệ thống thu phát vô tuyến
36 p | 19 | 7
-
Bài giảng Kỹ thuật điện, điện tử: Phần 1 (Chương 1) - GV. Cái Việt Anh Dũng
29 p | 23 | 6
-
Phát triển thủy điện trên lưu vực sông Hương, những tồn tại và các giải pháp nâng cao hiệu quả
8 p | 30 | 4
-
Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Tổng quan về mạch điện các phương pháp giải mạch một chiều (DC)
44 p | 19 | 4
-
Bài giảng Thiết kế logic số (VLSI Design): Chương II/2.1
16 p | 30 | 4

markdown:
# Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
Chia sẻ: Nguyen Van Tri | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52
lượt xem 26
download
![](http://image1.tailieu.vn/document/thumbnail/2010/20100721/nguyenvantri88/80x100/p1ch1ch9pdf_3092.jpg)
##
Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
[Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ](javascript:void(0);)
Download
![](http://static1.tailieu.vn/b2013az/templates/version1/default/images/down16x21.png)
Nghiên cứu về các hệ thống điện tử và phân loại các hệ thống điện tử. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp các thiết bị điện tử dưới dạng điện thoại, máy thu thanh, thu hình, các thiết bị âm thanh, các dụng cụ gia đình, máy tính, và thiết bị điều khiển công nghiệp và tự động. Điện tử học đã trở thành tác nhân kích thích và thành phần không thể thiếu cho sự thiết lập và phát triển của công nghệ hiện đại. Kỹ thuật điện tử sẽ đề cập đến việc chế...
Bình luận(0)
[Đăng nhập để gửi bình luận!](javascript:void(0);)
##
Nội dung Text: Chương 1: Tổng quan về lịch sử phát triển của điện
- Nội dung chính của chương gồm: - Tổng quan về lịch sử phát triển của điện tử học. - Nghiên cứu về các hệ thống điện tử và phân loại các hệ thống điện tử. Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta luôn gặp các thiết bị điện tử dưới dạng điện thoại, máy thu thanh, thu hình, các thiết bị âm thanh, các dụng cụ gia đình, máy tính, và thiết bị điều khiển công nghiệp và tự động. Điện tử học đã trở thành tác nhân kích thích và thành phần không thể thiếu cho sự thiết lập và phát triển của công nghệ hiện đại. Kỹ thuật điện tử sẽ đề cập đến việc chế tạo và ứng dụng của các cấu kiện điện tử. 1.1 Quá trình lịch sử của điện tử học. Kỷ nguyên điện tử học bắt đầu bằng việc phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên bởi Fleming vào năm 1904 đó là đèn chân không ba cực. Phát minh này đã được tiếp theo bởi sự phát triển của diode tiếp xúc điểm bán dẫn (silicon) bởi Pickard vào năm 1906, các mạch máy thu thanh bằng các diode và đèn ba cực trong khoảng thời gian từ năm 1907 - 1927, máy thu thanh đổi tần bởi Armstrong vào năm 1920, minh chứng về truyền hình vào năm 1925, dụng cụ hiệu ứng trường bởi Lilienfield vào năm 1925, điều chế FM bởi Armstrong vào năm 1933, và radar vào năm 1940. Cuộc cách mạng về điện tử học đầu tiên bắt đầu vào năm 1947, bằng việc phát minh transistor silicon bởi Bardeen, Bratain, và Shockley ở các phòng thí nghiệm của hãng điện thoại Bell. Phần lớn các công nghệ điện tử tiên tiến hiện nay là đều bắt nguồn từ phát minh đó, chẳng hạn như các vi mạch hiện đại đã được phát triển trong nhiều năm từ các dụng cụ bán dẫn. Cuộc cách mạng đã được tiếp theo bằng việc phát minh máy thu hình màu vào năm 1950 và phát minh ra các transistor hiệu ứng trường bởi Shockley vào năm 1952. Sự phát triển tiếp theo vào năm 1956, khi phòng thí nghiệm Bell phát minh ra transistor kích dẫn 4 lớp (pnpn), cũng gọi là thyristor hay bộ chỉnh lưu có điều khiển bằng bán dẫn (SCR). Cuộc cách mạng điện tử lần thứ hai bắt đầu bằng việc phát triển thyristor thương mại do hãng General Electric sản xuất vào năm 1958. Cuộc cách mạng đó đã bắt đầu một kỷ nguyên mới về ứng dụng điện tử học trong việc xử lý hay điều hoà công suất, được gọi là điện tử công suất. Sau đó, nhiều loại dụng cụ bán dẫn công suất khác nhau và các kỹ thuật biến đổi đã được phát triển. Mạch tích hợp (IC) đã được phát minh vào năm 1958, thực hiện đồng thời bởi Kilby tại hãng Texas Instruments và Noyce và Moore tại hãng Fairchild Semiconductor đã mở đầu một giai đoạn mới trong cuộc cách mạng về vi điện tử. Phát minh này đã được tiếp theo bởi phát minh IC thương mại đầu tiên: bộ khuyếch đại thuật toán, A709, bởi hãng Fairchild Semiconductor vào năm 1968; bộ vi xử lý 4004 bởi hãng Intel vào năm 1971; bộ vi xử lý 8 bit bởi hãng Intel vào năm 1972; và chip nhớ gigabit bởi Intel vào năm 1995. Sự tiến triển từ các đèn chân không đến các bộ vi xử lý được thể hiện ở hình 1.1. Sự phát triển IC liên tục hiện nay với kết quả đạt được là các chip mật độ cao hơn với công suất nguồn cung cấp thấp hơn; các mức tích hợp trong các mạch được thể hiện ở bảng 1.1.
- Bảng 1.1: Các mức tích hợp. Mốc thời gian Mức độ tích hợp Số lượng cấu kiện trong một Chip Thập kỷ 1950 Các cấu kiện rời 1 đến 2 Thập kỷ 1960 Mạch tích hợp mức độ thấp (SSI) ít hơn 102 1966 Mạch tích hợp mức độ trung bình (MSI) từ 102 đến 103 1969 Mạch tích hợp mức độ lớn (LSI) từ 103 đến 104 1975 Mạch tích hợp mức độ rất lớn (VLSI) từ 104 đến 109 Thập kỷ 1990 Mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI) trên 109 1.2 Các hệ thống điện tử. Một hệ thống điện tử là sự lắp ráp các dụng cụ và linh kiện điện tử thành một khối xác định của các tín hiệu vào và các tín hiệu ra. Bằng cách sử dụng các transistor làm các dụng cụ tiếp nhận thông tin dưới dạng các tín hiệu vào, các transistor sẽ xử lý tín hiệu, và sau đó sẽ tạo ra các tín hiệu ra. Các hệ thống điện tử có thể được phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng, chẳng hạn như hệ thống thông tin, điện tử y tế, thiết bị đo lường, hệ thống điều khiển, hay hệ thống máy tính. Hình 1.2a, là sơ đồ khối của một máy thu thanh FM. Antenna có vai trò như một phần tử nhạy cảm với tín hiệu [cảm biến hay sensor]. Tín hiệu vào từ antenna có biên độ nhỏ, thường trong khoảng V, nên cần phải được khuyếch đại biên độ và mức công suất bằng hệ thống điện tử trước khi cung cấp cho loa. Sơ đồ khối của thiết bị đo hiển thị nhiệt độ ở hình 1.2b. Tín hiệu ra sẽ làm thiết bị đo hiển thị. Sensor nhiệt độ sẽ tạo ra một mức điện áp nhỏ, thường vào khoảng vài millivolt trên một độ tăng lên trên 0o (tức là 1mV/oC). Cả hai hệ thống đều nhận tín hiệu vào từ một sensor, xử lý tín hiệu, và tạo ra mức tín hiệu ra để điều khiển phần tử chấp hành [actuator]. Một hệ thống điện tử cần phải thông tin với các dụng cụ đầu vào và đầu ra. Thông thường, các tín hiệu vào và ra dưới dạng các tín hiệu điện. Các tín hiệu vào có thể lấy từ phép đo các đại lượng vật lý chẳng hạn như nhiệt độ hay mức chất lõng, còn các tín hiệu ra có thể sử dụng để làm thay đổi các đại lượng vật lý khác như độ hiển thị nhiệt độ hay mức chất lõng và các phần tử phát nhiệt. Các hệ thống điện tử thường sử dụng các các cảm biến [sensor] để thu các đại lượng vào và các bộ kích thích [actuator] để phát tín hiệu ra. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được gọi là các bộ chuyển đổi [transducer]. Ví dụ, loa là một bộ chuyển đổi dùng để biến đổi tín hiệu điện tử thành âm thanh. Các cảm biến: Có nhiều loại cảm biến, bao gồm: - Các nhiệt trở [thermistor] hay nhiệt ngẫu [thermocouple] dùng để đo nhiệt độ. - Các cấu kiện quang transistor hay quang diode dùng để đo ánh sáng. - Các bộ định cở sức căng và các vật liệu áp điện dùng để đo lực. - Các điện thế kế, các cảm biến điện cảm, và các bộ mã hoá vị trí tuyệt đối dùng để đo độ dịch chuyển. - Các máy phát tốc, các gia tốc kế, và các cảm biến theo hiệu ứng Doppler để đo độ dịch chuyển. - Các microphone để đo âm thanh. Các bộ kích thích hay phần tử chấp hành: Các bộ kích thích tạo ra các đại lượng ra không điện từ tín hiệu điện. Có nhiều kiểu bộ kích thích gồm: - Các bộ phát nhiệt bằng điện trở để tạo ra nhiệt. - Các diode phát sáng [LED] và các đèn chiếu sáng để điều khiển độ sáng. - Các cuộn dây kim loại tạo ra từ tính khi có dòng điện chạy qua [solenoid] để tạo ra lực.
