Giáo trình linh kiện điện tử Đại học Cần Thơ

uối chương 2. Trong m iện sau, tính điện thế phân cực V và điện dẫn truyền gm. 3. Trong mạch điện sau, tính điện thế phân cực VD, VG. Cho biết E-MOSFET có hệ số 1. Tính VD, và điện dẫn truyền gm trong mạch: +12V R G 5K E D ạch đ D 1K R1M R IDSS = 4mA VGS(off) = -4V VD D +12V R G 5K 2V V D 1M R IDSS = 4mA VGS(off) = -4V ⎟⎠⎜⎝= 2V1k và V ⎞⎛ mA GS(th) = 3V. 24V G D 5K 2M VV D R 10M 24V Trang 125 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG VII P BÁN DẪN PNPN VÀ I. S át bởi cổng silicium. Các tíêp xúc kim loại được tạo ra các cực Anod A, Catot K và cổng G. LINH KIỆN CÓ BỐN LỚ NHỮNG LINH KIỆN KHÁC CR (THYRISTOR – SILICON CONTROLLED RECTIFIER). 1. Cấu tạo và đặc tính: SCR được cấu tạo bởi 4 lớp bán dẫn PNPN (có 3 nối PN). Như tên gọi ta thấy SCR là một diode chỉnh lưu được kiểm so Anod K Catod G Cổng (Gate) ≈ P N P N Anod P N P A A K Catod G Cổng (Gate N N ) P C B E C B E A A K K G IG IC2 IC1 IB2 T1 T2 G Cấu tạo Mô hình tương đương Mô hình tương đương Ký hiệu Hình 1 Trang 126 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Nếu ta mắc một nguồn điện một chiều VAA vào SCR như hình sau. một dòng điện nhỏ IG kích vào cực cổng G sẽ làm nối PN giữa cực cổng G và catot K dẫn phát khởi dòng lớn hơn nhiều. Nếu ta đổi chiều nguồn VAA (cực dương nối với catod, cục âm nối với anod) sẽ không có dòng điện qua SCR cho dù có dòng điện kích ền và thu G h vào cực nền của Transistor NPN T1 tức cổng G của S . Dòng điện này tùy thuộc vào VAA và điện trở tải RA. AA AA n một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là dòng điện duy t điện anod IA qua SCR IG. Như vậy ta có thể hiểu SCR như một diode nhưng có thêm cực cổng G và để SCR dẫn điện phải có dòng điện kích IG vào cực cổng. Cổng P N Ta thấy SCR có thể coi như tương đương với hai transistor PNP và NPN liên kết nhau qua ngõ n Khi có một dòng điện nhỏ I kíc CR. Dòng điện IG sẽ tạo ra dòng cực thu IC1 lớn hơn, mà IC1 lại chính là dòng nền IB2 của transistor PNP T2 nên tạo ra dòng thu IC2 lại lớn hơn trước… Hiện tượng này cứ tiếp tục nên cả hai transistor nhanh chóng trở nên bảo hòa. Dòng bảo hòa qua hai transistor chính là dòng anod của SCR Cơ chế hoạt động như trên của SCR cho thấy dòng IG không cần lớn và chỉ cần tồn tại trong thời gian ngắn. Khi SCR đã dẫn điện, nếu ta ngắt bỏ IG thì SCR vẫn tiếp tục dẫn điện, nghĩa là ta không thể ngắt SCR bằng cực cổng, đây cũng là một nhược điểm của SCR so với transistor. Người ta chỉ có thể ngắt SCR bằng cách cắt nguồn V hoặc giảm V sao cho dòng điện qua SCR nhỏ hơ rì IH (hodding current). A G K N (Gate) P IA RG R V VGG AA A IG VAK Hình 2 Trang 127 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2. phân cực n ạy qua SC n điện thế catod), nếu ta nối tắt (hoặc để hở) nguồn VGG (IG=0), khi VAK còn nhỏ, ch có một dòng điện rất nhỏ chạy qua SCR (trong thực tế người ta xem n SCR không dẫn điện), nhưng khi VAK đạt đền một trị số nào đó (tùy thuộc vào từng SCR) gọi là điện thế quay về VBO thì điện thế VAK động sụt xuống khoảng 0,7V như diode thường. Dòng điện tương ứng bây giờ chính là dòng điện duy trì IH. Từ bây giờ, SCR chuyển sang trạng thái dẫn điện và có đặc tuyến gần giống như diode thường. ếu ta tăng nguồn VGG để tạo dòng kích IG, ta thấy điện thế quay về nhỏ hơn và khi dòng kích IG càng lớn, điện thế quay về VBO ỏ. Đặc tuyến Volt-Ampere của SCR: Đặc tuyến này trình bày sự biến thiên của dòng điện anod IA theo điện thế anod- catod VAK với dòng cổng IG coi như thông số. - Khi SCR được ghịch (điện thế anod âm hơn điện thế catod), chỉ có một dòng điện rỉ rất nhỏ ch R. - Khi SCR được phân cực thuận (điện thế anod dương hơ ỉ hư tự N càng nh 0 IA SCRe ng Diod thườ VAK IG = 0 IG2 > IG1 > 0 IH VBO0,7V VBR Hình 3 Trang 128 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 3. Các thông số của SCR: Sau đây là các thông số kỹ thuật chính của S - Dòng thuận tối đ Là dòng điện anod IA trung h mà SCR có thể chịu đựng được liên tục. Trong trường hợp dòng lớn, SCR phải được giải nhiệt đầy đủ. Dòng thuận tối đa tùy thuộc vào mỗi SCR, có thể từ vài trăm mA đến hàng trăm Ampere. - Điện thế ngược tối đa: Đây là điện thế phân cực nghịch tối đa mà ch a xảy ra sự hủy thác (breakdown). Đây olt đến hàng - Dòng chốt (latching current): Là dòng thuận tối thiểu để giữ SCR ở trạng thái dẫn điện sau khi SCR từ trạng thái ngưng sang trạng thái òng chốt thường lớn hơn dòng duy trì chút ít ở SCR công suất nhỏ và lớn hơn dòng duy trì khá nhiều ở SCR có công s - Dòng cổng tối thiểu (Minimun gate current): Như đã thấy, khi điện thế VAK lớn hơn VBO thì SCR sẽ chuyển sang trạng thái dẫn điện mà không cần dòng kích IG. Tuy nhiên trong ứng dụng, thường người ta phải tạo ra một dòng cổng để SCR dẫn điện ngay. Tùy th ổng tối thiểu từ dưới 1mA đến vài chục mA. Nói chung, SCR có côn àng lớn thì cần dòng kích lớn. Tuy nhiên n chú ý là dòng cổng không được quá lớn, có thể làm hỏng nối cổng-catod của SCR đến lúc SCR dẫn gần bảo hòa (thường là 0,9 n mở khoảng vài µS. Như vậy, thời gian hiện diện của xung kích ph - Thời gian tắt (turn – off time): Để tắt SCR, người ta giảm điện thế VAK xuống 0Volt, tức dòng anod cũng bằng 0. Thế nhưng nếu ta hạ điện thế anod xuống 0 rồi tăng lên ngay thì SCR vẫn dẫn điện mặc dù không có dòng kích. Thời gian tắt SCR là thời gian từ lúc điện thế VAK xuống 0 đến lúc lên cao trở lại mà SCR không dẫn điện trở lại. Thời gian này lớn hơn thời gian mở, thường khoảng vài chục µS. Như vậy, SCR là linh kiện chậm, hoạt động ở tần số thấp, tối đa khoảng vài chục KHz. - Tốc độ tăng điện thế dv/dt: CR a: bìn lớn nhất ư là trị số VBR ở hình trên. SCR được chế tạo với điện thế nghịch từ vài chục v ngàn volt. dẫn. D uất lớn. eo mỗi SCR, dòng c g suất c , nê . - Thời gian mở (turn – on time): Là thời gian từ lúc bắt đầu có xung kích lần dòng định mức). Thởi gia ải lâu hơn thời gian mở. Trang 129 