GIÁO TRÌNH MÔN KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ Để đánh giá và lựa chọn điện trở ta phải dựa vào các tham số của nó. Các tham số gồm có: a) Trị số điện trở và dung sai + Trị số của điện trở là tham số cơ bản, và yêu cầu trị số điện trở phải ổn định, ít thay đổi theo nhiện độ, độ ẩm, v.v... Trị số của điện trở phụ thuộc vào vật liệu cản điện, vào kích thƣớc của điện trở và nhiệt độ môi trƣờng. + Dung sai hay sai số của điện trở: Dung sai biểu thị mức độ chênh lệch của trị số thực tế của điện trở so với trị số danh định và đƣợc tính theo %. b) Công suất tiêu tán cho phép (Pttmax) Khi có dòng điện chạy qua, điện trở tiêu tán năng lƣợng điện dƣới dạng nhiệt
L INH KIỆN THỤ ĐỘNG
Điện trở là linh kiện quan trọng trong mạch điện, có chức năng ngăn cản dòng điện Đơn vị đo điện trở được sử dụng để thể hiện khả năng cản trở dòng điện là ôm (Ω), kilô ôm (kΩ) và mêga ôm (MΩ).
1.1.1.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở Để đánh giá và lựa chọn điện trở ta phải dựa vào các tham số của nó Các tham số gồm có: a) Trị số điện trở và dung sai
Trị số của điện trở là một tham số cơ bản cần được duy trì ổn định, ít thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và các yếu tố khác Nó phụ thuộc vào loại vật liệu cản điện, kích thước của điện trở và nhiệt độ môi trường xung quanh.
Dung sai của điện trở là chỉ số thể hiện sự khác biệt giữa giá trị thực tế và giá trị danh định, được tính theo phần trăm Ngoài ra, công suất tiêu tán tối đa (Pttmax) cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá hiệu suất của điện trở.
Khi có dòng điện chạy qua, điện trở tiêu tán năng lượng điện dưới dạng nhiệt một công suất là:
Hình 1.1: Hình dạng và ký hiệu điện trở
Công suất tiêu tán cho phép của điện trở Pttmax là mức công suất điện tối đa mà điện trở có thể chịu đựng Nếu vượt quá giới hạn này, điện trở sẽ bị nóng và hư hỏng, không còn khả năng sử dụng.
P tt (1.2) c) Hệ số nhiệt của điện trở: TCR
Hệ số nhiệt của điện trở biểu thị sự thay đổi trị số của điện trở theo nhiệt độ môi trường và được tính theo công thức:
R: là trị số của điện trở
R: là đại lƣợng thay đổi của trị số điện trở khi nhiệt độ thay đổi một lƣợng là
TCR: là trị số biến đổi tương đối tính theo phần triệu của điện trở trên 1 o C (viết tắt là ppm/ o C)
1.1.1.3 Cách đọc trị số của điện trở
Cách đọc trị số của điện trở tuỳ thuộc vào cách biểu diễn điện trở
Ghi bằng số và chữ
Trong việc ghi chú các đơn vị điện trở, thường sử dụng các chữ cái R, K, M Chữ R đại diện cho đơn vị ôm (Ω), chữ K biểu thị cho kilô ôm (kΩ), và chữ M tương ứng với megô ôm (MΩ) Vị trí của các chữ cái này cho thấy vị trí của dấu phẩy trong số thập phân.
Điện trở dán được chỉ định giá trị thông qua ba chữ số in trên thân linh kiện Hai chữ số đầu tiên biểu thị giá trị thông dụng, trong khi chữ số thứ ba đại diện cho số mũ của mười, cho biết số lượng số 0 cần thêm vào giá trị.
Biểu thị trị số điện trở bằng các vòng màu
Thường dùng 4 vòng hoặc 5 vòng để biểu diễn Các quy định màu đối với điện trở 4 vòng màu nhƣ sau:
Vòng 1, 2 là vòng giá trị
Vòng 3 là vòng biểu thị số luỹ thừa của 10
Vòng 4 là vòng sai số Để xác định thứ tự vòng màu căn cứ vào ba đặc điểm:
- Vòng 1 gần đầu điện trở nhất
- Tiết diện vòng cuối cùng là lớn nhất
5 vạch màu Đen Nâu Đỏ Cam Vàng Xanh lá
- Vòng 1 không bao giờ là nhũ vàng, nhũ bạc
Trường hợp điện trở 3 vòng màu (vòng 4 trùng với thân điện trở) có sai số 20%
Với điện trở 5 vòng màu gồm 3 vòng giá trị, vòng 4 biểu thị số luỹ thừa của 10, vòng 5 biểu thị sai số
Biến trở là điện trở có giá trị thay đổi đƣợc
Biến trở có hai dạng: Điện trở biến đổi và chiết áp:
Hình 1.3: Ví dụ xác định giá trị điện trở 5 vòng màu Hình 1.2: Ví dụ xác định giá trị điện trở 4 vòng màu
Hình 1.4: Ký hiệu và hình dạng của biến trở
Điện trở biến đổi được chế tạo tương tự như điện trở không đổi, nhưng có thêm con trượt để điều chỉnh giá trị điện trở Chiết áp cũng được coi là một loại điện trở biến đổi.
Tụ điện là một linh kiện có khả năng phóng nạp điện tích
Cấu tạo của tụ điện bao gồm hai bản cực bằng kim loại được đặt song song và cách điện với nhau, trong khi môi trường giữa hai bản cực được gọi là điện môi Hai bản cực này được kết nối với hai dây dẫn bên ngoài, tạo thành hai chân của tụ, và toàn bộ hệ thống được bảo vệ bởi một vỏ bọc chắc chắn.
Ký hiệu của tụ điện trên mạch điện thể hiện khả năng phóng nạp điện tích của nó thông qua khái niệm điện dung Điện dung được đo bằng các đơn vị như farad (F), microfarad (μF), nanofarad (nF) và picofarad (pF).
1.1.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện
Mỗi loại tụ điện đều có các tham số kỹ thuật quan trọng, giúp người dùng lựa chọn và sử dụng tụ điện hiệu quả nhất Hai tham số chính của tụ điện là trị số điện dung và dung sai.
Trị số điện dung (C) tỷ lệ thuận với tỷ số giữa điện tích hữu dụng của bản cực S và khoảng cách giữa hai bản cực Điện dung được tính theo công thức cụ thể, phản ánh mối quan hệ giữa các yếu tố này.
