Bài giảng Linh kiện và mạch điện tử

BK
TP.HCM
2016
dce
ELECTRONIC DEVICES AND 
CIRCUIT
Faculty of Computer Science and Engineering
Department of Computer Engineering
Vo Tan Phuong
2016
dce
2ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chapter 1
Diode
2016
dce
3ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của Diode
2016
dce
4ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Welcome to EDAC
• Instructor: Võ Tấn Phương
 Email: vtphuong@cse.hcmut.edu.vn
• Course Web Page:
–  
2016
dce
5ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Tài liệu tham khảo?
• Electronic devices and circuit theory
– 11th Edition, 
– Robert L. Boylestad
– Louis Nashelsky
2016
dce
6ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung học dự kiến
• Giới thiệu, Diode 
(2 tuần)
• BJT Transistor 
(2 tuần)
• FET Transistor 
(1 tuần)
• Mạch ứng dụng
transistor 
(1 tuần)
• Mạch khếch đại thuật
toán OPAMP 
(3 tuần)
• Điều khiển công suất
(1 tuần)
2016
dce
7ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mục tiêu sinh viên đạt được
• Hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình của các linh 
kiện điện tử chủ yếu như Diode, BJT và FET transistor
• Xác định được các thông số thực và liên kết đến hoạt
động vật lý của thiết bị
• Phân tích hoạt động ở trạng thái ổn định của các mạch
điện tử ứng dụng cơ bản như mạch khuyếch đại, mạch
khuyếch đại thuật toán
• Phân tích đáp ứng tần số của một số mạch đơn giản
• Biết cơ bản về một số mạch công suất
• Sử dụng công cụ mô phỏng SPICE để mô hình các linh
kiện mới, để vẽ mạch, để mô phỏng và để phân tích hoạt
động của các mạch điện tử
2016
dce
8ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Phân chia điểm
• Bài tập, thực hành 30%
– Mô phỏng mạch bằng SPICE
– Thiết kế sản phẩm
• Kiểm tra giữa kỳ 20%
– Trắc nghiệm
• Thi 50%
– Trắc nghiệm
• Điểm cộng khác (tối đa cộng 2 điểm vào mỗi thành
phần tương ứng)
2016
dce
9ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện
và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của
Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của
Diode
2016
dce
10ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Tổng quan về cấu trúc “nguyên tử”
• Gồm có: hạt nhân (proton, neutron) và
electron
• Bình thường nguyên tử trung hòa về
điện, số lượng proton (+) = số lượng
electron (-)
• Các electron chuyển động trên những
tầng quỹ đạo (shell) khác nhau
• Tầng càng xa hạt nhân có mức năng
lượng càng cao
• Tầng ngoài cùng gọi là tầng hóa trị
(valence), các electron trên tầng này
là các electron hóa trị
2016
dce
11ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chất bán dẫn, dẫn điện và cách điện
• Dòng điện là dòng chuyển động của các hạt mang điện
• Để chuyển động theo dòng, các hạt mang điện phải ở
trạng thái tự do trong vùng dẫn (conduction band)
• Khoảng cách mức năng lượng giữa vùng hóa trị và vùng
dẫn Eg quyết định tính chấn dẫn điện của vật liệu
2016
dce
12ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chất bán dẫn nền
• Có 3 loại chất bán dẫn nền (tinh
khiết) phổ biến hiện nay: Si, Ge (đơn
tinh thể) và GaAs (đa tinh thể)
• Mạng tinh thể liên kết cộng hóa trị
bền vững (1 liên kết đủ 2 electron 
hóa trị)
2016
dce
13ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Tính dẫn điện của “chất bán dẫn nền”
• Tại nhiệt độ phòng (27oC), vài electron hóa trị nhận đủ
năng lượng để nhảy lên vùng dẫn trở thành electron tự
do
• Đồng thời liên kết cộng hóa trị thiếu electron được tạo ra
gọi là lỗ trống
2016
dce
14ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Tính dẫn điện của “chất bán dẫn nền” 
(tt)
• Khi không phân cực, 
sự hình thành cặp
electron-hole và sự
kết hợp trở lại xảy ra
một cách tự nhiên
• Khi phân cực (đặt
điện thế hai đầu tạo
ra điện trường), các
electron tự do di 
chuyển đến cực + và
lỗ trống di chuyển
đến cực – (=> có
dòng điện I chạy qua)
I nhỏ hay lớn?