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta có thể làm SCR dẫn điện bằng cách tăng điện thế anod lên đến điện thế quay v V ề nod thân điện thế V anod không cần lớn. Thông số dv/dt là tốc độ tăng t t trên vị trí này SCR sẽ dẫn điện. Lý do là có một điện ransistor trong mô hình tương đương của SCR. dòng iện qua tụ là: BO hoặc bằng cách dùng dòng kích cực cổng. Một cách khác là tăng điện thế a nhanh tức dv/dt lớn mà bản hế lớn nhất mà SCR chưa dẫn, vượ dung nội Cb giữa hai cực nền của t dt dVCi bcb = c kích SCR. Ng đ . Dòng điện này chạy vào cực nền của T1. Khi dV/dt đủ lớn thì icb lớn đủ sứ ười ta thường tránh hiện tượng này bằng cách mắc một tụ C và điện trở R song song với SCR để chia bớt dòng icb. Đây là trị số tối đa của tốc độ tăng dòng anod. Trên trị số này SCR có thể bị hư. Lý do là khi SCR chuyển từ trạng thái ngưng sang trạng thái dẫn, hiệu thế giữa anod và catod còn lớn trong lúc dòng điện anod tăng nhanh khiến công suất tiêu tán tức thời có thể quá lớn. Khi SCR bắt đầu dẫn, công suất tiêu tán tập trung ở gần vùng cổng nên vùng này dễ bị hư hỏng. Khả năng chịu đựng của di/dt tùy thuộc vào mỗi SCR. 4. SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều Khi SCR hoạt động ở điện thế xoay chiều tần số thấp (thí dụ 50Hz hoặc 60Hz) thì vấn đề tắt SCR được giải quyết dễ dàng. Khi không có xung kích thì mạng điện xuống gần 0V, SCR sẽ ngưng. Dĩ nhiên ở bán kỳ âm SCR không hoạt động mặc dù có xung kích. A K G C R Hình 4 - Tốc độ tăng dòng thuận tối đa di/dt: Trang 130 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Để tă công suấ ho tải, người ta cho SCR hoạt ng ở nguồn chỉnh lưu toàn kỳ. 5. Vài ứng dụng đơn giản: ạch đèn khẩn cấp khi mất điện: ng t c độ Vì điện 50Hz có chu kỳ T=1/50=20nS nên thời gian điện thế xấp xỉ 0V đủ làm ngưng SCR. M Tải L ~ IG 220V/50Hz IG V Tải Góc dẫn SCR ngưng SCR dẫn Hình 5 V Tải L ~ IG 220V/50Hz IG TảiV Góc dẫ Hình 6 n R3 1K 6,3V DEN D1 R2 150 ACCU 6V 6,3V D2 SCR 100uF R1 D3 T1 2 50Hz 20V/ Được chọn tùy theo dòng nạp accu + - Hình 7 Trang 131 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Bình thường đèn 6V cháy sáng nhờ nguồn điện qua mạch chỉnh lưu. Lúc này SCR ngưng dẫn do bị phân cực nghịch, accu được nạp qua D1, R1. Khi mất điện, nguồn điện accu sẽ làm thông SCR và thắp sáng đèn. Mạch nạp accu tự động (trang sau) - Khi accu nạp chưa đầy, SCR1 dẫn, SCR2 ngưng - Khi accu đã nạp đầy, điện thế cực dương lên cao, kích SCR2 làm SCR2 dẫn, chia bớt dòng nạp bảo vệ accu. - VR dùng để chỉnh mức bảo vệ (giảm nhỏ dòng nạp) D2 D1 50 uF 6,3V 6,3V ~ 110V SCR1 R3 1K AC CU 1 2V SCR2 R3 1 K D3 + - R1 47Ω 2W R2 47Ω 2W VZ = 11V R4 47Ω 2W VR 750Ω Hình 8 ~220V 6V 2W Trang 132 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử II. T Thường đượ coi n t SCR lưỡng hướng vì có thể dẫn đ theo hai chiều. Hình sau đây cho thấy cấu tạo ình tương đương và cấu tạo của Triac. IG RIAC (TRIOD AC SEMICONDUCTOR SWITCH). n p p n n n n n T2 T2 c hư mộ iện , mô h T1 Đầu G Cổng (Gate) ≈ p n p T1 Đầu G + n p n p T1 Đầu T2 G IG + - - T + T1 T1 G + 2 T2 G T2 T1 G ≈ T T1 Hình 9 2 Trang 133 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Như vậy, ta thấy Triac như gồm bởi một SCR PNPN dẫn điện theo chiều từ trên xuống dưới, kích bởi dòng cổng dương và một SCR NPNP dẫn điện theo chiều từ dưới lên kích bởi dòng cổng âm. Hai cực còn lại gọi là hai đầu cuối chính (main terminal). - Do đầu T2 dương hơn đầu T1, để Triac dẫn điện ta có thể kích dòng cổng dương và khi đ n T1ta có thể kích dòng cổng âm. - Như ậy đặc tuyến V-I của Triac có dạng sau: - Thật ra, do sự tương tác của vùng bán dẫn, Triac được nảy theo 4 cách khác nhau, được trình ng hình đây: ầu T2 âm hơ T 0 IH IA V21 0,7V +VBO BO Hình 10 2 -V V21 G IG T1 v bày bằ vẽ sau T2 T1 G IG > 0 + - T2 T1 G IG < 0 + T2 T1 G IG < 0 - + T2 T1 G IG > 0 - + Hình 11 - Cách 1 Cách 2 Cách 3 Cách 4 Trang 134 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Cách (1) và cách (3) nhạy nhất, kế đến là cách (2) và cách (4). Do tính chất dẫn điện cả hai chiều, Triac dùng trong mạng điện xoay chiều thuận lợi hơn í dụ sau đây cho thấy ứng dụng của Triac trong mạng điện xoay chiều. III. SCS (SILICON – CONTROLLED SWITCH). Như hi ta áp một xun ơng vào cổng catod thi SCS dẫn điện. Khi SCS đang hoạt động, nếu ta áp một xung dươ cổng anod thì SCS sẽ ngưng dẫn. Như v y, đối với SCS, cổng catod dùng để mở SCS, và cổng anod dùng để tắt SCS. Tuy có khả năng như SCR, nhưng thường người ta chỉ chế tạo SCS công suất nhỏ (phần lớn dưới vài trăm miniwatt) và do cổng catod rất nhạy (chỉ cần kích cổng catod khoảng vài chục µA) nên SCS ược ứng dụng làm một switch điện tử nhạy. í dụ sau là một mạch báo động dùng SCS như một cảm biến điện thế: SCR. Th VR~ . + - . D2 D1 R 22 0V /5 0H z Tải + - VL Hình 12 Góc dẫn Triac dẫn t L V SCS còn được gọi là Tetrode thyristor (thyristor có 4 cực). Về mặt cấu tạo, SCS giống như SCR nhưng có thêm một cổng gọi là cổng anod nên cổng kia (ở SCR) được gọi là cổng catod. vậy, k g dư ng vào ậ đ V N N Anod A K Catod GK Cổng Catod Cấu tạo P P GA Cổng Anod K G A K GA A K GK GA Mô hình tương đương Hình 13 Ký hiệu K A GK GA Trang 135 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử ngõ vào thường người ta mắc ng kim loại, khi sờ tay vào, SCS dẫn điện Led t ng ứng cháy sáng, Relais hoạt động đóng mạch báo động hoạt động. C c cổng hay đúng hơn là một transistor không có cực nền. Hình sau đây mô tả cấu tạo, ký hiệu và mạch tương đương một h u điện thế một chiều theo một chiều nhất định thì khi đến điện thế VBO, DIAC dẫn điệ p hiệu thế theo chiều ngược lại thì đến trị số -VBO, DIAC cũng dẫn điện, D ể hiện một điện trở âm (đ ha DIAC giảm khi dòng điện qua DIAC tă ừ các tính chất trên, DIAC tương đương với hai Diode Zener mắc đối đầu. Thực tế, khi không có DI ười ta có thể dùng hai D điện thế Zener thích hợp để thay thế. (Hình 17) rong ứng dụng, DIAC thường