Thiết bị bán dẫn - Hướng dẫn nhanh

Người ta thường thấy rằng khoảng cách của hạt nhân từ electron của một nguyên tử cụ thể là không bằng nhau. Thông thường, các electron quay theo một quỹ đạo xác định rõ. Một số lượng cụ thể của các electron chỉ có thể được giữ bởi vỏ ngoài hoặc quỹ đạo. Tính dẫn điện của nguyên tử chịu ảnh hưởng chủ yếu của các electron của lớp vỏ ngoài cùng. Các electron này liên quan rất nhiều đến độ dẫn điện.

Chất dẫn điện và chất cách điện

Sự dẫn điện là kết quả của sự chuyển động không đều hoặc không kiểm soát của các electron. Những chuyển động này làm cho một số nguyên tử trở nên tốtelectrical conductors. Một vật liệu có loại nguyên tử như vậy có nhiều electron tự do ở vỏ ngoài hoặc quỹ đạo của nó.

So sánh, một insulating materialcó số lượng electron tự do tương đối nhỏ. Do đó, các electron vỏ ngoài của chất cách điện có xu hướng giữ vị trí của chúng một cách chắc chắn và hầu như không cho phép bất kỳ dòng điện nào chạy qua nó. Do đó, trong vật liệu cách điện, quá trình dẫn điện diễn ra rất ít.

Chất bán dẫn

Giữa chất dẫn điện và chất cách điện, có một phân loại nguyên tử (vật chất) thứ ba được gọi là chất bán dẫn. Nói chung, độ dẫn điện của chất bán dẫn nằm giữa độ dẫn điện của kim loại và chất cách điện. Tuy nhiên, ở nhiệt độ không tuyệt đối, chất bán dẫn cũng hoạt động như một chất cách điện hoàn hảo.

Silicon và germaniumlà những phần tử bán dẫn quen thuộc nhất. Đồng oxit, cadmium-sulfide và gallium arsenide là một số hợp chất bán dẫn khác thường được sử dụng. Những loại vật liệu này thường được phân loại là phần tử loại IVB. Các nguyên tử như vậy có bốn electron hóa trị. Nếu chúng có thể loại bỏ bốn electron hóa trị, thì sự ổn định có thể được thực hiện. Nó cũng có thể đạt được bằng cách chấp nhận bốn electron.

Tính ổn định của một nguyên tử

Khái niệm về tính ổn định của nguyên tử là một yếu tố quan trọng trong trạng thái của vật liệu bán dẫn. Số electron tối đa trong vùng hóa trị là 8. Khi có đúng 8 electron trong vùng hóa trị thì có thể nói nguyên tử đó bền. Trong mộtstable atom, liên kết của các electron hóa trị rất cứng. Các loại nguyên tử này là chất cách điện tuyệt vời. Trong các nguyên tử như vậy, các electron tự do không có khả năng dẫn điện.

Ví dụ về các nguyên tố ổn định là các chất khí như Argon, Xenon, Neon và Krypton. Do đặc tính của chúng, những khí này không thể trộn lẫn với vật liệu khác và thường được gọi làinert gases.

Nếu số electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng nhỏ hơn 8 thì nguyên tử đó được cho là không bền, tức là nguyên tử có ít hơn 8 electron hóa trị thì không bền. Chúng luôn cố gắng mượn hoặc tặng các electron từ các nguyên tử lân cận để trở nên ổn định. Các nguyên tử ở lớp vỏ ngoài với các điện tử hóa trị 5, 6 hoặc 7 có xu hướng mượn các điện tử từ các nguyên tử khác để tìm kiếm sự ổn định, trong khi các nguyên tử có một, hai hoặc ba điện tử hóa trị có xu hướng giải phóng các điện tử này cho các nguyên tử khác gần đó.

Bất cứ thứ gì có trọng lượng đều là vấn đề. Theo lý thuyết về nguyên tử, tất cả vật chất, dù ở thể rắn, lỏng hay khí đều được cấu tạo bởi các nguyên tử. Nguyên tử chứa một phần trung tâm gọi là hạt nhân, chứa các nơtron và proton. Thông thường, proton là các hạt mang điện dương và neutron là các hạt mang điện trung hòa. Các electron là các hạt mang điện tích âm được sắp xếp theo quỹ đạo xung quanh hạt nhân theo cách tương tự như dãy hành tinh xung quanh Mặt trời. Hình dưới đây cho thấy thành phần của một nguyên tử.

Nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được cho là có số proton, neutron và electron khác nhau. Để phân biệt nguyên tử này với nguyên tử khác hoặc để phân loại các nguyên tử khác nhau, một số chỉ số proton trong hạt nhân của một nguyên tử nhất định, được gán cho các nguyên tử của mỗi nguyên tố đã xác định. Con số này được gọi làatomic numbercủa phần tử. Số hiệu nguyên tử của một số nguyên tố liên quan đến việc nghiên cứu chất bán dẫn được cho trong bảng sau.

Thành phần	Biểu tượng	Số nguyên tử
Silicon	Si	14
Gecmani	Ge	32
Thạch tín	Như	33
Antimon	Sb	51
Indium	Trong	49
Gali	Ga	31
Boron	B	5

Thông thường, một nguyên tử có số proton và electron hành tinh bằng nhau để duy trì điện tích thuần của nó ở mức không. Các nguyên tử thường kết hợp để tạo thành các phân tử hoặc hợp chất ổn định thông qua các điện tử hóa trị có sẵn của chúng.

Quá trình kết hợp của các electron hóa trị tự do thường được gọi là bonding. Sau đây là các loại liên kết khác nhau diễn ra trong các tổ hợp nguyên tử.

Liên kết ion
Liên kết cộng hóa trị
Liên kết kim loại

Bây giờ chúng ta hãy thảo luận chi tiết về các liên kết nguyên tử này.

Liên kết ion

Mỗi nguyên tử đang tìm kiếm sự ổn định khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành phân tử. Khi vùng hóa trị chứa 8 electron, nó được cho làstabilized condition. Khi các điện tử hóa trị của một nguyên tử kết hợp với các điện tử của một nguyên tử khác để trở nên bền vững, nó được gọi làionic bonding.

Nếu một nguyên tử có nhiều hơn 4 electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng thì nó đang tìm kiếm thêm electron. Nguyên tử như vậy thường được gọi làacceptor.
Nếu bất kỳ nguyên tử nào giữ ít hơn 4 electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng, chúng sẽ cố gắng di chuyển ra khỏi các electron này. Những nguyên tử này được gọi làdonors.

Trong liên kết ion, các nguyên tử cho và nhận thường kết hợp với nhau và sự kết hợp trở nên ổn định. Muối thông thường là một ví dụ phổ biến của liên kết ion.

Các hình sau đây minh họa một ví dụ về các nguyên tử độc lập và liên kết ion.

Có thể thấy trong hình trên rằng nguyên tử natri (Na) nhường 1 điện tử hóa trị của nó cho nguyên tử clorua (Cl) có 7 điện tử hóa trị. Nguyên tử clorua ngay lập tức trở nên cân bằng âm quá mức khi nó nhận thêm điện tử và điều này khiến nguyên tử trở thành ion âm. Mặt khác, nguyên tử natri mất điện tử hóa trị và nguyên tử natri sau đó trở thành ion dương. Như chúng ta đã biết không giống như các điện tích hút, các nguyên tử natri và clorua liên kết với nhau bằng một lực tĩnh điện.

Liên kết cộng hóa trị

Khi các điện tử hóa trị của các nguyên tử lân cận được chia sẻ với các nguyên tử khác, liên kết cộng hóa trị diễn ra. Trong liên kết cộng hóa trị, các ion không được tạo thành. Đây là sự khác biệt duy nhất trong liên kết cộng hóa trị và liên kết ion.

Khi một nguyên tử chứa bốn electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng, nó có thể chia sẻ một electron với bốn nguyên tử lân cận. Lực cộng hóa trị được thiết lập giữa hai điện tử liên kết. Các electron này luân phiên chuyển dịch quỹ đạo giữa các nguyên tử. Lực cộng hóa trị này liên kết các nguyên tử riêng lẻ với nhau. Hình minh họa về liên kết cộng hóa trị được thể hiện trong các hình sau.

Trong cách sắp xếp này, chỉ hạt nhân và các electron hóa trị của mỗi nguyên tử được hiển thị. Cặp electron được tạo ra do các nguyên tử riêng lẻ liên kết với nhau. Trong trường hợp này, cần năm nguyên tử để hoàn thành hành động liên kết. Quá trình liên kết mở rộng theo mọi hướng. Mỗi nguyên tử bây giờ được liên kết với nhau trong một mạng tinh thể và một cấu trúc tinh thể được hình thành bởi mạng tinh thể này.

Liên kết kim loại

Loại liên kết thứ ba thường xảy ra trong các chất dẫn điện tốt và nó được gọi là liên kết kim loại. Trong liên kết kim loại, lực tĩnh điện tồn tại giữa các ion dương và electron. Ví dụ, vùng hóa trị của đồng có một điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng của nó. Electron này có xu hướng di chuyển xung quanh vật liệu giữa các nguyên tử khác nhau.

Khi electron này rời khỏi một nguyên tử, nó ngay lập tức đi vào quỹ đạo của nguyên tử khác. Quá trình này được lặp đi lặp lại trên cơ sở không ngừng nghỉ. Một nguyên tử trở thành một ion dương khi một electron rời khỏi nó. Đây là mộtrandom process. Có nghĩa là một electron luôn liên kết với một nguyên tử. Nó không có nghĩa là electron được liên kết với một quỹ đạo cụ thể. Nó luôn chuyển vùng theo các quỹ đạo khác nhau. Kết quả là, tất cả các nguyên tử có khả năng chia sẻ tất cả các electron hóa trị.

Các điện tử lơ lửng trong một đám mây bao phủ các ion dương. Đám mây lơ lửng này liên kết các electron một cách ngẫu nhiên với các ion. Hình sau đây cho thấy một ví dụ về liên kết kim loại của đồng.

Số lượng electron ở vòng ngoài cùng của nguyên tử vẫn là lý do tạo ra sự khác biệt giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Như chúng ta đã biết, vật liệu rắn chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị điện để thực hiện quá trình dẫn điện tử. Những vật liệu này có thể được tách thành chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện.

Tuy nhiên, chất dẫn điện, chất bán dẫn và chất cách điện được phân biệt bằng biểu đồ mức năng lượng. Lượng năng lượng cần thiết để khiến một electron rời khỏi vùng hóa trị của nó và chuyển sang trạng thái dẫn sẽ được tính ở đây. Sơ đồ là tổng hợp của tất cả các nguyên tử trong vật liệu. Biểu đồ mức năng lượng của chất cách điện, chất bán dẫn và chất dẫn điện được biểu diễn trong hình sau.

Dải hóa trị

Phần dưới cùng là valence band. Nó biểu thị các mức năng lượng gần hạt nhân nhất của nguyên tử và các mức năng lượng trong vùng hóa trị giữ đúng số electron cần thiết để cân bằng điện tích dương của hạt nhân. Do đó, ban nhạc này được gọi làfilled band.

Trong vùng hóa trị, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân. Di chuyển lên trong mức năng lượng, các electron liên kết nhẹ hơn trong mỗi mức kế tiếp về phía hạt nhân. Không dễ làm xáo trộn các electron trong các mức năng lượng gần hạt nhân hơn, vì chuyển động của chúng đòi hỏi năng lượng lớn hơn và mỗi quỹ đạo electron có một mức năng lượng riêng biệt.

Băng dẫn

Dải trên cùng hoặc ngoài cùng trong biểu đồ được gọi là conduction band. Nếu một điện tử có mức năng lượng nằm trong dải này và tương đối tự do chuyển động xung quanh trong tinh thể, thì nó dẫn điện.

Trong điện tử bán dẫn, chúng ta quan tâm chủ yếu đến vùng hóa trị và vùng dẫn. Sau đây là một số thông tin cơ bản về nó -

Dải hóa trị của mỗi nguyên tử thể hiện mức năng lượng của các electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng.
Một lượng năng lượng xác định phải được thêm vào các electron hóa trị để khiến chúng đi vào vùng dẫn.

Khoảng cách bị cấm

Các vùng hóa trị và vùng dẫn được ngăn cách bởi một khoảng trống, bất cứ nơi nào tồn tại, được gọi là khe cấm. Để vượt qua khoảng trống bị cấm, cần một lượng năng lượng xác định. Nếu thiếu, các electron không được giải phóng để dẫn điện. Các electron sẽ vẫn ở trong vùng hóa trị cho đến khi chúng nhận thêm năng lượng để vượt qua khoảng trống bị cấm.

Trạng thái dẫn của một vật liệu cụ thể có thể được biểu thị bằng chiều rộng của khe hở cấm. Trong lý thuyết nguyên tử, chiều rộng của khoảng trống được biểu thị bằng vôn điện tử (eV). Một electron vôn được định nghĩa là lượng năng lượng thu được hoặc mất đi khi một electron chịu hiệu điện thế 1 V. Nguyên tử của mỗi nguyên tố có giá trị mức năng lượng khác nhau cho phép dẫn điện.