- - Các đồng hồ đo để chỉ thị độ dịch chuyển. - Các động cơ điện để tạo ra sự chuyển động hay tốc độ. - Loa và các bộ chuyển đổi siêu âm để tạo ra âm thanh. 1.3 Tín hiệu điện tử và ký hiệu. Các tín hiệu điện tử có thể phân chia thành hai loại: tín hiệu tương tự [analog] và tín hiệu số [digital]. Tín hiệu tương tự có dãi biên độ thay đổi liên tục theo thời gian, như mô tả ở hình 1.3a. Tín hiệu số chỉ có các mức điện áp gián đoạn theo thời gian, như thể hiện ở hình 1.3c. Một tín hiệu số chỉ có hai giá trị, tương ứng với trạng thái logic nhị phân 1 (cho mức cao) và trạng thái logic nhị phân 0 (cho mức thấp). Để có các biến thiên thích hợp theo các giá trị thành phần, nhiệt độ, và nhiễu (các tín hiệu bên ngoài), thì trạng thái logic 1 thường được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 2 đến 5V. Trạng thái logic 0 có thể được gán theo mức điện áp bất kỳ trong khoảng từ 0 đến 0,8V. Tín hiệu ra của một cảm biến thường có dạng tương tự, và các bộ kích thích thường đòi hỏi tín hiệu vào tương tự để cho tín hiệu ra mong muốn. Tín hiệu vào tương tự có thể được biến đổi thành dạng số và ngược lại. Các mạch điện tử thực hiện việc biến đổi đó gọi là các bộ biến đổi tương tự - số (A/D) và số - tương tự (D/A). Các bộ biến đổi tương tự - số: Bộ biến đổi A/D sẽ biến đổi tín hiệu tương tự thành dạng số và sẽ cho một giao tiếp giữa tín hiệu tương tự và số. Xét điện áp vào tương tự như ở hình 1.4a. Tín hiệu vào sẽ được lấy mẫu tại các khoảng thời gian tuần hoàn được xác định theo khoảng thời gian lấy mẫu Ts, và một số nhị phân n-bit (b1b2. . . . bn) sẽ được gán cho mỗi mẫu như ở hình 1.4b, với n = 3. Số nhị phân n-bit là một phần nhị phân sẽ tương ứng với tỷ số giữa điện áp vào chưa biết v1 và điện áp đầy thang VFS của bộ biến đổi. Đối với n = 3, mổi phần nhị phân là VFS/2n = VFS/8. Điện áp ra của bộ biến đổi A/D 3-bit biểu diễn ở hình 1.4c. Mối quan hệ vào - ra như thể hiện ở hình 1.4c, cho thấy rằng khi điện áp vào tăng lên từ 0 đến mức đầy thang, thì các mức ra nhị phân tăng lên từ 000 đến 111. Tuy nhiên, số nhị phân vẫn không đổi đối với khoảng điện áp vào là VFS/2n (= VFS/8 với n = 3), mà sẽ bằng 1 bit có nghĩa thấp nhất (LSB) của bộ biến đổi A/D. Do vậy, khi điện áp vào tăng, mức ra nhị phân sẽ cho đầu tiên là sai số âm và sau đó là sai số dương, như ở hình 1.4d. Sai số này được gọi là sai số lượng tử hoá, có thể giảm bằng cách tăng số lượng các bit n. Vậy, sai số lượng tử có thể được xác định theo mức điện áp thấp nhất mà LSB của mức ra nhị phân có thể thay đổi từ 0 đến 1. Sai số lượng tử cũng được gọi là độ phân giải của bộ biến đổi, và được tính từ biểu thức: VLSB Verror VFS/2n (1.1) trong đó: VFS là mức điện áp đầy thang của bộ biến đổi. Ví dụ, VLSB của bộ biến đổi 8 - bit là:
- VLSB VFS/2n 5/28 19,53mV 20mV Các bộ biến đổi số - tương tự: Bộ biến đổi D/A sẽ lấy tín hiệu vào dưới dạng nhị phân và sẽ tạo ra điện áp ra hoặc dòng ra dưới dạng tương tự (hay liên tục). Sơ đồ khối của bộ biến đổi D/A n - bit gồm các số nhị phân (b1b2......bn) như ở hình 1.5. Bộ biến đổi D/A sẽ tạo ra phần nhị phân mà sẽ được nhân với mức điện áp đầy thang VFS để có mức điện áp ra được biểu diễn bằng: Vo ( b1 2-1 b2 2-2 b3 2-3 . . . bn 2-n ) VFS (1.2) trong đó: số nhị phân thứ i là bi = 0 hoặc bi = 1 và b1 là bit có ý nghĩa nhất (MSB). Ví dụ, với VFS = 5V, n = 3, và từ số nhị phân b1b2b3 = 110, phương trình (1.2) sẽ cho: Vo ( 1 2-1 1 2-2 0 2-3 ) 5V 3,75V Ký hiệu: Một tín hiệu tương tự thường được biểu diễn bằng một ký hiệu với chỉ số dưới dòng, có thể là chữ viết hoa hoặc chữ viết thường, tuân theo biểu diễn quy ước ở bảng 1.2. Ví dụ, xét mạch ở hình 1.6a, đầu vào của mạch có điện áp dc VDC = 5V, và điện áp ac vab = 2sin t. Các mức điện áp tức thời có ở hình 1.6b. Các quy định về ký hiệu của điện áp và dòng điện như sau: 1. VDC, IDC là các giá trị một chiều (dc): các biến số viết hoa và các chỉ số dưới dòng viết hoa. VDC = 5V; IDC = VDC / RL = 5mA. 2. vab , ia là các giá trị xoay chiều (ac) tức thời: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết thường. vab = vac = 2sin t; ia = 2sin t mA (đối với RL = 1k ).
- 3. vAB, iA là các giá trị tức thời tổng: các biến viết thường và các chỉ số dưới dòng viết hoa. vAB = VDC + vab = 5 + 2sin t; iA = IDC + ia = 5mA + 2sin t mA (với RL = 1k ). 4. Vab, Ia là các giá trị biên độ tổng: các biến viết hoa, còn các chỉ số dưới dòng viết thường. Vab 52 ( 2 ) 2 5,20V ; I a 52 ( 2 ) 2 5,20 mA Bảng 1.2: Cách xác định các ký hiệu và chỉ số. Định nghĩa Đại lượng Chỉ số Ví dụ Giá trị một chiều (dc) của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in hoa VD Giá trị xoay chiều (ac) của tín hiệu Chữ in thường Chữ in thường vd Giá trị tức thời toàn bộ của tín hiệu (cả dc và ac) Chữ in thường Chữ in hoa vD Các biến số phức pha hay giá trị hiệu dụng của tín hiệu Chữ in hoa Chữ in thường Vd 1.4 Phân loại các hệ thống điện tử. Hình thái của việc xử lý tín hiệu khi được tạo ra bằng một hệ thống điện tử tuỳ thuộc bản chất của các tín hiệu vào, các yêu cầu phát ra của các bộ kích thích, và yêu cầu chức năng toàn bộ. Tuy nhiên, có một số chức năng thông dụng đối với một số lượng lớn các hệ thống. Các chức năng đó gồm khuyếch đại, cộng và trừ các tín hiệu, tích phân và vi phân các tín hiệu, và lọc. Một vài hệ thống yêu cầu hàng loại các hoạt động chẳng hạn như phép đếm, định thời, thiết lập, thiết lập lại, và quyết định thực hiện. Ngoài ra, có thể yêu cầu tạo ra các tín hiệu sin hay dạng tín hiệu khác trong một hệ thống. Các hệ thống điện tử có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực ô tô, thiết bị nghe nhìn gia đình, thiết bị thông tin và công sở, thiết bị y tế, và trong nhiều lĩnh vực khác, giúp con người duy trì phong cách sống công nghệ cao [high - tech]. Các hệ thống điện tử thường được phân loại theo các kiểu ứng dụng: * Điện tử ô tô. * Điện tử thông tin. * Điện tử dân dụng. * Điện tử công nghiệp. * Điện tử đo lường. * Cơ điện tử. * Điện tử y tế. * Điện tử công sở. Lĩnh vực các ngành của điện tử được phân chia thành ba vùng riêng biệt tuỳ thuộc vào loại tín hiệu và việc xử lý tín hiệu được yêu cầu bởi các hệ thống điện tử. Điện tử tương tự sẽ đề cấp chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ khuyếch đại. Các tín hiệu vào và ra lấy trong một dãi liên tục của các giá trị biên độ theo thời gian. Chức năng của điện tử tương tự là truyền dẫn và xử lý thông tin chứa trong tín hiệu vào tương tự với mức nhiễu thấp nhất. Điện tử số sẽ đề cập chủ yếu về hoạt động và các ứng dụng của các transistor như các dụng cụ chuyển mạch kín [on] và hở [off]. Cả tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu xung không liên tục xuất hiện tại những thời điểm cách đều nhau về thời gian. Chức năng của điện tử số là truyền dẫn và xử lý thông tin chứa trong tín hiệu vào số với lượng sai số thấp nhất ở tốc độ nhanh nhất. Điện tử công suất sẽ đề cập về nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của các dụng cụ bán dẫn công suất, bao gồm các transistor công suất như các chuyển mạch "đóng" và "mở" để điều khiển và chuyển đổi các nguồn điện. Điện tử tương tự và / hoặc điện tử số sẽ được sử dụng để tạo ra các tín hiệu điều khiển cho các chuyển mạch công suất để nhận được các chiến lược điều khiển mong muốn (tức là