C: là điện dung tụ điện, đơn vị là Fara (F) ξ: Là hằng số điện môi của lớp cách điện
Hình 1.5b: Ký hiệu của tụ điện
Tụ có điện dung thay đổi
Hình 1.5a: Cấu tạo của tụ điện
13 d: là chiều dày của lớp cách điện
S: là diện tích bản cực của tụ điện k = 9.10 9
Dung sai của tụ điện là tham số quan trọng phản ánh độ chính xác của trị số điện dung thực tế so với trị số danh định Bên cạnh đó, điện áp làm việc cũng là yếu tố cần lưu ý khi đánh giá hiệu suất của tụ điện.
Mỗi tụ điện có một điện áp làm việc tối đa, vượt quá mức này sẽ khiến lớp điện môi bị đánh thủng, dẫn đến hỏng hóc tụ điện Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của điện trở cách điện trong việc bảo vệ tụ điện khỏi các tình huống quá tải.
Tính chất và kích thước của điện môi ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở cách điện của tụ điện, trong đó điện trở cách điện của tụ hoá được thể hiện qua dòng dò Hệ số nhiệt của tụ điện cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
D IODE BÁN DẪN
Chất bán dẫn thuần (Intrinsic) là loại chất mà ở mỗi nút của mạng tinh thể chỉ chứa nguyên tử của một loại nguyên tố duy nhất.
Hai chất bán dẫn thuần hay đƣợc sử dụng nhất trong kỹ thuật điện tử là Silic và Gecmani Trong đó Si đƣợc sử dụng nhiều hơn Ge
Silic và Gemani đều có 4 điện tử hoá trị, nhưng vị trí của chúng khác nhau; điện tử hoá trị của Gemani nằm ở lớp thứ tư, trong khi của Silic ở lớp thứ ba, gần hạt nhân hơn Điều này dẫn đến việc điện tử hoá trị của Gemani có mức năng lượng cao hơn, cho phép chúng trở thành điện tử tự do với một lượng năng lượng nhỏ Kết quả là Gemani trở nên không ổn định ở nhiệt độ cao, trong khi Silic lại là vật liệu bán dẫn phổ biến nhờ tính ổn định của nó.
Silic và Gemani sở hữu cấu trúc mạng tinh thể, trong đó mỗi nguyên tử Silic hoặc Gemani liên kết với bốn nguyên tử xung quanh thông qua liên kết cộng hoá trị.
Hình 1.9: Cấu trúc nguyên tử của Si và Ge
Hạt tải điện trong chất bán dẫn thuần
Tinh thể silic thuần tại nhiệt độ phòng có khả năng hấp thụ năng lượng từ môi trường như nhiệt và ánh sáng, dẫn đến việc một số điện tử hoá trị được kích thích tăng năng lượng và nhảy lên vùng dẫn, trở thành điện tử tự do, hay còn gọi là điện tử dẫn điện Khi điện tử di chuyển lên vùng dẫn, nó để lại một khoảng trống trong vùng hoá trị, được gọi là lỗ trống Quá trình này tạo ra cặp điện tử-lỗ trống khi năng lượng bên ngoài kích thích Sự tái hợp xảy ra khi điện tử trong vùng dẫn mất năng lượng và quay trở lại lỗ trống trong vùng hoá trị.
Trong chất bán dẫn thuần, nồng độ điện tử tự do bằng nồng độ lỗ trống và đƣợc ký hiệu là n i : n = p = n i
1.2.1.2 Chất bán dẫn tạp chất
Chất bán dẫn tạp chất là loại chất bán dẫn trong đó một số nguyên tử tại các nút mạng tinh thể được thay thế bằng nguyên tử của chất khác.
Có hai chất bán dẫn tạp chất là: chất bán dẫn loại N và chất bán dẫn loại P các electron góp chung
Hình 1.10: a) Cấu trúc mạng tinh thể; b) Liên kết cộng hoá trị trong Si a) b) lỗ trống điện tử tự vùng dẫn do vùng hoá trị
Hình 1.11 Quá trình tạo ra cặp điện tử tự do - lỗ trống trên đồ thị vùng năng lượng
Người ta thêm các nguyên tử nhóm V như As, P, Bi, và Sb vào chất bán dẫn Silic hoặc Gemani Những nguyên tử tạp chất này sẽ thay thế một số nguyên tử Si hoặc Ge trong mạng tinh thể, đóng góp 4 trong 5 điện tử hóa trị của chúng vào liên kết cộng hóa trị với 4 nguyên tử lân cận Điện tử thứ 5 sẽ dư thừa, tạo ra liên kết yếu trong mạng tinh thể Các tạp chất nhóm V này được gọi là tạp chất cho điện tử (Donor) hay tạp chất n.
Số lượng electron dẫn điện trong chất bán dẫn có thể được điều chỉnh thông qua nồng độ chất pha tạp Quá trình pha tạp tạo ra electron dẫn điện mà không làm xuất hiện lỗ trống trong vùng hóa trị Đối với chất bán dẫn tạp loại N, nồng độ electron dẫn điện (n_n) vượt trội hơn so với nồng độ lỗ trống (p_n), trong đó electron dẫn điện được gọi là hạt dẫn đa số và lỗ trống là hạt dẫn thiểu số, với điều kiện n_n >> p_n, trong đó n_n là nồng độ electron dẫn điện và p_n là nồng độ lỗ trống trong chất bán dẫn tạp loại N.
Chất bán dẫn loại P được hình thành bằng cách pha trộn các nguyên tử có hóa trị III như nhôm (Al), bo (B), indi (In) và gali (Ga) vào chất bán dẫn thuần silic hoặc germani.
Mức năng lƣợng tạp chất
Electron tự do từ nguyên tử Sb
Hình 1.12: Đồ thị vùng năng lượng và cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn loại N
Như minh họa ở hình 1.13, mỗi nguyên tử tạp chất, chẳng hạn như B, liên kết cộng hoá trị với bốn nguyên tử Silic xung quanh Ba electron hoá trị của nguyên tử B tham gia vào các liên kết với nguyên tử Silic, tạo ra một lỗ trống do cần bốn electron hoá trị Electron từ liên kết gần đó có thể nhảy sang để hoàn thiện liên kết thứ tư còn thiếu Vì nguyên tử tạp chất có khả năng nhận electron, nên nó được gọi là nguyên tử nhận (acceptor).
Trong chất bán dẫn loại P, dòng điện chủ yếu được tạo ra bởi các lỗ trống, được gọi là hạt dẫn đa số Ngoài ra, một số electron cũng tham gia vào quá trình dẫn điện thông qua cặp điện tử - lỗ trống do hiện tượng nhiệt tạo ra, được gọi là hạt dẫn thiểu số Trong chất bán dẫn P, nồng độ hạt dẫn lỗ trống (pP) vượt trội hơn nồng độ hạt dẫn electron (nP).
Số lượng lỗ trống trong vật liệu có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi nồng độ nguyên tử tạp chất Việc tạo ra lỗ trống do sự pha tạp không liên quan đến sự hiện diện của điện tử tự do.