2016
dce
15ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Dòng dịch chuyển “lỗ trống”
2016
dce
16ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chất bán dẫn loại N
• Đưa các nguyên tử có 5 electron
hóa trị vào mạng tinh thể chất bán
dẫn nền
• Electron thứ 5 thừa tại vị trí nguyên
tử mới (Donor) và trở thành electron
tự do
• Số lượng electron tự do tăng lên
đáng kể, electron là hạt mang
điện chính
• Vẫn tồn tại cặp electron tự do – lỗ
trống (sinh ra bởi nhiệt, ánh sáng
...), lỗ trống là hạt mang điện phụ
• Về tổng thể, chất bán dẫn N trung
hòa về điện
2016
dce
17ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chất bán dẫn loại P
• Đưa các nguyên tử có 3 electron
hóa trị vào mạng tinh thể chất bán
dẫn nền
• Liên kết cộng hóa trị thiếu electron
(lỗ trống) được sinh ra tại vị trí
nguyên tử mới thêm vào (acceptor)
• Số lượng lỗ trống tăng lên đáng
kể, lỗ trống là hạt mang điện chính
• Vẫn tồn tại cặp electron tự do – lỗ
trống (sinh ra bởi nhiệt, ánh sáng
...), electron tự do là hạt mang điện
phụ
• Về tổng thể, chất bán dẫn P trung
hòa về điện
2016
dce
18ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện
và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của
Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của
Diode
2016
dce
19ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mối nối PN = Diode
• Diode có cấu tạo từ hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc
với nhau (mối nối PN)
• Khi hai khối bán dẫn P-N tiếp xúc:
– Electron tự do bên N khuếch tán sang P lấp đầy lỗ trống  tạo
nên vùng nghèo (không có nhiều hạt mang điện tự do)
– Nguyên tử “donor” bên N mất electron thành ion dương
– Nguyên tử “acceptor” bên P nhận electron  thành ion âm
• Điện thế rào cản sinh ra  cản trở sự khuếch tán
2016
dce
20ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode - Phân cực ngược
• P nối vào cực âm, N nối vào cực dương:
– Electron tự do bên N sẽ di chuyển về cực dương, lỗ trống bên P
sẽ di chuyển về cực âm  vùng nghèo được nới rộng; dòng
điện tạo bơi các hạt mang điện chính ≈ 0
– Các hạt mang điện phụ (electron tự do bên P, lỗ trống bên N) sẽ
di chuyển qua vùng nghèo tạo thành dòng điện bão hòa ngược
(IS)  I rất bé (tầm vài microampere đến vài chục picoampere) 
2016
dce
21ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Đánh thủng khi phân cực ngược
• Khi điện áp phân cực ngược tăng đến giá trị
“điện áp đánh thủng” VBV:
– Dòng điện ngược tăng mãnh liệt (thác đổ)
• Nguyên nhân:
– Electron tự do thiểu số bên P nhận năng lượng lớn, 
tăng tốc qua vùng P va chạm các nguyên tử trong
mạng tinh thể đánh bật các electron hóa trị
– Các electron mới lại va chạm sinh ra electron tự do 
mới
2016
dce
22ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode - Phân cực thuận
• P nối vào cực dương, N nối vào cực âm:
– Dòng điện bão hòa ngược (IS) của các hạt mang điện phụ nhỏ
giống như trong trường hợp phân cực ngược
– Electron tự do bên N và lỗ trống bên P (hạt mang điện chính) có
xu hướng bị đẩy về mối nối  vùng nghèo bị thu hẹp
2016
dce
23ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode – Phân cực thuận (tt)
• Khi điện áp phân cực (VD) tăng đến một ngưỡng VK, các
electron tự do bên N dễ dàng qua mối nối đến cực
dương  dòng điện ID tăng đột biến theo hàm mũ
• IS là dòng điện ngược bão hòa
• n là hằng số tới hạn
• VT là điện thế nhiệt, k là hằng số Boltzmann, q là điện
tích của electron, TK là nhiệt độ tuyệt đối
2016
dce
24ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode – Đường đặc tuyến
2016
dce
25ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện
và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của
Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của
Diode
2016
dce
26ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode lý tưởng
• Diode lý tưởng được xem như một công tấc:
– Khi phân cực thuận, công tấc đóng
– Khi phân cực ngược, công tấc hở
• Điện thế rào cản, điện trở nội, dòng điện ngược được bỏ
qua
2016
dce
27ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode theo mô hình thực nghiệm
• Mô hình thực nghiệm của diode được xem như một
diode lý tưởng thêm vào điện thế rào cản:
– Khi phân cực thuận, điện thế rào cản VF được thêm vào
– Khi phân cực ngược, công tấc hở
2016
dce
28ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode theo mô hình hoàn chỉnh
• Mô hình hoàn chỉnh của diode được xem như một diode 
lý tưởng thêm vào điện thế rào cản và điện trở nội:
– Khi phân cực thuận, điện thế rào cản VF và điện trở rd
’ được
thêm vào
– Khi phân cực ngược, công tấc hở nối song song với điện trở rR
’
2016
dce
29ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện
và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của
Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của
Diode
2016
dce
30ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Các thông số chính trong Diode Datasheet
2016
dce
31ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
LED – Light Emitting Diode
• Là diode phát ra ánh
sáng khi có dòng điện
chạy qua (phân cực
thuận)
• Ánh sáng (photon) phát
ra do electron tự do tái
hợp với lỗ trống
• Chất bán dẫn nền để chế
tạo LED là mạng đa tinh
thể
2016
dce
32ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Diode Zener
• Ổn định điện áp tạo
nguồn áp tham chiếu
(ghim áp)
• Mối nối PN được
thiết kế để hoạt động
trong vùng phân cực
nghịch
2016
dce
33ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Nội dung trình bày
• Giới thiệu môn học “Linh kiện
và Mạch điện tử” 
• Chất bán dẫn
• Mối nối PN
• Mạch tương đương của
Diode
• Các loại Diode thông dụng
• Các mạch ứng dụng của
Diode
2016
dce
34ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mạch chỉnh lưu bán chu kỳ
• Biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều
• Sử dụng một Diode
2016
dce
35ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mạch chỉnh lưu bán chu kỳ (tt)
2016
dce
36ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mạch chỉnh lưu bán chu kỳ (tt)
• Giá trị trung bình của áp chỉnh lưu bán chu kỳ (giá trị
trên đồng hồ đo Volt DC):
– Điện thế ngõ ra: 
– Điện thế trung bình:
2016
dce
37ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mạch chỉnh lưu bán toàn chu kỳ
• Biến đổi điện
xoay chiều thành
một chiều
• Dùng 2 hoặc 4
Diode
2016
dce
38ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Mạch chỉnh lưu bán toàn chu kỳ (tt)
• Giá trị trung bình của áp chỉnh lưu bán chu kỳ (giá
trị trên đồng hồ đo Volt DC):
– Điện thế ngõ ra: 
– Điện thế trung bình:
2016
dce
39ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Chỉnh lưu toàn chu kỳ dùng mạch cầu
2016
dce
40ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Bộ nguồn DC hoàn chỉnh đơn giản
2016
dce
41ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Giảm độ nhấp nhô của mạch chỉnh lưu
2016
dce
42ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Giảm độ nhấp nhô của mạch chỉnh lưu
• So sánh độ nhấp nhô của mạch lọc dùng tụ cho mạch
chỉnh lưu bán chu kỳ và toàn chu kỳ
2016
dce
43ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT– Chapter 1 © Spring 2016
Bộ nguồn DC hoàn chỉnh đơn giản