dùng để mở Triac. Thí dụ như mạch điều chỉnh độ sáng của bóng đèn (Hình 18) Ở ươ một miế IV. DIA Về cấu tạo, DIAC giống như một SCR không có cự của DIAC. Khi áp iệ n và khi á IAC th ng). T iện thế i đầu AC, ng iode Zener có T INPUT 2 +12V 1K 1K 10K LED 1K INPUT 3 Relay LED 10K LED 10K INPUT 1 Hình 15 Relais đóng mạch báo động p p n n n Anod 1 Anod 2 Cấu tạo Anod 1 Anod 2 Ký hiệu Anod 1 Anod 2 Tư đương ơng Anod 1 Anod 2 Hình 16 Trang 136 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 0 V I 110V/50Hz Bóng Đèn VR -VBO +VBO C Hình 18 bán ký dương thì điện tăng, tụ nạ iện cho đến điện BO thì DIAC dẫn, tạo dòng kích cho Triac dẫn điện. Hế ỳ ơng, Triac ng Đến bán kỳ âm tụ C nạp điện theo chiều ngược lại đến điện thế -VBO, DIA i dẫn điện kích Triac dẫn điện. Ta thay đổi VR để thay đổi thời hằng nạp điện của tụ C, do đó thay đổi góc dẫn của Triac đưa đến làm thay đổi độ sáng của bóng . V. DIOD SHOCKLEY. Diod shockley gầm có 4 lớp bán d N (diod 4 lớp) nhưng chỉ có hai cực. Cấu o cơ bản và ký hiệu cùng với đặc tuyến Volt-Ampere khi phân cực thuận được mô tả ở hình vẽ sau đây: Hình 17 Ở thế p đ thế V ưng. t bán k dư tạm C lạ đèn ẫn PNP 220V/50Hz N N tạ Anod A + A K Catod P P Hình 19 - K IA - + Vf IBO VBO0 Vf Trang 137 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta thấy đặc tuyến giống như SCR lúc dòng cổng IG=0V, nhưng điện thế quay về VBO của Diod shockley nhỏ hơn nhiều. Khi ta tăng điện thế phân cực thuận, khi điện thế anod-catod tới trị số VBO thì Diod shockley bắt đầu dẫn, điện thế hai đầu giảm nhỏ và sau đó ho - Bán kỳ dương C nạp điện đến điện thế VBO thì Diod shockley dẫn điện, kích SCR dẫn. Bán kỳ âm, Diod shoc ưng, SCR cũng ngưng. VI. GTO (GATE TURN – OFF SWITCH). ạt động như Diod bình thường. Áp dụng thông thường của Diod shockley là dùng để kích SCR. Khi phân cực nghịch, Diod shockley cũng không dẫn điện. 110V/50Hz R C Tải Hình 20 220V/50Hz , tụ kley ng GTO là một linh kiện có 4 lớp bán dẫn PNPN như SCR. cấu tạo và ký hiệu được mô tả như sau: N N Anod A K Catod P P G Cổng G Cổng A K Catod Hình 21 Ký hiệu Anod Trang 138 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Tuy có ký hiệu khác với SCR và SCS nhưng các tính chất thì tương tự. Sự khác biệt cơ bản cũng là sự tiến bộ của GTO so với SCR hoặc SCS là có thể mở hoặc tắt GTO chỉ bằng một cổng (mở GTO bằng cách đưa xung dương vào cực cổng và tắt GTO bằng cách đưa xung âm vào cực cổng). - So với SCR, GTO cần dòng điện kích lớn hơn (thường hàng trăm mA) nữa của GTO là tính chuyển mạch. Thới gian mở của GTO cũng giống như SCR (khoảng 1µs), nhưng thời gian tắt (thời gian chuyển từ trạng thái dẫn điện sang trạng thái ngưng d hì nhỏ hơn SCR rất nhiều (khoảng 1µs ở GTO và từ 5µs đến 30µs ở SCR). Do đó GTO dùng như một linh kiệncó chuyển mạch nhanh. GTO thường được dùng rất phổ biến trong các mạch đếm, mạch tạo xung, mạch điều hoà điện sau đây là một ứng dụn Diod Zener. ấp điện, GTO dẫn, anod và catod xem như nối tắt. C1 nạp điện đến điện thế nguồn VAA, lúc đó VGK<0 làm GTO ngưng dẫn. Tụ C1 xả điện qua R3=VR+R2. Thời gian xả điện tùy thuộc vào t ng τ=R3C1. Khi Vo<VZ, GTO lại dẫn điện và chu kỳ mới lại được lập lại. - Một tính chất quan trọng ẫn) t thế… mạch g của GTO để tạo tín hiệu răng cưa kết hợp với VAA=+200V A K R2 Khi c hời hằ Hình 23 Vo VAA VZ 0 +Vo R1 VR C1 VR Hình 22 A K G Trang 139 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử VII. UJT (UNIJUNCTION TRANSISTOR – TRANSISTOR T chỉ có một độc nhất nối P-N. Tuy không thông dụng như BJT, nhưng UJT có một số đặc tính đ h tạo dạng sóng và định giờ. đầu tạo thành hai c 1 2 y nhôm nhỏ đóng vai trò chất bán dẫn loại P. Vùng P này nằm cách vùng B hoảng 70% so với chiều dài của hai cực nền B1, B2. Dây nhôm đóng vai trò cực phát E. Hình sau đây trình bày cách áp dụng điện thế một chiều vào các cực củ để khảo sát các đặc tính của nó. ĐỘC NỐI). Transistor thường (BJT) gọi là Transistor lưỡng cực vì có hai nối PN trong lúc UJ ặc biệt nên một thời đã giữ vai trò quan trọng trong các mạc 1. Cấu tạo và đặc tính của UJT: Hình sau đây mô tả cấu tạo đơn giản hoá và ký hiệu của UJT Một thỏi bán dẫn pha nhẹ loại n- với hai lớp tiếp xúc kim loại ở hai ực nền B và B . Nối PN được hình thành thường là hợp chất của dâ 1 k a UJT n- p B2 Nền B1 Nền E Phát E B2 B1 B2 E B1 Hình 24 E A EE B1 B2D1 V B2 R BB EE E V R B1 B1 V R BB B2 Mạch tương đương của UJT IE RE E E Hình 25 V Trang 140 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử - Khi chưa áp VEE vào cực phát E (cực phát E để hở) thỏi bán dẫn là một điện trở với nguồn điện thế VBB, được ký hiệu RBB và gọi là điện trở liên nền (thường có trị số từ 4 KΩ KΩ). Từ mô hình tương đương ta th y Diod được dùng để diễn tả nối P-N giữa vùng P và vùng n-. Điện trở RB1 và RB2 diễn t điện trở của thỏi bán dẫn n-. Như vậy: đến 10 ấ ả 0I2B1BBB E RRR =+= điện thế tại điểm A là: Vậy 0 .V BB >η=+=A R R V BB 2B1B 1B V R Trong đó: 1B1B RR ==η được gọi là tỉ số nội tại (intrinsic stan BB2B1B à η được cho bởi nhà sản xuất. RRR + d – off) RBB v mass), vì VA có điện thế dương nên Diod được phân cực nghịch và ta chỉ có một dòng điện rỉ nhỏ chạy ra từ cực phát. tăng VEE lớn dần, dòng điện theo chiều dương (d dương dần). Khi VE có trị số V =V +V n và bắt đầu dẫn điện mạnh. iện thế VE=0,5V + η VB2B1=VP được gọi là điện thế đỉnh (peak-point voltage) của UJT. điện trở âm - Bây giờ, ta cấp nguồn VEE vào cực phát và nền B1 (cực dương nối về cực phát). Khi VEE=0V (nối cực phát E xuống IE bắt đầu tăng òng rỉ ngược IE giảm dần, và triệt tiêu, sau đó E D A VE=0,5V + η VB2B1 (ở đây VB2B1 = VBB) thì Diod phân cực thậu Đ Vùng VE 0 V IE V P V IP IV 0 lũng Đỉnh Thung VE VP IE IV 0 VV Hình 26 Trang 141 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi VE=VP, nối P-N phân cực thuận, lỗ trống từ vùng phát khuếch tán vào vùng n- và di chuyển đến vùng nền B1, lúc đó lỗ trống cũng hút các điện