1.2.1.3 Mặt ghép P-N và tính chất chỉnh lưu a) Phương pháp tạo mặt ghép P-N
Trên một miếng bán dẫn đơn tinh thể, thông qua công nghệ pha tạp, hai vùng dẫn điện khác nhau được tạo ra: vùng bán dẫn tạp loại P và vùng bán dẫn tạp loại N Tại ranh giới giữa hai vùng này, một lớp có đặc tính vật lý khác biệt hình thành, được gọi là mặt ghép P-N.
Mức năng lƣợng tạp chất
Hình 1.13: Đồ thị vùng năng lượng và cấu trúc mạng tinh thể của chất bán dẫn loại P
24 b) Mặt ghép P-N khi chưa phân cực
Khi tiếp xúc P-N được hình thành, gradient nồng độ hạt dẫn lớn giữa hai miền N và P khiến các điện tử tự do trong miền N khuếch tán sang miền P, nơi chúng kết hợp với các lỗ trống gần lớp tiếp xúc Quá trình này làm miền N mất đi các điện tử tự do, tạo ra một lớp tích điện dương gần lớp tiếp xúc, trong khi miền P nhận thêm điện tử tự do và các lỗ trống cũng khuếch tán sang miền N.
N, tạo ra một lớp tích điện âm gần lớp tiếp xúc Hai lớp tích điện dương và âm này đƣợc gọi là miền điện tích không gian hoặc miền nghèo nhƣ hình 1.14b Khái niệm miền nghèo là để chỉ vùng gần lớp tiếp xúc P-N bị mất hầu hết các hạt mang điện (điện tử và lỗ trống) Trong vùng nghèo hình thành một điện trường theo định luật Coulomb hướng từ N sang P Điện trường này tạo ra một thế cản ngăn cản các electron trong miền N khuếch tán sang miền P và ngăn cản các lỗ trống khuếch tán từ P sang N Nhưng điện trường này lại tăng cường chuyển động của các hạt dẫn thiểu số qua lớp tiếp giáp (chuyển động trôi) Khi dòng điện do các hạt dẫn chuyển động khuếch tán và các hạt dẫn chuyển động trôi qua tiếp xúc P-N có giá trị bằng nhau thì ta nói tiếp xúc
P-N ở trạng thái cân bằng động Mức năng lƣợng E 0 - thế năng của điện tử hay hàng rào thế năng của điện tử ở tiếp xúc P-N khi nó ở trạng thái cân bằng là:
K: hằng số Bolzman = 1.38×10 -23 J/ 0 K T: nhiệt độ tuyệt đối
N D , N A : nồng độ các nguyên tử tạp chất nhóm 5 và nhóm 3
Hình 1.14: a) Mặt ghép P-N b) Sự hình thành miền nghèo
Hình 1.15 Đồ thị vùng năng lượng của tiếp xúc PN
Vùng dẫn n i : nồng độ hạt dẫn sinh ra do nhiệt
T RANSISTOR LƢỠNG CỰC (BJT)
1.3.1 Cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của transistor
Transistor là linh kiện bán dẫn bao gồm các miền bán dẫn tạp chất P và N xen kẽ nhau, tạo thành hai cấu trúc chính là PNP và NPN Sự sắp xếp của các miền P và N quyết định loại cấu trúc transistor Để chế tạo các cấu trúc này, người ta sử dụng nhiều phương pháp công nghệ khác nhau như hợp kim, khuếch tán và epitaxi.
Miền Emitter là miền N thứ nhất của Transistor NPN, trong khi với Transistor PNP, miền tương ứng là miền P Miền này có nồng độ tạp chất cao nhất, đóng vai trò quan trọng trong việc phát xạ các hạt dẫn như lỗ trống hoặc điện tử Điện cực kết nối với miền Emitter được gọi là cực Emitter và được ký hiệu là E.
Miền Base là miền P kế tiếp, với Transistor PNP có miền N Miền này có nồng độ tạp chất thấp và độ dày nhỏ so với kích thước tổng thể của Transistor Miền Base đóng vai trò truyền dẫn hạt, và điện cực kết nối với miền này được gọi là cực Base, ký hiệu là B.
Miền Collector, hay còn gọi là miền N, là khu vực có nồng độ tạp chất thấp hơn miền Emitter nhưng cao hơn miền Base Vai trò chính của miền này là thu gom các hạt dẫn, và điện cực kết nối với miền Collector được gọi là cực Collector, ký hiệu là C.
J E : Chuyển tiếp PN giữa emitter và base đƣợc gọi là chuyển tiếp emitter
Hình 1.30: Cấu tạo của Transistor loại NPN (a) và PNP (b)
J C : Chuyển tiếp PN giữa base và collector đƣợc gọi là chuyển tiếp collector
Transistor có thể được hình dung như hai diode mắc đối nhau, nhưng không phải chỉ cần mắc hai diode là có thể thực hiện chức năng của transistor Điều này là do không có sự tương tác giữa hai chuyển tiếp PN Hiệu ứng của transistor chỉ xảy ra khi khoảng cách giữa hai chuyển tiếp nhỏ hơn nhiều so với độ dài khuếch tán của hạt dẫn.
1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động của Transistor
Để Transistor hoạt động hiệu quả, cần cung cấp cho các cực của nó một điện áp một chiều phù hợp Tùy thuộc vào điện áp này, Transistor sẽ hoạt động ở ba chế độ khác nhau: chế độ khuếch đại (tích cực), chế độ bão hòa và chế độ cắt dòng Ví dụ, chúng ta sẽ mô tả hoạt động của Transistor loại NPN để minh họa cho các chế độ làm việc này.
Chế độ khuếch đại yêu cầu cung cấp nguồn điện một chiều cho các cực, trong đó chuyển tiếp emitter J E được phân cực thuận và chuyển tiếp collector J C được phân cực ngược.
Chuyển tiếp J E phân cực thuận nên các hạt đa số được tăng cường khuếch tán qua chuyển tiếp JE tạo lên dòng I E Cụ thể là:
- Điện tử từ miền N (miền Emitter) khuếch tán sang P (miền base) tạo nên
- Lỗ trống từ miền P (miền base) khuếch tán sang N (miền Emitter) tạo nên I EP
Do nồng độ hạt trong miền base thấp hơn nhiều so với miền Emitter, cùng với việc bề dày miền Emitter lớn hơn bề dày miền base, dẫn đến IEN lớn hơn nhiều so với IEP Vì vậy, có thể kết luận rằng IE gần bằng IEN.