- ac/dc, ac/ac, dc/ac, hay dc/dc) với hệ số biến đổi lớn nhất và độ méo dạng sóng thấp nhất. Tín hiệu vào của hệ thống điện tử công suất là điện áp (hoặc dòng) của nguồn cung cấp dc hoặc ac. Điện tử công suất có nội dung cơ bản về trạng thái và đặc tính của nguồn cung cấp đúng hơn là thông tin chứa trong tín hiệu. Ví dụ, mạch điện tử công suất có thể tạo ra một nguồn cung cấp ổn định 12V cho một hệ thống tương tự và 5V cho một hệ thống số, từ nguồn cung cấp 120V hay 220V. Các mạch vi điện tử có khả năng tạo ra và xử lý các tín hiệu điều khiển ở tốc độ cao, nên điện tử công suất cũng có khả năng tạo ra và điều khiển các mức công suất lớn với một hiệu suất cao, trong khoảng từ 94% đến 99%. Nhiều nguồn điện áp ứng dụng của điện tử công suất hiện nay tạo ra từ việc kết hợp giữa điện tử công suất - phần tử chấp hành, với vi điện tử - phần tử điều khiển. Ngoài ra, điện tử công suất cũng nổi bật như một môn học riêng và có sự thay đổi về vấn đề xử lý và điều hoà công suất cho việc điều khiển nguồn công nghiệp và tự động. Nhiều hệ thống điện tử sử dụng cả hai kỹ thuật tương tự và số. Mỗi phương pháp thực hiện đều có các ưu điểm và nhược điểm được tóm tắt như sau: - Nhiễu thường có trong các mạch điện tử. Nhiễu được xác định như tín hiệu từ bên ngoài xuất hiện bởi sự nhiễu loạn điện tử do nhiệt trong điện trở, cuộn cảm hay tụ khi ghép các tín hiệu từ các hệ thống khác, hay từ các nguồn cung cấp khác. Nhiễu được bổ sung trực tiếp vào các tín hiệu tương tự nên sẽ ảnh hưởng đến các tín hiệu như mô tả ở hình 1.7a. Vì vậy, nhiễu sẽ được khuyếch đại bởi các tầng khuyếch đại nối tiếp nhau. Do các tín hiệu số chỉ có hai mức (cao hoặc thấp), nên nhiễu sẽ không ảnh hưởng đến tín hiệu ra số, như mô tả ở hình 1.7b, nên nhiễu có thể bị loại bỏ một cách hiệu quả ra khỏi các tín hiệu số. - Một mạch tương tự cần phải có một vài cấu kiện chuyên dụng so với một mạch số để thực hiện một chức năng đã cho. Tuy nhiên, mạch tương tự thường yêu cầu các tụ điện hay các cuộn cảm có giá trị lớn mà không thể chế tạo được trong các vi mạch. - Mạch số dễ chế tạo hơn so với mạch tương tự dưới dạng các vi mạch (các IC), mặc dù có thể phức tạp hơn so với mạch tương tự. Tuy nhiên, các mạch số thường cho chất lượng và tốc độ xử lý tín hiệu cao hơn. - Các hệ thống tương tự được chế tạo để thực hiện các chức năng hay các hoạt động cụ thể, trong khi các hệ thống số có thể thích ứng với nhiều loại nhiệm vụ hay người dùng khác nhau. - Tín hiệu từ các sensor và tín hiệu đưa đến các bộ kích thích trong các hệ thống điện tử thường là tín hiệu tương tự. Nếu tín hiệu vào có biên bộ thấp và cần phải được xử lý tại các tần số rất cao, thì cần phải sử dụng kỹ thuật tương tự. Để hiệu quả trong thiết kế và chế tạo thường sử dụng cả hai phương pháp tương tự và số. 1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống điện tử. Một hệ thống điện tử thường được thiết kế để thực hiện các chức năng hay các hoạt động nào đó. Hiệu suất của hệ thống điện tử được quy định hay được đánh giá theo các thông số về điện áp, dòng điện, trở kháng, công suất, thời gian làm việc, và tần số tại đầu vào và đầu ra của hệ thống. Các thông số làm việc bao gồm các chỉ tiêu quá độ, độ méo, các chỉ tiêu về tần số, và các thông số dc và tín hiệu bé. Các thông số quá độ: Các thông số quá độ nghĩa là tín hiệu ra của mạch tạo ra theo đáp ứng đối với tín hiệu vào quy định, thường là tín hiệu xung lặp lại, như mô tả ở hình 1.8a. Tín hiệu ra thường xét thông qua thời gian trễ [delay time] td, thời gian tăng [rise time] tr, thời gian mở [on time] ton, thời gian giảm [fall time] tf, và thời gian ngưng [off time] toff trong mỗi chu kỳ, như ở hình 1.8b. Tuỳ thuộc vào hệ số suy giảm của mạch mà đáp ứng có thể biểu hiện vượt quá mức trên trước khi thiết lập vào trạng thái ổn định như thể hiện bởi đường đứt nét ở hình 1.8b. Các khoảng thời gian liên quan với tín hiệu ra được định nghĩa như sau: * Thời gian trễ td là khoảng thời gian trước khi mạch có thể đáp ứng với tín hiệu vào bất kỳ.
- * Thời gian tăng tr là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu đầu ra tăng lên từ 10% đến 90% của giá trị cuối cùng của tín hiệu (mức cao). * Thời gian mở ton là khoảng thời gian mà mạch được chuyển sang mở hoàn toàn và có chức năng theo chế độ thông thường của mạch. * Thời gian giảm tf là khoảng thời gian cần thiết để mức tín hiệu ra giảm từ 90% xuống 10% của giá trị ban đầu (mức cao) của tín hiệu. * Thời gian ngưng toff là khoảng thời gian để mạch ngưng hoàn toàn. Như vậy, chu kỳ chuyển mạch T là: T t d t r t on tf t off (1.3) và tần số chuyển mạch là f = 1/T. Các khoảng thời gian trên là giới hạn tốc độ chuyển mạch lớn nhất fmax của mạch. Ví dụ, tần số chuyển mạch lớn nhất của mạch có td = 1 s và tr = tf = 2 s là: f 1/ (t d t r tf ) 1/5 s 200kHz Độ méo dạng: Khi truyền qua các tầng khác nhau trong phạm vi một hệ thống điện tử, tín hiệu thường bị méo dạng. Độ méo dạng có thể lấy theo nhiều dạng và có thể do sự biến đổi về dạng, biên độ, tần số, hoặc pha của tín hiệu. Một số ví dụ về méo dạng như mô tả ở hình 1.9: hình 1.9b, là dạng sóng sin ở hình 1.9a, bị xén do giới hạn ở mức nguồn cung cấp, hình 1.9c, là méo dạng xuyên tâm do sự vô hiệu của mạch gần qua mức 0, còn hình 1.9d, là méo hài do các đặc tính phi tuyến của các dụng cụ điện tử. Một tín hiệu vào sin có tần số quy định thường được đưa đến đầu vào của một mạch điện tử, và sau đó các thành phần cơ bản và hài của tín hiệu ra có thể đo được. Độ méo dạng được quy định theo độ méo hài tổng [total harmonic distortion - THD], đó là tỷ số giữa giá trị hiệu dụng của thành phần hài đối với giá trị hiệu dụng của thành phần cơ bản (tại tần số của tín hiệu vào sin). THD cần phải nhỏ.
