CHƯƠNG I. Các hiện tượng tiếp xúc 1. Tiếp xúc kim loại – bán dẫn Công thoát của electron trong chất bán dẫn nhỏ hơn trong kim loại nên electron từ bán dẫn N sang kim loại sẽ dễ hơn electron từ kim loại sang bán dẫn N, tạo nên điện trường tiếp xúc Etx , không cho electron từ bán dẫn N tiếp tục sang kim loại. Hình thành một vùng nghèo hạt mang điện ở phía bán dẫn N.
Khi đặt một điện trường ngoài vào tiếp xúc kim loại – bán dẫn sẽ cho dòng điện từ kim loại qua bán dẫn N. Lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn có tính chỉnh lưu, được ứng dụng để chế tạo các điôt tiếp xúc điểm, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng trong mạch điện tách sóng trong radio, TV hoặc trong các mạch điện chuyển mạch điện tử tần số cao.1: Tiếp xúc kim loại – bán dẫn 1. Trong chất bán dẫn loại N: electron là hạt dẫn điện đa số, lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Trong chất bán dẫn loại P: lỗ trống là hạt dẫn điện đa số, electron là hạt dẫn điện thiểu số.2: Tiếp xúc P - N Electron từ N sang P, lỗ trống từ P sang N, tạo thành một điện trường tiếp xúc Etx (nhỏ).
Điện trường này ngăn cản không cho electron từ N tiếp tục sang P. Sau một thời gian ngắn, hiện tượng khuếch tán sẽ chấm dứt, hai bên tiếp xúc P – N sẽ tạo ra một vùng nghèo hạt mang điện đa số,vùng này có điện trở lớn. Khi đặt tiếp xúc P – N vào điện trường ngoài: - Engoài ngược chiều với Etx: làm vùng nghèo hạt mang điện hẹp lại. Cho dòng điện I qua từ P sang N.
- Engoài cùng chiều Etx: không có dòng điện I qua tiếp xúc P – N từ N sang P. Tiếp xúc kim loại – điện môi – chất bán dẫn. Xét lớp điện môi SiO2, khi chưa đặt điện áp ngoài vào hai cực AB thì không xuất hiện điện tích ở hai bề mặt điện môi. Khi đặt điện áp âm vào A, dương vào B: electron trong lớp Si – P chạy về cực B, lỗ trống trong lớp Si – P chạy về phía vách chất điện môi, sát lớp điện môi gần chất bán dẫn xuất hiện điện tích dương, trong khi gần kim loại có điện tích âm.
Khi đặt điện áp dương vào A, âm vào B: hai bên lớp điện môi SiO2 hình thành các điện tích có dấu trái nhau như ở hai bản cực tụ điện, chúng cho dòng xoay chiều đi qua. Cấu tạo, ký hiệu, công dụng - Cấu tạo: Điôt bán dẫn cơ bản tạo bởi tiếp xúc P – N, tức là vùng có độ dày nhỏ cỡ (microm ), trong đó tính dẫn điện của tinh thể bán dẫnlà pha loại tạp chất bán dẫn P vào loại N, có thể cho dòng điện có cường độ lớn qua được. Điốt có thể cấu tạo là một thanh kim loại tiếp xúc với chất bán dẫn loại N, có điện dung tiếp xúc nhỏ, dùng ở tần số cao. Ở đây ta xét điốt tạo thành từ một lớp tiếp xúc P – N.3: Kí hiệu Điốt - Chức năng: Chỉ cho dòng điện chạy theo chiều từ P đến N, tức là từ anốt A tới catốt K 1.
Nguyên lý làm việc Điốt có hai giới hạn tuyệt đối khi sử dụng để tránh sự đánh thủng nhiệt làm hỏng điốt: - Giới hạn về dòng điện Im. - Giới hạn về điện ápUm. Điốt có hai chế độ làm việc: chế độ thuận và chế độ ngược. gọi UAK là điện áp đặt vào hai đầu điốt, UD là điện áp ngưỡng của điốt (điện áp rơi).