tử từ mass lên. Vì độ dẫn điện của chất bán dẫn là một hàm số của mật độ điện tử di động nên điện trở RB1 giảm. Kết quả là lúc đó dòng IE tăng và điện thế VE giảm. Ta có một vùng điện trở âm. Điện trở động nhìn từ cực phát E trong vùng điện trở âm là: E E d I V r ∆ ∆−= Khi IE tăng, RB1 giảm trong lúc RB2 ít bị ảnh hưởng nên điện trở liên nền RBB giảm. Khi IE đủ lớn, điện trở liên nền RBB chủ yếu là RB2. Kết thúc vùng điện trở âm là vùng thung lũng, lúc đó dòng IE đủ lớn và RB1 quá nhỏ không giảm nữa (chú ý là dòng ra cực nền B1) gồm có dòng điện liên nền B cộng với dòng phát IE ) nên VE không giảm mà bắt đầu tăng khi I tăng. Vùng này được gọi là vùng bảo hòa. P ủa cực phát E để t UJT hoạt động trong vùng điện trở âm. Dòng điện thung lũng IV là dòng điện tối đa của IE trong vùng điện trở âm. P V EB1 điện trở âm. i ta cho UJT hoạt động trong vùng điện trở âm, muốn Q B2 I E Như vây ta nhận thấy: - Dòng đỉnh I là dòng tối thiểu c đặ - Tương tự, điện thế đỉnh V là điện thế thung lũng V là điện thế tối đa và tối thiểu của V đặt UJT trong vùng Trong các ứng dụng của UJT, ngườ vậy, ta phải xác định điện trở RE để IP<IE<IV Thí dụ trong mạch sau đây, ta xác định trị số tối đa và tối thiểu của RE EB1 BB+V B1 R + - V VEB1 IE 0 VEB1 IE 0 IP IV VV VP VBB > VP Emax REmin Hình 27 R Trang 142 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ta có: P PBB P PBB maxE I VV I0 VV I VR −=− −−=∆ ∆−= Và V VBBVBB minE I V IV0 VV I VR V−=−−=∆ ∆−= − Như vậy: P PBB E V VBB I VV R I VV −≤≤− 2. Các thông số kỹ thuật của UJT và vấn đề ổn định nhiệt cho đỉnh: Sau đây là các thông số của UJT: - Điện trở liên nền RBB: là điện trở giữa hai cực nên khi cực phát để hở. RBB tăng khi nhiệt độ tăng theo hệ số 0,8%/1oC - Tỉ số nội tại: BB 1B 2B1B 1B R R RR R =+=η Tỉ số này cũng được định nghĩa khi cực phát E để hở. iện thế đỉnh VP và dòng điện đỉnh IP. VP giảm khi nhiệt độ tăng vì điện thế ngưỡng của nối PN giảm khi nhiệt độ tăng. Dòng I giảm khi V tăng. - Điện thế thung lũng V và dòng điện thung lũng I . Cả V và I đều tăng khi VBB hơn và VBB ở 10V. Trị số thông thường của VEsat là 4 volt (lớn hơn nhiều so với diod thường). Ổn định nhiệt cho đỉnh: Điện thế đỉnh VP là thông số quan trọng nhất của UJT. Như đã thấy, sự thay đổi của đi đỉnh VP chủ yếu là do điện thế ngưỡng của nối PN vì tỉ số η thay i không đáng kể Người ta ổn định nhiệt cho VP bằ h thêm một điện trở nhỏ R2 (thường khoảng vài trăm ohm) giữa nền B2 và nguồn VBB. Ngoài ra người ta cũng mắc một điện trở nhỏ R1 cũng k ảng vài trăm oh cực nền B1 để lấy tín hiệu ra. - Đ P BB V V V V tăng. - Điện thế cực phát bảo hòa VEsat: là hiệu điện thế giữa cực phát E và cực nền B1 được đo ở IE=10mA hay ện thế đổ . ng các ho m ở Trang 143 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi nhiệt độ tăng, điện trở liên nền RBB tăng nên điện thế liên nền VB2B o cho sự tăng của V 1 tăng. Chọn R2 sa B2 N. Trị của R2 được B1 bù trừ sự giảm của điện thế ngưỡng của nối P chọn gần đúng theo công thức: BB BB 2 V R)040( R →≈ 8,, η Ngoài ra R2 còn phụ thuộc vào cấu tạo của UJT. Trị chọn theo thực nghiệm khoảng vài tr 3. ng dụng đơn giản của UJT: ạch dao động thư giãn (relaxation oscillator) gười ta thường dùng UJT làm thành một mạch dao động tạo xung. Dạng mạch và trị số các linh kiện điển hình như sau: BB ăm ohm. Ứ M N B2 R1 VB1 R2 E Hình 28 BB 330 VB2 C1 .1 R1 E R2 B1V V R 10K +12V E 22 VE t V C 1 0 C1 nạp C1 xã (rất nhanh) VB2 VB1 VE t t t VP VV Hình 29 = V P Trang 144 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi cấp điện, tụ C1 bắt đầu nạp điện qua điện trở RE. (Diod phát-nền 1 bị phân cực nghịch, dòng điện phát I xấp xỉ bằng không). Điện thế hai đầu tụ tăng dần, khi đến điện thế đ V. Đến đây UJT bắt đầu ngưng và chu kỳ mới lập lại. * Dùng UJT tạo xung kích cho SCR - Bán kỳ dương nếu có xung đưa vào cực cổng thì SCR dẫn điện. Bán kỳ âm SCR ngưng. - Điều chỉnh góc dẫn của SCR bằng cách thay đổi tần số dao động của UJT. VIII. PUT (Programmable Unijunction Transistor). Như tên gọi, PUT giống như một UJT có đặc tính thay đổi được. Tuy vậy về cấu tạo, PUT khác hẳn UJT E ỉnh VP, UJT bắt đều dẫn điện. Tụ C1 phóng nhanh qua UJT và điện trở R1. Điện thế hai đầu tụ (tức VE) giảm nhanh đến điện thế thung lũng V z 330 B1 470uF 110V/50Hz SCR 100K 20K + F1 FUSE V=20V .1 47 5,6K UJT B2 - E Hình 30 220V/50Hz Tải N N Anod A K Catod P P G Cổng G Cổng Anod A K Catod Cấu tạo Ký hiệu Phân cực R B2 GK R A V I AK V A AA R K V B1 Hình 31 Trang 145 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Để ý là cổng G nằm ở vùng N g anod lớn hơn điện thế catod, ngưỡng của nối PN. ần anod nên để PUT dẫn điện, ngoài việc điện thế điện thế anod còn phải lớn hơn điện thế cổng một điện thế Ta có: BBBB1B VV R V η== 2B1B Trong đó: GK RR + 2B1B 1B RR R +=η như được định nghĩa trong UJT ớ là UJT, RB1và RB2 là điện trở nội của UJT, Trong lúc ở PUT, RB1 và R mà V = 0,7V (thí dụ Si) VG = ηVBB ⇒ V T Tuy nhiên, nên nh B2 là các điện trở phân cực bên ngoài. Đặc tuyến của dòng IA theo điện thế cổng VAK cũng giống như ở UJT Điện thế đỉnh VP được tính bởi: VP = VD+ηVBB D P = VG + 0,7V Tuy PUT và UJT có đặc tính giống nhau nhưng dòng điện đỉnh và thung lũng của PUT nhỏ hơn UJ VAK Vùng điện trở âmVP 0 IP IV IA Hình 32 + Mạch dao động thư giãn dùng PUT t VA 0 VP V V R BB B2 K +V R G A R C R B1 K Xả Nạp Hình 33 Trang 146 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý trong mạch dùng PUT, ngõ xả của tụ điện là anod. Tín hiệu ra được sử dụng thường lấy ở catod (và có thể dùng kích SCR như ở UJT) VG VK = ηVBB t VK VK = VP-VV t Hình 34 Trang 147 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CHƯƠNG VIII LIN UANG ĐIỆN TỬ rong chương này, chúng ta chỉ đề cập đến một số các linh kiện quang điện tử thông dụng như quang điện trở, quang diod, quang transistor, led… các linh kiện quang điện tử quá đặc biệt không được I. ÁNH SÁNG. óng vô tuyến