- Các thông số về tần số: Khoảng tần số tín hiệu của các tín hiệu điện tử biến thiên rộng, tuỳ thuộc vào các ứng dụng, như mô tả ở bảng 1.3. Bảng 1.3: Độ rộng băng tần của các tín hiệu điện tử. Loại tín hiệu Độ rộng băng tần Dãi tín hiệu địa chấn 1Hz đến 200Hz Dãi tín hiệu điện tâm đồ 0,05Hz đến 100Hz Dãi tín hiệu âm tần 20Hz đến 15kHz Dãi tín hiệu video dc đến 4,2MHz Dãi tín hiệu radio AM 540kHz đến 1600kHz Dãi tín hiệu radar 1 đến 100MHz Dãi tín hiệu truyền hình VHF 54MHz đến 60MHz Dãi tín hiệu radio FM 88MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu truyền hình UHF 470MHz đến 806MHz Dãi tín hiệu điện thoại di động 824MHz đến 891,5MHz Dãi tín hiệu truyền hình vệ tinh 3,7GHz đến 4,2GHz Dãi tín hiệu thông tin vi ba 1 đến 50GHz Các thông số tần số tức là đồ thị của tín hiệu ra như một hàm số của tần số tín hiệu vào. Đồ thị điển hình đối với một hệ thống như ở hình 1.10a, có dạng như ở hình 1.10b. Đối với các tín hiệu có tần số thấp hơn fL và cao hơn fH, tín hiệu ra sẽ bị suy giảm, nhưng đối với các tín hiệu có tần số trong khoảng fL và fH, thì tần số tín hiệu ra sẽ vẫn hầu như không đổi. Dãi tần số từ fL đến fH được gọi là độ rộng băng tần [bandwidth - BW] của mạch, tức là: BW = fH - fL. Một hệ thống với độ rộng băng tần như thể hiện ở hình 1.10b, được gọi là hệ thống có đặc tính thông dãi. Nếu fL = 0, thì hệ thống được gọi là có đặc tính dãi thông thấp. Nếu fH = , thì hệ thống được xem là có đặc tính dãi thông cao. Đối với tín hiệu có tần số làm việc trong phạm vi dãi tần của độ rộng băng tần, thì hệ số khuyếch đại điện áp giữa băng sẽ được xác định theo: Vout Amin (1.4) Vin trong đó: Vin và Vout là các giá trị hiệu dụng (rms) của điện áp vào và điện áp ra tương ứng. Trở kháng vào được xác định theo: Vin Z in (1.5) I in trong đó: Iin là giá trị hiệu dụng của dòng vào của mạch. Trở kháng vào Zin thường được xem như điện trở vào của tín hiệu nhỏ Ri, bởi vì tín hiệu ra gần như không phụ thuộc tần số ở dãi tần số giữa băng. Hệ số khuyếch đại điện áp (tỷ số của điện áp ra vOUT đối với điện áp vào vIN) thường được quy định. Nếu quan hệ vOUT - vIN là tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11a, và mạch làm việc tại điểm tĩnh - Q, thì hệ số khuyếch đại điện áp sẽ được tính bởi: vout AV (1.6) vin AV thường được gọi là hệ số khuyếch đại điện áp tín hiệu lớn. Đặc tuyến của các transistor là không tuyến tính, như thể hiện ở hình 1.11b, và mạch làm việc tại điểm làm việc tĩnh, điểm Q, thì tín hiệu vào sẽ tạo ra sự thay đổi trên một khoảng nhỏ để cho quan hệ vOUT - vIN gần như tuyến tính. Nên hệ số sẽ được xem như hệ số khuyếch đại tín hiệu nhỏ, Av, được biểu diễn bằng:
- vout Av (1.7) vin Các mạch điện tử, các mạch khuyếch đại cơ bản thường làm việc trong khoảng tuyến tính của đặc tuyến. Đối với tần số làm việc trong phạm vi BW của mạch, thì Av = Amin, trong đó, Amin là hệ số khuyếch đại ở tần số trung bình của bộ khuyếch đại. Tóm tắt nội dung chương 1: - Từ sự phát minh dụng cụ khuyếch đại đầu tiên, đèn chân không vào năm 1904, lĩnh vực điện tử học đã có sự tiến triển rất nhanh. Các mạch tích hợp mức độ siêu lớn (ULSI), có trên 109 cấu kiện trong một chip. - Một hệ thống điện tử bao gồm các dụng cụ và linh kiện điện tử dùng để xử lý các tín hiệu điện tử, thực hiện việc giao tiếp giữa các cảm biến ở đầu vào và các bộ kích thích ở đầu ra. - Các cảm biến sẽ biến đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, ngược lại các bộ kích thích sẽ biến đổi các tín hiệu điện thành các đại lượng vật lý. Các cảm biến và các bộ kích thích thường được gọi là các bộ chuyển đổi. - Có hai loại tín hiệu điện tử: tương tự và số. Tín hiệu tương tự có thể biến đổi thành tín hiệu số và ngược lại. - Ký hiệu chữ thường được dùng để biểu diễn một đại lượng tức thời, còn ký hiệu chữ in hoa dùng cho các giá trị dc và hiệu dụng (rms). Chỉ số dưới dòng bằng chữ in thường dùng để biểu diễn các đại lượng rms và ac tức thời, còn chỉ số dưới dòng bằng chữ in hoa dùng cho giá trị tổng, mà trong đó bao gồm cả hai đại lượng ac và dc. - Điện tử học có thể phân loại thành ba lĩnh vực: tương tự, số, và điện tử công suất. Việc phân loại trước hết là dựa vào kiểu xử lý tín hiệu. Các hệ thống điện tử thường được phân loại tuỳ theo kiểu ứng dụng chẳng hạn như điện tử y tế, điện tử dân dụng, và v. v... - Các thông số dùng để mô tả chức năng của các mạch và các hệ thống điện tử thường bao gồm các thông số quá độ, độ méo dạng, các thông số về tần số, và các thông số tín hiệu lớn và bé.
- Nội dung của chương bao gồm: - Nhận dạng các loại vật liệu dùng để chế tạo các dụng cụ bán dẫn. - Định nghĩa sự liên kết đồng hoá trị. - Mô tả các quá trình pha tạp để tạo ra các vật liệu bán dẫn N và bán dẫn P. - Giải thích dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn khi có sự pha tạp. Các dụng cụ bán dẫn là cấu kiện cơ bản của thiết bị điện tử. Các dụng cụ bán dẫn thông dụng nhất là diode (được dùng để chỉnh lưu), transistor (được dùng để khuyếch đại), và các vi mạch (dùng để chuyển mạch hoặc khuyếch đại). Chức năng chính của các dụng cụ bán dẫn là để điều khiển điện áp hay dòng điện để có một số kết quả mong muốn. Các ưu điểm của dụng cụ bán dẫn bao gồm như sau: - Kích thước và trọng lượng nhỏ. - Tiêu thụ công suất thấp tại các mức điện áp thấp. - Hiệu suất cao. - Độ tin cậy cao. - Có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt. - Hoạt động ngay khi có nguồn cung cấp. - Sản xuất số lượng càng nhiều càng kinh tế. Các nhược điểm của dụng cụ bán dẫn gồm có: - Nhạy cảm mạnh đối với các thay đổi về nhiệt độ. - Nhiều cấu kiện chưa ổn định. - Dể bị đánh thủng (do vượt quá các giới hạn công suất, do mắc ngược cực tính điện áp làm việc, do quá nhiệt khi hàn vào mạch). 2.1 Các chất bán dẫn: Germanium và Silicon. Các vật liệu bán dẫn có các đặc tính nằm giữa đặc tính của các chất cách điện và các chất dẫn điện. Ba nguyên tố bán dẫn thuần là carbon (C), germanium (Ge), và Silicon (Si). Trong đó thích hợp cho việc chế tạo các dụng cụ bán dẫn là Ge và Si. Germanium là một nguyên tố dòn có màu xám - trắng được tìm thấy vào năm 1886. Dioxide germanium dưới dạng bột, được lấy từ tro của một loại than đá nào đó, sẽ được khử bằng hoá chất để thành dạng chất rắn là germanium nguyên chất. Silicon được tìm thấy vào năm 1823. Silicon có nhiều trong thành phần võ trái đất dưới dạng hợp chất có màu trắng hay hay đôi khi là hợp chất có màu, dưới dạng dioxide Silicon. Dioxide Silicon (Silica) có thể tìm thấy nhiều trong cát, thạch anh, đá. Sau khi được khử bằng hoá chất thành Silicon nguyên chất có dạng rắn. Silicon là vật liệu bán dẫn được sử dụng thông dụng nhất. Khi đã có vật liệu nguyên chất hay vật liệu cơ bản, các vật liệu cần phải được xử lý để tạo ra các đặc tính cần thiết cho các dụng cụ bán dẫn. Theo mô hình nguyên tử, tại tâm của nguyên tử là nhân, mà trong đó bao gồm các proton và các neutron. Các proton có điện tích dương còn neutron không mang điện tích. Các electron trên quỷ đạo
- quay xung quanh nhân và có điện tích âm. Hình 2.1, mô tả cấu trúc của một nguyên tử Silicon. Quỷ đạo thứ nhất chứa hai electron, quỷ đạo thứ hai có 8 electron, còn quỷ đạo ngoài cùng hay lớp hoá trị có 4 electron. Hoá trị cho biết khả năng của nguyên tử tăng hay giảm các điện tử và sẽ quyết định các tính chất lý học và hoá học của nguyên tử. Hình 2.2, thể hiện hình vẽ được đơn giản hoá của nguyên tử Silicon, chỉ với 4 điện tử ở lớp hoá trị. Các loại vật liệu cần có các điện tử để hoàn thành lớp hoá trị của nó là các loại vật liệu không ổn định gọi là các vật liệu hoạt động. Để có được tính ổn định, một vật liệu hoạt động phải thu nhận các điện tử vào lớp hoá trị của nó. Các nguyên tử Silicon có khả năng đóng góp các điện tử hoá trị của nó với các nguyên tử Silicon khác theo một quá trình được gọi là liên kết đồng hoá trị (hình 2.3). Liên kết đồng hoá trị là quá trình góp chung các điện tử hoá trị dẫn đến sự hình thành các tinh thể. Mổi nguyên tử trong cấu trúc mạng tinh thể có bốn điện tử hoá trị của chính nó và bốn điện tử góp chung của bốn nguyên tử khác để tạo thành tổng số là 8 điện tử hoá trị. Các liên kết hoá trị không thể cho sự dẫn điện do tính ổn định của nó. Ở nhiệt độ phòng, các tinh thể silicon nguyên chất có độ dẫn điện kém, giống như các chất cách điện. Tuy nhiên, nếu cung cấp năng lượng nhiệt vào các tinh thể, thì một số điện tử sẽ hấp thụ năng lượng và di chuyển lên quỹ đạo cao hơn, do sự bẻ gãy liên kết đồng hoá trị, cho phép các tinh thể dẫn điện. Silicon, giống như các vật liệu bán dẫn khác, có hệ số nhiệt độ âm, khi tăng nhiệt độ thì điện trở của nó sẽ giảm. Điện trở sẽ còn một nửa khi nhiệt độ tăng theo mổi khoảng 10oC. Giống như Silicon, Germanium có 4 điện tử ở lớp hoá trị nên có thể tạo thành cấu trúc tinh thể. Điện trở của Ge sẽ mất đi một nửa theo mổi khoảng nhiệt độ tăng lên 6oC. Do vậy, Si có tính ổn định theo sự thay đổi của nhiệt độ tốt hơn so với Ge. Tuy nhiên, Ge cần năng lượng nhiệt ít hơn để giải phóng các điện tử của nó so với Silicon. Silicon có điện trở lớn hơn 1000 lần điện trở của Ge ở nhiệt độ phòng. Nhiệt năng là nguồn năng lượng gây hư hỏng cho các chất bán dẫn, đó là nguồn năng lượng không dễ dàng điều khiển. Việc thiết kế mạch đảm bảo sẽ làm giảm các thay đổi nhiệt độ. Điện trở là đặc tính làm cho Silicon được ưa chuộng hơn so với Ge trong phần lớn các mạch. Trong một số ứng dụng, cần có dụng cụ nhạy cảm với nhiệt độ, hệ số nhiệt độ của Ge có thể là lợi thế nên thường sử dụng Ge. Tất cả các transistor trước đây đều được chế tạo bằng Ge. Transistor Si được chế tạo từ 1954. Hiện nay, silicon được sử dụng trong phần lớn các cấu kiện bán dẫn. Câu hỏi mục 2.1: 1. Vật liệu bán dẫn là gì ? 2. Định nghĩa các thuật ngữ sau: a) Liên kết đồng hoá trị. (b) Hệ số nhiệt độ âm. 3. Tại sao Si và Ge được xem là các vật liệu bán dẫn. 4. Tại sao Si được sử dụng nhiều hơn so với Ge ?