Lưu ý rằng forbidden regioncủa một chất cách điện là tương đối rộng. Để làm cho một chất cách điện đi vào quá trình dẫn điện sẽ cần một năng lượng rất lớn. Ví dụ, Thyrite.

Nếu chất cách điện hoạt động ở nhiệt độ cao, nhiệt năng tăng lên làm cho các điện tử của vùng hóa trị di chuyển vào vùng dẫn.

Như rõ ràng từ biểu đồ vùng năng lượng, khe hở cấm của chất bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với khe hở của chất cách điện. Ví dụ, silicon cần đạt được 0,7 eV năng lượng để đi vào vùng dẫn. Ở nhiệt độ phòng, việc bổ sung nhiệt năng có thể đủ để gây ra sự dẫn điện trong chất bán dẫn. Đặc tính đặc biệt này có tầm quan trọng lớn trong các thiết bị điện tử ở trạng thái rắn.

Trong trường hợp một vật dẫn, vùng dẫn và vùng hóa trị một phần phủ lên nhau. Theo một nghĩa nào đó, không có khoảng cách bị cấm. Do đó, các điện tử của vùng hóa trị có khả năng giải phóng để trở thành các điện tử tự do. Thông thường ở nhiệt độ phòng bình thường, sự dẫn điện ít xảy ra trong vật dẫn.

Như đã thảo luận trước đó, có thể có một hoặc nhiều electron tự do trên mỗi nguyên tử di chuyển khắp bên trong kim loại dưới tác dụng của một trường tác dụng.

Hình dưới đây cho thấy sự phân bố điện tích trong kim loại. Nó được gọi làelectron-gas description of a metal.

Các hashed regionbiểu diễn hạt nhân mang điện tích dương. Các chấm màu xanh lam đại diện cho các electron hóa trị ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Về cơ bản, những electron này không thuộc về bất kỳ nguyên tử cụ thể nào và kết quả là chúng mất đi bản sắc riêng và chuyển vùng tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Khi các electron chuyển động liên tục, hướng vận chuyển sẽ thay đổi ở mỗi lần va chạm với các ion nặng. Điều này dựa trên lý thuyết electron-khí của một kim loại. Khoảng cách trung bình giữa các va chạm được gọi làmean free path. Các electron, đi qua một đơn vị diện tích, trong kim loại theo hướng ngược lại trong một thời gian nhất định, một cách ngẫu nhiên, làm cho dòng điện trung bình bằng không.

Khi đặt điện áp vào thiết bị bán dẫn, dòng điện tử chạy về phía dương của nguồn và dòng lỗ trống chạy về phía âm của nguồn. Tình huống như vậy chỉ xảy ra trong vật liệu bán dẫn.

Silicon và Germanium là những vật liệu bán dẫn phổ biến nhất. Nói chung, độ dẫn điện của chất bán dẫn nằm giữa độ dẫn điện của kim loại và chất cách điện.

Germanium làm chất bán dẫn

Sau đây là một số điểm quan trọng về Germanium -

Có bốn electron ở quỹ đạo ngoài cùng của gecmani. Trong liên kết, các nguyên tử chỉ được hiển thị với các electron bên ngoài của chúng.
Các nguyên tử germani sẽ chia sẻ các điện tử hóa trị trong một liên kết cộng hóa trị. Điều này được thể hiện trong hình dưới đây. Gecmani là những chất được liên kết với liên kết cộng hóa trị. Dạng tinh thể của gecmani được gọi là mạng tinh thể. Loại cấu trúc này có các nguyên tử được sắp xếp theo cách như trong hình sau.
Trong cách sắp xếp như vậy, các điện tử ở trạng thái rất ổn định và do đó ít thích hợp hơn để liên kết với các chất dẫn điện. Ở dạng tinh khiết, gecmani là một vật liệu cách điện và được gọi làintrinsic semiconductor.

Hình dưới đây mô tả cấu trúc nguyên tử của Silicon và Germanium.

Silicon làm chất bán dẫn

Các thiết bị bán dẫn cũng sử dụng silicon trong sản xuất các linh kiện điện tử khác nhau. Cấu trúc nguyên tử của silic và gecmani được thể hiện trong hình trên. Cấu trúc mạng tinh thể của silicon tương tự như cấu trúc của Germanium.

Sau đây là một số điểm quan trọng về Silicon -

Nó có bốn electron ở lớp vỏ ngoài cùng giống như gecmani.
Ở dạng tinh khiết, nó không được sử dụng như một thiết bị bán dẫn.
Có thể thu được một lượng độ dẫn mong muốn bằng cách thêm các tạp chất.
Việc bổ sung tạp chất phải được thực hiện cẩn thận và trong một môi trường được kiểm soát.
Tùy thuộc vào loại tạp chất được thêm vào, nó sẽ tạo ra sự dư thừa hoặc thiếu hụt electron.

Hình dưới đây cho thấy tinh thể bên trong của Silicon.

Silicon hoặc Germanium tinh khiết hiếm khi được sử dụng làm chất bán dẫn. Các chất bán dẫn có thể sử dụng được trong thực tế phải có số lượng tạp chất được kiểm soát được thêm vào chúng. Thêm tạp chất sẽ làm thay đổi khả năng dẫn điện và nó hoạt động như một chất bán dẫn. Quá trình thêm tạp chất vào vật liệu nội tại hoặc nguyên chất được gọi làdoping và tạp chất được gọi là dopant. Sau khi pha tạp chất, vật liệu nội tại trở thành vật chất bên ngoài. Thực tế chỉ sau khi pha tạp các vật liệu này mới có thể sử dụng được.

Khi một tạp chất được thêm vào silicon hoặc germani mà không làm thay đổi cấu trúc tinh thể, vật liệu loại N. được tạo ra. Trong một số nguyên tử, các electron có năm electron trong vùng hóa trị của chúng như asen (As) và antimon (Sb). Việc pha tạp silicon với một trong hai tạp chất không được làm thay đổi cấu trúc tinh thể hoặc quá trình liên kết. Electron thừa của nguyên tử tạp chất không tham gia vào liên kết cộng hóa trị. Các điện tử này được giữ lại với nhau một cách lỏng lẻo bởi các nguyên tử khởi tạo của chúng. Hình dưới đây cho thấy sự thay đổi của tinh thể silic khi có thêm một nguyên tử tạp chất.

Ảnh hưởng của doping lên vật liệu loại N

Ảnh hưởng của việc pha tạp lên vật liệu loại N như sau:

Ngoài Asen thành Silicon tinh khiết, tinh thể trở thành vật liệu loại N.
Nguyên tử asen có thêm electron hoặc điện tích âm không tham gia vào quá trình liên kết cộng hóa trị.
Các tạp chất này nhường hoặc cho, một electron vào tinh thể và chúng được gọi là tạp chất cho.
Vật liệu loại N có các electron tự do hoặc dư thừa hơn vật liệu bên trong.
Một vật liệu loại N không tích điện âm. Trên thực tế tất cả các nguyên tử của nó đều trung hòa về điện.
Các electron thừa này không tham gia vào quá trình liên kết cộng hóa trị. Chúng tự do di chuyển trong cấu trúc tinh thể.
Một tinh thể silicon ngoại lai loại N sẽ chuyển sang trạng thái dẫn với năng lượng chỉ 0,005eV tác dụng.
Chỉ cần 0,7eV để di chuyển các electron của tinh thể nội tại từ vùng hóa trị vào vùng dẫn.

Thông thường, các điện tử được coi là hạt tải điện đa số trong loại tinh thể này và lỗ trống là hạt tải điện nhỏ nhất hiện nay. Số lượng vật liệu tài trợ được thêm vào Silicon tìm ra số lượng các chất mang hiện tại trong cấu trúc của nó.

Số electron trong silicon loại N lớn hơn nhiều lần so với số cặp electron-lỗ trống của silicon nội tại. Ở nhiệt độ phòng, có sự khác biệt chắc chắn về độ dẫn điện của vật liệu này. Có rất nhiều tàu sân bay hiện tại tham gia vào dòng chảy hiện tại. Dòng điện đạt được chủ yếu nhờ các electron trong loại vật liệu này. Do đó, một vật liệu bên ngoài trở thành một chất dẫn điện tốt.

Ảnh hưởng của doping lên vật liệu loại P

Ảnh hưởng của pha tạp đối với vật liệu loại P như sau:

Khi Indium (In) hoặc Gallium (Ga) được thêm vào silicon nguyên chất, vật liệu loại P được hình thành.
Loại vật liệu pha tạp này có ba điện tử hóa trị. Họ đang háo hức tìm kiếm electron thứ tư.
Trong vật liệu loại P, mỗi lỗ trống có thể chứa một electron. Để lấp đầy vùng lỗ trống này, cần rất ít năng lượng bởi các điện tử từ các nhóm liên kết cộng hóa trị lân cận.
Silicon thường được pha tạp với vật liệu pha tạp trong khoảng từ 1 đến 106. Điều này có nghĩa là vật liệu P sẽ có nhiều lỗ hơn các cặp electron-lỗ trống của silicon nguyên chất.
Ở nhiệt độ phòng, có một sự khác biệt đặc trưng rất xác định về độ dẫn điện của vật liệu này.

Hình dưới đây cho thấy cấu trúc tinh thể của Silicon bị thay đổi như thế nào khi pha tạp chất với nguyên tố nhận - trong trường hợp này là Indi. Một miếng vật liệu P không tích điện dương. Các nguyên tử của nó chủ yếu là trung hòa về điện.

Tuy nhiên, có những lỗ trống trong cấu trúc cộng hóa trị của nhiều nhóm nguyên tử. Khi một điện tử di chuyển đến và lấp đầy một lỗ trống, lỗ trống đó sẽ trở nên trống rỗng. Một lỗ trống mới được tạo ra trong nhóm ngoại quan nơi electron rời đi. Chuyển động lỗ trong hiệu ứng là kết quả của chuyển động electron. Một vật liệu loại P sẽ dẫn truyền với năng lượng chỉ 0,05 eV.

Hình trên cho thấy một tinh thể loại P sẽ phản ứng như thế nào khi được kết nối với nguồn điện áp. Lưu ý rằng có số lượng lỗ trống lớn hơn số electron. Với điện áp đặt vào, các electron bị hút vào cực dương của pin.

Theo một nghĩa nào đó, các lỗ di chuyển về phía cực âm của pin. Một electron được nhận vào thời điểm này. Electron ngay lập tức lấp đầy một lỗ trống. Sau đó lỗ trống trở nên trống rỗng. Đồng thời, một electron được kéo ra khỏi vật liệu bằng cực dương của pin. Do đó, các lỗ di chuyển về phía cực âm do các electron dịch chuyển giữa các nhóm ngoại quan khác nhau. Với năng lượng được áp dụng, dòng chảy lỗ là liên tục.

Cấu trúc tinh thể làm từ vật liệu P và N thường được gọi là junction diode. Nó thường được coi là một thiết bị hai đầu cuối. Như thể hiện trong sơ đồ sau, một đầu nối được gắn với vật liệu loại P và đầu cuối còn lại với vật liệu loại N.

Điểm liên kết chung nơi các vật liệu này được kết nối được gọi là junction. Một diode tiếp giáp cho phép các sóng mang dòng điện chạy theo một hướng và cản trở dòng điện chạy theo hướng ngược lại.

Hình sau đây mô tả cấu trúc tinh thể của một diode tiếp giáp. Hãy xem vị trí của vật liệu loại P và loại N đối với đường giao nhau. Cấu trúc của tinh thể là liên tục từ đầu này đến đầu kia. Đường giao nhau chỉ hoạt động như một điểm phân cách biểu thị điểm cuối của vật liệu này và điểm bắt đầu của vật liệu khác. Cấu trúc như vậy cho phép các điện tử di chuyển triệt để trong toàn bộ cấu trúc.

Sơ đồ sau đây cho thấy hai phần của chất bán dẫn trước khi chúng được định hình thành một điểm nối PN. Như được chỉ định, mỗi phần của vật liệu cómajority và minority current carriers.

Số lượng ký hiệu sóng mang được hiển thị trong mỗi vật liệu cho biết chức năng thiểu số hoặc đa số. Như chúng ta biết electron là hạt tải điện đa số trong vật liệu loại N và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số. Trong vật liệu loại P, các lỗ trống là hạt tải điện chiếm đa số và các điện tử chiếm thiểu số.

Ban đầu, khi một diode tiếp giáp được hình thành, có một sự tương tác duy nhất giữa các sóng mang hiện tại. Trong vật liệu loại N, các electron di chuyển dễ dàng qua đường giao nhau để lấp đầy các lỗ trống trong vật liệu P. Hành động này thường được gọi làdiffusion. Sự khuếch tán là kết quả của sự tích tụ nhiều chất mang trong một vật liệu và sự tập hợp thấp hơn ở vật kia.

Nói chung, các hạt tải điện hiện tại gần đường giao nhau chỉ tham gia vào quá trình khuếch tán. Các electron rời khỏi vật liệu N làm cho các ion dương được tạo ra ở vị trí của chúng. Trong khi đi vào vật liệu P để lấp đầy các lỗ trống, các ion âm được tạo ra bởi các electron này. Kết quả là, mỗi bên của đường giao nhau có chứa một số lượng lớn các ion âm và dương.