trong hệ thống truyền thanh, truyề ở đèn tia X trong y khoa… Tuy có các công dụng khác nhau nhưng lại có chung một bản chất và được gọi là sóng điện từ hay bức xạ điện từ. Điểm khác nhau cơ bản của sóng điện từ là tần s y bước sóng. Giữa tần số và bước sóng liên hệ bằng hệ thức H KIỆN Q T đề cập đến. S n hình, ánh sánh phát f c=λ ố ha Trong đó c là vận tốc ánh sáng = 3.108m/s f là tần số tín Hz Bước sóng λ tính bằng m. Ngoài ra người ta thường dùng các ước số: m = 10-6m ; nm = 10-9m và Amstron = Å = 10‐10m rared) và phía tần số cao hơn gọi là bức xạ tử ngoại (ultraviolet). c bước sóng khoảng 380nm) rong vùng ánh sáng thấy được, nếu chỉ có một khoảng ngắn của dải tần số nói trên thì cảm giác của mắt ghi nhận được 7 màu: h bằng µ Sự khác biệt về tần số dẫn đến một sự khác biệt quan trọng khác là ta có thể thấy được sóng điện từ hay không. Mắt người chỉ thấy được sóng điện từ trong một dải tần số rất hẹp gọi là ánh sáng thấy được hay thường gọi tắt là ánh sáng. Về phía tần số thấp hơn gọi là bức xạ hồng ngoại (inf Ta chỉ có thể thấy được bức xạ có tần số khoảng 4.10-14Hz (tức bước sóng 750nm) đến tần số khoảng 7,8.1014Hz (tứ Hồng ngoại (λ=750nm)4.1014Hz Tử ngoại (λ=380nm)7,8.1014Hz T Tím Violet Lơ Blue Lam Cyan Xanh lá Green Vàng Yellow Cam Orange Đỏ Red 380nm 430 470 500 560 590 650 750nm λ Trang 148 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Chú ý là giới hạn trên chỉ có tính cách tương đối. Sự khác nhau về tần số lại dẫn đến một sự khác biệt quan trọng nữa đó là năng lượng bức xạ. Năng lượng bức xạ tỉ lệ với tần số th độ sáng và được đo bằng đơn vị footcandles. Thí dụ nguồn sáng là một bóng đèn tròn, thì ở một điểm càng xa tỏa ra trong một góc khối (hình a quang thông là Lumens (Lm) hay W 2 II. QUANG ĐIỆN TRỞ (PHOTORESISTANCE). Là điện trở có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh. Điện trở tối (khi không được chiếu sáng - ở trong bóng tối) thường trên 1MΩ, trị số này giảm rất nhỏ có thể dưới 100Ω khi được chiếu sáng mạnh ếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh các điện tử tự do, tứ ề phương diện năng lượng, ta nói ánh sáng đã cung cấp một năng lượng E=h.f để các điện tử nhảy từ dãi hóa trị lên dãi dẫn điện. Như vậy năng lượng cần thiết h.f phải lớn hơn n ng lượng của dãi cấm. eo công thức: E=h.f với h: hằng số planck = 6,624.10-34J.sec Như ta thấy, biên độ trung bình của phổ được gọi là cường nguồn, cường độ sáng càng yếu nhưng số lượng ánh sáng nón) là không đổi và được gọi là quang thông. Đơn vị củ att. 1 Lm = 1,496.10-10 watt Đơn vị của cường độ ánh sáng là foot-candles (fc), Lm/ft2 hay W/m2. Trong đó: 1 Lm/ft2 = 1 fc = 1,609.10-12 W/m λ Nguyên lý làm việc của quang điện trở là khi ánh sáng chi Ký hiệu Hình 1 Hình dạng c sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo. Điện trở Ω 0 fc 1000 10 0,1 10 100 1000 Hình 2 5 10000 V ă Trang 149 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Và của quang điện trở: Qua iệ ở được dùng rất phổ b trong các mạch điều khiển 1. M động: Khi quang điện tr được chiếu sáng (trạng thái th n trở nhỏ, điện thế cổng của SCR giảm nhỏ không g kích nên SCR ngưng. Kh nguồn sáng bị chắn i ứng dụng ng đ n tr iến ạch báo λ SCR Nguồn sáng hồng ngoại R1 Bóng đèn hoặc chuông tải B+ Hình 3 ở ường trực) có điệ i đủ dòn , R tăng nhanh, điện thế cổng SCR tăng làm SCR dẫn điện, dòng điện qua tải làm cho mạch báo động hoạt động. Người ta cũng có thể dùng mạch như trên, với tải là một bóng đèn để có thể cháy sáng về đêm và tắt vào ban ngày. Hoặc có thể tải là một relais để điều khiển một mạch báo động có công suất lớn hơn. 2. Mạch mở điện tự động về đêm dùng điện AC: TRIAC DIAC Bóng đèn 15K 1K A 110V/50Hz .1 Hình 4 22 λ Trang 150 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Ban ngày, trị số của quang điện trở nhỏ. Điện thế ở điểm A không đủ để mở Diac nên Triac không hoạt động, đèn tắt. về đêm, quang trở tăng trị số, ng điện thế ở điểm A, thông Diac và kích Triac dẫn điện, bóng đ sáng lên. III. QUANG DIOD (PHOTODIODE). Ta biết rằng khi một nố -N được phân c ận thì vùng hiếm hẹp và dòng thuận lớn vì do hạt tải điện đa số (điện tử ở chất bán dẫn loại N và lỗ trống ở chất bán dẫn loại P) di chuyển tạo nên. Khi phân cực nghịch, vùng hiếm rộng và chỉ có dòng điện rỉ nhỏ (dòng bả ịch I0) ốt), ta thấy dòng điện nghịch tăng lên gần như tỉ lệ với quang thông trong lúc dòng điện thuận không tăng. Hiện tượng này được dùng để chế tạo quang diod. Khi ánh sáng chiếu vào nối P-N có đủ năng lượng làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống ở sát hai bên mối nối làm mật độ hạt tải điện thiểu số t ng lên. Các hạt tải điện thiểu số này khuếch tán qua mối nối tạo nên dòng điện đáng kể cộng thêm vào dòng điện bảo hòa nghịch I0 tự nhiên của diod, thường là dưới vài trăm nA với quang diod Si và dưới vài chục µA với quang diod Ge. Độ ng diod tùy thu ất bán dẫn là Si, Ge hay Selenium vẽ sau ộ nhạ ủa ánh sáng c chất bá làm tă èn i P ực thu chạy qua.o hòa ngh I R V Ký hiệu Phân cực Hình 5 Bây giờ ta xem một nối P-N được phân cực nghịch. Thí nghiệm cho thấy khi chiếu sáng ánh sáng vào mối nối (giả sử diod được chế tạo trong su ă nhạy của qua đây cho thấy đ ộc vào ch y đó theo tần số c … Hình n dẫn này: chiếu vào cá Trang 151 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử λ(Ao) Độ nhạy (%) 100 75 50 25 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 0 Si Se Ge Tử ngoại Ánh sáng th Đặc tuyến V-I của quang diod với qua g là thông số cho thấy ở quang thông nhỏ khi điện thế phân cực nghịch nhỏ, dòng ng theo điện thế phân cực, nhưng khi điện ế ). nsistor là nới rộng đương nhiên của quang diod. Về mặt cấu tạo, quang transistor cũng giống như transistor thường nhưng cực nền để hở. Quang transistor có một t ác dòng điện rỉ (điện thế V lúc đó khoảng vài chục mV ở transistor Si) và nối thu-nền được phân cực nghịc hát được phân cực thuận chút