- 2.2 Độ dẫn điện của Si và Ge nguyên chất. Đặc tính dẫn điện trong vật liệu bán dẫn phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Tại nhiệt độ rất thấp, các điện tử hoá trị liên kết chặt chẽ với nguyên tử chính bằng mối liên kết đồng hoá trị. Do các điện tử hoá trị không thể di chuyển (trôi), nên vật liệu không thể cho dòng điện chảy qua. Các tinh thể Ge và Si có chức năng như các chất cách điện ở nhiệt độ thấp. Khi tăng nhiệt độ, một vài điện tử hoá trị do bị kích thích bởi năng lượng nhiệt, sẽ làm gãy các mối liên kết đồng hoá trị và di chuyển một cách ngẫu nhiên từ vị trí của nguyên tử này đến vị trí của nguyên tử khác trong mạng tinh thể. Nếu đặt điện áp vào hai đầu khối tinh thể, thì các điện tử tự do sẽ di chuyển có hướng để có thể tạo thành dòng điện. Tại nhiệt độ phòng, năng lượng nhiệt đủ để tạo ra một số lượng nhỏ các điện tử tự do nên sẽ cho một dòng điện nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, vật liệu bán dẫn sẽ bắt đầu nhận được các đặc tính của chất dẫn điện. Chỉ tại các mức nhiệt độ rất cao mới làm cho Si dẫn điện như các chất dẫn điện. Nhiệt độ cao như vậy thường không có ở điều kiện bình thường. Khi một điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy sẽ di chuyển ra xa khỏi mối liên kết đồng hoá trị, khoảng trống trước khi bị chiếm bởi điện tử được gọi là lổ trống (hình 2.4). Một lổ trống đơn giản là sự khuyết đi một điện tử. Vì điện tử có điện tích âm, nên sự khiếm khuyết được xem như mất đi một điện tích âm. Một lổ trống có đặc tính của một hạt tích điện dương. Khi một điện tử nhảy từ một lớp hoá trị này đến lớp hoá trị khác để lấp đầy lỗ trống, nó sẽ để lại một lỗ trống phía sau nó, nếu hoạt động tiếp tục, thì lỗ trống xuất hiện sẽ di chuyển ngược chiều với chiều của điện tử. Mổi điện tử tương ứng với một lỗ trống được gọi là một cặp điện tử - lỗ trống. Số lượng các cặp điện tử - lỗ trống tăng lên theo sự tăng của nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng chỉ có thể tồn tại một số lượng nhỏ các cặp điện tử - lỗ trống. Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được nối vào một nguồn điện áp, thì các điện tử tự do sẽ bị thu hút về cực dương của nguồn điện áp (hình 2.5). Các lỗ trống được tạo ra do sự di chuyển của các điện tử tự do sẽ trôi về phía cực âm. Các điện tử tự do chảy về phía cực dương bằng số lượng rời khỏi cực âm. Khi các lỗ trống và điện tử tái hợp, cả lỗ trống và điện tử tự đo đều triệt tiêu. Tóm lại: các lỗ trống trôi liên tục về phía cực âm của nguồn điện áp. Các điện tử luôn luôn trôi về phía cực dương. Dòng điện chảy trong chất bán dẫn bao gồm sự di chuyển của cả các điện tử và các lỗ trống. Độ lớn của dòng chảy được quyết định bởi số lượng các cặp điện tử - lỗ trống trong vật liệu. Khả năng làm cho dòng điện tăng theo nhiệt độ của vật liệu. Câu hỏi mục 2.2: 1. Sự cung cấp dòng chảy của Ge nguyên chất như thế nào ? 2. Khi đặt điện áp vào vật liệu Ge nguyên chất, chiều di chuyển của các điện tử và các lỗ trống như thế nào ? 3. Yếu tố nào quyết định mức dòng chảy trong vật liệu bán dẫn nguyên chất ?
- 2.3 Độ dẫn điện của vật liệu Ge và Si tạp. Các vật liệu bán dẫn nguyên chất, chẳng hạn như Ge, Si chỉ cho một lượng nhỏ các cặp điện tử - lỗ trống ở nhiệt độ phòng, tức là cho phép sự dẫn điện với mức dòng rất nhỏ. Để tăng cường độ dẫn điện của các vật liệu bán dẫn người ta phải sử dụng quá trình pha tạp. Pha tạp là quá trình bổ sung các nguyên chất khác gọi là tạp chất vào vật liệu bán dẫn. Hai loại tạp chất được sử dụng là tạp chất hoá trị 5 được tạo thành từ các nguyên tử có 5 điện tử hoá trị, ví dụ như arsenic, antimony, và loại tạp chất khác là tạp chất hoá trị ba được tạo thành từ các nguyên tử có ba điện tử hoá trị, như indium, gallium. Khi vật liệu bán dẫn được pha tạp với vật liệu hoá trị 5 chẳng hạn như arsenic (As), thì một số các nguyên tử hiện có sẽ được thay thế bằng các nguyên tử arsenic (hình 2.6). Nguyên tử arsenic sẽ đóng góp bốn trong số năm điện tử hoá trị của nó với bốn nguyên tử Si lân cận dưới dạng liên kết đồng hoá trị. Điện tử thứ 5 của nguyên tử As sẽ bị liên kết yếu với các nhân nên dễ dàng trở thành điện tử tự do. Nguyên tử arsenic được gọi là nguyên tử chất cho [donor] do đã cho điện tử dôi dư của nó. Càng nhiều nguyên tử donor trong vật liệu bán dẫn đã được pha tạp thì càng có nhiều điện tử tự do tham gia vào quá trình dẫn điện. Ở nhiệt độ phòng, số lượng các điện tử tự do do pha tạp sẽ lớn hơn nhiều so với lượng các cặp điện tử - lỗ trống, tức là có nhiều điện tử hơn so với lỗ trống. Vì vậy, các điện tử được gọi là hạt tải điện đa số, còn các lỗ trống là các hạt tải điện thiểu số. Do điện tích âm của hạt tải điện đa số, mà vật liệu bán dẫn tạp được gọi là vật liệu dạng N. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng N (hình 2.7), các điện tử tự do được tạo ra bởi các nguyên tử donor sẽ di chuyển về phía cực dương. Các điện tử thứ 5 sẽ thoát ra xa khỏi các mối liên kết đồng hoá trị và di chuyển về phía cực dương của nguồn điện áp. Các điện tử tự do do sự bẻ gãy các mối liên kết đồng hoá trị sẽ tạo nên các cặp điện tử - lỗ trống. Các lỗ trống tương ứng di chuyển về phía cực âm của nguồn điện áp. Khi các vật liệu bán dẫn được pha tạp bằng các vật liệu hoá trị ba, chẳng hạn như Indium (I), nguyên tử Indium chỉ có thể góp chung ba điện tử hoá trị với ba nguyên tử bán dẫn lân cận trong cấu trúc mạng tinh thể (hình 2.8), nên sẽ tạo ra các lỗ trống trong mối liên kết đồng hoá trị. Sự hịên diện của các lỗ trống bổ sung sẽ cho phép các điện tử dễ dàng trôi từ một mối liên kết khác đến để chiếm vị trí. Vì các lỗ trống dễ dàng nhận các điện tử, nên các nguyên tử đóng góp các lỗ trống bổ sung được gọi là các nguyên tử chất nhận [acceptor]. Ở điều kiện bình thường, số lượng các lỗ trống lớn hơn nhiều so với số lượng các điện tử trong vật liệu đã được pha tạp. Do vậy, các lỗ trống là các hạt tải điện đa số và các điện tử là các hạt tải điện thiểu số. Bởi vì các hạt tải điện đa số mang điện tích dương, nên vật liệu tạp được gọi là vật liệu dạng P. Nếu đặt điện áp vào vật liệu dạng P, thì sẽ làm cho các lỗ trống di chuyển về phía cực âm và các điện tử di chuyển về phía cực dương (hình 2.9) của nguồn điện áp. Ngoài các lỗ trống được tạo thành bởi nguyên tử chất nhận, còn có các lỗ trống được tạo ra khi các điện tử trong mối liên kết bị bẻ gãy thoát ra xa khỏi các mối liên kết đồng hoá trị khi tạo thành các cặp điện tử - lỗ trống. Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn nguyên chất. Độ dẫn điện của các vật liệu bán dẫn tạp có thể tăng hay giảm bằng cách bổ sung hoặc rút bớt các tạp chất. Các vật liệu bán dẫn được pha tạp đậm đặc hơn sẽ cho điện trở suất thấp hơn.