Khu vực mà các lỗ trống và điện tử này trở nên cạn kiệt thường được gọi bằng thuật ngữ vùng suy giảm. Đây là một khu vực thiếu các nhà cung cấp dịch vụ đa số hiện nay. Thông thường, một vùng suy giảm được phát triển khi hình thành mối nối PN. Hình sau đây cho thấy vùng cạn kiệt của một diode tiếp giáp.

Vật liệu loại N và loại P được coi là trung tính về điện trước khi chúng được nối với nhau tại một điểm nối chung. Tuy nhiên, sau khi tham gia, sự khuếch tán diễn ra ngay lập tức, khi các electron băng qua đường giao nhau để lấp đầy các lỗ trống khiến các ion âm xuất hiện trong vật liệu P, hành động này làm cho khu vực gần đó của đường giao nhau mang điện tích âm. Các electron rời khỏi vật liệu N khiến nó tạo ra các ion dương.

Tất cả quá trình này, đến lượt nó, làm cho mặt N của đường giao nhau mang một điện tích dương thuần. Sự tạo ra điện tích đặc biệt này có xu hướng buộc các electron và lỗ trống còn lại ra khỏi đường giao nhau. Hành động này khiến các vật mang điện tích khác khó có thể khuếch tán qua đường giao nhau. Kết quả là, điện tích được tích tụ hoặc rào cản tiềm năng xuất hiện trên đường giao nhau.

Như trong hình sau. Điện thế rào cản kết quả có một pin nhỏ được kết nối qua đường giao nhau PN. Trong hình đã cho, hãy quan sát cực của rào cản tiềm năng này đối với vật liệu P và N. Hiệu điện thế hoặc thế năng này sẽ tồn tại khi tinh thể không được kết nối với nguồn năng lượng bên ngoài.

Điện thế rào cản của gecmani là khoảng 0,3 V và của silic là 0,7 V. Các giá trị này không thể đo trực tiếp và xuất hiện trên vùng điện tích không gian của đường giao nhau. Để tạo ra sự dẫn dòng, điện thế rào cản của mối nối PN phải được vượt qua bởi nguồn điện áp bên ngoài.

Thuật ngữ thiên vị đề cập đến việc áp dụng điện áp một chiều để thiết lập các điều kiện hoạt động nhất định. Hoặc khi một nguồn năng lượng bên ngoài được đưa vào điểm nối PN, nó được gọi là điện áp phân cực hoặc đơn giản là phân cực. Phương pháp này làm tăng hoặc giảm điện thế chắn của đường giao nhau. Kết quả là, việc giảm điện thế rào cản khiến các sóng mang hiện tại quay trở lại vùng cạn kiệt. Hai điều kiện thiên vị sau được áp dụng các mối nối PN wrt.

Forward Biasing - Một điện áp bên ngoài được thêm vào cùng cực vào điện thế chắn, làm tăng chiều rộng của vùng suy giảm.
Reverse Biasing - Một điểm nối PN được phân cực theo cách mà việc áp dụng tác động của điện áp bên ngoài ngăn cản các sóng mang dòng điện đi vào vùng cạn kiệt.

Xu hướng chuyển tiếp

Hình dưới đây cho thấy một diode tiếp giáp PN phân cực thuận có đặt điện áp bên ngoài. Bạn có thể thấy rằng cực dương của pin được nối với vật liệu P và cực âm của pin được nối với vật liệu N.

Sau đây là những quan sát -

Điện áp phân cực này đẩy lùi các hạt tải điện đa số của mỗi vật liệu loại P và N. Kết quả là, một số lượng lớn các lỗ trống và điện tử bắt đầu xuất hiện ở đường giao nhau.
Ở phía N của đường giao nhau, các electron di chuyển đến để trung hòa các ion dương trong vùng suy giảm.
Trên vật liệu phía P, các điện tử bị kéo ra khỏi các ion âm, khiến chúng trở nên trung hòa trở lại. Điều này có nghĩa là xu hướng chuyển tiếp sẽ thu hẹp vùng cạn kiệt và do đó rào cản cũng tiềm ẩn. Có nghĩa là khi tiếp giáp PN được phân cực thuận, nó sẽ cho phép dòng điện liên tục.

Hình sau đây cho thấy dòng của các sóng mang hiện tại của một diode phân cực thuận. Một nguồn cung cấp điện tử liên tục có sẵn do một nguồn điện áp bên ngoài được kết nối với điốt. Lưu lượng và hướng của dòng điện được thể hiện bằng các mũi tên lớn bên ngoài diode trong sơ đồ. Lưu ý rằng dòng điện tử và dòng điện quy về cùng một thứ.

Sau đây là những quan sát -

Giả sử các electron chạy qua một dây dẫn từ cực âm của pin đến vật liệu N. Khi đi vào vật liệu này, chúng sẽ chảy ngay lập tức đến đường giao nhau.
Tương tự, ở phía bên kia một số electron bằng nhau được kéo từ phía P và được đưa trở lại cực dương của pin. Hành động này tạo ra các lỗ mới và khiến chúng di chuyển về phía đường giao nhau.
Khi các lỗ trống và electron này đến chỗ nối, chúng liên kết với nhau và biến mất một cách hiệu quả. Kết quả là, các lỗ trống và electron mới xuất hiện ở các đầu ngoài của diode. Phần lớn các tàu sân bay này được tạo ra trên cơ sở liên tục. Hành động này tiếp tục miễn là nguồn điện áp bên ngoài được áp dụng.
Khi diode được phân cực thuận, có thể nhận thấy rằng các dòng điện tử chạy qua toàn bộ cấu trúc của diode. Điều này phổ biến ở vật liệu loại N, trong khi ở các lỗ vật liệu P là các hạt tải điện chuyển động. Chú ý rằng chuyển động của lỗ trống theo một hướng phải bắt đầu bằng chuyển động của electron theo hướng ngược lại. Do đó, tổng dòng điện là sự cộng thêm của các lỗ trống và dòng điện tử chạy qua một diode.

Xu hướng ngược

Hình dưới đây cho thấy diode tiếp giáp PN phân cực ngược với điện áp bên ngoài được áp dụng. Bạn có thể thấy rằng cực dương của pin được nối với vật liệu N và cực âm của pin được nối với vật liệu P. Lưu ý rằng trong cách sắp xếp như vậy, cực tính của pin đối nghịch với cực vật chất của điốt để các điện tích khác nhau thu hút. Do đó, phần lớn các hạt mang điện tích của mỗi vật liệu bị kéo ra khỏi đường giao nhau. Phân cực ngược làm cho diode không dẫn điện.

Hình dưới đây cho thấy sự sắp xếp của các hạt tải điện đa số trong một diode phân cực ngược.

Sau đây là những quan sát -

Do tác động của mạch, các electron của vật liệu N bị kéo về cực dương của pin.
Mỗi electron di chuyển hoặc rời điốt sẽ làm xuất hiện một ion dương ở vị trí của nó. Kết quả là, điều này gây ra sự gia tăng tương đương về chiều rộng của vùng suy giảm ở phía N của đường giao nhau.
Mặt P của diode có tác dụng tương tự như mặt N. Trong hành động này, một số electron rời khỏi cực âm của pin và đi vào vật liệu loại P.
Các electron này sau đó sẽ di chuyển thẳng đến và lấp đầy một số lỗ trống. Mỗi lỗ trống bị chiếm đóng sau đó trở thành một ion âm. Các ion này sau đó sẽ bị đẩy lùi bởi cực pin âm và hướng về điểm giao nhau. Do đó, có sự gia tăng chiều rộng của vùng suy giảm ở phía P của đường giao nhau.

Chiều rộng tổng thể của vùng suy giảm phụ thuộc trực tiếp vào nguồn điện áp bên ngoài của một diode phân cực ngược. Trong trường hợp này, diode không thể hỗ trợ hiệu quả dòng điện chạy qua vùng suy giảm rộng. Kết quả là, điện tích tiềm năng bắt đầu phát triển qua đường giao nhau và tăng cho đến khi điện thế rào cản bằng với điện áp phân cực bên ngoài. Sau đó, diode hoạt động như một chất không dẫn.

Một giới hạn dẫn điện quan trọng của diode tiếp giáp PN là leakage current. Khi một diode được phân cực ngược, độ rộng của vùng suy giảm sẽ tăng lên. Nói chung, điều kiện này được yêu cầu để hạn chế sự tích tụ sóng mang hiện tại gần đường giao nhau. Phần lớn các sóng mang hiện tại chủ yếu bị phủ nhận trong vùng cạn kiệt và do đó vùng suy giảm hoạt động như một chất cách điện. Thông thường, các hạt tải điện hiện tại không đi qua một chất cách điện.

Người ta thấy rằng trong một diode phân cực ngược, một số dòng điện chạy qua vùng cạn kiệt. Dòng điện này được gọi là dòng điện rò. Dòng rò rỉ phụ thuộc vào các sóng mang dòng điện thiểu số. Như chúng ta biết rằng hạt tải điện thiểu số là các electron trong vật liệu loại P và các lỗ trống trong vật liệu loại N.

Hình dưới đây cho thấy phản ứng của các sóng mang hiện tại khi một diode bị phân cực ngược.

Sau đây là những quan sát -

Các chất mang nhỏ của mỗi vật liệu được đẩy qua vùng cạn kiệt đến điểm nối. Hành động này làm xuất hiện một dòng điện rò rất nhỏ. Nói chung, dòng điện rò rỉ rất nhỏ nên nó có thể được coi là không đáng kể.
Ở đây, trong trường hợp rò rỉ dòng điện, nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng. Các hạt tải điện thiểu số hiện nay chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ.
Ở nhiệt độ phòng 25 ° C hoặc 78 ° F, có một lượng hạt tải điện thiểu số không đáng kể trong một diode phân cực ngược.
Khi nhiệt độ xung quanh tăng lên, nó gây ra sự gia tăng đáng kể trong việc tạo ra hạt tải điện thiểu số và kết quả là nó gây ra sự gia tăng dòng điện rò tương ứng.

Trong tất cả các điốt phân cực ngược, sự xuất hiện của dòng điện rò rỉ ở một mức độ nào đó là bình thường. Trong điốt Germanium và Silicon, dòng điện rò rỉ chỉ là một vàimicroamperes và nanoamperes, tương ứng. Gecmani nhạy cảm với nhiệt độ hơn nhiều so với silic. Vì lý do này, hầu hết Silicon được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn hiện đại.

Có nhiều thang đo hiện tại đa dạng cho các hoạt động phân cực thuận và phân cực ngược. Phần về phía trước của đường cong chỉ ra rằng diode dẫn điện đơn giản khi vùng P được tạo thành dương và vùng N là âm.

Diode dẫn hầu như không có dòng điện theo chiều điện trở cao, tức là khi Pregion được làm âm và vùng N được tạo thành dương. Bây giờ các lỗ trống và các điện tử bị thoát ra khỏi đường giao nhau, làm cho thế năng rào cản tăng lên. Điều kiện này được biểu thị bằng phần dòng điện ngược của đường cong.

Phần có chấm của đường cong biểu thị ideal curve, điều này sẽ xảy ra nếu nó không phải là sự cố do tuyết lở. Hình dưới đây cho thấy đặc tính tĩnh của một diode tiếp giáp.

Đặc điểm của DIODE IV

Đặc tính điện áp dòng thuận và dòng ngược (IV) của một diode thường được so sánh trên một đường đặc tính duy nhất. Hình được mô tả dưới phần Đặc tính chuyển tiếp cho thấy rằng Điện áp chuyển tiếp và Điện áp ngược thường được vẽ trên đường ngang của đồ thị.

Giá trị dòng điện thuận và nghịch được hiển thị trên trục tung của đồ thị. Điện áp chuyển tiếp được biểu thị ở bên phải và Điện áp ngược ở bên trái. Điểm bắt đầu hoặc giá trị 0 nằm ở tâm của đồ thị. Dòng điện thuận kéo dài phía trên trục hoành với dòng điện ngược kéo dài xuống phía dưới.

Các giá trị điện áp chuyển tiếp và dòng điện chuyển tiếp kết hợp nằm ở phần trên bên phải của biểu đồ và Điện áp ngược và dòng điện ngược ở góc dưới bên trái. Các thang đo khác nhau thường được sử dụng để hiển thị các giá trị thuận và nghịch.

Đặc tính chuyển tiếp

Khi một diode được phân cực thuận, nó dẫn dòng điện (IF) theo hướng thuận. Giá trị của IF phụ thuộc trực tiếp vào lượng điện áp chuyển tiếp. Mối quan hệ của điện áp thuận và dòng điện thuận được gọi là ampe-vôn, hoặc đặc tính IV của điốt. Đặc tính IV chuyển tiếp của diode điển hình được thể hiện trong hình sau.

Sau đây là những quan sát -

Điện áp chuyển tiếp được đo qua diode và Forward Current là thước đo dòng điện qua diode.
Khi điện áp thuận trên diode bằng 0V, dòng thuận (IF) bằng 0 mA.
Khi giá trị bắt đầu từ điểm bắt đầu (0) của đồ thị, nếu VF tăng dần theo từng bước 0,1-V, IF bắt đầu tăng.
Khi giá trị của VF đủ lớn để vượt qua điện thế rào cản của điểm nối PN, IF sẽ tăng lên đáng kể. Điểm mà điều này xảy ra thường được gọi là điện áp đầu gốiV_K. Đối với điốt gecmani,V_K xấp xỉ 0,3 V và 0,7 V đối với silicon.
Nếu giá trị của IF tăng hơn nhiều V_K, dòng chuyển tiếp trở nên khá lớn.

