Tài liệu Chuong1 _ diode

Chương 1: DIODE BÁN DẪN 1.1 > Diode bán dẫn : 1.1.1 Khái niệm về chất bán dẫn: a. Chất bán dẫn thuần Các chất bán dẫn điển hình như Gecmanium (Ge), Silicium (Si), … thuộc nhóm 4 bảng tuần hoàn các nguyên tố. Chúng cấu tạo từ những tinh thể có hình dạng xác định, trong đó các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự chặt chẽ, tuần hoàn, tạo nên một mạng lưới, gọi là mạng tinh thể. Chẳng hạn mạng tinh thể của Ge (hoặc Si) có hình tứ diện. Để đơn giản, ta có thể hình dung cấu trúc các tinh thể bán dẫn bằng mô hình phẳng như vẽ. Xung quanh mỗi nguyên tử bán dẫn. (ví dụ Si) luôn luôn có 4 nguyên tử khác kế cận, liên kết chặt chẽ với nguyên tử đó. Mối liên kết được biểu thị bằng hai gạch song song. Mỗi nguyên tử này đều có 4 điện tử hoá trị ở lớp vỏ ngoài cùng. Như thấy rõ từ hình vẽ, do liên kết với bốn nguyên tử xung quanh, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử Si như được bổ sung thêm 4 điện tử, nghĩa là đủ số điện tử tối đa của lớp vỏ (8 điện tử) và do đó, lớp này trở thành bền vững (ít có khả năng nhận thêm hoặc mất bớt điện tử). Trong trạng thái như vậy, chất bán dẫn không có điện tích tự do và không dẫn điện. Khi chất bán dẫn có nhiệt độ cao, một số điện tử hoá trị nhận thêm năng lượng sẽ thoát khỏi mối liên kết với các nguyên tử, trở thành tự do và sẳn sàng chuyển động có hướng khi có tác dụng của điện trưòng. Ta gọi đó là điện tử tự do. Khi một điện tử do xuất hiện, tại mối liên kết mà điện tử vừa thoát khỏi sẽ thiếu mất một điện tích âm –q, nghĩa là dư ra một điện tích dương +q. Ta gọi đó là một lỗ trống (hoặc: lỗ). Điện tử và lỗ trống là hai loại hạt mang điện, khi chuyển động có hướng sẽ tạo nên dòng điện, vì vậy thường được gọi chung là hạt dẫn. b. Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P - Chất bán dẫn thuần (Si hoặc Ge) nếu được pha thêm tạp chất thuộc nhóm 5 của bảng tuần hoàn (ví dụ Asenic đối với Ge hoặc Phosphore đối với Si), do nguyên tử tạp chất ở vỏ ngoài cùng có 5 điện tử, trong đó 4 điện tử tham gia liên kết hóa trị với các nguyên tử lân cận, điện tử thứ 5 liên kết yếu với hạt nhân nên chỉ cần được cung cấp một năng lượng nhỏ, điện tử này sẽ thoát khỏi trạng thái ràng buộc, trở thành hạt dẫn tự do. Tạp chất nhóm 5 cung cấp điện tử cho chất bán dẫn ban đầu nên được gọi là tạp chất cho (hoặc tạp donor). Chất bán dẫn có pha tạp donor gọi là bán dẫn loại N (hoặc bán dẫn điện tử). Ta gọi điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số. - Trường hợp tạp chất pha vào thuộc nhóm 3 của bảng tuần hoàn (chẳng hạn Bore đối với Si, hoặc Indium đối với Ge), do lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử,  xuất hiện một lỗ trống. Nếu có điện trường đặt vào, các lỗ trống này sẽ tham gia dẫn điện. Tạp chất nhóm 3 tiếp nhận điện tử từ 1 chất cơ bản để làm sản sinh các lỗ trống nên được gọi là tạp chất nhận (hoặc tạp acceptor). Chất bán dẫn có pha tạp nhóm như trên gọi là bán dẫn loại P (hoặc bán dẫn lỗ trống). Lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số Tóm lại Vật liệu bán dẫn (semiconductor) là vật liệu khi nhiệt độ tăng cao thì khả năng dẫn điện đáng kể(điện trở giảm) .Người ta tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N có hạt dẫn đa số là điện tử , hạt dẫn thiểu số là lỗ trống(ion dương) và loại bán dẫn P có hạt dẫn đa số là lỗ trống ,hạt dẫn thiểu số là điện tử . 1.1.2 Cấu tạo – ký hiệu : Cấu tạo của diode là miền tiếp giáp P-N . Điện cực lấy ra từ miền P gọi là Anode còn điện cực lấy ra từ miền N gọi là Cathode. Cấu tạo và ký hiệu của diode hình dạng thực tế Diode là linh kiện phi tuyến (non linear) chỉ cho dòng điện đi qua theo một hướng . 1.1.3 Phân cực diode : Phân cực thuận :(forward bias) cực dương của nguồn nối với anode và cực âm nối với cathode ( V AK >0 ) ; Khi phân cực thuận điện trở của diode nhỏ, dòng qua diode lớn ,ta nói diode dẫn điện . Khi diode dẫn , điện áp rơi trên nó khoảng 0,2 –0,3V nếu là Gemani và khoảng 0,6 – 0,7V nếu là Silic. Phân cực thuận diode Phân cực ngược :( reverse bias ) Ngược lại với trường hợp trên ,cực dương của nguồn nối với cathode , cực âm nguồn nối với anode(V AK < 0 ) .Khi phân cực ngược điện trở của diode lớn ,dòng điện qua diode nhỏ .Ta nói khi phân cực ngược diode không dẫn điện. Phân cực ngược diode 2 1.1.4 Đặc tuyến volt – ampere của diode : Đặc tuyến volt – ampere của diode Điện áp thuận giảm 2mV/K (khi giữ dòng qua diode không đổi) . Ở vùng PCN ,dòng điện ngược ít phụ thuộc phân cực Vak(chỉ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ) .Dòng điện ngược tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10 oC . Tại vùng đánh thủng ,khi Vak < 0 và có giá trị đủ lớn,dòng điện ngược tăng đột biến ,diode ở tình trạng bị đánh thủng. Có hai dạng đánh thủng chính là đánh thủng về điện có tính chất tạm thời – diode không hỏng,và đánh thủng về nhiệt có tính chất vĩnh viễn –diode hỏng. * Các thông số của diode : - Điện áp ngược cực đại : Là trị số điện áp ngược tối đa cho phép đặt trên diode mà không làm hỏng diode. -Dòng điện định mức : Mỗi diode chịu được dòng điện làm việc nhất định .Nếu vượt quá dòng điện định mức diode sẽ bị hỏng . - Nhiệt độ làm việc :Là nhiệt độ tối đa được phép ,ở nhiệt độ đó diode còn làm việc ổn định . 1.2 Các diode đặc biệt: 1.2.1 Diode ổn áp:(diode zener) Về cấu tạo vẫn là chuyển tiếp P-N Diode nhưng khi điện áp ngược đủ lớn sẽ xảy ra quá trình đánh thủng về điện( nghĩa là không phá hỏng diode) zener làm việc ở chế độ phân cực ngược . Đặc tuyến vôn-ampe trong quá trình đánh thủng gần như song song với trục dòng điện, nghĩa là điện áp giữa katôt và anôt hầu như không đổi. Người ta lợi dụng ưu điểm này để dùng diode Zenner làm phân tử ổn định điện Ký hiệu 3 Đặc tuyến V-A 1.2.2 Diode biến dung(varicap): Diode biến dụng là loại linh kiện bán dẫn, trong đó chuyển tiếp P-N được chế tạo một cách đặc biệt sao cho điện dung của nó thay đổi nhiều theo điện áp ngược đặt vào. Các Varicap có điện dung bé (chế tạo Ge), thường dùng cho các mạch tần số cao, còn lại điện dung lớn (phần nhiều chế tạo từ Si) dùng cho tần số thấp. Một đặc điểm quan trọng là điện dung của Varicap gần như thay đổi một cách tức thời theo điện áp ngược đặt vào. Chính nhờ vậy người ta thường dùng varicap làm tụ điện trong mạch cộng hưởng của bộ tạo sóng cao tần. Trên 2 cực của Varicap lúc đó, ngoài điện áp một chiều để xác định điểm việc làm việc tĩnh, còn có tín hiệu xoay chiều gây điều biến điện dung và kết quả là sóng cao tần tạo ra bị biến điệu tần số (sóng điều tần). Ký hiệu 1.2.3. Diode hầm(tunnel diode) Diode hầm cũng là linh kiện bán dẫn có chuyển tiếp P-N nhưng nồng độ pha tạp chất lớn hơn diode thường rất nhiều lần.( cả vùng P lẫn N) Khi phân cực thuận, ở điện thế thấp, dòng điện tăng theo điện thế nhưng khi lên đến đỉnh A (VP IP), dòng điện lại tự động giảm trong khi điện thế tăng. Sự biến thiên nghịch này đến thung lũng B (VV IV). Sau đó, dòng điện tăng theo điện thế như diode thường có cùng chất bán dẫn cấu tạo. Vùng AB là vùng điện trở âm (thay đổi từ khoảng 50 đến 500 mV). Diode được dùng trong vùng điện trở âm này. Vì tạp chất cao nên vùng hiếm của diode hầm quá hẹp (thường khoảng 1/100 lần độ rộng vùng hiếm của diode thường), nên các hạt tải điện có thể xuyên qua mối nối theo hiện tượng chui hầm nên được gọi là diode hầm. 4 Ký hiệu và đặc tuyến V-A của diode hầm 1.2.4 Diode phát quang: (Led) Là loại diode phát sáng khi có dòng điện chạy qua. Cường độ sáng của led tỉ lệ với dòng điện chạy qua led. Với những vật liệu khác nhau, ánh sáng phát ra của led cũng có màu sắc khác nhau. Đặc tuyến V-A của led cũng giống như diode thường nhưng điện áp thuận của led từ 1V – 4V còn điện áp ngược cỡ 5V đến 50V 1.3 Một số ứng dụng điển hình của diode: a. Bảo vệ: - Ngược cực tính - Điện áp ngược b. Tạo áp chuẩn: ( ổn áp) Diode zener làm việc ở chế độ phân cực ngược . Khi điện áp phân cực ngược đạt đến trị số nhất định Vz , diode zener sẽ dẫn ngược , điện áp trên hai đầu diode Vz gần như không phụ thuộc dòng điện chạy qua diode Điện áp ra trên tải bằng điện áp zener Vt = Vz = 5,6V Điện trở R dùng để hạn chế dòng R= V Vz Iz  It R chọn nhỏ quá thì khi hở mạch tải zener bị hỏng, còn nếu R chọn lớn quá thì điện áp ra tải không ổn định. V max Vz V min Vz R  Iz max Iz min  It max Vmin và Vmax là điện áp vào nhỏ nhất và lớn nhất .Để mạch có thể ổn áp được thì điện áp vào Vmin phải lớn hơn điện áp cần ổn . c. Chỉnh lưu: Bộ chỉnh lưu là bộ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều 5 Các dạng mạch chỉnh lưu sẽ được khảo sát chi tiết trong chương 5 d. Mạch xén: e. Mạch kẹp ( dịch mức DC) 6 f. Mạch logic g. Hiển thị 7