Khi các điện tử từ miền emitter phun vào miền base, chúng trở thành các hạt thiểu số và tiếp tục khuếch tán đến miền điện tích không gian chuyển tiếp JC Tại đây, điện trường của chuyển tiếp JC phân cực ngược cuốn các điện tử sang miền collector, tạo nên dòng Ic Dòng Ic bao gồm hai thành phần: dòng điện tử từ miền emitter và dòng hạt thiểu số trong miền base Dòng hạt thiểu số này được gọi là dòng điện ngược I CBo, hay còn gọi là dòng điện rò, với giá trị rất nhỏ và không phụ thuộc vào dòng điện I E, do đó không thể điều khiển và được xem là thành phần không cần thiết.
Trong miền base của transistor, số lượng lỗ trống và hạt dẫn điện tử không cân bằng từ emitter gây ra hiện tượng tái hợp Hiện tượng này làm giảm số lượng điện tử và lỗ trống, dẫn đến sự xuất hiện của dòng tái hợp I_B Theo định luật Kirchhoff, ta có thể phân tích và tính toán các dòng điện trong mạch.
Chế độ cắt dòng của transistor yêu cầu cung cấp nguồn điện một chiều cho các cực, sao cho cả hai chuyển tiếp emitter JE và collector JC đều được phân cực ngược Trong trạng thái này, điện trở của transistor tăng cao, dẫn đến chỉ có dòng điện ngược rất nhỏ từ chuyển tiếp collector ICB0 đi qua transistor.
Chế độ bão hoà của transistor yêu cầu cung cấp nguồn điện một chiều cho các cực, đảm bảo cả hai chuyển tiếp emitter JE và collector JC đều được phân cực thuận Khi đạt được điều này, điện trở của hai chuyển tiếp JE và JC sẽ rất nhỏ, dẫn đến dòng điện qua transistor IC lớn và gần bằng dòng bão hoà.
Từ các mô tả trên ta có các quan hệ dòng điện trong Transistor:
dc là hệ số truyền đạt dòng điện của Transistor ở chế độ 1 chiều, để đánh giá mức độ hao hụt dòng khuếch tán trong miền base
Hệ số khuếch đại dòng điện ở chế độ 1 chiều đƣợc định nghĩa:
Dòng hạt thiểusố Dòng hạt đa số
Hình 1.31: Nguyên tắc hoạt động của transistor NPN
Từ đó ta có mối quan hệ giữa dc và dc nhƣ sau:
1 dc dc dc dc dc dc
- Dòng I Cmax là dòng qua cực colector lớn nhất trong thời gian dài mà không làm nóng Transistor quá nhiệt độ cho phép
Điện áp U Cmax là giá trị điện áp tối đa có thể áp dụng giữa hai cực collector-emitter trong sơ đồ EC hoặc CC, hoặc giữa base-collector trong sơ đồ BC mà không gây ra hiện tượng đánh thủng collector.
- Công suất P Cmax là công suất lớn nhất tiêu hao trên chuyển tiếp collector trong thời gian dài mà Transistor vẫn làm việc bình thường
- Hệ số xác định chất lƣợng của Transistor
- Hệ số khuếch đại dòng điện tĩnh cho biết khả năng khuếch đại dòng điện của Transistor
- Dòng điện rò I CB0 , dòng điện rò càng nhỏ thì Transistor càng tốt
- Nhiệt độ làm việc giới hạn là nhiệt độ cho phép lớn nhất bảo đảm cho Transistor làm việc ổn định
Tần số cắt fcmax là tần số tối đa mà transistor có thể hoạt động, tại đó hệ số khuếch đại dòng điện giảm xuống còn 70% so với giá trị ban đầu.
1.3.2 Các cách mắc cơ bản của Transistor
Transistor được coi là một mạng 4 cực trong các mạch điện, với tín hiệu vào và ra được kết nối giữa hai cực Là linh kiện bán dẫn có 3 cực, transistor yêu cầu một cực chung cho cả đầu vào và đầu ra Dựa vào cách đưa tín hiệu vào và ra tại các cực, có ba cách mắc cơ bản của transistor: mạch base chung (BC), mạch emitter chung (EC) và mạch collector chung (CC).
T RANSISTOR TRƯỜNG (FET)
Khác với transistor lưỡng cực, nơi dòng điện được tạo ra bởi cả điện tử và lỗ trống, transistor trường (FET) hoạt động dựa trên nguyên lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện của bán dẫn nhờ vào điện trường bên ngoài Trong FET, dòng điện chỉ do một loại điện tích tạo nên, cho thấy sự phát triển vượt bậc trong công nghệ bán dẫn và vi điện tử.
Hình 1.54: Mạch phân cực hồi tiếp điện áp
Bộ FET 54 nổi bật với ưu điểm quan trọng trong việc xử lý gia công tín hiệu, đảm bảo độ tin cậy cao và mức tiêu hao năng lượng rất thấp.
Transistor hiệu ứng trường FET gồm có hai loại chính:
- FET điều khiển bằng tiếp xúc p- n (hay gọi là FET mối nối đơn): Junction fet, viết tắt là JFET
FET với cực cửa cách điện, hay còn gọi là IGFET, thường sử dụng lớp cách điện bằng ôxít, do đó được gọi là Metal Oxide Semiconductor FET (MOSFET hoặc MOS) Trong loại transistor trường này, có hai loại chính: MOS với kênh sẵn và MOS với kênh cảm ứng.
Mỗi loại FET lại đƣợc chia làm hai loại kênh N và kênh P
Transistor trường có ba chân cực: cực nguồn (Source) ký hiệu là S, cực cửa (Gate) ký hiệu là G và cực máng D (Drain)
- Cực nguồn là nơi mà các hạt dẫn đa số đi vào kênh và tạo ra dòng điện nguồn IS
- Cực máng D là nơi các hạt dẫn đa số đi ra khỏi kênh
- Cực cửa G là cực điều khiển dòng điện chạy qua kênh
1.4.2 Cấu tạo và đặc tính của JFET
1.4.2.1 Cấu tạo và ký hiệu
JFET đƣợc gọi là FET có mối nối đơn, có hai loại là JFET kênh N và JFET kênh P
JFET kênh N được cấu tạo từ thanh bán dẫn loại N, với hai đầu nối là cực máng D và cực nguồn S Hai bên thanh bán dẫn này có hai vùng bán dẫn loại P, tạo thành mối nối P-N giống như diode Hai vùng bán dẫn loại P này được kết nối với nhau, hình thành nên cực cửa G.
Ký hiệu của JFET nhƣ hình 1.55a (kênh N) và 1.55b (kênh P) a) b)
Hình 1.55: Cấu tạo, ký hiệu JFET a) Ký hiệu JFET kênh N b) Ký hiệu JFET kênh P
Xét JFET kênh N có cực D nối với dương nguồn, S nối với âm nguồn như hình 1.56 a Khi U GS = 0V
Dòng điện sẽ đi qua kênh từ cực dương vào cực D và ra ở cực S, trở về âm nguồn của U DD Khi này, kênh hoạt động như một điện trở.