- Câu hỏi mục 2.3: 1. Mô tả quá trình pha tạp ở vật liệu bán dẫn. 2. Hai loại tạp chất được sử dụng để pha tạp là gì ? 3. Yếu tố nào quyết định để có vật liệu bán dẫn tạp dạng N hoặc P ? 4. Sự pha tạp sẽ tạo ra dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn như thế nào ? 5. Điều gì sẽ quyết định độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn ? Tóm tắt nội dung chương 2: - Có nhiều loại vật liệu bán dẫn với các đặc tính dẫn điện nằm trong khoảng giữa đặc tính dẫn điện của vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện. - Các vật liệu bán dẫn nguyên chất là germanium (Ge), silicon (Si), và carbon (C). - Silicon được sử dụng cho phần lớn các dụng cụ bán dẫn. - Số lượng điện tử trong lớp hoá trị cho biết các nguyên tử có khả năng nhận hay cho các điện tử. - Các vật liệu bán dẫn có các lớp hoá trị bằng một nửa mức điền đầy. - Các tinh thể được tạo thành bởi các nguyên tử góp chung các điện tử hoá trị của nó thông qua mối liên kết đồng hoá trị. - Các vật liệu bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm: khi nhiệt độ tăng, thì điện trở của vật liệu sẽ giảm. - Nhiệt độ sẽ làm cho các mối liên kết đồng hoá trị trong vật liệu bán dẫn bị bẻ gãy. - Khi tăng nhiệt độ ở vật liệu bán dẫn, các điện tử sẽ di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. - Một lỗ trống sẽ tương ứng vị trí của một điện tử bị khuyết trong lớp hoá trị. - Sự chênh lệch thế hiệu đặt vào vật liệu bán dẫn nguyên chất sẽ tạo ra dòng điện tử chảy về phía cực dương và lỗ trống chảy về phía cực âm. - Dòng điện chảy trong vật liệu bán dẫn bao gồm cả dòng điện tử và lỗ trống di chuyển. - Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào vật liệu bán dẫn. - Các vật liệu hóa trị ba có các nguyên tử với ba điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu dạng P. - Các vật liệu hoá trị năm có các nguyên tử với năm điện tử hoá trị nên được sử dụng để tạo ra vật liệu dạng N. - Ở vật liệu dạng N, các điện tử là các hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số. - Ở vật liệu dạng P, các lỗ trống là hạt tải điện đa số và các điện tử là hạt tải điện thiểu số. - Các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với các vật liệu bán dẫn thuần. Câu hỏi chương 2. 1. Lý do nào làm cho Silicon được sử dụng nhiều hơn so với Germanium ? 2. Tại sao liên kết đồng hoá trị là quan trọng trong việc hình thành các vật liệu bán dẫn ? 3. Mô tả sự chuyển động của các điện tử qua khối silicon nguyên chất ở nhiệt độ phòng. 4. Mô tả quá trình biến đổi khối vật liệu silicon nguyên chất thành vật liệu dạng N. 5. Quá trình nào sẽ xảy ra khi đặt điện áp vào hai đầu của khối vật liệu dạng N ?
- Nội dung của chương bao gồm: - Mô tả diode tiếp giáp là gì và việc chế tạo diode như thế nào. - Định nghĩa vùng nghèo và điện áp chắn. - Giải thích sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược của diode. - Vẽ và ghi tên chân ký hiệu mạch cho diode. - Mô tả ba kỹ thuật chế tạo diode. - Nhận dạng các kiểu vỏ diode thông dụng nhất. - Đo thử diode bằng ohmmeter. Các diode là loại cấu kiện bán dẫn đơn giản nhất. Diode cho phép dòng điện chảy chỉ theo một chiều. Để hiểu rõ các loại cấu kiện bán dẫn cần phải nghiên cứu kỹ các diode. 3.1 Tiếp giáp PN. Khi vật liệu bán dẫn nguyên chất được pha tạp với vật liệu hoá trị năm hay hoá trị ba, thì vật liệu đã được pha tạp gọi là vật liệu dạng N hay P dựa vào loại hạt tải điện đa số trong vật liệu được pha tạp. Điện tích của mỗi loại vật liệu là trung hoà do mỗi nguyên tử đóng góp số lượng các proton và electron bằng nhau. Các điện tích độc lập tồn tại trong mỗi loại vật liệu bán dẫn, do các điện tử tự do di chuyển. Các điện tử và lỗ trống di chuyển được gọi là các điện tích chuyển động. Ngoài các điện tích chuyển động, mỗi nguyên tử bị mất đi một điện tử nên có số lượng proton nhiều hơn số lượng điện tử, nên sẽ mang điện tích dương. Tương tự, mỗi nguyên tử nhận thêm một điện tử sẽ có số lượng điện tử nhiều hơn số lượng proton nên sẽ mang điện tích âm. Các nguyên tử mang điện tích riêng được gọi là các ion âm và dương. Như vậy luôn luôn có số lượng các điện tích của ion và hạt tải điện có khả năng di chuyển bằng nhau trong các vật liệu bán dẫn tạp dạng N và P. Một diode được tạo ra bằng cách ghép nối hai vật liệu tạp dạng N và P với nhau (hình 3.1). Khi các vật liệu tiếp xúc với mỗi loại vật liệu khác sẽ hình thành tiếp giáp, nên diode được gọi là diode tiếp giáp. Khi tiếp giáp được hình thành, các điện tích có khả năng di chuyển ở vùng lân cận tiếp giáp sẽ được thu hút mạnh về hai phía ngược nhau do chênh lệch nồng độ hạt tải điện, nên sẽ trôi về phía tiếp giáp. Khi các điện tích tích luỹ, tác động sẽ tăng lên. Một vài điện tử di chuyển ngang qua tiếp giáp nên sẽ tái hợp với một số lỗ trổng gần tiếp giáp ở phía vật liệu dạng P. Ở phía vật liệu dạng N, các điện tử trở nên rất ít gần tiếp giáp. Vùng lân cận tiếp giáp có rất ít các điện tử và lỗ trống gọi là vùng nghèo, chỉ có độ rộng nhỏ về cả hai phía của tiếp giáp. Không có các hạt tải điện đa số trong vùng nghèo, nên hai phía bán dẫn N và P tại tiếp giáp không còn sự trung hoà điện tích nửa. Phía vật liệu N gần tiếp giáp mang điện tích dương, còn phía vật liệu P gần tiếp giáp mang điện tích âm. Vùng nghèo rất hẹp, có kích thước được giới hạn bởi các điện tích trái dấu tích luỹ ở hai bên tiếp giáp. Vùng điện tích âm tích luỹ sẽ đẩy các điện tử ra khỏi tiết diện của tiếp giáp. Điện tích dương sẽ thu hút các điện tử tự do. Hai vùng điện tích trái dấu tích luỹ ở mổi phía tiếp giáp sẽ tạo nên một điện áp được gọi là thế tiếp xúc hay điện áp chắn. Điện áp này có thể xem như một nguồn điện áp ngoài, mặc dù điện áp chắn chỉ tồn tại ngang qua tiếp giáp PN (hình 3.2).