Hoạt động này gây ra nhiệt quá mức phát triển trên đường giao nhau và có thể phá hủy một diode. Để tránh tình trạng này, một điện trở bảo vệ được mắc nối tiếp với diode. Điện trở này giới hạn dòng chuyển tiếp đến giá trị định mức lớn nhất của nó. Thông thường, một điện trở hạn chế dòng điện được sử dụng khi điốt hoạt động theo chiều thuận.

Đặc tính Đảo ngược

Khi một diode được phân cực ngược, nó dẫn dòng điện Ngược thường khá nhỏ. Đặc tính IV ngược của diode điển hình được thể hiện trong hình trên.

Đường dòng ngược dọc trong đồ thị này có các giá trị dòng điện được biểu thị bằng microampe. Số lượng hạt tải điện thiểu số tham gia dẫn dòng điện ngược là khá nhỏ. Nói chung, điều này có nghĩa là dòng điện ngược vẫn không đổi trên một phần lớn điện áp ngược. Khi điện áp ngược của diode được tăng lên ngay từ đầu, thì dòng điện ngược lại có sự thay đổi rất nhỏ. Tại điểm điện áp đánh thủng (VBR), dòng điện tăng rất nhanh. Tại thời điểm này, điện áp trên diode vẫn không đổi một cách hợp lý.

Đặc tính điện áp không đổi này dẫn đến một số ứng dụng của diode trong điều kiện phân cực ngược. Các quá trình chịu trách nhiệm cho sự dẫn dòng trong một diode phân cực ngược được gọi làAvalanche breakdown và Zener breakdown.

Thông số kỹ thuật Diode

Giống như bất kỳ sự lựa chọn nào khác, việc lựa chọn một diode cho một ứng dụng cụ thể phải được xem xét. Nhà sản xuất thường cung cấp loại thông tin này. Các thông số kỹ thuật như xếp hạng điện áp và dòng điện tối đa, điều kiện hoạt động thông thường, thông số cơ học, nhận dạng dây dẫn, quy trình lắp đặt, v.v.

Sau đây là một số thông số kỹ thuật quan trọng -

Maximum forward current (IFM) - Dòng điện thuận lặp lại cực đại tuyệt đối có thể đi qua một diode.
Maximum reverse voltage (VRM) - Điện áp phân cực ngược cực đại hoặc đỉnh tuyệt đối có thể được áp dụng cho điốt.
Reverse breakdown voltage (VBR) - Điện áp ngược trạng thái ổn định nhỏ nhất mà tại đó sự cố sẽ xảy ra.
Maximum forward surge current (IFM-surge)- Dòng điện tối đa có thể chịu đựng được trong một khoảng thời gian ngắn. Giá trị hiện tại này lớn hơn nhiều so với IFM.
Maximum reverse current (IR) - Dòng điện ngược tối đa tuyệt đối có thể chịu được ở nhiệt độ hoạt động của thiết bị.
Forward voltage (VF) - Giảm điện áp chuyển tiếp tối đa đối với dòng chuyển tiếp nhất định ở nhiệt độ hoạt động của thiết bị.
Power dissipation (PD) - Công suất tối đa mà thiết bị có thể hấp thụ liên tục một cách an toàn trong không khí tự do ở 25 ° C.
Reverse recovery time (Trr) - Thời gian tối đa để thiết bị chuyển từ trạng thái bật sang trạng thái tắt.

Điều khoản quan trọng

Breakdown Voltage - Là điện áp phân cực ngược nhỏ nhất tại đó mối nối PN bị phá vỡ với dòng điện ngược tăng đột ngột.
Knee Voltage - Là điện áp thuận mà dòng điện qua mối nối bắt đầu tăng nhanh.
Peak Inverse Voltage - Đây là điện áp ngược tối đa có thể được áp dụng cho mối nối PN, mà không làm hỏng nó.
Maximum Forward Rating - Đây là dòng điện thuận tức thời cao nhất mà điểm nối PN có thể đi qua mà không làm hỏng nó.
Maximum Power Rating - Đây là công suất tối đa có thể được tiêu tán khỏi đường giao nhau, mà không làm hỏng đường giao nhau.

Điốt phát sáng ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến các hoạt động hàng ngày của chúng ta. Từ màn hình hiển thị thông báo đến TV LED, mọi nơi đều có những đèn LED này. Về cơ bản nó là một diode tiếp giáp PN phát ra ánh sáng khi cho phép dòng điện chuyển tiếp đi qua nó. Hình dưới đây cho thấy ký hiệu logic của đèn LED.

Làm thế nào để một diode nối PN phát ra ánh sáng?

Đèn LED không được làm từ Silicon hoặc Germanium và các nguyên tố như Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Phosphide (GaP). Những vật liệu này được sử dụng một cách có chủ ý khi chúng phát ra ánh sáng. Do đó, khi một đèn LED phân cực thuận, như bình thường các điện tử sẽ vượt qua đường giao nhau và hợp nhất với các lỗ trống.

Hành động này làm cho các điện tử của vùng loại N rơi ra khỏi vùng dẫn và quay trở lại vùng hóa trị. Khi làm như vậy, năng lượng của mỗi electron tự do sẽ được giải phóng. Một phần năng lượng được giải phóng xuất hiện dưới dạng nhiệt và phần còn lại được cho dưới dạng năng lượng ánh sáng nhìn thấy.

Nếu đèn LED được làm từ Silicon và Germanium, thì trong quá trình tái kết hợp các electron, tất cả năng lượng chỉ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Mặt khác, các vật liệu như Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Phosphide (GaP) sở hữu lượng photon đủ để tạo ra ánh sáng nhìn thấy.

Nếu đèn LED được làm từ arsenide gali, chúng tạo ra ánh sáng đỏ.
Nếu đèn LED được làm từ Gallium Phosphide, thì những đèn LED như vậy sẽ phát ra ánh sáng xanh lục.

Bây giờ hãy xem xét hai đèn LED được kết nối ngược trở lại qua nguồn cung cấp điện áp bên ngoài, sao cho cực dương của một đèn LED được kết nối với cực âm của đèn LED khác hoặc ngược lại. Khi một điện áp bên ngoài được đặt vào mạch này, một đèn LED sẽ hoạt động tại một thời điểm và do hoạt động của mạch này, nó phát ra ánh sáng khác khi một đèn LED phân cực thuận và một đèn LED phân cực ngược hoặc ngược lại.

Ưu điểm của đèn LED

Đèn LED mang lại những ưu điểm sau:

Kích thước khá nhỏ.
Chuyển đổi rất nhanh.
Có thể hoạt động với điện áp rất thấp.
Một tuổi thọ rất dài.
Thủ tục xây dựng cho phép sản xuất theo các hình dạng và mẫu khác nhau.

Ứng dụng của đèn LED

Đèn LED chủ yếu được sử dụng trong các màn hình số cho biết các số từ 0 đến 9. Chúng cũng được sử dụng trong seven-segment display được tìm thấy trong đồng hồ kỹ thuật số, đồng hồ, máy tính, v.v.

Nó là một loại diode bán dẫn cụ thể, được chế tạo để hoạt động trong vùng đánh thủng ngược. Hình sau mô tả cấu trúc tinh thể và biểu tượng của một diode Zener. Nó gần giống với diode thông thường. Tuy nhiên, một sửa đổi nhỏ được thực hiện để phân biệt nó với biểu tượng của một diode thông thường. Đường uốn cong cho biết chữ cái 'Z' của Zener.

Sự khác biệt đáng kể nhất trong điốt Zener và điốt tiếp giáp PN thông thường là ở chế độ mà chúng được sử dụng trong mạch. Các điốt này thường chỉ hoạt động theo chiều phân cực ngược, có nghĩa là cực dương phải được nối với cực âm của nguồn điện áp và cực âm với cực dương.

Nếu một diode thông thường được sử dụng giống như diode Zener, nó sẽ bị phá hủy do dòng điện quá lớn. Tính chất này làm cho diode Zener kém đáng kể hơn.

Hình minh họa sau đây cho thấy một bộ điều chỉnh với một diode Zener.

Diode Zener được kết nối theo hướng phân cực ngược qua nguồn cung cấp DC không được kiểm soát. Nó được pha tạp nhiều để giảm điện áp đánh thủng ngược. Điều này dẫn đến một lớp suy giảm rất mỏng. Do đó, diode Zener có điện áp đánh thủng ngược rõ rệtV_z.

Theo hoạt động của mạch, sự cố xảy ra mạnh với sự gia tăng đột ngột của dòng điện như thể hiện trong hình sau.

Vôn V_zkhông đổi với sự gia tăng dòng điện. Do tính chất này, diode Zener được sử dụng rộng rãi trong điều chỉnh điện áp. Nó cung cấp điện áp đầu ra gần như không đổi bất kể sự thay đổi của dòng điện qua Zener. Như vậy, điện áp tải vẫn ở giá trị không đổi.

Chúng ta có thể thấy rằng ở một điện áp ngược cụ thể được gọi là điện áp đầu gối, dòng điện tăng mạnh với điện áp không đổi. Do tính chất này, điốt Zener được sử dụng rộng rãi trong việc ổn định điện áp.

Điốt quang là một điốt tiếp giáp PN sẽ dẫn dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Diode này thực sự được thiết kế để hoạt động ở chế độ phân cực ngược. Có nghĩa là cường độ ánh sáng rơi càng lớn thì dòng điện phân cực ngược càng lớn.

Hình dưới đây cho thấy một biểu tượng sơ đồ và chi tiết cấu tạo của một diode quang.

Hoạt động của Diode ảnh

Nó là một reverse-biased diode. Dòng điện ngược tăng khi cường độ ánh sáng tới tăng. Điều này có nghĩa là dòng điện ngược tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng rơi.

Nó bao gồm một điểm nối PN được gắn trên đế loại P và được bịt kín trong một vỏ kim loại. Điểm nối được làm bằng thấu kính trong suốt và nó là cửa sổ nơi ánh sáng chiếu xuống.

Như chúng ta đã biết, khi diode tiếp giáp PN được phân cực ngược, một lượng rất nhỏ dòng điện ngược chạy qua. Dòng điện ngược được tạo ra một cách nhiệt bởi các cặp lỗ trống điện tử trong vùng cạn kiệt của điốt.

Khi ánh sáng rơi vào đường giao nhau PN, nó sẽ bị hấp thụ bởi đường giao nhau. Điều này sẽ tạo ra nhiều cặp electron-lỗ trống hơn. Hoặc chúng ta có thể nói, về mặt đặc trưng, lượng dòng ngược tăng lên.

Nói cách khác, khi cường độ ánh sáng giảm tăng, điện trở của diode tiếp giáp PN giảm.

Hành động này làm cho diode dẫn điện tốt hơn.
Các điốt này có thời gian phản hồi rất nhanh
Chúng được sử dụng trong các thiết bị tính toán cao.
Nó cũng được sử dụng trong các mạch báo động, mạch đếm, v.v.

Một tế bào quang điện cơ bản gồm bán dẫn loại n và bán dẫn loại p tạo thành tiếp giáp pn. Khu vực phía trên được mở rộng và trong suốt, thường tiếp xúc với ánh nắng mặt trời. Những điốt hoặc tế bào này đặc biệt tạo ra điện áp khi tiếp xúc với ánh sáng. Các tế bào chuyển đổi năng lượng ánh sáng trực tiếp thành năng lượng điện.

Hình sau cho thấy symbol of photovoltaic cell.

Hoạt động của một tế bào quang điện

Cấu tạo của tế bào quang điện tương tự như cấu tạo của một diode tiếp giáp PN. Không có dòng điện chạy qua thiết bị khi không có ánh sáng chiếu vào. Ở trạng thái này, ô sẽ không thể tạo ra dòng điện.

Điều cần thiết là để phân chia tế bào đúng cách cần một lượng ánh sáng hợp lý. Ngay sau khi ánh sáng được chiếu vào, có thể quan sát trạng thái đáng chú ý của diode tiếp giáp PN. Kết quả là, các electron nhận đủ năng lượng và bứt ra khỏi nguyên tử mẹ. Các cặp electron-lỗ trống mới được tạo ra này trong vùng suy giảm đi qua đường giao nhau.

Trong hành động này, các điện tử di chuyển vào vật liệu loại N vì nồng độ ion dương bình thường của nó. Tương tự như vậy, các lỗ quét vào vật liệu loại P vì hàm lượng âm của nó. Điều này làm cho vật liệu loại N ngay lập tức mang điện tích âm và vật liệu P mang điện tích dương. Sau đó, điểm nối PN cung cấp một điện áp nhỏ như một phản ứng.

Đặc điểm của tế bào quang điện

Hình bên trái sau đây cho thấy một trong những đặc điểm, đồ thị giữa dòng điện ngược (I _R ) và độ chiếu sáng (E) của một diode quang. IR được đo trên trục tung và độ chiếu sáng được đo trên trục hoành. Đồ thị là một đường thẳng đi qua vị trí số không.

tức là, I _R = mE

m = độ dốc của đồ thị đường thẳng

Thông số m là độ nhạy của diode.