Khi tăng nguồn U DD để nâng điện thế U DS từ 0V, dòng I D sẽ tăng nhanh chóng Tuy nhiên, khi đạt đến một điện thế giới hạn, dòng I D không còn tăng thêm nữa, được gọi là dòng điện bão hòa I DSS Điện thế U DS tại điểm I DSS được gọi là điện thế ngắt U P.
Khi cực G có điện thế âm kết nối với chất bán dẫn loại P, dòng điện trong kênh N sẽ tạo ra điện thế dương, dẫn đến hiện tượng phân cực ngược ở mối nối P-N Điều này khiến các điện tử trong kênh N bị đẩy ra, làm thu hẹp tiết diện kênh và tăng điện trở, từ đó làm giảm dòng I D.
Hình 1.56: JFET khi U GS =0V và U DS >0V
Khi điện thế âm tại cực G tăng lên, mức phân cực ngược cũng tăng, dẫn đến dòng I D giảm dần Khi đạt đến một giá trị giới hạn, dòng I D gần như không còn, và điện thế tại cực G lúc này được gọi là điện thế ngắt U P.
Hình 1.58 trình bày đặc tuyến ra của JFET kênh N, cho thấy sự biến đổi của dòng điện I D theo điện áp U DS tại từng điện thế U GS ở cực G, được gọi là họ đặc tuyến I D/U DS Trong khi đó, JFET kênh P, như mô tả trong hình 1.59, sử dụng nguồn -UDD để cung cấp U DS, với điện thế tại cực G là điện thế dương (U G > U S) Đặc tuyến ra của JFET kênh P tương tự như JFET kênh N, nhưng các giá trị dòng điện và điện thế có dấu hiệu ngược lại.
Hình 1.58: Đặc tuyến ra của JFET kênh N
Hình 1.57: JFET khi cực G có điện thế âm
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp được biểu diễn qua hàm ID = f(U GS ) khi điện áp UDS không thay đổi Đường đặc tuyến này có thể được vẽ bằng cách suy diễn từ đặc tuyến trong hình 1.61 hoặc bằng cách áp dụng trực tiếp phương trình Shockley.
Khi điều chỉnh điện áp trên cực cửa, bề dày của lớp tiếp xúc P-N sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi của tiết diện kênh.
Điện trở của kênh thay đổi dẫn đến sự biến đổi cường độ dòng điện qua kênh Nhờ đó, điện áp trên cực cửa U GS có khả năng điều khiển dòng điện ở cực máng I D.
Theo lý thuyết, khi U GS bằng U P, bề rộng kênh sẽ giảm xuống 0 và dòng điện máng bão hòa I DSS sẽ bằng 0 Tuy nhiên, trong các linh kiện thực tế, vẫn tồn tại một số dòng dò chảy qua kênh ngay cả khi điều kiện ngắt được thiết lập với |U GS| lớn hơn |U P|.
Hình 1.60: Đặc tuyến ra của JFET kênh P
Hình 1.61: Cách vẽ đặc tuyến truyền đạt từ đặc tuyến ra
1.4.3 Cấu tạo đặc tính của MOSFET
MOSFET được phân thành hai loại chính: MOSFET kênh liên tục và MOSFET kênh gián đoạn Mỗi loại này lại được chia theo chất bán dẫn thành kênh N hoặc kênh P Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào các loại MOSFET kênh N và từ đó suy ra cấu tạo tương ứng cho kênh P.
1.4.3.1 Cấu tạo và ký hiệu của MOSFET kênh liên tục
Kênh dẫn điện được chế tạo từ hai vùng bán dẫn loại N có nồng độ tạp chất cao, nối liền với một kênh dẫn bán dẫn loại N có nồng độ tạp chất thấp hơn Các lớp bán dẫn này được khuếch tán trên nền chất bán dẫn loại P, và phía trên kênh dẫn điện được phủ lớp ô xít cách điện SiO2.
P HÂN CỰC CHO FET
Ta đã biết rằng mức độ phân cực cho 1 transistor lƣỡng cực có thể đƣợc thiết lập bằng cách sử dụng các công thức:
Mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào được xác định bởi hệ số β, một hằng số thiết lập mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện collector (I_C) và dòng điện base (I_B) Trong khi đó, đối với transistor trường (FET), mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào lại không tuyến tính Sự liên hệ không tuyến tính giữa dòng điện drain (I_D) và điện áp gate-source (U_GS) có thể làm phức tạp quá trình phân tích FET ở chế độ một chiều.
Sự khác biệt nữa giữa BJT và FET là: biến điều khiển đầu vào cho BJT là dòng điện, trong khi ở FET là điện áp
Các công thức chung đối với FET:
Hình 1.67: a) Cấu tạo b) Đặc tuyến ra c) Đặc tuyến truyền đạt
CHƯƠNG 1: LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 4
1.1.1.2 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở 8
1.1.1.4 Cách đọc trị số của điện trở 9
1.1.1.5 Một số điện trở đặc biệt Error! Bookmark not defined.
1.1.2.2 Các tham số cơ bản của tụ điện 12
1.1.2.4.Cách đọc trị số của tụ 15
ERROR! OBJECTS CANNOT BE CREATED FROM EDITING FIELD CODES 17
1.1.3.4 Cách đọc trị số cuộn cảm: 18
1.1.4 B IẾN ÁP E RROR ! B OOKMARK NOT DEFINED
1.1.4.1.Khái niệm Error! Bookmark not defined.
1.1.4.2 Cấu tạo Error! Bookmark not defined. b) c)
62 Đối với JFET và MOSFET kênh đặt sẵn thì công thức Shockley cho quan hệ giữa đầu vào và đầu ra là:
Còn đối với MOSFET kênh cảm ứng:
Công thức I D = k(U GS - U T ) 2 (1.16) thể hiện đặc trưng của linh kiện, không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động Mức độ thay đổi của mạch điện được xem như sự biến đổi của dòng điện và điện áp, kết hợp với điểm làm việc theo phương trình đã nêu.
1.5.2 Mạch phân cực cố định Ở chế độ tĩnh (khi chƣa có tín hiệu xoay chiều):
= 0A.R G = 0V Áp dụng định luật Kirchhoff ta có:
- U GG - U GS = 0 hay U GS = - U GG (1.17)
Vì U GG là nguồn 1 chiều ổn định nên U GS cũng không thay đổi Do đó người ta gọi là “mạch phân cực cố định”
Dòng cực máng I D đƣợc tính theo công thức Shockley:
Vì cực S nối đất nên U S = 0 V (1.19)
Hình 1.68: Sơ đồ phân cực cố định cho JFET
Cách phân cực này có nhược điểm chính là yêu cầu hai nguồn phân cực, do đó nó ít được áp dụng trong thực tế và sẽ không được đề cập nhiều trong các phần tiếp theo.