4 Chế độ thuận: là chế độ có UAK > UD Điốt dẫn với điện trở động (hay điện trở thuận): rd = dU/dI ( cỡ vài Ohm), trong chế độ thuận: UAK = UD + rdi Tức là điốt tương đương với điện trở rd mắc nối tiếp nguồn điện áp có suất điện động UD. Chế độ ngược: đối với UAK ≤ UD. Dòng cực nhỏ cỡ vài nano Ampe chạy qua điốt. Điện trở điốt lúc này cỡ vài chục mêga Ohm.
Dòng điện ở chế độ ngược có thể bỏ qua. Trong chế độ ngược, điốt tương đương công tắc hở mạch. Phân loại Điốt Người ta có thể phân loại điốt tùy theo quan điểm khác nhau: - Theo đặc điểm cấu tạo: điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt. - Theo vật liệu sủ dụng: điốt Ge, điốt Si.
- Theo tần số sử dụng: điốt cao tần, điốt tần số thấp. - Theo công suất: điốt công suất lớn, công suất trung bình, công suất nhỏ. - Theo nguyên lý hoạt động: điốt chỉnh lưu, điốt ổn áp (Zener), điốt biến dung (Varicap), điốt dùng hiệu ứng đường hầm (Tunel). Transistor lưỡng cực 1.
Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, chế độ làm việc củaTransistor Cấu tạo: Cùng trên một đế bán dẫn, lần lượt tạo ra tiếp xúc công nghệ P – N gần nhau để được một linh kiện bán dẫn bán dẫn 3 cực, gọi là transistor lưỡng cực. Nếu bán dẫn P nằm ở giữa hai lớp bán dẫn N, thì ta có transistor loại NPN (được gọi là transistor ngược).4: Transistor NPN và kí hiệu Nếu lớp bán dẫnN nằm giữa hai lớp bán dẫn P thì ta có loại traisistor PNP (transistor thuận ).5: Transistor PNP và kí hiệu Một cực có thể điểu khiển dòng điện qua hai cực còn lại gọi là cực khiển. Điều kiện của các vùng tạp chất: - Vùng E: pha tạp chất nhiều nhất. - Vùng C: pha tạp chất trung bình.
- Vùng B: pha tạp chất nồng độ rất ít (nhỏ nhất), vùng B rất mỏng (vài micromet). Nguyên tắc hoạt động: Để transistor hoạt động phải đủ hai điều kiện về điện áp để tiếp tế và phân cực. Tiếp tế: cung cấp điện áp cho hai cực E,C bằng nguồn điện ECC - Transistor NPN : UCE > 0 - Transistor PNP : UCE < 0 Phân cực: cung cấp điện áp cho hai cực B,E bằng nguồn điện UB - Transistor NPN : UBE > 0 - Transistor PNP : UBE < 0 Nguyên tắc hoạt động của transistor thể hiện qua các thí nghiệm sau: Chọn một loại transistor loại PNP Hình 1. 6: Sơ đồ nguyên lý của một transistor loại PNP Khi K1 đóng, K2 mở: Có nguồn EB, không có nguồn ECC.
Lớp tiếp giáp EB được phân cực thuận, lỗ trống từ vùng E sang vùng B. Khi qua vùng B tạo nên dòng điện IB.vậy chỉ có dòng IB, không có dòng Ic ở nguồn ECC. Khi K1 mở, K2 đóng: Có nguồn ECC, không có nguồn EB. lúc này CE coi như gồm hai điốt: CB và BE mắc nối tiếp, do hai điốt này mắc ngược chiều nhau 6 nên không cho dòng điện qua CE, và chỉ có dòng rò Ico rất nhỏ từ C sang B do các hạt không cơ bản gây ra.
Khi K1 đóng, K2 đóng: Nhờ nguồn EB, lỗ trống từ E sang vùng B: - Số ít kết hợp với electron trong lớp. - Tại B: lỗ trống là hạt dẫn điện thiểu số. Do độ dày của vùng B rất nhỏ, phần lớn lỗ trống chưa kịp tái hợp với electron thì đã đến lớp tiếp giáp BC. Ở đây, lỗ trống gặp điện trường mạnh tăng tốc và cuốn lỗ trống sang vùng C, lỗ trống là hạt dẫn điện đa số nên bị nguồn ECC hút mạnh tạo nên dòng IC qua CE.