Hình bên phải cho thấy một đặc tính khác của diode quang, đồ thị giữa dòng điện ngược (I _R ) và điện áp ngược của diode quang. Rõ ràng từ đồ thị rằng đối với một điện áp ngược nhất định, dòng điện ngược tăng khi độ chiếu sáng tăng trên đường giao nhau PN.

Các tế bào này thường cung cấp năng lượng điện cho thiết bị tải khi có ánh sáng chiếu vào. Nếu yêu cầu một điện áp lớn hơn, dãy các ô này được sử dụng để cung cấp giống nhau. Vì lý do này, tế bào quang điện được sử dụng trong các ứng dụng có mức năng lượng ánh sáng cao.

Đây là một diode tiếp giáp PN đặc biệt với nồng độ tạp chất không nhất quán trong vật liệu PN của nó. Trong một diode tiếp giáp PN thông thường, các tạp chất pha tạp thường được phân tán đều khắp vật liệu. Diode varactor được pha tạp chất với một lượng rất nhỏ tạp chất gần điểm nối và nồng độ tạp chất tăng khi di chuyển ra khỏi điểm tiếp giáp.

Trong diode tiếp giáp thông thường, vùng cạn kiệt là vùng ngăn cách vật liệu P và N. Vùng suy giảm được phát triển ngay từ đầu khi hình thành ban đầu. Không có hạt tải điện hiện tại trong vùng này và do đó vùng suy giảm hoạt động như một môi trường điện môi hoặc chất cách điện.

Vật liệu loại P với các lỗ trống là hạt tải điện đa số và vật liệu loại N với các điện tử là hạt tải điện đa số hiện hoạt động như các tấm tích điện. Do đó, diode có thể được coi là một tụ điện với các bản tích điện trái dấu loại N và P và vùng suy giảm hoạt động như điện môi. Như chúng ta đã biết, vật liệu P và N, là chất bán dẫn, được ngăn cách bởi chất cách điện vùng suy giảm aa.

Điốt được thiết kế để đáp ứng hiệu ứng điện dung theo phân cực ngược được gọi là varactors, varicap diodes, hoặc là voltage-variable capacitors.

Hình sau là biểu tượng của diode Varactor.

Điốt varactor thường hoạt động trong điều kiện phân cực ngược. Khi phân cực ngược tăng, độ rộng của vùng suy giảm cũng tăng lên dẫn đến điện dung ít hơn. Điều này có nghĩa là khi phân cực ngược giảm, có thể thấy sự gia tăng điện dung tương ứng. Do đó, điện dung diode thay đổi tỷ lệ nghịch với điện áp phân cực. Thông thường điều này không phải là tuyến tính. Nó được vận hành giữa không và điện áp đánh thủng ngược lại.

Điện dung của diode Varactor được biểu thị bằng:

$$ C_T = E \ frac {A} {W_d} $$

C_T = Tổng điện dung của đường giao nhau
E = Giấy phép của vật liệu bán dẫn
A = Diện tích mặt cắt ngang của đường giao nhau
W_d = Chiều rộng của lớp cạn kiệt

Các điốt này có thể thay đổi được sử dụng trong các ứng dụng vi sóng. Điốt varactor cũng được sử dụng trong các mạch cộng hưởng yêu cầu một số mức điều chỉnh điện áp hoặc điều khiển tần số. Đi-ốt này cũng được sử dụng trong Điều khiển tần số tự động (AFC) trong máy thu phát thanh và truyền hình FM.

Các bóng bán dẫn lưỡng cực chủ yếu được hình thành từ hai lớp vật liệu bán dẫn khác loại, được nối ngược trở lại. Loại tạp chất được thêm vào silicon hoặc germani quyết định độ phân cực khi nó được hình thành.

Transistor NPN

Một bóng bán dẫn NPN được cấu tạo từ hai vật liệu loại N được ngăn cách bởi một lớp vật liệu bán dẫn loại P mỏng. Cấu trúc tinh thể và ký hiệu giản đồ của bóng bán dẫn NPN được thể hiện trong hình trên.

Có ba dây dẫn được lấy ra từ mỗi loại vật liệu được công nhận là emitter, basevà collector. Trong biểu tượng, khi đầu mũi tên của bộ phát hướng ra ngoài từ chân đế, nó cho biết thiết bị thuộc loại NPN.

Transistor PNP

Bóng bán dẫn PNP được cấu tạo bởi hai vật liệu loại P được ngăn cách bởi một lớp vật liệu bán dẫn loại N. mỏng. Cấu trúc tinh thể và biểu tượng sơ đồ của bóng bán dẫn PNP được hiển thị bên dưới.

Trong biểu tượng, khi đầu mũi tên của bộ phát hướng vào trong về phía chân đế, điều đó cho biết thiết bị thuộc loại PNP.

Sau đây là một số kỹ thuật sản xuất được sử dụng trong việc chế tạo bóng bán dẫn:

Loại khuếch tán

Trong phương pháp này, wafer của chất bán dẫn phải chịu sự khuếch tán khí của cả tạp chất loại N và loại P để tạo thành các điểm nối cực phát và cực thu. Đầu tiên, mối nối cơ bản-bộ thu được xác định và khắc ảnh ngay trước khi khuếch tán cơ sở. Sau đó, bộ phát được khuếch tán trên đế. Các bóng bán dẫn được sản xuất bằng kỹ thuật này có tiếng ồn tốt hơn và cải thiện về độ lợi dòng điện cũng được nhìn thấy.

Loại trưởng thành

Nó được hình thành bằng cách rút một tinh thể đơn lẻ từ silicon hoặc germani nóng chảy. Nồng độ cần thiết của tạp chất được thêm vào trong quá trình vẽ tinh thể.

Loại biểu bì

Một lớp silicon hoặc gecmani đơn tinh thể có độ tinh khiết rất cao và rất mỏng được trồng trên chất nền được pha tạp nhiều cùng loại. Phiên bản cải tiến này của tinh thể tạo thành bộ thu mà trên đó các điểm nối cơ sở và cực phát được hình thành.

Loại hợp kim

Trong phương pháp này, phần cơ sở được làm bằng một lát mỏng của vật liệu loại N. Ở các mặt đối diện của lát cắt, hai chấm nhỏ của Indi được gắn vào và sự hình thành hoàn chỉnh được giữ ở nhiệt độ cao trong thời gian ngắn hơn. Nhiệt độ sẽ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của Indium và thấp hơn Germanium. Kỹ thuật này còn được gọi là xây dựng hợp nhất.

Loại khắc điện hóa

Trong phương pháp này, trên các mặt đối diện của tấm bán dẫn, chỗ lõm được khắc để giảm chiều rộng của vùng cơ sở. Sau đó, một kim loại thích hợp được mạ điện vào vùng lõm để tạo thành các điểm nối cực phát và bộ thu.

Bóng bán dẫn có ba phần cụ thể là - emitter, các base, và collector.

Các base mỏng hơn nhiều so với bộ phát, và bộ thu tương đối rộng hơn cả hai.
Các emitter được pha tạp nhiều để nó có thể đưa vào một số lượng lớn các hạt tải điện để dẫn dòng.
Cơ sở chuyển hầu hết các hạt mang điện tới bộ thu vì nó được pha tạp tương đối nhẹ hơn so với bộ phát và bộ thu.

Để bóng bán dẫn hoạt động bình thường, vùng gốc phát phải được phân cực thuận và vùng gốc thu phải được phân cực ngược.

Trong mạch bán dẫn, điện áp nguồn được gọi là điện áp phân cực. Để hoạt động, bóng bán dẫn lưỡng cực phải có cả hai điểm nối. Điều kiện này gây ra một dòng điện chạy qua mạch. Vùng cạn kiệt của thiết bị được giảm bớt và phần lớn các sóng mang hiện tại được tiêm vào đường giao nhau. Một trong những điểm nối của bóng bán dẫn phải được phân cực thuận và chỗ nối khác phải được phân cực ngược khi nó hoạt động.

Hoạt động của Transistor NPN

Như thể hiện trong hình trên, bộ phát đến điểm nối cơ sở được phân cực thuận và bộ thu với điểm nối cơ sở được phân cực ngược. Sự phân cực chuyển tiếp trên bộ phát đến điểm tiếp giáp cơ sở làm cho các điện tử đi từ bộ phát loại N về phía phân cực. Điều kiện này tạo thành dòng phát (I _E ).

Trong khi vượt qua vật liệu loại P, các electron có xu hướng kết hợp với các lỗ trống, nói chung là rất ít, và tạo thành dòng điện cơ bản (I _B ). Phần còn lại của các điện tử vượt qua vùng suy giảm mỏng và đến vùng thu. Dòng điện này tạo thành dòng điện thu (I _C ).

Nói cách khác, dòng điện phát thực sự chạy qua mạch thu. Vì vậy, có thể coi dòng phát là tổng của dòng cực và dòng cực thu. Nó có thể được diễn đạt như,

I _E = I _B + I _C

Hoạt động của Transistor PNP

Như thể hiện trong hình sau, bộ phát đến điểm nối cơ sở được phân cực thuận và bộ thu với đường giao nhau cơ sở được phân cực ngược. Sự phân cực chuyển tiếp trên bộ phát đến điểm nối cơ sở làm cho các lỗ chảy từ bộ phát loại P về phía phân cực. Điều kiện này tạo thành dòng phát (I _E ).

Trong khi vượt qua vật liệu loại N, các điện tử có xu hướng kết hợp với các điện tử, nói chung là rất ít, và tạo thành dòng cơ bản (I _B ). Phần còn lại của các lỗ vượt qua vùng suy giảm mỏng và đến vùng thu. Dòng điện này tạo thành dòng thu (I _C ).

I _E = I _B + I _C

Khi một bóng bán dẫn được kết nối trong một mạch, cần có bốn đầu cuối hoặc dây dẫn hoặc chân, hai đầu vào và đầu ra. Như chúng ta biết rằng bóng bán dẫn chỉ có 3 đầu cuối, tình trạng này có thể được khắc phục bằng cách làm cho một trong những đầu cuối chung cho cả phần đầu vào và đầu ra. Theo đó, một bóng bán dẫn có thể được kết nối theo ba cấu hình như sau:

Cấu hình cơ sở chung
Cấu hình bộ phát chung
Cấu hình bộ sưu tập chung

Sau đây là một số điểm quan trọng cần lưu ý về hoạt động của bóng bán dẫn.

Một bóng bán dẫn có thể hoạt động ở ba vùng cụ thể là vùng hoạt động, vùng bão hòa và vùng cắt.
Một bóng bán dẫn khi được sử dụng trong vùng tích cực, điểm nối gốc-phát được phân cực thuận và điểm nối gốc-thu được phân cực ngược.
Một bóng bán dẫn khi được sử dụng trong vùng bão hòa, đường giao nhau gốc-phát được phân cực thuận và đường giao nhau thu-gốc cũng được phân cực thuận.
Một bóng bán dẫn khi được sử dụng trong vùng cắt, cả điểm tiếp giáp gốc-phát và điểm nối-gốc thu đều được phân cực ngược.

So sánh cấu hình bóng bán dẫn

Bảng sau đây cho thấy sự so sánh của cấu hình bóng bán dẫn.

Nét đặc trưng	Máy phát điện chung	Cơ sở, nền tảng chung	Bộ sưu tập chung
Lợi ích hiện tại	Cao	Không	Đáng kể
Các ứng dụng	Tần số âm thanh	Tân sô cao	Trở kháng phù hợp
Kháng đầu vào	Thấp	Thấp	Rất cao
Kháng đầu ra	Cao	Rất cao	Thấp
Tăng điện áp	Khoảng 500	Khoảng 150	Ít hơn 1

Ưu điểm và nhược điểm của bóng bán dẫn

Bảng dưới đây liệt kê những ưu điểm và nhược điểm của bóng bán dẫn.

Ưu điểm	Nhược điểm
Điện áp nguồn thấp	Phụ thuộc nhiệt độ
Tăng điện áp cao	Tản nhiệt thấp hơn
Kích thước nhỏ hơn	Trở kháng đầu vào thấp

Hệ số khuếch đại dòng điện (α)

Tỷ số giữa sự thay đổi của dòng điện cực thu và sự thay đổi của dòng điện phát ở bộ thu không đổi so với điện áp cơ bản V_cb được gọi là hệ số khuếch đại dòng điện ‘α’. Nó có thể được diễn đạt như

$ \ alpha = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $ tại V _{CB không đổi}

Rõ ràng là hệ số khuếch đại dòng điện nhỏ hơn sự thống nhất và nó tỷ lệ nghịch với dòng điện cơ bản được coi là cơ sở bị pha tạp nhẹ và mỏng.