Ví dụ 7: Cho các số liệu trên hình 1.69, tính: U GSQ , I DQ , U DS , U D , U G , U S
Mạch tự phân cực loại bỏ yêu cầu về hai nguồn một chiều, với điện áp điều khiển U GS được xác định bởi điện áp trên điện trở R S tại cực S, như minh họa trong hình 1.70 Trong chế độ tĩnh, tụ điện có thể được thay thế bằng mạch hở, trong khi điện trở RG được ngắn mạch do IG = 0A.
Dòng chạy qua RS là dòng I S , nhƣng I S = I D nên:
-U GS - U RS = 0 hay U GS = - U RS
Hình 1.70: Mạch tự phân cực JFET
Hình 1.69: Mạch điện cho ví dụ 7
Lưu ý ở đây UGS là hàm của dòng điện ra I D và không cố định như mạch phân cực cố định
Từ (1.22), thay vào phương trình Shockley ta có:
Đây là một tam thức bậc 2 đối với I D , dạng tổng quát của nó:
I K I K chính là phương trình của 1 đường cong Parabol - gọi là đặc tuyến tĩnh (đặc tuyến truyền đạt) (hình 1.71)
Ta sẽ biểu diễn đồ thị của phương trình (1.22), đây là phương trình của 1 đường thẳng nên cần xác định 2 điểm: Điểm thứ nhất: chọn I D = 0A
U GS = - I D R S = 0V và điểm thứ hai: chọn I D = I DSS /2
Nối 2 điểm này sẽ được đường tải tĩnh Giao điểm của đường này với đường đặc tuyến truyền đạt chính là điểm làm việc tĩnh
Mức UDS có thể đƣợc xác định bởi định luật Kirchhoff:
Ví dụ 8: Cho các giá trị biểu diễn ở hình 1.72 a) Tính : U GS , I DQ , U DS , U S , U G ,U D b) Xác định điểm làm việc tĩnh, vẽ đặc tuyến truyền đạt
Hình 1.71: Đặc tuyến truyền đạt
U GS = U G – U S = 0- I D R S = -I D R S Áp dụng công thức Shockley :
Ta có tam thức bậc 2 đối với I D :
Giải tam thức bậc 2 ta có nghiệm
U D = U DS + U S = 8,82V + 2,6V = 11,42V Tọa độ điểm làm việc
Hình 1.72: Mạch điện cho ví dụ 8
Phương trình đường tải tĩnh:
1.5.4 Mạch phân cực phân áp Ở mạch phân cực phân áp đối với transistor FET (hình 1.74), các linh kiện đƣợc bố trí giống nhƣ phân cực phân áp cho BJT, nhƣng ở trạng thái tĩnh sự phân tích đối với 2 sơ đồ hầu nhƣ khác nhau Đối với FET, I G = 0, nhƣng độ lớn I B của sơ đồ chung emitter đối với BJT lại ảnh hưởng đến cả dòng và áp ở đầu vào và đầu ra của mạch
Dòng I B trong mạch phân cực phân áp đối với BJT chính là đại lƣợng liên kết giữa cửa vào và cửa ra, còn đối với FET thì vai trò này lại là UGS
Khi I G = 0A thì I R1 = I R2 và điện áp chính là điện áp đặt trên R 2 :
Phương trình (1.24) chính là phương trình đường tải tĩnh, biểu diễn mối quan hệ giữa UGS và I D , nó cũng là một
Hình 1.73: Điểm làm việc Q, đường tải tĩnh
Hình 1.75: Xác định điểm làm việc
Hình 1.74: Mạch phân cực phân áp
67 đường thẳng Để xác định đường thẳng này trên đặc tuyến truyền đạt ta cũng xác định
Giao điểm của đường tải tĩnh với đặc tuyến tĩnh, được thể hiện trong hình 1.75, xác định điểm làm việc tĩnh Q Tại điểm này, các giá trị tĩnh tương ứng là IDQ.
U GSQ Khi các giá trị này đƣợc xác định thì ta có:
Ví dụ 9: Cho mạch điện hình 1.74, biết U DD = 16V, R 1 =2,1MΩ, R 2 = 270kΩ,
U GS = U G – I D R S = 1,28V – I D (1,5k) Áp dụng công thức Shockley:
Ta có tam thức bậc 2 : 2, 25ID 217,84ID27,870
ID1 =2,14mA IDSS (Thỏa mãn)
Thay vào U GS ta có : U GS1 = 1,28 – 1,5*2,14 = -1,93V
So sánh với UP ta thấy |UP| > |U GS1 | |-4V| > |-1,93V| thỏa mãn
Phương trình đường tải tĩnh
Ta xác định được đường tải tĩnh nhƣ hình 1.76 và điểm làm việc tĩnh có giá trị:
1.5.5 Các loại MOSFET kênh đặt sẵn Đặc tuyến truyền đạt của các loại MOSFET kênh đặt sẵn cũng tương tự như đối với JFET nên ở chế độ tĩnh các phân tích cũng tương tự Chỉ khác là đối với đặc tuyến truyền đạt, khi U GS > 0 thì I D vƣợt quá giá trị bão hoà
Ví dụ 10: Cho mạch phân cực của MOSFET kênh N đặt sẵn với các giá trị nhƣ hình 1.77
Tính: a) I DQ và U GSQ b) U DS
Giải: a) Để vẽ đặc tuyến truyền đạt, ta xác định
A(U P ; 0), B(0; I DSS ); C(U P /2; I DSS /4) Áp dụng các công thức tương tự như JFET
U GS = U G - I D R S = 1,5 – I D 0,75 Áp dụng công thức Shockley:
Hình 1.77: Mạch điện cho ví dụ 10
Hình 1.76: Điểm làm việc Q trong ví dụ 9
Phương trình đường tải tĩnh:
Từ đó ta xác định được đường tải tĩnh và điểm làm việc tĩnh:
I DQ = 3,1mA, U GSQ = - 0,8V b) U DS = U DD – I D (R D + R S )
1.5.6 Các loại MOSFET kênh cảm ứng Đặc tuyến truyền đạt của các loại MOSFET kênh cảm ứng hầu hết đều khác với JFET và MOSFET kênh đặt sẵn Đối với MOSFET kênh N thì dòng I D = 0 khi U GS < U GS(th) (điện áp ngƣỡng - Threshold)
Khi U GS > U GS(Th) thì I D = k(U GS - U GS (Th) ) 2 (1.25)
Khi đã xác định đƣợc rõ điện áp ngƣỡng và 1 mức của dòng cực máng (I D(on) ) và U GS(on) tương ứng thì ta sẽ xác định được hệ số k