ít nên dòng điện cực thu là Ico(1+β). Đây là dòng tối của quang transistor. ấy được Hồng ngoại 0 4000fc 3000fc 2000fc 1000fc L = 0 Điện thế phân cực nghịch Hình 7 Dòng điện nghịch mA Dòng tối 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ng thôn điện tă thế phân cực lớn hơn vài volt, dòng điện gần như bảo hòa (không đổi khi điện th phân cực nghịch tăng). khi quang thông lớn, dòng điện thay đổi theo điện thế phân cực nghịch. Tần số hoạt động của quang diod có thể lên đến hành MHz. Quang diod cũng như quang điện trở thường được dùng trong các mạch điều khiển để đóng - mở mạch điện (dẫn điện khi có ánh sáng chiếu vào và ngưng khi tối). IV. QUANG TRANSISTOR (PHOTO TRANSISTOR Quang tra hấu kính trong suốt để tập trung ánh sáng vào nối P-N giữa thu và nền. Khi cực nền để hở, nối nền-phát được phân cực thuậnchút ít do c BE h nên transistor ở vùng tác động. Vì nối thu-nền được phân cực nghịch nên có dòng rỉ Ico chạy giữa cực thu và cực nền. Vì cực nền bỏ trống, nối nền-p Trang 152 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Khi có ánh sáng chiếu vào mối nối thu nền thì sự xuất hiện của iệ trống như trong quang diod làm phát sinh một dòng điện Iλ do ánh sáng nên dòng điện thu trở thành: IC=(β+1)(Ico+Iλ) Như vậy, trong quang transistor, cả dòng tối lẫn dòng chiếu sáng đều được nhân lên (β+1) lần so với quang diod nên dễ dàng sử dụng hơn. Hình trên trình bày đặc tính V-I của quang transistor với quang thông là một thông số. Ta ấy đặc tuyến này giống như đặc tuyến của transistor thường mắc theo kiểu cực phát chung. Có nhi quang transistor nh ột transistor dùng để c ch dùng trong các mạch điều khiển, mạch đếm… lo g transistor Darlington có độ nhạy rất cao. Ngoài ra người ta còn chế tạo các quang SCR, quang triac… Vài ứng dụng của quang transistor: Đây là mạch đơn giản để đo cường độ ánh sáng, biến trở 5K dùng để chuẩn máy nhờ ạch, quang transistor càng dẫn mạnh, kim điện kế lệch càng nhiều. Dĩ nhiên ở mạch trên ta cũng có thể dùng quang điện trở hay quang diod nhưng kém nhạy hơn. các cặp đ n tử và lỗ th ều loại ư loại m huyển mạ ại quan 1. Quang kế: một quang kế mẩu. Khi ánh sáng chiếu vào càng m 0 ∅5 ∅4 ∅3 ∅2 ∅1 VĐặc tuyến V-I CE Quang thông 4 5 IC (mA) 1 2 3 N P N B f R IC olt h VCC v Ký hiệu Phân cực Hình 8 Quang transistor Quang Darlington A T2 T1 G K Quang SCR Quang TRIAC Hình 9 Trang 153 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 2 óng hay tắt Relais: Trong mạch đóng relais, khi quang transistor được chiếu sáng nó dẫn điện làm T1 thông uang transistor không được chiếu sáng nên quang transistor ngưng và T luôn thông, Relais ở trạng V. D NG Ở quang trở, quang diod và quang transistor, năng lượng củaq ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn và cấp năng lượng cho các điện tử vượt dãi cấm. Ngược lại khi một điện tử từ dãi dẫn điện rớt xuống dãi hoá trị thí sẽ phát ra một năng lượng E=h.f Khi phân cực thuận một nối P-N, điện tử tự do từ vùng N xuyên qua vùng P và tái hợp với lỗ trống (về phương diện năng lượng ta nói các điện tử trong dãi dẫn điện – có năng lượng cao – rơi xuống dãi hoá trị - có năng lượng thấp – và kết hợp với lỗ trống), khi tái hợp thì sinh ra năng lượng. . Đ 9V 5KΩK Hình 10 T1T1 +12V T2 C T2 .1 .1R RelayRelay R +12V Hình 11 C , Relais hoạt động. Ngược lại trong mạch tắt relais, ở trạng thái thường trực q 1 thái đóng. Khi được chiếu sáng, quang transistor dẫn mạnh làm T1 ngưng, Relais không hoạt động (ở trạng thái tắt). IOD PHÁT QUANG (LED-LIGHT EMITTI DIODE). Trang 154 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Dải dẫn điện Dải hóa trị Dải cấmhf Đối với diod Ge, Si thì năng lượng phát ra dưới dạng nhệit. Nhưng đối với diod cấ tạo bằng GaAs ( Hình 12 u Gallium Arsenide) năng lượng phát ra là ánh sáng hồng ngoại (không thấy trung ánh sáng phát ra ngoài. điện công suất t ưu điểm rất lớn của nối quang. Hình sau đây giới thiệu một số nối quang điển hình: được) dùng trong các mạch báo động, điều khiển từ xa…). Với GaAsP (Gallium Arsenide phosphor) năng lượng phát ra là ánh sáng vàng hay đỏ. Với GaP (Gallium phosphor), năng lượng ánh sáng phát ra màu vàng hoặc xanh lá cây. Các Led phát ra ánh sáng thấy được dùng để làm đèn báo, trang trí… Phần ngoài của LED có một thấu kính để tập Để có ánh sáng liên tục, người ta phân cực thuận LED. Tùy theo vật liệu cấu tạo, điện thế thềm của LED thay đổi từ 1 đến 2.5V và dòng điện qua LED tối đa khoảng vài mA. VI. NỐI QUANG. (OPTO COUPLER-PHOTOCOUPLER-OPTOISOLATOR) Một đèn LED và một linh kiện quang điện tử như quang transistor, quang SCR, quang Triac, quang transistor Darlington có thể tạo nên sự truyền tín hiệu mà không cần đường mạch chung. Các nối quang thường được chế tạo dưới dạng IC cho phép cách ly phần mà thường là cao thế khỏi mạch điều khiển tinh vi ở phía LED. Đây là mộ Ký hiệu LED Phân cực cc V R I D D V Đặc tuyến ID (mA) VD ( 10 8 6 4 2 0 volt)1 2 1.5 .7 3 Si GaAs GaAsP đỏ GaAsP vàng GaP lục Hình 13 Trang 155 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử 4N25 (Transistor output) 5 4N29 (Darlington output) 2 5 1 2 6 1 6 3 4 3 4 λ λ HC11C 1 2 3 6 4 MOC3021 (Triac output) 1 2 3 6 4 Hình sau đây giới thiệu một áp dụng của nối quang Bả ệ nối q ng khi n thế lớ bớ đ hi LED sáng, nối quang hoạt động kích hai SCR h (mỗi SCR hoạt động ở kỳ khi có xung kích từ nối quang) cấp dòng cho tải. - Khi LED tắt, nối quang n , 2 S ưng, ng t dòng qua tả là m t ví d ch lid e – - Q1: - K một bán o v ua điệ nguồn n (chia t dòng iện qua LED). oạt động gưng SSR (So CR ng – Stat ắ Relay). i. - Mạch này ộ ụ về mạ 2 (SCR output) 5 5 λ λ Hình 14 110Vrms 270 U1 MOC3021 1 2 6 4 51 51 0 51 0Q1 150 Tải Hình 15 I 30 V n 3V → 220VAC Trang 156 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử CH SƠ L I. KH VỀ IC - SỰ KẾT TỤ TRONG HỆ THỐNG phần tác động và thụ động đều đ y thân hoặc không thể tách rờ hể là một phiến bán dẫn (hầu hết