- Điện áp chắn tương đối nhỏ, chỉ vào khoảng vài phần mười volt. Điện áp chắn điển hình là 0,3V đối với tiếp giáp PN bằng Germanium, còn đối với tiếp giáp PN Silicon là 0,7V, đây là mức điện áp biểu kiến khi áp đặt một nguồn điện áp ngoài. Câu hỏi mục 3.1: 1. Định nghĩa các thuật ngữ sau: a. Nguyên tử Donor; b. Nguyên tử Acceptor; c. Diode. 2. Điều gì sẽ xảy ra khi ghép nối vật liệu bán dẫn N với vật liệu bán dẫn P ? 3. Vùng nghèo được hình thành như thế nào ? 4. Điện áp chắn là gì ? 5. Điện áp chắn điển hình của diode Ge và Si là bao nhiêu ? 3.2 Phân cực cho diode. Khi đặt một điện áp vào diode, thì gọi là điện áp phân cực. Hình 3.3, là một diode tiếp giáp PN được nối với một nguồn điện áp. Điện trở được mắc trong mạch để giới hạn mức dòng ở giá trị an toàn. Cực âm của nguồn điện áp được nối đến vật liệu N, sẽ đẩy các điện tử ra xa khỏi điện cực di chuyển về phía tiếp giáp PN. Các điện tử tự do tích luỹ ở phía bán dẫn P của tiếp giáp sẽ được hấp thụ bởi điện cực dương, tức là sẽ làm triệt tiêu điện tích âm ở phía bán dẫn P, nên điện áp chắn sẽ bị giảm, và dòng điện có thể chảy qua tiếp giáp. Dòng điện chỉ có nếu điện áp ngoài lớn hơn so với điện áp chắn. Nguồn điện áp sẽ cung cấp dòng điện tử không đổi trôi qua vùng vật liệu N cùng với các điện tử tự do có trong vùng vật liệu N. Các lỗ trống trong vùng vật liệu P cũng di chuyển về phía tiếp giáp. Các lỗ trống và điện tử sẽ kết hợp với nhau tại tiếp giáp và triệt tiêu nhau. Tuy nhiên, khi điện tử và lỗ trống kết hợp với nhau, thì sẽ có các điện tử và lỗ trống mới xuất hiện tại các cực của nguồn điện áp. Các hạt tải điện đa số tiếp tục di chuyển về phía tiếp giáp PN chỉ với điều kiện có nguồn điện áp đặt vào diode. Dòng điện tử chảy qua vùng bán dẫn P của diode sẽ được hấp thụ bởi cực dương của nguồn điện áp. Khi các điện tử rời khỏi vùng vật liệu P, các lỗ trống được tạo ra sẽ trôi về phía tiếp giáp PN, các lỗ trống sẽ kết hợp với các điện tử khác. Khi có dòng điện chảy từ phía vật liệu P sang phía vật liệu N, thì diode được coi là phân cực thuận. Dòng điện chảy qua diode khi được phân cực thuận sẽ được giới hạn bởi điện trở của hai vùng vật liệu P và N và điện trở ngoài của mạch. Điện trở của diode thường có giá trị nhỏ, nên việc mắc trực tiếp điện áp để diode được phân cực thuận sẽ tạo ra dòng điện lớn, tức là có thể phát sinh nhiệt đủ lớn để phá huỹ diode. Để hạn chế dòng thuận cần phải mắc một điện trở ngoài nối tiếp với diode. Một diode sẽ dẫn dòng điện theo chiều thuận chỉ nếu điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn và có cách mắc mạch đúng. Diode Ge cần điện áp phân cực thuận nhỏ nhất là 0,3V; diode Si cần điện áp phân cực thuận nhỏ nhất là 0,7V. Khi một diode bắt đầu dẫn, sẽ có sụt áp trên diode bằng điện áp chắn và được coi như mức sụt áp thuận (EF). Đối với diode Ge, mức sụt áp là 0,3V, còn đối với diode Si mức sụt áp là 0,7V. Mức dòng thuận (IF) tuỳ thuộc vào mức điện áp ngoài (E), sụt áp thuận (EF) và điện trở ngoài (R), tính theo định luật Ohm: I E ( E EF )/R Ví dụ: Một diode Silicon có điện áp phân cực ngoài là 12V, và điện trở ngoài là 150 . Tính dòng thuận tổng. E EF 12V 0,7V IF 75mA R 150 Khi diode được phân cực thuận, cực âm của nguồn điện áp ngoài được nối với vật liệu N, còn cực dương được nối với vật liệu P. Nếu đảo ngược điện cực, thì diode sẽ không dẫn, nên được gọi là diode
- được mắc theo chiều phân cực ngược (hình 3.4). Khi phân cực ngược, các điện tử tự do ở phía vật liệu N sẽ được thu hút về phía cực dương của nguồn điện áp ngoài, nên sẽ làm tăng số lượng các ion dương ở vùng N của tiếp giáp PN, đồng thời làm tăng độ rộng của vùng nghèo ở phía N của tiếp giáp. Các điện tử cũng rời khỏi cực âm của nguồn điện áp ngoài và di chuyển vào vùng vật liệu P, điền đầy các lỗ trống gần tiếp giáp PN, làm cho các lỗ trống di chuyển về phía đầu cực âm, tức là làm tăng độ rộng vùng nghèo ở phía vật liệu P của tiếp giáp. Tác động chung là vùng nghèo rộng hơn so với khi diode chưa được phân cực hay phân cực thuận. Điện áp phân cực thuận sẽ làm tăng điện áp chắn. Nếu điện áp chắn bằng nguồn điện áp ngoài, thì các lỗ trống và điện tử không thể cho dòng chảy. Chỉ có một dòng điện rất nhỏ chảy qua diode khi được phân cực ngược, gọi là dòng rò thường được xem như dòng ngược (IR) do các hạt tải điện thiểu số. Ở nhiệt độ phòng, các hạt tải điện thiểu số có số lượng rất ít. Khi nhiệt độ tăng, sẽ tạo ra nhiều cặp điện tử - lỗ trống hơn, nên sẽ làm tăng lượng các hạt tải điện thiểu số và dòng rò. Tất cả các diode tiếp giáp PN đều có dòng rò nhỏ. Ở các diode Ge mức dòng rò vào khoảng vài microampere; còn các diode Si có mức dòng rò vào khoảng vài nanoampere. Diode Ge có mức dòng rò cao hơn là vì nó nhạy cảm với nhiệt độ hơn, bù lại là điện áp chắn nhỏ hơn. Tóm lại: diode tiếp giáp PN là dụng cụ dẫn điện một chiều. Khi diode được phân cực thuận sẽ cho dòng chảy. Khi diode được phân cực ngược chỉ có dòng rò chảy qua. Đặc tính này của diode cho phép diode được sử dụng như một bộ chỉnh lưu để chuyển đổi điện áp AC thành điện áp DC. Câu hỏi của mục 3.2: 1. Điện áp phân cực là gì ? 2. Mức điện áp nhỏ nhất cần để làm cho dòng điện chảy qua một diode tiếp giáp PN là bao nhiêu ? 3. Sự khác nhau giữa phân cực thuận và phân cực ngược là gì ? 4. Dòng rò trong diode tiếp giáp PN là gì ? 3.3 Các đặc tính của diode. Cả diode Ge và Si đều có thể hõng do quá nhiệt và quá điện áp ngược. Nhà sản xuất quy định mức dòng thuận lớn nhất (IFmax) đó là mức dòng làm việc an toàn. mức điện áp ngược an toàn lớn nhất [Peak Inverse Voltage, hay PIV]. Nếu vượt quá mức PIV, sẽ có dòng ngược lớn chảy qua diode, tạo ra sự quá nhiệt và nguy hiểm cho diode. Ở nhiệt độ phòng, dòng ngược nhỏ. Khi nhiệt độ tăng lên, dòng ngược tăng làm sai lệch hoạt động đúng của diode. Đối với các diode Ge, mức dòng ngược cao hơn so với các diode Si, gần gấp đôi theo mỗi khoảng nhiệt độ tăng lên 10oC. Ký hiệu mạch của diode như ở hình 3.5. Phần bán dẫn P được tượng trưng bằng mũi tên, còn phần N bằng một gạch dọc. Dòng thuận chảy từ phía bán dẫn P sang phía bán dẫn N (cùng chiều mũi tên). Phần N được gọi là cathode, còn phần P được gọi là anode. Cathode sẽ cung cấp các điện tử, còn anode sẽ thu nhận các điện tử. Hình 3.6, là mạch diode được phân cực thuận. Cực âm được nối với cathode, cực dương được nối với anode, nên sẽ thiết lập dòng dẫn thuận. Mắc thêm điện trở (RS) nối tiếp để giới hạn mức dòng thuận ở trị số an toàn. Mạch diode được mắc theo phân cực ngược (hình 3.7). Cực âm được nối với anode, còn cực dương được nối đến cathode. Khi phân cực ngược chỉ có dòng ngược nhỏ (IR) chảy qua diode. Câu hỏi mục 3.3: 1. Có thể tạo ra dòng ngược qua diode Ge và Si bằng cách nào ? 2. Vẽ và ghi tên ký hiệu mạch cho diode.
- 3. Vẽ mạch diode phân cực thuận. 4. Vẽ mạch diode phân cực ngược. 5. Tại sao cần phải mắc điện trở nối tiếp với diode phân cực thuận ? 3.4 Các kỹ thuật chế tạo diode. Tiếp giáp PN của một diode có thể là một trong ba kiểu: Tiếp giáp kéo tinh thể, tiếp giáp hợp kim, hoặc tiếp giáp khuyếch tán. Mổi kiểu tiếp giáp đều có kỹ thuật chế tạo riêng. Ở tiếp giáp chế tạo theo phương pháp kéo tinh thể (kỹ thuật dễ dàng nhất được sử dụng), vật liệu bán dẫn thuần và các tạp chất dạng P được đặt trong bình chứa bằng thạch anh và được nung nóng cho đến khi nóng chảy. Tiếp theo, người ta đưa một tinh thể bán dẫn nhỏ được gọi là mầm, vào hổn hợp nóng chảy. Tinh thể mầm sẽ được xoay từ từ và rút ra khỏi hổn hợp nóng chảy đủ chậm để cho hổn hợp nóng chảy bám vào mầm. Hổn hợp nóng chảy, khi bám vào tinh thể mầm sẽ được làm nguội và sẽ được tôi luyện để có cùng các đặc tính tinh thể như mầm. Khi tinh thể mầm được rút ra nó sẽ lần lượt được pha tạp với các tạp chất dạng N và P. Sự pha tạp là quá trình bổ sung các tạp chất vào các tinh thể bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) để làm tăng số lượng điện tử tự do hay số lượng lỗ trống. Điều này sẽ tạo ra các lớp bán dẫn N và P trong tinh thể như sự tăng trưởng. Tinh thể tạo thành sau đó sẽ được cắt thành nhiều phần PN. Tiếp giáp hợp kim là phương pháp chế tạo chất bán dẫn rất đơn giản. Một mẩu nhỏ vật liệu có hoá trị 3, chẳng hạn như Indium sẽ được đặt vào tinh thể bán dẫn dạng N. Mẩu và tinh thể sẽ được nung cho đến khi mẩu sẽ nóng chảy và sẽ nối từng phần với tinh thể bán dẫn. Vùng kết hợp hai loại vật liệu sẽ tạo thành vật liệu bán dẫn dạng P. Khi được làm nguội, vật liệu sẽ kết tinh và sẽ tạo thành tiếp giáp PN dạng rắn. Phương pháp chế tạo tiếp giáp khuyếch tán là phương pháp sử dụng nhiều nhất hiện nay. Một mặt nạ để hở sẽ được đặt trên phần mõng bằng vật liệu bán dẫn N hoặc P được gọi là lát mõng, sau đó được đặt vào lò nung và được trãi ra để tạp chất thành trạng thái hơi. Ở mức nhiệt độ rất cao, các nguyên tử tạp chất sẽ thẩm thấu hay khuyếch tán qua các mặt được trãi ra của lát mõng. Độ sâu khuyếch tán sẽ được điều chỉnh theo độ dài của mặt trãi và nhiệt độ. Khi tiếp giáp PN đã được tạo thành, các diode cần phải được đóng vỏ để bảo vệ diode khỏi sự xâm thực của môi trường và va chạm cơ học. Vỏ cũng phải được có biện pháp để nối diode với mạch. Kiểu vỏ tuỳ thuộc vào mục đích hay ứng dụng của diode (hình 3.8). Nếu mức dòng lớn chảy qua diode, thì vỏ phải được chế tạo để giữ cho tiếp giáp không bị quá nhiệt. Hình 3.9, là dạng vỏ của các diode làm việc ở mức dòng 3A hay thấp hơn. Cực cathode được nhận dạng bằng vòng màu trắng hay nhũ bạc ở một đầu của diode. Câu hỏi mục 3.4: 1. Mô tả ba phương pháp chế tạo diode. 2. Phương pháp chế tạo diode nào được sử dụng nhiều hơn ? 3. Vẽ bốn dạng vỏ diode thông dụng. 4. Cực cathode của diode có thông số định mức dưới 3A được nhận dạng như thế nào ? Tóm tắt nội dung chương 3: - Diode tiếp giáp được tạo ra bằng cách ghép hai loại vật liệu N và P với nhau. - Vùng sát tiếp giáp được gọi là vùng nghèo. Các điện tử di chuyển qua tiếp giáp từ vật liệu N sang vùng P nên cả lỗ trống và điện tử sát tiếp giáp là rất ít. - Kích thước của vùng nghèo được giới hạn bởi điện tích ở mổi phía của tiếp giáp. - Điện tích tại tiếp giáp sẽ tạo ra điện áp được gọi là điện áp chắn. - Điện áp chắn là 0,3V đối với Ge và 0,7V đối với Si. - Dòng điện chảy qua diode chỉ có khi điện áp ngoài lớn hơn điện áp chắn. - Khi được phân cực thuận diode sẽ dẫn. Vật liệu P nối với cực dương của nguồn, còn vật liệu N được nối với cực âm của nguồn.
