Chương 1: Các phần tử bán dẫn và mạch điện tử cơ bản §1.1: Mạch điện và các khái niệm cơ bản 1. Các khái niệm cơ bản: dòng điện và điện áp.1: Mạch điện ▪ Mạch điện: 1 hệ gồm các thiết bị điện ghép lại trong đó xảy ra quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng. ▪ Nguồn: phần tử để cung cấp năng lượng hoặc tín hiệu điện cho mạch. ▪ Phụ tải: thiết bị nhận năng lượng hay tín hiệu điện.
Dòng điện và điện áp ▪ Dòng điện: dòng các điện tích dịch chuyển có hướng. ▪ Cường độ dòng điện: lượng điện tích dịch chuyển qua một bề mặt nào đó. ▪ Chú ý: Chọn chiều dòng điện tuỳ ý, kí hiệu bằng mũi tên và gọi là chiều dương của dòng điện. Tại thời điểm nào đó, chiều dòng điện trùng với chiều dương thì dòng điện mang dấu dương và ngược lại thì dòng điện mang dấu âm ▪ Điện áp: công làm dịch chuyển 1 điện tích từ A đến B.
A i B UAB = VA – VB UAB = - UBA + uAB - 1. Các phần tử 2 cực 1. Các phần tử 2 cực thụ động: điện trở, điện cảm, điện dung. Các nguồn độc lập: nguồn áp độc lập và nguồn dòng độc lập Điện trở ▪ Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tiêu tán năng lượng điện từ.
▪ Khi R = 0 (G = ∞): mô hình ngắn mạch. ▪ Khi R = ∞ (G = 0): mô hình hở mạch. ▪ Ứng dụng: bàn ủi, đèn sợi đốt, bếp điện … Điện trở (tt) * Các thông số cần quan tâm: ▪ Trị danh định: giá trị xác định của điện trở. ▪ Dung sai: sai số của giá trị thực tế so với trị danh định.
▪ Công suất tiêu tán: công suất tiêu thụ trên điện trở. ▪ Điện áp làm việc tối đa. Điện trở (tt) ▪ Cách đọc vòng màu: Điện trở 4 vòng mầu Điện trở 5 vòng mầu Điện trở (tt) ▪ Giá trị của điện trở có thể được xác định qua vòng màu trên điện trở. Độ chính xác của điện trở tuỳ thuộc vào số vòng màu trên thân điện trở.
▪ VD: Nâu – đen – đỏ - bạc: 10. Cuộn cảm ▪ Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng từ trường. ▪ Ứng dụng: relay điện từ, biến áp, anten … Cuộn cảm (tt) ▪ Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện eL(t): sức điện động cảm ứng. d (t ) u (t ) = = −e L (t ) L: hệ số tự cảm của dt cuộn dây.
(t ) = Li (t ) Điện áp trên cuộn cảm d (t ) d ( Li (t )) di (t ) nhanh pha hơn dòng = u (t ) = = =L dt dt dt điện 1 góc 900. t 1 = i (t ) = u (t )dt + i (t0 ) L t0 Tụ điện ▪ Là phần tử đặc trưng cho hiện tượng tích phóng năng lượng điện trường. ▪ Ứng dụng: lọc tín hiệu, chặn nguồn 1 chiều Tụ điện (tt) ▪ Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện i C q(t): điện tích giữa 2 bản + u - tụ. C t0 Mô hình thực tế phần tử 2 cực ▪ Khi thiết kế mạch cần chú ý đến các phần tử kí sinh.
Các phần tử nguồn ▪ - Nguồn áp độc lập: i e(t) u(t) = e(t) i + u - ▪ - Nguồn dòng độc lập: i J(t) + u - 1. Các định luật cơ bản của mạch điện ▪ 1. Định luật Ohm. Định luật Kirchhoff.
Định lý Thevenil – Norton. Định luật Ohm I Z U ▪ U = Z.i(t) ▪ U: điện áp giữa 2 đầu mạch. ▪ Z: tổng trở của mạch. ▪ I: dòng điện chạy trong mạch Khái niệm: Nhánh, nút và vòng ▪ Nhánh: 1 đoạn mạch gồm một hay nhiều phần tử 2 cực nối tiếp với nhau trên đó có cùng một dòng điện đi qua.