Hệ số khuếch đại dòng điện cơ bản (β)

Nó là tỷ số giữa sự thay đổi của dòng điện góp và sự thay đổi của dòng điện cơ bản. Một sự thay đổi nhỏ trong dòng điện cơ bản dẫn đến sự thay đổi rất lớn trong dòng điện góp. Do đó, bóng bán dẫn có thể đạt được mức tăng hiện tại. Nó có thể được diễn đạt như

$$ \ beta = \ frac {\ Delta I_C} {\ Delta I_B} $$

Transistor như một bộ khuếch đại

Hình dưới đây cho thấy một điện trở tải (R _L ) mắc nối tiếp với điện áp cung cấp bộ góp (V _cc ). Một sự thay đổi điện áp nhỏΔV_i giữa bộ phát và đế gây ra sự thay đổi dòng phát tương đối lớn ΔI_E.

Chúng tôi xác định bằng ký hiệu 'a' - phần nhỏ của sự thay đổi dòng điện này - được thu thập và chuyển qua R_L. Sự thay đổi điện áp đầu ra trên điện trở tảiΔV_o = a’RL ΔI_Ethể có nhiều lần thay đổi điện áp đầu vào ΔV _tôi . Trong những trường hợp này, sự khuếch đại điện ápA == V_O/ΔV_I sẽ lớn hơn sự thống nhất và bóng bán dẫn hoạt động như một bộ khuếch đại.

Transistor hiệu ứng trường (FET) là một linh kiện bán dẫn ba đầu cực. Hoạt động của nó dựa trên điện áp đầu vào được kiểm soát. Bề ngoài JFET và bóng bán dẫn lưỡng cực rất giống nhau. Tuy nhiên, BJT là một thiết bị điều khiển hiện tại và JFET được điều khiển bởi điện áp đầu vào. Thông thường nhất có hai loại FET.

Transistor hiệu ứng trường nối (JFET)
FET bán dẫn oxit kim loại (IGFET)

Transistor hiệu ứng trường nối

Hoạt động của Transistor hiệu ứng trường nối chỉ phụ thuộc vào dòng của phần lớn hạt tải điện (electron hoặc lỗ trống). Về cơ bản, JFET bao gồm mộtN gõ hoặc Ploại thanh silicon có chứa các tiếp giáp PN ở các cạnh. Sau đây là một số điểm quan trọng cần nhớ về FET -

Gate- Bằng cách sử dụng kỹ thuật khuếch tán hoặc hợp kim, cả hai mặt của thanh loại N được pha tạp nhiều để tạo ra mối nối PN. Các vùng pha tạp này được gọi là cổng (G).
Source - Nó là điểm vào của phần lớn các hạt tải điện mà chúng đi vào thanh bán dẫn.
Drain - Nó là điểm thoát cho phần lớn hạt tải điện mà chúng rời khỏi thanh bán dẫn.
Channel - Là diện tích của vật liệu loại N mà phần lớn hạt tải điện đi từ nguồn để thoát ra ngoài.

Có hai loại JFET thường được sử dụng trong các thiết bị bán dẫn hiện trường: N-Channel JFET và P-Channel JFET.

JFET kênh N

Nó có một lớp mỏng vật liệu loại N được hình thành trên nền loại P. Hình dưới đây cho thấy cấu trúc tinh thể và ký hiệu giản đồ của JFET kênh N. Sau đó, cổng được hình thành trên đầu kênh N bằng vật liệu loại P. Ở cuối kênh và cổng, dây dẫn được gắn và chất nền không có kết nối.

Khi nguồn điện áp một chiều được kết nối với nguồn và các dây dẫn cống của JFET, dòng điện cực đại sẽ chạy qua kênh. Cùng một lượng dòng điện sẽ chạy từ nguồn và các đầu nối cống. Lượng dòng chảy của kênh sẽ được xác định bởi giá trị của V _DD và nội trở của kênh.

Giá trị điển hình của điện trở nguồn của JFET là khoảng vài trăm ôm. Rõ ràng là ngay cả khi cổng mở, sự dẫn dòng đầy đủ sẽ diễn ra trong kênh. Về cơ bản, lượng điện áp phân cực được áp dụng tại ID, điều khiển dòng của các sóng mang dòng điện đi qua kênh của JFET. Với một sự thay đổi nhỏ trong điện áp cổng, JFET có thể được điều khiển ở bất kỳ đâu giữa trạng thái dẫn hoàn toàn và trạng thái cắt.

JFET kênh P

Nó có một lớp mỏng vật liệu loại P được hình thành trên chất nền loại N. Hình dưới đây cho thấy cấu trúc tinh thể và ký hiệu giản đồ của JFET kênh N. Cổng được hình thành trên đầu kênh P với vật liệu loại N. Cuối kênh và cổng được gắn dây chì. Phần còn lại của các chi tiết xây dựng tương tự như của N-kênh JFET.

Thông thường đối với hoạt động chung, thiết bị đầu cuối cổng được đặt dương đối với đầu cuối nguồn. Kích thước của lớp suy giảm tiếp giáp PN phụ thuộc vào sự dao động của các giá trị của điện áp cổng phân cực ngược. Với một sự thay đổi nhỏ trong điện áp cổng, JFET có thể được điều khiển ở bất kỳ đâu giữa trạng thái dẫn hoàn toàn và trạng thái cắt.

Đặc điểm đầu ra của JFET

Các đặc tính đầu ra của JFET được vẽ giữa dòng xả (I _D ) và điện áp nguồn cống (V _DS ) ở điện áp nguồn cổng không đổi (V _GS ) như thể hiện trong hình sau.

Ban đầu, dòng xả (I _D ) tăng nhanh với điện áp nguồn xả (V _DS ) nhưng đột nhiên trở nên không đổi ở điện áp được gọi là điện áp tắt (V _P ). Trên điện áp tắt, chiều rộng kênh trở nên hẹp đến mức nó cho phép dòng điện thoát rất nhỏ đi qua nó. Do đó, dòng xả (I _D ) không đổi trên điện áp ngắt.

Các thông số của JFET

Các thông số chính của JFET là:

Điện trở cống AC (Rd)
Transconductance
Hệ số khuếch đại

AC drain resistance (R_d)- Là tỷ số giữa sự thay đổi của điện áp nguồn cống (ΔV _DS ) với sự thay đổi của dòng thoát (ΔI _D ) ở điện áp nguồn không đổi. Nó có thể được diễn đạt như,

R _d = (ΔV _DS ) / (ΔI _D ) tại V _{GS không đổi}

Transconductance (g_fs)- Là tỷ số giữa sự thay đổi của dòng cống (ΔI _D ) với sự thay đổi của điện áp nguồn cổng (ΔV _GS ) ở điện áp nguồn không đổi. Nó có thể được diễn đạt như,

g _fs = (ΔI _D ) / (ΔV _GS ) ở V _DS không đổi

Amplification Factor (u)- Là tỷ số giữa sự thay đổi của điện áp nguồn cống (ΔV _DS ) với sự thay đổi của điện áp nguồn cổng (ΔV _GS ) dòng cống không đổi (ΔI _D ). Nó có thể được diễn đạt như,

u = (ΔV _DS ) / (ΔV _GS ) tại I _D không đổi

Có hai phương pháp được sử dụng để thiên vị JFET: Phương pháp Tự định vị và Phương pháp Phân chia Tiềm năng. Trong chương này, chúng ta sẽ thảo luận chi tiết về hai phương pháp này.

Phương pháp tự thiên vị

Hình dưới đây cho thấy phương pháp tự thiên vị của JFET kênh n. Dòng cống chảy quaR_svà tạo ra điện áp phân cực cần thiết. Vì thế,R_s là điện trở phân cực.

Do đó, điện áp trên điện trở phân cực,

$$ V_s = I_ {DRS} $$

Như chúng ta đã biết, dòng điện cổng nhỏ không đáng kể, thiết bị đầu cuối cổng ở mặt đất DC, V _G = 0,

$$ V_ {GS} = V_G - V_s = 0 - I_ {DRS} $$

Hoặc $ V_ {GS} = -I_ {DRS} $

V _GS giữ cho cổng âm wrt nguồn.

Phương pháp phân chia điện áp

Hình sau cho thấy phương pháp phân áp phân áp JFETs. Ở đây, điện trở R ₁ và R ₂ tạo thành một mạch phân áp trên điện áp nguồn cung cấp (V _DD ), và nó ít nhiều giống với mạch được sử dụng trong xu hướng bóng bán dẫn.

Điện áp trên R ₂ cung cấp độ lệch cần thiết -

$$ V_2 = V_G = \ frac {V_ {DD}} {R_1 + R_2} \ lần R_2 $$

$ = V_2 + V_ {GS} + I_D + R_S $

Hoặc $ V_ {GS} = V_2 - I_ {DRS} $

Mạch được thiết kế để V _GS luôn âm. Điểm hoạt động có thể được tìm thấy bằng cách sử dụng công thức sau:

$$ I_D = \ frac {V_2 - V_ {GS}} {R_S} $$

và $ V_ {DS} = V_ {DD} - I_D (R_D + R_S) $

Metal-oxide semiconductor field-effect transistors, còn được gọi là MOSFET, có tầm quan trọng lớn hơn và là một bổ sung mới cho họ FET.

Nó có chất nền loại P pha tạp nhẹ trong đó hai vùng loại N pha tạp nhiều được khuếch tán. Một tính năng độc đáo của thiết bị này là cấu tạo cổng của nó. Ở đây, cổng được cách nhiệt hoàn toàn với kênh. Khi điện áp được đặt vào cổng, nó sẽ phát triển một điện tích.

Tại thời điểm này, không có dòng điện nào được phép chạy trong vùng cổng của thiết bị. Ngoài ra, cổng là một khu vực của thiết bị, được phủ bằng kim loại. Nói chung, silicon dioxide được sử dụng như một vật liệu cách nhiệt giữa cổng và kênh. Do lý do này, nó còn được gọi làinsulated gate FET. Có hai MOSFET được sử dụng rộng rãi i) MOSFET cạn kiệt ii) MOSFET nâng cao.

D MOSFET

Các hình sau thể hiện D-MOSFET kênh n và ký hiệu. Cổng tạo thành một tụ điện với cổng là một bản, và bản kia là kênh với lớp SiO ₂ làm chất điện môi. Khi điện áp cổng thay đổi, điện trường của tụ điện thay đổi, do đó điện trở của kênh n thay đổi.

Trong trường hợp này, chúng ta có thể đặt điện áp dương hoặc âm vào cổng. Khi MOSFET hoạt động với điện áp cổng âm, nó được gọi là chế độ suy giảm và khi hoạt động với điện áp cổng dương, nó được gọi là chế độ hoạt động nâng cao của MOSFET.

Chế độ cạn kiệt

Hình dưới đây mô tả một D-MOSFET kênh n ở chế độ hoạt động cạn kiệt.

Hoạt động của nó như sau:

Hầu hết các điện tử có sẵn trên cổng vì cổng là âm và nó đẩy các điện tử của n kênh.
Hành động này để lại các ion dương trong một phần của kênh. Nói cách khác, một số electron tự do củankênh đã cạn kiệt. Kết quả là, số lượng electron có sẵn ít hơn để dẫn dòng quan kênh.
Điện áp âm ở cổng càng lớn thì dòng điện từ nguồn đến cống càng nhỏ. Do đó, chúng ta có thể thay đổi điện trở của kênh n và dòng điện từ nguồn đến cống bằng cách thay đổi điện áp âm trên cổng.

Chế độ nâng cao

Hình dưới đây cho thấy MOSFET kênh D ở chế độ hoạt động nâng cao. Ở đây, cổng hoạt động như một tụ điện. Tuy nhiên, trong trường hợp này là cửa tích cực. Nó kích thích các electron trongn kênh và số lượng các electron tăng lên trong n kênh.

Điện áp cổng dương nâng cao hoặc tăng độ dẫn của kênh. Điện áp dương trên cổng càng lớn thì dẫn từ nguồn đến cống càng lớn.

Do đó, chúng ta có thể thay đổi điện trở của kênh n và dòng điện từ nguồn đến cống bằng cách thay đổi điện áp dương trên cổng.

Đặc điểm chuyển giao của D - MOSFET

Hình dưới đây cho thấy các đặc tính truyền của D-MOSFET.

Khi V _GS đi âm, I _D giảm xuống dưới giá trị của I _DSS , cho đến khi nó đạt đến 0 và V _GS = V _GS (tắt) (Chế độ cạn kiệt). Khi V _GS bằng 0, I _D = I _DSS vì cổng và đầu cuối nguồn bị ngắn mạch. I _D tăng trên giá trị của I _DSS , khi V _GS dương và MOSFET ở chế độ nâng cao.

Bộ khuếch đại hoạt động, hoặc op-amp, là bộ khuếch đại vi sai có độ lợi rất cao với trở kháng đầu vào cao và trở kháng đầu ra thấp. Bộ khuếch đại hoạt động thường được sử dụng để cung cấp thay đổi biên độ điện áp, bộ dao động, mạch lọc, v.v. Một op-amp có thể chứa một số tầng khuếch đại vi sai để đạt được mức tăng điện áp rất cao.

Đây là bộ khuếch đại vi sai độ lợi cao sử dụng ghép nối trực tiếp giữa đầu ra và đầu vào. Điều này phù hợp cho các hoạt động DC cũng như AC. Các bộ khuếch đại hoạt động thực hiện nhiều chức năng điện tử như thiết bị đo đạc, bộ tạo tín hiệu, bộ lọc tích cực, v.v. bên cạnh các phép toán khác nhau. Thiết bị đa năng này cũng được sử dụng trong nhiều ứng dụng phi tuyến tính, chẳng hạn như bộ so sánh điện áp, bộ chuyển đổi Analog-to-digital và bộ chuyển đổi Digital-to-Analog, bộ khuếch đại Logarit, bộ tạo hàm phi tuyến tính, v.v.