- - Diode khi được phân cực ngược chỉ dẫn dòng rò ngược nhỏ. - Diode là dụng cụ dẫn điện theo một chiều. - Mức dòng thuận và điện áp ngược lớn nhất của diode được quyết định bởi nhà sản xuất. - Ký hiệu mạch của diode là: - Trong diode, cathode là vùng vật liệu N, còn anode là vùng vật liệu P. - Các diode có thể được chế tạo bằng phương pháp tiếp giáp grown, tiếp giáp hợp kim, hay tiếp giáp khuyếch tán. - Phương pháp tiếp giáp hợp kim là một trong những phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất. - Dạng vỏ của các diode có mức dòng nhỏ hơn 3A được nhận dạng đầu cathode của diode có dãi trắng hay nhũ bạc. - Diode được đo thử bằng cách so sánh điện trở thuận với điện trở ngược với một ohmmeter. - Khi diode được phân cực thuận, sẽ có điện trở thấp. - Khi diode được phân cực ngược sẽ có điện trở cao. Câu hỏi chương 3: 1. Một diode tiếp giáp PN được thực hiện như thế nào ? 2. Ở điều kiện nào diode tiếp giáp PN silicon sẽ chuyển sang dẫn ? 3. Vẽ mạch diode tiếp giáp PN theo chiều phân cực thuận và phân cực ngược (sử dụng ký hiệu mạch).
- Nội dung của chương bao gồm: - Giải thích chức năng và các đặc tính của diode Zener. - Vẽ ký hiệu mạch của một diode Zener - Giải thích hoạt động của diode Zener như một bộ điều hoà (ổn định) điện áp. - Mô tả trình tự kiểm tra diode Zener. Các diode Zener có quan hệ gần gũi với các diode tiếp giáp PN. Diode Zener được chế tạo để có lợi thế về dòng ngược. Các diode Zener được sử dụng phổ biến để điều khiển điện áp trong tất cả các loại mạch điện tử. 4.1 Các đặc tính của diode Zener. Như trên đã nói, khi đặt điện áp phân cực ngược vào diode có thể gây ra dòng ngược lớn, tức là có thể tạo ra sự quá nhiệt nên diode sẽ bị đánh thủng. Mức điện áp ngược đặt vào mà tại đó xảy ra sự đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng, hay điện áp ngược đỉnh. Diode đặc biệt gọi là diode Zener hoạt động theo chế độ phân cực ngược được chế tạo để làm việc tại các giá trị điện áp vượt quá điện áp đánh thủng. Vùng đánh thủng được gọi là vùng Zener. Khi điện áp phân cực ngược đặt vào diode Zener đủ lớn để tạo ra sự đánh thủng trong diode Zener thì sẽ có một dòng điện ngược lớn chảy qua diode. Mức dòng ngược thấp khi điện áp ngược chưa đạt đến mức điện áp đánh thủng. Sau khi đạt đến mức điện áp đánh thủng, mức dòng ngược sẽ tăng đột ngột. Điều này xảy ra do điện trở của diode Zener giảm xuống khi điện áp ngược tăng lên. Điện áp đánh thủng của một diode Zener (EZ) được quyết định bởi điện trở suất của diode, tức là do việc điều khiển kỷ thuật pha tạp sử dụng trong quá trình chế tạo. Điện áp đánh thủng định mức tương ứng với mức điện áp ngược tại mức dòng đo thử của zener (IZT). Mức dòng đo thử của zener là mức dòng nhỏ hơn nhiều so với mức dòng ngược lớn nhất mà diode có thể xử lý. Thông thường, điện áp đánh thủng định mức có sai số từ 1% đến 2%. Khả năng tiêu tán công suất của diode zener sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, do vậy thông số tiêu tán công suất sẽ được cho theo các mức nhiệt độ quy định. Các thông số công suất cũng dựa trên các độ dài của điện cực, các điện cực của diode ngắn hơn sẽ tiêu tán công suất lớn hơn. Hệ số suy giảm công suất được nhà sản xuất giới thiệu dùng để xác định mức công suất làm việc ở các nhiệt độ khác nhau từ mức nhiệt độ cụ thể. Ví dụ, hệ số suy giảm công suất là 6mW trên một oC, có nghĩa là mức công suất định mức của diode sẽ giảm 6mW theo mỗi độ nhiệt độ thay đổi. Các diode zener có dạng vỏ như diode tiếp giáp PN (hình 4.1). Các diode zener công suất thấp được lắp trong vỏ bằng thuỷ tinh hoặc bằng nhựa epoxy. Các diode công suất cao được lắp trong vỏ bằng kim loại. Ký hiệu mạch của diode zener gần giống như ký hiệu mạch của diode tiếp giáp PN nhưng hơi khác ở đường gạch chỉ cathode là đường zíc - zắc (hình 4.2). Câu hỏi mục 4.1: 1. Đặc tính duy nhất chỉ có ở diode zener là đặc tính gì ? 2. Một diode zener được mắc như thế nào trong mạch ? 3. Đại lượng nào sẽ quy định mức điện áp đánh thủng của diode zener ? 4. Các lý do nào dùng để xem xét khi xác định mức tiêu tán công suất của một diode zener ? 5. Vẽ và ghi tên điện cực ký hiệu mạch dùng để thể hiện một diode zener ?
CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD
-
Bài giảng vi xử lý - Chương 1
8 p |
567 |
334
-
Bài giảng Trang bị điện ô tô - Chương 1: Tổng quan hệ thống điện ô tô
18 p |
570 |
290
-
Kĩ thuật vi xử lý-chương 1 - Tổng quan về vi điều khiển
28 p |
260 |
126
-
Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 1: Tổng quan về mạch điện
18 p |
168 |
74
-
Bài báo cáo: Chiến lược phát triển ngành điện Việt Nam
9 p |
202 |
67
-
Chương 1: Tổng quan về hệ thống khí nén
102 p |
108 |
49
-
Chương 1: Lịch sử phát triển của vi xử lý
8 p |
127 |
45
-
Tổng quan về viễn thông - HV Bưu chính Viễn thông
156 p |
71 |
19
-
Bài giảng Bảo vệ Rowle và tự động hóa: Chương 1 - Phạm Thị Minh Thái
26 p |
30 |
16
-
Bài giảng Chuẩn trong thiết kế và thi công các công trình điện: Chương 1 - Tổng quan về thiết kế và thi công các công trình điện
17 p |
55 |
15
-
Bài giảng Tín hiệu số - Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin số
10 p |
39 |
8
-
Bài giảng Chương 1: Tổng quan về hệ thống cung cấp điện
21 p |
21 |
8
-
Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 11: Tổng quan về hệ thống thu phát vô tuyến
36 p |
19 |
7
-
Bài giảng Kỹ thuật điện, điện tử: Phần 1 (Chương 1) - GV. Cái Việt Anh Dũng
29 p |
23 |
6
-
Phát triển thủy điện trên lưu vực sông Hương, những tồn tại và các giải pháp nâng cao hiệu quả
8 p |
30 |
4
-
Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 1 - Tổng quan về mạch điện các phương pháp giải mạch một chiều (DC)
44 p |
19 |
4
-
Bài giảng Thiết kế logic số (VLSI Design): Chương II/2.1
16 p |
30 |
4

Set-Cookie: TLDEVNamespace=3j70nfbr1ukprohsemr9rmu912; path=/; domain=.tailieu.vn; HttpOnly