* Phân cực bằng hồi tiếp:
Hình 1.78: Đặc tuyến tĩnh và cách xác định điểm Q
Một cách phân cực cho MOSFET kênh cảm ứng nhƣ hình1.79 Ở chế độ tĩnh, khi I G = 0mA và
U 0V, ta vẽ lại sơ đồ nhƣ hình 1.80
Một sự kết nối giữa cực D và G sẽ đƣợc tạo ra, kết quả là U D = U G và
U DS = U GS Ở đầu ra: U DS = U DD - I D R D
Phương trình 1.26 là phương trình của một đường thẳng, chính là đường tải tĩnh, để xác định nó ta cũng xác định 2 điểm:
Xác định giao của đường thẳng này với đặc tuyến tĩnh ta sẽ xác định được điểm làm việc tĩnh (hình 1.81)
Hình 1.81: Xác định điểm làm việc
Hình 1.80: Sơ đồ tương đương
Hình 1.79: Phân cực hồi tiếp cho
Ví dụ 11: Xác định IDQ và U DSQ ở hình 1.81, biết U DD = 12V, R G = 10MΩ, R D 2kΩ, ID(on)=6mA, U GS(on) = 8V, U GS(Th) = 3V
* Xác định đặc tuyến truyền dẫn: k = D(on)
Từ cách tính trên vẽ đƣợc đặc tuyến truyền đạt (hình 1.82)
Ta vẽ được đường tải tĩnh, đường tải này cắt đặc tính truyền đạt tại điểm Q,
Q chính là điểm làm việc tĩnh (hình 1.83), với:
Hình 1.82: Xác định đặc tuyến truyền dẫn
Hình 1.83: Xác đinh điểm làm việc
*Phân cực phân áp: (hình 1.84)
Với IG = 0 mA, ta có:
Ví dụ 12: Cho mạch điện nhƣ hình 1.85 Biết U DD = 40V, R 1 "MΩ,
R 2 = 18MΩ, R D = 3kΩ, R S =0,82kΩ, U GS(Th) =5V, I D(on) =3mA, U GS(on) = 10V
Tính I DQ , U GSQ và U DS
K= I D(on) /(U GS(on) -U GS(Th) ) 2 = 3/(10-5) 2
U GS = U G - I D R S = 18 – 0,82I D Áp dụng công thức
I D2 = 6,875mA U GS = 18 – (6,875mAx0,82kΩ) = 12,36V (thỏa mãn) Vậy IDQ = 6,875mA, U GSQ = 12,36V
Hình 1.84:Mạch phân cực phân áp
Hình 1.85: Sơ đồ cho ví dụ 12
I D(on) = 3mA tại U GS(on) = 10V
C ÁC DỤNG CỤ BÁN DẪN KHÁC
1.6.1 Transistor một chuyển tiếp (UJT: Unijunction Transistor)
1.6.1.1 Cấu tạo và ký hiệu
UJT được chế tạo bằng cách tạo ra một vùng bán dẫn loại P pha tạp nhiều trên phiến bán dẫn loại N pha tạp ít Vùng P này được kết nối với điện cực emitter, trong khi hai đầu của phiến N được nối với hai điện cực base 1 (B1) và base 2 (B2).
Cấu tạo của UJT có thể được biểu diễn bằng sơ đồ tương đương, trong đó phiến bán dẫn N có điện trở suất cao Từ điểm B1 đến điểm O, điện trở RB1 thay đổi trong quá trình hoạt động, trong khi từ điểm B2 đến O, điện trở RB2 hầu như giữ cố định Tổng hai điện trở này tạo thành điện trở RBB, với RBB = RB1 + RB2 Ngoài ra, chuyển tiếp P-N được thay thế bằng diode D.
Khi áp dụng điện áp vào B1 và B2, điện áp tại điểm O khi cực E hở mạch sẽ là điện áp UO, tương ứng với điện áp đặt vào catôt của diode D Trong trường hợp cực E hở mạch, dòng điện chỉ chạy từ B2 đến B1.
E b) Ký hiệu Hình 1.86: Cấu tạo, ký hiệu, sơ đồ tương đương và hình dạng thực tế của UJT
Nếu cực emitter nối đất thì diode D bị phân cực ngƣợc và khi đó qua cực emitter E chỉ có dòng ngƣợc (IE0) chảy
Nếu đặt vào giữa cực E và B1 một điện áp dương Khi tăng UEB1 từ giá trị 0 đến
Khi U O giảm xuống 0, điện thế của anôt và katôt của diode D trở nên bằng nhau Tiếp tục tăng U EB1 theo chiều dương sẽ làm diode D phân cực thuận, tạo ra dòng thuận từ cực E đến cực B1 của UJT Khi điện áp phân cực thuận tăng, dòng I E ban đầu nhỏ sẽ không ảnh hưởng lớn đến điện trở R B1, nhưng khi U EB1 đạt đến giá trị nhất định, dòng I E sẽ bắt đầu tác động đáng kể đến R B1, được gọi là điện áp đỉnh U đỉnh và dòng đỉnh I đỉnh Sự gia tăng dòng I E dẫn đến sự gia tăng nồng độ hạt dẫn trong miền emitter và miền B1, làm giảm điện trở RB1 Sự giảm của RB1 khiến U O giảm theo, làm tăng thêm dòng IE và tạo ra hiệu ứng điện trở âm trong UJT Dòng I E bị giới hạn bởi điện trở nguồn và UJT duy trì trạng thái này cho đến khi mạch vào hở mạch hoặc dòng dừng lại.
Giá trị dòng điện I E giảm xuống mức rất thấp Đặc tuyến Vôn-Ampe của UJT, như thể hiện trong hình 1.87, mô tả mối quan hệ giữa dòng điện I E và điện áp U EB1 Đặc tuyến này được phân chia thành ba miền khác nhau.
- Miền cắt (IE = -I EB2 ): Ứng với miền này UJT chƣa làm việc
- Miền điện trở âm: Nhƣ phân tích ở trên, trong miền này khi dòng IE tăng thì điện áp UEB1 giảm
Miền bão hoà xảy ra khi dòng I E đạt đến một giá trị nhất định, dẫn đến số hạt dẫn phun vào miền base đạt giá trị bão hoà, khiến điện trở RB1 không còn giảm và điện áp U EB1 không tiếp tục giảm nữa Điện áp U EB1 tại thời điểm này được gọi là điện áp đáy (U đáy), và dòng I E tương ứng được gọi là dòng đáy (I đáy) Giá trị điện áp đáy được xác định bởi điện áp thuận của diode và điện trở bão hoà R B1 Nếu dòng I E tiếp tục tăng, điện áp U EB1 sẽ tăng theo.