Bộ khuếch đại vi sai cơ bản

Hình minh họa sau đây cho thấy một bộ khuếch đại vi sai cơ bản:

Trong hình trên -

V_DI = đầu vào khác biệt
V_DI= V ₁ - V ₂
V_DO = đầu ra khác biệt
V_DO= V _C1 - V _C2

Bộ khuếch đại này khuếch đại sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào, V ₁ và V ₂ .

Tăng điện áp vi sai,

$$ A_d = \ frac {V_ {DO}} {V_ {DI}} $$

và

$$ A_d = \ frac {(V_ {C1} - V_ {C2})} {V_ {DI}} $$

Như thể hiện trong hình sau, bộ khuếch đại hoạt động cơ bản bao gồm ba giai đoạn:

Giai đoạn đầu vào

Đây là giai đoạn đầu tiên và có các đặc điểm sau.

CMR cao (Từ chối chế độ chung)
Trở kháng đầu vào cao
Chiều rộng dải rộng
Độ lệch đầu vào (DC) thấp

Đây là một số đặc điểm quan trọng đối với hiệu suất của bộ khuếch đại hoạt động. Giai đoạn này bao gồm một tầng khuếch đại vi sai và một bóng bán dẫn được phân cực để nó hoạt động như một nguồn dòng điện không đổi. Nguồn dòng không đổi làm tăng đáng kể CMR của bộ khuếch đại vi sai.

Sau đây là hai đầu vào cho bộ khuếch đại vi sai -

V ₁ = Đầu vào không đảo
V ₂ = Đảo ngược đầu vào

Giai đoạn trung gian

Đây là giai đoạn thứ hai và được thiết kế để tăng điện áp và dòng điện tốt hơn. Độ lợi dòng điện được yêu cầu để cung cấp đủ dòng điện để điều khiển tầng đầu ra, nơi phần lớn công suất bộ khuếch đại hoạt động được tạo ra. Giai đoạn này bao gồm một hoặc nhiều bộ khuếch đại vi sai, tiếp theo là một bộ theo bộ phát và một tầng chuyển đổi mức DC. Mạch chuyển mức cho phép bộ khuếch đại có hai đầu vào vi sai với một đầu ra duy nhất.

V _out = + ve	khi V ₁ > V ₂
V _out = -ve	khi V ₂ <V ₁
V _out = 0	khi V ₁ = V ₂

Giai đoạn đầu ra

Đây là giai đoạn cuối cùng của op-amp và được thiết kế để có trở kháng đầu ra thấp. Điều này cung cấp dòng điện cần thiết để truyền tải. Dòng điện nhiều hơn hoặc ít hơn sẽ được rút ra từ giai đoạn đầu ra khi và khi tải thay đổi. Do đó, điều cần thiết là giai đoạn trước hoạt động mà không bị ảnh hưởng bởi tải đầu ra. Yêu cầu này được đáp ứng bằng cách thiết kế giai đoạn này để có trở kháng đầu vào cao và độ lợi dòng điện cao, tuy nhiên với trở kháng đầu ra thấp.

Bộ khuếch đại hoạt động có hai đầu vào: Non-inverting input và Inverting input.

Hình trên cho thấy kiểu đảo ngược của bộ khuếch đại hoạt động. Một tín hiệu được áp dụng tại cực đầu vào đảo ngược được khuếch đại tuy nhiên tín hiệu đầu ra lệch pha với tín hiệu đầu vào 180 độ. Tín hiệu được áp dụng tại cực đầu vào không đảo được khuếch đại và tín hiệu đầu ra cùng pha với tín hiệu đầu vào.

Op-amp có thể được kết nối với số lượng lớn mạch để cung cấp các đặc tính hoạt động khác nhau.

Bộ khuếch đại đảo

Hình dưới đây cho thấy một bộ khuếch đại đảo. Tín hiệu đầu vào được khuếch đại và đảo ngược. Đây là mạch khuếch đại độ lợi không đổi được sử dụng rộng rãi nhất.

V _o = -R _f .V _trong / R ₁

Độ lợi điện áp A = (-R _f / R ₁ )

Bộ khuếch đại không đảo

Hình dưới đây cho thấy một mạch op-amp hoạt động như một bộ khuếch đại không đảo hoặc hệ số khuếch đại không đổi và nó có độ ổn định tần số tốt hơn.

Tín hiệu đầu vào được khuếch đại nhưng nó không bị đảo ngược.

Đầu ra V _o = [(R ₁ + R _f ) / R ₁ ] V ₁

Độ lợi điện áp A = (R ₁ + R _f ) / R ₁

Bộ khuếch đại tổng hợp đảo ngược

Hình dưới đây cho thấy một bộ khuếch đại tổng nghịch đảo. Nó là mạch được sử dụng nhiều nhất của op-amp. Mạch hiển thị một bộ khuếch đại tổng ba đầu vào, cung cấp một phương tiện tổng đại số ba điện áp, mỗi điện áp được nhân với hệ số khuếch đại không đổi. Điện áp đầu ra được biểu thị bằng,

V _o = [(-R ₄ / R ₁ ) V ₁ ] [(- R ₄ / R ₂ ) V ₂ ] [(- R ₄ / R ₃ ) V ₃ ]

V _o = -R ₄ (V ₁ / R ₁ + V ₂ / R ₂ + V ₃ / R ₃ )

Nếu, R ₁ = R ₂ = R ₃ = R ₄ = R & R _s = R / 3

V _o = - (V ₁ + V ₂ + V ₃ )

Hình dưới đây cho thấy rằng thành phần phản hồi được sử dụng là một tụ điện và kết nối thu được được gọi là một bộ tích hợp.

Tương đương với mặt đất ảo cho thấy một biểu thức cho điện áp giữa đầu vào và đầu ra có thể được tính theo dòng điện (I), từ đầu vào đến đầu ra. Nhớ lại rằng đất ảo có nghĩa là chúng ta có thể coi điện áp tại điểm nối của R và X _C là điện áp nối đất (vì V _i ≈ 0 V) tuy nhiên không có dòng điện nào đi vào đất tại điểm đó. Trở kháng điện dung có thể được biểu thị bằng

$$ X_C = \ frac {1} {jwC} = \ frac {1} {sC} $$

Ở đâu s= jw như trong ký hiệu Laplace. Giải phương trình cho $ V_o / V_i $ thu được phương trình sau

$$ I = \ frac {V_1} {R_1} = \ frac {-V_0} {X_c} = \ frac {- \ frac {V_0} {I}} {sC} = \ frac {V_0} {V_1} $$

$$ \ frac {V_0} {V_1} = \ frac {-1} {sCR_1} $$

Nó có thể được viết trong miền thời gian là

$$ V_o (t) = - \ frac {1} {RC} \ int V_1 (t) dt $$

Một mạch phân biệt được hiển thị trong hình sau.

Bộ phân biệt cung cấp một hoạt động hữu ích, mối quan hệ kết quả cho mạch

V _o (t) = RC (dv1 (t) / dt

Sau đây là một số thông số quan trọng của bộ khuếch đại hoạt động -

Mở rộng điện áp vòng lặp (AVOL)

Độ lợi điện áp vòng hở của bộ khuếch đại hoạt động là độ lợi vi sai của nó trong các điều kiện không sử dụng phản hồi âm. AVOL dao động từ 74 db đến 100 db.

AVOL = [V _o / (V ₁ - V ₂ )]

Điện áp bù đầu ra (VOO)

Điện áp bù đầu ra của bộ khuếch đại hoạt động là điện áp đầu ra của nó khi điện áp đầu vào vi sai của nó bằng 0.

Từ chối chế độ chung (CMR)

Nếu cả hai đầu vào có cùng điện thế, làm cho đầu vào vi sai bằng không và nếu đầu ra bằng 0, bộ khuếch đại hoạt động được cho là có loại bỏ chế độ chung tốt.

Chế độ chung tăng (AC)

Độ lợi chế độ chung của bộ khuếch đại hoạt động là tỷ số của điện áp đầu ra chế độ chung với điện áp đầu vào chế độ chung.

Tăng chênh lệch (AD)

Độ lợi vi sai của một bộ khuếch đại hoạt động là tỷ số giữa đầu ra và đầu vào vi sai.

Quảng cáo = [V _o / (V ₁ ) - V ₂ ]

Tỷ lệ từ chối chế độ chung (CMRR)

CMRR của bộ khuếch đại hoạt động được định nghĩa là tỷ số giữa độ lợi vi sai vòng kín và độ lợi chế độ chung.

CMRR = Quảng cáo / AC

Tốc độ quay (SR)

Tốc độ quay là tốc độ thay đổi điện áp đầu ra do điện áp đầu vào bước gây ra. Tốc độ quay vòng lý tưởng là vô hạn, có nghĩa là đầu ra bộ khuếch đại hoạt động sẽ thay đổi ngay lập tức để đáp ứng với điện áp bước đầu vào.

Chúng ta đã thảo luận về một số ứng dụng của op-amp như bộ phân biệt, bộ tích hợp, bộ khuếch đại tổng, v.v. Một số ứng dụng phổ biến khác của bộ khuếch đại hoạt động là:

Bộ khuếch đại lôgarit
Con quay hồi chuyển (Mô phỏng điện cảm)
Bộ theo dõi điện áp DC & AC
Bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số
Chuyển đổi công nghệ ky thuật sô
Bộ nguồn để bảo vệ quá áp
Chỉ báo phân cực
Người theo dõi điện áp
Bộ lọc hoạt động

Máy tạo dao động là một mạch điện tử tạo ra các dao động hình sin được gọi là sinusoidal oscillator. Nó chuyển đổi năng lượng đầu vào từ nguồn một chiều thành năng lượng đầu ra xoay chiều của dạng sóng tuần hoàn, ở một tần số cụ thể và đã biết biên độ. Tính năng đặc trưng của bộ dao động là nó duy trì đầu ra AC của nó.

Hình dưới đây cho thấy một bộ khuếch đại có tín hiệu phản hồi ngay cả khi không có tín hiệu đầu vào được áp dụng bên ngoài. Bộ dao động hình sin về bản chất là một dạng bộ khuếch đại hồi tiếp, trong đó các yêu cầu đặc biệt được đặt ra về độ lợi điện ápA_v và các mạng phản hồi β.

Xét bộ khuếch đại hồi tiếp của hình trên, trong đó điện áp phản hồi V _f = βV _O cung cấp toàn bộ điện áp đầu vào

$ V_i = V_f = \ beta V_0 = A_V \ beta V_i $ (1)

$ V_i = A_V \ beta V_i $ Hoặc $ (1 - A_V \ beta) V_i = 0 $ (2)

Nếu một điện áp đầu ra được tạo ra, thì điện áp đầu vào không thể bằng không. Do đó, để V _i tồn tại, Phương trình (2) yêu cầu

$ (1 - A_V \ beta) = 0 $ Hoặc $ A_V \ beta = 1 $ (3)

Phương trình (3) được gọi là “Barkhausen criterion”, trong đó nêu hai yêu cầu cơ bản đối với dao động -

Độ lợi điện áp xung quanh bộ khuếch đại và vòng phản hồi, được gọi là độ lợi vòng lặp, phải là thống nhất, hoặc $ A_V \ beta = 1 $.
Độ lệch pha giữa $ V_i $ và $ V_f $, được gọi là độ lệch pha của vòng lặp, phải bằng không.

Nếu thỏa mãn hai điều kiện này, bộ khuếch đại hồi tiếp của hình trên sẽ tạo ra dạng sóng đầu ra hình sin một cách nhất quán.

Bây giờ chúng ta hãy thảo luận chi tiết về một số mạch dao động điển hình.

Bộ dao động dịch pha

Một mạch dao động tuân theo tiến trình cơ bản của mạch hồi tiếp là mạch dao động lệch pha. Một dao động lệch pha được biểu diễn trong hình sau. Yêu cầu đối với dao động là độ lợi vòng lặp (βA) phải lớn hơn sự thống nhất và độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra phải là 360 ^o .

Phản hồi được cung cấp từ đầu ra của mạng RC trở lại đầu vào của bộ khuếch đại. Giai đoạn khuếch đại op-amp cung cấp dịch chuyển 180 độ ban đầu và mạng RC giới thiệu thêm một lượng dịch pha. Ở một tần số cụ thể, độ lệch pha được giới thiệu bởi mạng chính xác là 180 độ, do đó, vòng lặp sẽ là 360 độ và điện áp phản hồi là điện áp đầu vào pha.

Số giai đoạn RC tối thiểu trong mạng phản hồi là ba, vì mỗi phần cung cấp 60 độ dịch pha. Bộ dao động RC phù hợp lý tưởng với dải tần số âm thanh, từ một vài chu kỳ đến khoảng 100 KHz. Ở các tần số cao hơn, trở kháng mạng trở nên thấp đến mức nó có thể tải nghiêm trọng bộ khuếch đại, do đó làm giảm mức tăng điện áp của nó xuống dưới giá trị tối thiểu cần thiết và dao động sẽ ngừng.