là Si) hoặc một phiến cách điệ ậy thườn l ể hiện t tử cũ đuổi l các m từ tần yếu c nhiều củ Nhữ ất nhiều thành phần, bộ phận. Do đ đến hàng triệu, hàng vài chục triệu bộ phận rời. Nếu không thự thể tích của nó sẽ lớn một cách bất tiện mà điệ ức tạp. Mà nếu có thỏa mãn chăng nữa, thì máy i tiếp giữa chúng. Hệ thống cáng phức nhiều. Vì vậy, nếu dùng bộ phận rời cho c trặc rất n 3. T h t của một hệ thống điện tử gồm n thành phần sẽ là: ƯƠNG IX ƯỢC VỀ IC ÁI NIỆM ĐIỆN TỬ. IC (Intergated-Circuit) là một mạch điện tử mà các thành ược chế tạo kết tụ trong hoặc trên một đế (subtrate) ha i nhau được. Đế này, có t n. Một IC thường có kích thước dài rộng cỡ vài trăm đến vài ngàn micron, dày cỡ vài trăm micron được đựng trong một vỏ bằng kim lọai hoặc bằng plastic. Những IC như v g à một bộ phận chức năng (function device) tức là một bộ phận có khả năng th mộ chức năng điện tử nào đó. Sự kết tụ (integration) các thành phần của mạch điện ng như các bộ phận cấu thành của một hệ thống điện tử vẫn là hướng tìm tòi và theo âtừ u trong ngành điện tử. Nhu cầu của sự kết tụ phát minh từ sự kết tụ tất nhiên của ạch và hệ thống điện tử theo chiều hướng từ đơn giản đến phức tạp, từ nhỏ đến lớn, số thấp (tốc độ chậm) đến tần số cao (tốc độ nhanh). Sự tiến triển này là hậu quả tất ủa nhu cầu ngày càng tăng trong việc xử lý lượng tin tức (information) ngày càng a xã hội phát triển. ng hệ thống điện tử công phu và phức tạp gồm r ó nảy ra nhiều vấn đề cần giải quyết: 1. Khoảng không gian mà số lượng lớn các thành phần chiếm đoạt (thể tích). Một máy tính điện tử cần dùng c hiện bằng mạch IC, thì không những n năng cung cấp cho nó cũng sẽ vô cùng ph cũng không thực dụng. 2. Độ khả tín (reliability) của hệ thống điện tử: là độ đáng tin cậy trong hoạt động đúng theo tiêu chuẩn thiết kế. Độ khả tín của một hệ thống tất nhiên phụ thuộc vào độ khả tín của các thành phần cấu thành và các bộ phận nố tạp, số bộ phận càng tăng và chỗ nối tiếp càng ác hệ thống phức tạp, độ khả tín của nó sẽ giảm thấp. Một hệ thống như vậy sẽ trục hanh. uổi thọ trung bìn n21 1 ......1 t 1 t 1 +++= tt Nếu t1=t2=...=tn thì n tt i= Trang 157 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Vậy nếu một transistor có tuổi thọ là 108h, thì một máy tính gồm 500000 ngàn transistor sẽ chỉ có tuổi thọ giôø 200 5 108 = 10. 5 IC được chế tạo đồng thời và cũng cùng phương pháp, nên tuổi thọ IC xấp xỉ một tuổi thọ một transistor Planar. 4. Một hệ thống (hay một máy) điện tử có cấu tạo như hình vẽ: Song khái m với mật , nằm hướng tới việc kết tụ toàn thể hệ thống điện tử trên một phiếm (chíp) Các thành phần trong Vật liệu Bộ phận linh kiện Mạch điện tử cơ bản Bộ phận cấu thành hệ thống Hệ thốn điện tử g ố Bộ phận chức năng Sự kết tụ áp dụng vào IC thường thực hiện ở giai đoạn bộ phận chức năng. niệ kết tụ không nhất thiết dừng lại ở giai đoạn này. Người ta vẫn nỗ lực để kết tụ độ cực cao trong IC Năm 1947 1950 1961 1966 1971 1980 1985 1990 Công nghệ Phát minh Transi -stor Linh kiện rời SSI MSI LSI VLSI ULSI GSI Số Transistor trên 1 chip t thương rong các sản phẩm 1 1 10 100→ 1000 1000→ 20000 20000 → 500000 >500000 >1000000 mại Các sản Linh Mạch Vi xử lý phẩm biể BJT kiện planar, Flip Flop đếm, đa cộng Vi xử lý 8 bit, Vi xử chuyên dụng, xử thực tiêu u Diode Cổng logic, hợp, mạch ROM, RAM lý 16 và 32 bit lý ảnh, thờI gian SSI: Small scale integration: Tích hợp qui mô nhỏ MSI: Medium scale intergration: Tích hợp qui mô trung bình scale integration: Tích hợp theo qui mô lớn GSI: Ultra large scal : Tích h mô khổng lồ Tóm lại, công nhệ IC đưa ng điểm l ỹ thuật linh kiện rời như sau - Giá thành sản phẩm - Kích cỡ - Độ khả tín cao (tất cả các thành ph c chế tạo cùng lúc và không có những LSI: Large e integration ợp qui đến nhữ hạ ợi so với k : nhỏ ần đượ Trang 158 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử điểm hàn, nối). - Tăng chất lượng (do giá thành hạ, các mặt phức tạp hơn có thể được chọn để hệ thống nhất). - Các linh kiện được phối hợp tốt (matched). Vì tất cả các transistor được chế tạo đồng cùng một qui trình nên các thông số tương ứng của chúng về cơ bản có cùng độ lớn đối với sự biến thiên của nhiệt độ. l rên một đế bằng chất cách điện, dùng các lớp mà n các thành phần khác. ở, tụ điện, và cuộn cảm điện trở súât nhỏ như Au, Al,Cu... điện trở suất lớn như Ni-Cr; Ni-Cr-Al; bản cực và dùng màng điện môi SiO; ó điện dung lớn hơn 0,02µF/cm2. ạo được cảm lớn ợplý. Trong sơ đồ IC, ngườ ránh dùng cuộn cảm để không Cách điện giữa các bộ phận: Dùng SiO; SiO2; Al2O3. Transistor màng mỏng được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng vào IC i đoậ ực dụng, u p i là ng thực dụng. 2. IC đơn tính thể (Monolithic IC): dùng một đế (Subtrate) bằng chất g là Si). Trên (hay trong) đế đó, người ta chế tạo tran tor de iện ở, tụ điện. Rồi dùng chất cách điện SiO2 để phủ lên che chở cho các b hận ớp iO2, dùng màng kim loại để nối các bộ phận với nhau. − Transistor, diode đều là các bộ phận bán dẫn. − Điện trở: được chế tạo bằng cách lợi dụng điện trở của lớp bán dẫn có khuếch tán tạp chất. − Tụ điện: Được chế tạo bằng cách lợi dụng điện dung của vùng hiếm i một nối P-N bị phân cực nghịch. Đôi khi người ta thêm những thành phần khác hơn của các thành p n kể trên ể dùng cho các mục đích đặc thù đạt đến những tính năng tốt thời và - Tuổi thọ cao. II. CÁC LOẠI IC. Dựa trên qui trình sản xuất, có thể chia IC ra làm 3 1. IC màng (film IC): oại: T ng tạo nê Loại này chỉ gồm các thành phần thụ động như điện tr − Dây nối giữa các bộ phận: Dùng màng kim loại có − Điện trở: Dùng màng kim loại hoặc hợp kim có Cr-Si; Cr có thể tạo nên điện trở có trị số rất lớn. mà thôi. − Tụ điện: Dùng màng kim loại để đóng vai trò SiO2, Al2O3; Ta2O5. Tuy nhiên khó tạo được tụ c − Cuộn cảm: dùng một màng kim loại hình xoắn. Tuy nhiên khó t thước h cuộn quá 5µH với kích i ta t chiếm thể tích. − Có một