Đối với transistor NPN thì ta đồi cực của nguồn. Nhận xét: Ta nhận thấy: - Nếu IB = 0 thì IC = 0 - Nếu IB tăng thì IC tăng - Nếu IB giảm thì IC giảm Suy ra IB có tính điều khiển dòng IC. Trong đó dòng IB cỡ nA, dòng IC cỡ mA. Nếu coi cực E là nguồn phát ra hạt dẫn đa số, hạt này một phần nhỏ chạy qua cực gốc B tạo thành dòng IB, phần lớn còn lại chạy đến cực góp C để tạo nên dòng IC.
Vậy ta luôn có : IE = IB + IC Trong đó: IB << IC nên IE = IC Để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong vùng B, người ta đưa ra hệ số khuếch đại dòng E. , luôn luôn nhỏ hơn 1 Để đánh giá mức độ điều khiển dòng IB lên dòng IC người ta đưa ra hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh: Trên đây là transistor hoạt động ở chế độ tĩnh. Nếu bây giờ ta ta đặt vào mạch cực phát một nguồn tín hiệu biến thiên thì điện áp phân cực lớp tiếp giáp EB cũng thay đổi làm cho IB biến thiên, kéo theo IE biến thiên và IC thay đổi. 7 Đặc ở cực góp một tải RC lớn, khi dòng IC biến thiên sẽ tạo ra trên RC một điện áp biến thiên nhưng biên độ lớn hơn nhiều (nhờ RC khá lớn).
Ta nói rằng trasistor đã khuếch đại tín hiệu. Các chế độ làm việc: Transistor có ba chế độ làm việc: chế độ khóa, dẫn bảo hòa và chế độ khuếch đại. - Chế độ khóa và dẫn bảo hòa: Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ: Hình 1.7: Sơ đồ mạch điện ở chế độ khóa điện tử của transistor loại NPN Khi K mở: Tiếp xúc EB bị phân cực ngược, electron từ E không qua được vùng B nên IB = 0, và transistor khóa , không có dòng IC qua tải Rt. Khi K đóng: Dòng IB khác 0.6V (Si), nếu ta chọn R1 , R2 , ECC , EB sao cho: =.
Lúc này transistor mở bảo hòa. Khi đó ta có: 0 , 8 - Chế độ khuếch đại: Xét sơ đồ mạch điện như hình vẽ: Hình 1.8: Mạch điện ở chế độ khuếch đại của transistor loại NPN Lúc này nguồn phân cực EB có chiều như hình vẽ để tiếp xúc BE được phân cực thuận. dòng IB sẽ điều khiển dòng IC. Ta có : Nhận xét: Khi tăng dòng IB thì dòng IC tăng theo và UCE giảm.
Khi dòng IB giảm, dòng IC giảm theo và UCE hay điện áp tín hiệu lấy ra ở chân C ngược pha với điện áp tín hiệu vào khuếch đại ở chân B (transistor mắc theo kiểu phát chung sẽ được trình bày vào phần sau ). Dòng IB thay đổi ở mạch vào sẽ tạo ra dòng IC thay đổi đồng pha tương ứng ở mạch ra tại cực C. Dòng IC qua Rt gây sụt áp UR, nên ta có điện áp UCE ( chính là VC) được tính theo công thức trên. IC tăng làm VC giảm và ngược lại, ta nói điện áp ra VC ngược pha với điện áp vào.
Phân cực cho Transistor Phân cực cho Transistor là tạo ra điện áp phân cực cho tiếp giáp BE nhằm để tiếp giáp BE được phân cực thuận, để transistor hoạt động trong chế độ khuếch đại, ta có các cách sau: 9 Phân cực cho transistor dùng dòng cố định. Xét Transistor NPN.9: Phân cực dùng dòng cố định.