Ở tần số thấp, hiệu ứng tải thường không phải là vấn đề và có sẵn các giá trị điện trở và điện dung lớn cần thiết. Sử dụng phân tích mạng cơ bản, dao động tần số có thể được biểu thị bằng

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi RC \ sqrt {6}} $$

Wien Bridge Oscillator

Một mạch dao động thực tế sử dụng một mạch op-amp và mạch cầu RC, với tần số dao động được đặt bởi R và Ccác thành phần. Hình sau đây mô tả phiên bản cơ bản của mạch dao động cầu Wien.

Lưu ý kết nối cầu cơ bản. Điện trở R ₁ và R ₂ và tụ điện C ₁ và C ₂ tạo thành phần tử điều chỉnh tần số, trong khi điện trở R ₃ và R ₄ tạo thành một phần của đường phản hồi.

Trong ứng dụng này, điện áp đầu vào (V _i ) tới cầu là điện áp đầu ra của bộ khuếch đại, và điện áp đầu ra (V _o ) của cầu là phản hồi tới đầu vào của bộ khuếch đại. Bỏ qua các tác động tải của trở kháng đầu vào và đầu ra op-amp, kết quả phân tích mạch cầu

$$ \ frac {R_3} {R_4} = \ frac {R_1} {R_2} + \ frac {C_2} {C_1} $$

và

$$ f = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {R_1C_1R_2C_2}} $$

Nếu R ₁ = R ₂ = R và C ₁ = C ₂ = C thì tần số dao động thu được là

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi RC} $$

Bộ dao động Hartley

Hình dưới đây mô tả bộ dao động Hartley. Nó là một trong những mạch RF phổ biến nhất. Nó thường được sử dụng làm bộ dao động cục bộ trong bộ thu phát sóng truyền thông. Các bjt trong kết nối phát điểm chung là bộ khuếch đại điện áp và được thiên vị bởi một mạch thiên vị phổ quát bao gồm R ₁ , R ₂ , R _E . Tụ điện bỏ qua máy phát (C _E ) làm tăng điện áp của tầng bán dẫn đơn này.

Cuộn cảm tần số vô tuyến (RFC) trong mạch thu hoạt động như một mạch hở ở tần số RF và ngăn năng lượng RF đi vào nguồn điện. Mạch bình gồm L ₁ , L ₂ , C. Tần số dao động được xác định bởi giá trị của L ₁ , L ₂ , C và được xác định bởi dao động ở tần số cộng hưởng của mạch bình LC. Tần số cộng hưởng này được biểu thị bằng

$$ f_o = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {L_TC}} $$

Tín hiệu đầu ra có thể được lấy từ bộ thu bằng cách ghép điện dung, với điều kiện tải lớn và tần số dao động không bị ảnh hưởng.

Áp điện

Tính chất áp điện được thể hiện bởi một số chất tinh thể tự nhiên, trong đó quan trọng nhất là thạch anh, muối Rochelle và tourmaline. Khi một điện áp hình sin được đặt trên các vật liệu này, chúng sẽ dao động ở tần số điện áp đặt vào.

Mặt khác, khi các vật liệu này bị nén và đặt dưới sức căng cơ học để dao động, chúng tạo ra một điện áp hình sin tương đương. Do đó, những vật liệu này được gọi là tinh thể áp điện. Thạch anh là tinh thể áp điện phổ biến nhất.

Dao động tinh thể

Sơ đồ mạch của bộ dao động tinh thể được hiển thị trong hình sau.

Tinh thể ở đây hoạt động như một mạch điều chỉnh. Mạch tương đương của một tinh thể được cho dưới đây.

Một bộ dao động tinh thể có hai tần số cộng hưởng: Tần số cộng hưởng nối tiếp và tần số cộng hưởng song song.

Tần số cộng hưởng chuỗi

$$ f_s = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC}} $$

Tần số cộng hưởng song song

$$ f_p = \ frac {1} {2 \ pi \ sqrt {LC_T}} $$

Hai tần số cộng hưởng gần như giống nhau, vì C / Cm rất nhỏ. Trong hình trên, tinh thể được kết nối để hoạt động ở chế độ cộng hưởng song song.

Các điện trở R ₁ , R ₂ , R _E và bóng bán dẫn cùng nhau tạo thành một mạch khuếch đại. Điện trở R ₁ và R ₂ cung cấp phân cực DC ổn định điện áp. Tụ điện (C _E ) cung cấp đường qua AC của điện trở phát (R _E ) và RFC cung cấp trở kháng cao đối với tần số do bộ dao động tạo ra, để chúng không đi vào đường dây điện.

Tinh thể mắc song song với tụ điện C ₁ và C ₂ và cho phép phản hồi điện áp cực đại từ bộ thu đến bộ phát, khi trở kháng của nó là cực đại. Ở các tần số khác, trở kháng tinh thể thấp và do đó phản hồi kết quả là quá nhỏ để duy trì dao động. Tần số dao động được ổn định ở tần số cộng hưởng song song của tinh thể.

Mục đích cơ bản của mạng phân cực là thiết lập các mối quan hệ điện áp và điện áp cực thu - gốc - cực phát tại điểm hoạt động của mạch (điểm hoạt động còn được gọi là điểm tĩnh, điểm Q, điểm không có tín hiệu, điểm nhàn rỗi, hoặc điểm tĩnh). Vì các bóng bán dẫn hiếm khi hoạt động ở điểm Q này, các mạng phân cực cơ bản thường được sử dụng làm tham chiếu hoặc điểm khởi đầu cho thiết kế.

Cấu hình mạch thực tế và đặc biệt, các giá trị mạng phân cực được chọn trên cơ sở điều kiện mạch động lực (điện áp đầu ra mong muốn, mức tín hiệu đầu vào dự kiến, v.v.) Khi điểm hoạt động mong muốn được thiết lập, chức năng tiếp theo của mạng phân cực là để ổn định mạch khuếch đại tại điểm này. Mạng phân cực cơ bản phải duy trì các mối quan hệ dòng điện mong muốn trong điều kiện nhiệt độ và nguồn điện thay đổi, và có thể thay thế bóng bán dẫn.

Trong một số trường hợp, các thay đổi tần số và các thay đổi do thành phần gây ra một lần nữa cũng phải được bù đắp bởi mạng phân cực. Quá trình này thường được gọi là ổn định thiên vị. Ổn định thiên vị thích hợp sẽ duy trì mạch khuếch đại ở điểm hoạt động mong muốn (trong giới hạn thực tế), và sẽ ngăn chặn sự chạy thoát nhiệt.

Hệ số ổn định 'S'

Nó được định nghĩa là tốc độ thay đổi của dòng điện thu wrt dòng bão hòa ngược, giữ cho β và V _BE không đổi. Nó được thể hiện như

$$ S = \ frac {\ mathrm {d} I_c} {\ mathrm {d} I_c} $$

Phương pháp ổn định thiên vị

Phương pháp làm cho điểm hoạt động độc lập với sự thay đổi nhiệt độ hoặc sự thay đổi trong các thông số của bóng bán dẫn được gọi là stabilization. Có một số chương trình để cung cấp sự ổn định thiên vị của các bộ khuếch đại trạng thái rắn. Tất cả những kế hoạch này đều thu hút một dạng phản hồi tiêu cực. Đó là bất kỳ giai đoạn nào trong dòng điện bán dẫn tạo ra sự thay đổi điện áp hoặc dòng điện tương ứng có xu hướng đối trọng với sự thay đổi ban đầu.

Có hai phương pháp cơ bản để tạo ra phản hồi âm, phản hồi nghịch đảo điện áp và phản hồi nghịch dòng.

Phản hồi nghịch đảo điện áp

Hình sau đây mô tả mạng phân cực nghịch đảo-điện áp cơ bản. Điểm nối cực phát - gốc được phân cực thuận bởi điện áp tại điểm nối của R ₁ và R ₂ . Điểm nối cơ sở - cực thu được phân cực ngược bởi sự khác biệt giữa điện áp tại bộ thu và đế.

Thông thường, bộ thu của bộ khuếch đại được ghép điện trở ở điện áp bằng một nửa điện trở của nguồn cung cấp Điện trở (R ₃ ), được kết nối giữa bộ thu và đế. Vì điện áp bộ thu là dương, một phần của điện áp này được phản hồi về đế để hỗ trợ phân cực thuận.

Phân cực thuận bình thường (hoặc điểm Q) trên điểm nối cực phát - đế là kết quả của tất cả các điện áp giữa bộ phát và đế. Khi thu tăng hiện nay, sự sụt giảm điện áp lớn hơn được sản xuất trên R _L . Kết quả là, điện áp trên bộ thu giảm, giảm điện áp phản hồi về cơ sở thông qua R ₃ . Điều này làm giảm phân cực thuận cực phát-gốc, giảm dòng phát và hạ dòng thu xuống giá trị bình thường. Khi dòng điện thu ban đầu giảm, một hành động ngược lại sẽ xảy ra và dòng điện thu được tăng lên giá trị bình thường (điểm Q) của nó.

Bất kỳ dạng phản hồi âm hoặc phản hồi nghịch đảo nào trong bộ khuếch đại đều có xu hướng chống lại tất cả những thay đổi ngay cả những thay đổi được tạo ra bởi tín hiệu được khuếch đại. Phản hồi nghịch đảo hoặc tiêu cực này có xu hướng làm giảm và ổn định độ lợi, cũng như thay đổi không mong muốn. Nguyên tắc ổn định khuếch đại bằng phản hồi này được sử dụng ít nhiều trong tất cả các loại bộ khuếch đại.

Phản hồi ngược-hiện tại

Hình sau đây cho thấy một mạng phân cực nghịch dòng (emitter– phản hồi) đặc biệt sử dụng bóng bán dẫn NPN. Phản hồi hiện tại thường được sử dụng hơn phản hồi điện áp trong các bộ khuếch đại trạng thái rắn. Điều này là do các bóng bán dẫn chủ yếu là thiết bị hoạt động bằng dòng điện, hơn là thiết bị hoạt động bằng điện áp.

Việc sử dụng điện trở phản hồi - cực phát trong bất kỳ mạch phân cực nào có thể được tóm tắt như sau: Dòng điện cơ bản phụ thuộc vào sự khác biệt về điện áp giữa chân đế và bộ phát. Nếu điện áp chênh lệch được hạ thấp, dòng điện cơ bản sẽ ít hơn.

Điều ngược lại là đúng khi tăng vi sai. Tất cả các dòng điện chạy qua bộ thu. Điện áp giảm trên điện trở phát và do đó không phụ thuộc hoàn toàn. Khi dòng thu tăng, dòng phát và sụt áp trên điện trở phát cũng sẽ tăng. Phản hồi tiêu cực này có xu hướng làm giảm sự khác biệt giữa cơ sở và bộ phát, do đó làm giảm dòng điện cơ bản. Đổi lại, dòng cơ bản thấp hơn có xu hướng làm giảm dòng thu, và đối trọng với việc tăng dòng thu ban đầu.

Bồi thường thiên vị

Trong các bộ khuếch đại trạng thái rắn, khi sự mất mát trong độ lợi tín hiệu không thể chấp nhận được trong một ứng dụng cụ thể, các kỹ thuật bù thường được sử dụng để giảm độ lệch của điểm hoạt động. Để cung cấp độ chệch và ổn định nhiệt tối đa, cả hai phương pháp bù và ổn định có thể được sử dụng cùng nhau.

Hình dưới đây cho thấy kỹ thuật bù diode sử dụng cả bù diode và ổn định tự phân cực. Nếu cả điốt và bóng bán dẫn cùng loại thì chúng có cùng hệ số nhiệt độ trên toàn mạch. Ở đây, diode được phân cực thuận. KVL cho mạch đã cho có thể được biểu thị bằng:

$$ I_c = \ frac {\ beta [V - (V_ {BE} - V_o)] + (Rb + Rc) (\ beta + 1) ICO} {Rb + Rc (1 + \ beta)} $$

Rõ ràng từ phương trình trên rằng $ V_ {BE} $ tuân theo nhiệt độ của VO wrt và Ic sẽ không ảnh hưởng đến các biến thể của $ V_ {BE} $. Đây là một phương pháp hiệu quả để chăm sóc điểm hoạt động của bóng bán dẫn do sự thay đổi trong $ V_ {BE} $.

Thiết bị bù nhiệt độ

Chúng ta cũng có thể sử dụng một số thiết bị nhạy cảm với nhiệt độ để bù cho các biến thể của đặc tính bên trong bóng bán dẫn. Thermistor có hệ số nhiệt độ âm, có nghĩa là khi nhiệt độ tăng, điện trở của nó giảm theo cấp số nhân. Hình sau đây mô tả một mạch sử dụng nhiệt điện trở (R _T ) để giảm sự gia tăng dòng điện góp do sự thay đổi của $ V_ {BE} $, ICO hoặc β theo nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng, R _T giảm và dòng điện qua R _T vào R _E tăng. Điện áp hoạt động trên R _E có chiều ngược lại để phân cực ngược transistor. R _T hoạt động như vậy có xu hướng bù đắp sự gia tăng của IC, vốn tăng do sự tăng nhiệt độ.