thời, màng. Nhưng tiếc là transistor màng chưa đạt đến gia ít có triển vọ n th nế không hả Còn gọi là IC bán dẫn (Semiconductor IC) – là IC bán dẫn (thườn sis , dio , đ ộ p đó trên ltr S tạ có thể hầ đ Trang 159 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Các thành phần trên được chế tạo thành một số rất nhiều trên cùng một chip. Có rất hiều mối nối giữa chúng và chúng được cách ly nhờ những nối P-N bị phân cực nghịch (điện àng trăm MΩ) 3. IC lai (hibrid IC). Là loại IC lai giữa hai loại trên Từ vi mạch màng mỏng (chỉ chứa các thành phần thụ động), n a gắn ngay trên đế của nó những thành phần tích cực (transistor, diode) tại những n i đã dành sẵn. Các transistor và diode gắn trong mạch lai không cần có vỏ hay để riêng được bảo vệ bằng một lớp men tráng. Ưu điểm của mạch lai là: - Có thể tạo nhiều IC (Digital hay Analog) - Có khả năng tạo ra các phần tử thụ động có các giá trị khác nhau với sai số nhỏ. iode và ngay cả hế tạo, người ta có thể dùng qui trình phối hợp. Các thành phần tác động nên các đặc tính và thông số của các thành phần thụ độ uộc vào các đặc tính và thông số của các thành phần tác động mà chỉ ph lựa chọn vật liệu, bề dầy và hình dáng. Ngoài ra, vì các transistor của IC lo ật màng, trên một diện Điều khiển tốc độ ngưn rất cao. III. ƠN TINH TH oạn chế tạo một IC đơn tinh thể có thành phần tác động là BJT, được đơn giản n trở có h gười t ơ , mà chỉ cần - Có khả năng đặt trên một đế, các phần tử màng mỏng, các transistor, d các loại IC bán dẫn. Thực ra khi c được chế tạo theo các thành phần kỹ thuật planar, còn các thành phần thụ động thì theo kỹ thuật màng. Nhưng vì quá trình chế tạo các thành phần tác động và thụ động được thực hiện không đồng thời ng không phụ th ụ thuộc vào việc ại này nằm trong đế, nên kích thước IC được thu nhỏ nhiều so với IC chứa transistor rời. IC chế tạo bằng qui trình phối hợp của nhiều ưu điểm. Với kỹ thu tích nhỏ có thể tạo ra một điện trở có giá trị lớn, hệ số nhiệt nhỏ. g động của màng, có thể tạo ra một màng điện trở với độ chính xác SƠ LƯỢC VỀ QUI TRÌNH CHẾ TẠO MỘT IC Đ Ể. Các giai đ hóa gồm các bước sau: Bước 1: 0.15mm 25 – 75mm n - Si Nền P-Si n - Si Nền P-Si 0.5µm SiO2 Hình 1 0.025mm 0.15mm Trang 160 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử a. Từ một nền P-Si (hoặc n-Si) đơn tinh thể b. Tạo một lớp epitaxy mỏng loại N-Si Đầu tiên, vẽ sơ đồ những nơi cần mở cửa sổ, chụp hình sơ đồ rồi lấy phim Những nơi cần mở của sổ là vùng tối trên phim a. Bôi m cản quang trên bề mặt. Đặt phim ở trên rọi tia phim b ể vào dung dịch tricloetylen. Chỉ ữ các b.Lại đem ịch fluorhydric. Chỉ nhữ hác nhờ lớp cản quang che chở. Đem tẩy lớp cản quang d. Khuếch tán chất bán dẫn P sâu đến thân, tạo ra các đảo N. e. Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn P vào các đảo N (khuếch tán Base) f. Lại mở cửa sổ, khuếch tán chất bán dẫn N vào (khuếch tán Emitter) g. Phủ kim loại. Thực hiện các chỗ nối Thí dụ: Một mạch điện đơn giản như sau, được chế tạo dưới dạng IC đơn tinh thể. c. Phủ một lớp cách điện SiO2 Bước 2: Dùng phương pháp quang khắc để khử lớp SiO2 ở một số chỗ nhất định, tạo ra các cửa sổ ở bề mặt tinh thể. Từ các cửa sổ, có thể khuếch tán tạp chất vào. P-Si film uv Chất cảm quang SiO2 n-Si P-Si Chất cảm âm bản, thu nhỏ lại. ột lớp quang SiO2 n-Si Hòa tan Rắn lại P-Si cực tím vào những nơi cần mở cửa sổ được lớp đen trên ảo vệ. Nhúng tinh th Hòa tan nh ng nơi cần mở cửa sổ lớp cản quang mới bị hòa tan, nơi khác rắn lại. tinh thể nhúng vào dung d ng nơi cần mở cửa sổ lớp SiO2 bị hòa tan, những nơi k c. SiO2 n-Si Thân P n n SiO2 Khuếch tán p Đảo Nền P n n SiO2 Khuếch tán Base p p Nền P n n SiO2 Khuếch tán Emitter p p n n Hình 2 5 1 D1 D1 3 42 R Hình 3 Trang 161 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trang 162 Biên soạn: Trương Văn Tám IV. IC SỐ (IC DIGITAL) VÀ IC TƯƠNG TỰ (IC ANALOG). Dựa trên chức năng xử lý tín hiệu, người ta chia IC là hai loại: IC Digital và IC Analog (còn gọi là IC tuyến tính) 1. IC Digital: Là loại IC xử lý tín hiệu số. Tín hiệu số (Digital signal) là tín hiệu có trị giá nhị phân (0 và 1). Hai mức điện thế tương ứng với hai trị giá (hai logic) đó là: - Mức High (cao): 5V đối với IC CMOS và 3,6V đối với IC TTL - Mức Low (thấp): 0V đối với IC CMOS và 0,3V đối với IC TTL Thông thường logic 1 tương ứng với mức H, logic 0 tương ứng với mức L Logic 1 và logic 0 để chỉ hai trạng thái đối nghịch nhau: Đóng và mở, đúng và sai, cao và thấp… Chủng loại IC digital không nhiều. Chúng chỉ gồm một số các loại mạch logic căn bản, gọi là cổng logic. Về công nghệ chế tạo, IC digital gồm các loại: - RTL: Resistor – Transistor logic - DTL: Diode – Transistor logic - TTL: Transistor – Transistor logic Thân p n p n p n+ n p n+ n+n+ n+ Điện trở 2B Diode 1B Transistor 5 4B Diode nối 3B Kim loại Al B SiOB2 Collector Base Emitter Tiếp xúc kim loại Hình 4B Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Trang 163 Biên soạn: Trương Văn Tám - MOS: metal – oxide Semiconductor - CMOS: Complementary MOS 2. IC analog: Là loại IC xử lý tín hiệu Analog, đó là loại tín hiệu biến đổi liên tục so với IC Digital, loại IC Analog phát triển chậm hơn. Một lý do là vì IC Analog phần lớn đều là mạch chuyện dụng (special use), trừ một vài trường hợp đặc biệt như OP-AMP (IC khuếch đại thuật toán), khuếch đại Video và những mạch phổ dụng (universal use). Do đó để thoả mãn nhu cầu sử dụng, người ta phải thiết kế, chế tạo rất nhiều loại khác nhau. Tài liệu tham khảo ********** 1. Fleeman - Electronic Devices, Discrete and Intergrated - Printice - Hall International- 1998. 2. Boylestad and Nashelky - Electronic Devices and Circuit Theory - Printice - Hall International 1998. 3. J.Millman - Micro electronics, Digital and Analog, Circuits and Systems - Mc.Graw.Hill Book Company - 1979. 4. Nguyễn Hữu Phương - Điện tử trung cấp - Sở Giáo Dục & Đào Tạo TP HCM-1992