Khi I B2 = 0A, chỉ tăng U EB1 một lƣợng nhỏ diode D đó phân cực thuận cho nên đặc tuyến Vôn-Ampe trong trường hợp này hoàn toàn giống như đặc tuyến của diode phân cực thuận, chỉ khác trong trường hợp này diode được mắc nối tiếp với một điện trở
Một ứng dụng điển hình của UJT là dao động tạo xung răng cƣa
Sơ đồ nguyên lý và dạng sóng dao động của mạch nhƣ hình 1.91 Nguyên lý hoạt động của mạch nhƣ sau:
Tụ C được nạp từ nguồn UBB qua R E, và khi điện áp trên tụ đạt Uđỉnh của UJT, UJT sẽ mở Lúc này, tụ C phóng điện qua UJT, làm giảm điện áp trên hai cực của tụ xuống giá trị bão hòa U Ebh của UJT Sau đó, UJT đóng lại và quá trình nạp điện của tụ C bắt đầu một lần nữa Quy trình này lặp đi lặp lại, dẫn đến điện áp ra trên tụ C có dạng răng cưa.
Hình 1.87: Đặc tuyến của UJT
Miền cắt Miền điện trở âm Miền bão hoà
Hình 1.88: Mạch tạo dao động xung răng cưa
1.6.2 Thyristor (SCR: Silicon Controlled Rectifier)
1.6.2.1 Cấu tạo và ký hiệu
Thyristor là một linh kiện điện tử được cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn P_N_P_N xen kẽ nhau, tạo thành ba chuyển tiếp J1, J2, và J3 Thiết bị này có ba chân cực, bao gồm A (anôt), K (catôt) và G (cực điều khiển), cho phép điều khiển dòng điện hiệu quả trong các mạch điện.
Về phương diện lý thuyết Thyristor có hai loại:
- Thyristor loại N là loại có cực điều khiển đƣợc lấy trên vùng N gần anôt
- Thyristor loại P là loại có cực điều khiển đƣợc lấy trên vùng P gần catôt
Trên thực tế chỉ có cấu trúc đƣợc chỉ ra trên hình 1.89
Có thể xem Thyristor đƣợc tạo ra từ 2 Transistor: P1N 1 P 2 và N 1 P 2 N 2 nhƣ sau: Đặc tuyến Vôn-Ampe của Thyristor chia làm 4 miền
Hình 1.89: Cấu tạo, ký hiệu và hình dạng thực tế của Thyristor a Cấu tạo b Ký hiệu c Hình dạng thực tế
Miền chắn ngƣợc Miền chắn thuận
Trong trường hợp phân cực ngược của Thyristor với U AK < 0, đặc tuyến có thể được xem như hai diode phân cực ngược nối tiếp (J1 và J3) Dòng qua Thyristor chính là dòng rò ngược của diode Khi điện áp ngược tăng đến một giá trị nhất định, hai tiếp giáp J1 và J3 sẽ bị đánh thủng, dẫn đến sự gia tăng đột ngột của dòng ngược qua Thyristor Nếu không có biện pháp ngăn chặn, dòng ngược này có thể gây hỏng Thyristor Vùng đặc tuyến ngược của Thyristor trước khi bị đánh thủng được gọi là vùng chắn ngược.
- Trường hợp phân cực thuận Thyristor với U AK > 0
Khi cực điều khiển G hở mạch (I G = 0), tiếp giáp J1 và J3 được phân cực thuận, trong khi J2 phân cực ngược Ở trạng thái này, dòng qua Thyristor chủ yếu do dòng rò ngược qua J2 quyết định Dòng điện qua Thyristor lúc này là dòng rò thuận I fx, với giá trị điển hình khoảng 100µA cho cả dòng rò thuận và ngược Khi U AK tăng đến điện áp đánh thủng J2 (U BE), dòng I C0 trong Thyristor đủ lớn để mở hai Transistor trong sơ đồ tương đương, dẫn đến Thyristor chuyển sang trạng thái mở Nội trở của Thyristor giảm đột ngột, làm giảm điện áp sụt trên hai cực A và K xuống giá trị U E, gọi là điện áp dẫn thuận Phương pháp chuyển Thyristor từ trạng thái khóa sang mở bằng cách tăng dần U AK được gọi là kích mở bằng điện áp thuận.
Khi I G khác 0, có điện áp giữa cực G và cực K khiến J 3 phân cực thuận Dòng IG do U GK cung cấp kết hợp với dòng ngược trong Thyristor I C0 cho phép T 2 mở với điện áp U AK thấp hơn nhiều so với giá trị kích mở khi I G bằng 0 Dòng I G càng lớn thì U AK cần thiết để mở Thyristor càng nhỏ Nếu U GK cung cấp dòng I G lớn hơn dòng mở cực tiểu ngay từ đầu, Thyristor sẽ dễ dàng mở hơn.
T 2 , nhƣng điện áp U AK vẫn chƣa đủ lớn để phân cực thuận cho T 1 và T 2 thì Thyristor cũng vẫn chƣa mở
Khi dòng điều khiển I G của Thyristor tăng từ I G1 đến I G4, điện áp U AK giảm từ U 1 tới U 4, cho thấy phương pháp kích mở Thyristor bằng dòng trên cực điều khiển Điện áp dẫn thuận U F được biểu diễn qua công thức U F = U BE1 + U BE2 = U BE2 + U CE1 Đối với vật liệu silic, điện áp bão hoà của transistor silic khoảng 0,2V và U BE khoảng 0,7V, từ đó suy ra U F = 0,9V Trong đặc tuyến thuận, miền chưa mở của Thyristor được gọi là miền chắn thuận, còn miền Thyristor đã mở được gọi là miền dẫn, tương tự như đặc tuyến ngược của diode chỉnh lưu thông thường.
Sau khi các điều kiện kích thích mở Thyristor kết thúc, để giữ cho Thyristor luôn ở trạng thái mở, cần đảm bảo dòng thuận IE lớn hơn một giá trị tối thiểu, được gọi là dòng ghim.
Giá trị cực tiểu của dòng thuận I E là 4 Khi Thyristor mở, nếu dòng IG được duy trì, giá trị dòng ghim sẽ giảm khi dòng IG tăng Các nhà sản xuất trong sổ tay hướng dẫn còn sử dụng ký hiệu IHC để chỉ dòng ghim khi cực G hở mạch và IHX để chỉ các giá trị khác liên quan.
78 chỉ dòng ghim đặc biệt khi giữa cực G và K đƣợc nối nhau bằng điện trở phân cực đặc biệt
Ví dụ một ứng dụng của Thyristor là mạch báo động Sơ đồ nguyên lý mạch đƣợc cho trên hình 1.91