▪ Nút (đỉnh): là biên của nhánh hoặc điểm chung của các nhánh. ▪ Vòng: là một tập các nhánh tạo thành một đường khép kín. Định luật Kirchoff 1 ▪ Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kỳ bằng 0. ▪ ik = 0 ▪ Trong đó quy ước: các dòng điện đi vào nút mang dấu +, còn đi ra nút mang dấu -; hoặc ngược lại.
▪ VD: i1 – i2 – i3 = 0 -i1 + i2 + i3 = 0 Định luật Kirchoff 2 ▪ Tổng đại số các điện áp trong một vòng bằng 0. ▪ uk = 0 ▪ Dấu của điện áp được xác định dựa trên chiều dương của điện áp đã chọn so với chiều của vòng. Chiều của vòng được chọn tuỳ ý. Trong mỗi vòng nếu chiều vòng đi từ cực + sang cực – của một điện áp thì điện áp mang dấu +, còn ngược lại thì điện áp mang dấu -.
Định luật Kirchoff 2 (tt) i3 i2 C3 e2 R3 i1 e1 R1 ▪ UR3 + UC3 + e2 - UL2 + UR1 – e1 = 0 ▪ UR3 + UC3 - UL2 + UR1 = e1 – e2 t 1 di2 R3 i3 + i3 dt − L2 + R1 i1 = e1 − e2 C3 0 dt Định lý Thevenil - Norton I A + I A I A Maïch A + + (tuyeán U ZET U JN ZT U tính) - T - - B B B Thevenil Norton ▪ Định lý Thevenil: Có thể thay tương đương mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn áp bằng điện áp đặt trên cửa khi hở mạch mắc nối tiếp với trở kháng Thevenil của mạng một cửa. ▪ Định lý Norton: Có thể thay tương đương một mạng một cửa tuyến tính bởi một nguồn dòng bằng dòng điện trên cửa khi ngắn mạch mắc song song với trở kháng Thevenil của mạng một cửa. ▪ Phương pháp: Để tính các giá trị ZT, ta tiến hành triệt tiêu các nguồn độc lập (ngắn mạch nguồn dòng và hở mạch nguồn áp). Khái niệm chung về tín hiệu.
Các thông số đặc trưng cho tín hiệu. Khái niệm chung về tín hiệu ▪ Tín hiệu: là điện áp hoặc dòng điện biến thiên tỉ lệ với tin tức nguyên thuỷ sau khi được biến đổi. ▪ Một cách tổng quát, tín hiệu có thể là tuần hoàn hoặc không tuần hoàn, là liên tục theo thời gian (tín hiệu analog) hoặc gián đoạn theo thời gian (tín hiệu xung, số hay tín hiệu digital). ▪ s(t) = A cos(ωt – φ) ▪ A: biên độ ▪ = 2f : tần số góc ▪ φ: pha ban đầu Các thông số đặc trưng tín hiệu ▪ Độ rộng tín hiệu.
▪ Giá trị trung bình. ▪ Năng lượng tín hiệu. Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện 1. Mạng tinh thể và liên kết hoá trị.
Điện tử tự do và lỗ trống trong chất bán d ẫn. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. Chuyển động trôi và khuếch tán của hạt d ẫn.Mạng tinh thể và liên kết hoá trị Si hay Ge có 4 điện tử hoá trị. Cần liên kết có 8 điện tử, và trở thành bền vững bán dẫn thuần khiết 1.Điện tử tự do và lỗ trống Năng lượng Vùng dẫn e- Vùng hóa trị Lỗ trống Năng lượng to Vùng 2 Vùng 1 Giản đồ năng lượng Điện tử và lỗ trống được gọi là hạt dẫn 1.Điện tử tự do và lỗ trống Dòng e và lỗ trống e- Lỗ trống Dòng lỗ Dòng e- trống V 1.Điện tử tự do và lỗ trống Chất cách điện, bán dẫn và chất dẫn điện Vùng dẫn Khe Vùng dẫn năng Khe năng lượng lượng Vùng dẫn Vùng hóa trị Vùng hóa Vùng hóa trị trị 1.
Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. Bán dẫn loại N -- Khi Đượccó điện tạo nên trường, bằngcáccáchhạtpha dẫn chấtchuyển sẽ bán dẫnđộng tinh khiết có với hướng As (đối tạo với Ge)dòng thành hoặcđiện. nhóm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn - As/P có 5 điện tử ở lớp ngoài ban đầu nên được gọi là tạp chất cùng. Điện tử thứ 5 liên kết yếu cho.
hơn với các nguyên tử xung - Trong chất bán dẫn loại N, ne quanh và hạt nhân nên dễ trở > pe, điện tử là hạt dẫn đa số và thành hạt dẫn tự do. lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P. * Bán dẫn loại P -- Được Khi cótạođiện nên trường, bằng các cáchhạt phadẫnchất sẽ bán chuyển dẫn tinh độngkhiếtcó với hướng tạovớithành In (đối Ge) hoặc dòngBđiện.chất nhóm 3 tiếp nhận điện tử từ chất bán dẫn ban -B/In có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng.
đầu nên được gọi là tạp chất nhận. Khi tham gia liên kết với các nguyên khác, chất tử- Trong bánthứ liên kết dẫn4loại bị bỏ P, hở. pe > Khi ne, cólỗ kích trốngthích là hạt1 dẫn trongđanhững số và điện tử ởlàcác hạtmối dẫnliênthiểu kếtsố. hoàn chỉnh sẽ đến thế chỗ vào liên kết nói trên.Chuyển động trôi và khuếch tán của hạt dẫn ▪ Chuyển động trôi ▪ Chuyển động của hạt dẫn trong mạng tinh thể chất rắn dưới tác dụng của điện trường gọi là chuyển động trôi.
▪ Chuyển động trôi tạo thành dòng điện trôi. ▪ Chuyển động khuếch tán ▪ Dòng chuyển động khuếch tán xảy ra khi có sự phân bố không đều đồng nồng độ hạt dẫn trong một khối thể tích, khuếch tán từ nơi có nồng độ cao – thấp. ▪ Dòng điện do chuyển động có hướng này gây ra được gọi là dòng điện khuếch tán. Chuyển tiếp P – N và đặc tính chỉnh lưu 1.
Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng. Chuyển tiếp P – N khi có điện áp ngoài & đặc tính chỉnh lưu. Hiện tượng đánh thủng chuyển tiếp P – N.Chuyển tiếp P – N ở trạng thái cân bằng - -Trước Do tác khi tiếp của xúc,điện mỗi trường khối bán dẫnxúc cân - Ứng vớidụng trạng thái cân bằngtiếp thì hiệunên điệnlỗ bằng trống vềtừđiện P tích. sang N và điện tử từ N chạy chạy thế tiếp xúc giữa P và N có giá trị nhất sang P tạo thành dòng điện trôi, ngược chiều -định.
với Thông Khidòng tiếp xúc, khuếch thường do chênh là 0.3V đối với Ge và tán. lệch nồng đồ nên lỗ0.7V trốngđối với Si.tán từ P sang N, điện tử khuếch - Nồng độ hạt dẫn đa số trong 2 khối càng khuếch tán N sang P. chênh lệch thì hiện tượng khuếch tán và tái - Hiệu điện thế này ngăn không cho hạt hợp càng nhiều => điện trường tiếp xúc càng Trêntiếp -dẫn đườngtục khuếch chuyểntán, các hạt động quadẫn tráiranh mặt tăng nên dòng điện trôi cũng tăng. Sau 1 thời dấu giới,tái hợp làm duy tại bề mặt trì trạng ranh cângiới, nồng là gian dòng khuếch tánthái và dòng bằng trôi cângọibằng độ hạt giảm “hàng rào rất thấp: điện thế”.bên P chỉ còn lại các nhau, triệt tiêu nhau và dòng qua mặt ranh giới ion âm, N còn lại các ion dương.