Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 4: Diode bán dẫn

Bài 4: DIODE BÁN DẪN • I. Chất bán dẫn: • Chất bán dẫn không phải là chất cách điện, cũng không là chât dẫn điện, nhưng nó thuộc lớp vật liệu nằm giữa hai chất trên, nếu ta xét về tính dẫn điện thì chất bán dẫn sẽ có tính dẫn điện yếu hơn chất dẫn điện nhưng mạnh hơn chất cách điện và ngược lạ nếu ta xét về tính cách điện thì chất bán dẫn cách điện yếu hơn chất cách điện nhưng tốt hơn chất dẫn điện. • Chất bán dẫn có 4 điện tử hoá trị ở lớp ngoài cùng. • Những vật liệu bán dẫn điển hình như: • Gecmani (Ge) • Silic (Si) 1.Bán dẫn thuần: Bán dẫn thuần như là tinh thể Silic hoặc Gecmani tinh khiết+32SiGe+14 Hình 3.1: Bán dẫn Si và Ge +14 Si +32 Ge - Bán dẫn thuần có 4 điện tử ở lớp ngoài cùngnên ta chỉ xét đến lớp ngoài cùng. - Nồng độ lổ trống và điện tử bằng nhau. 2. Bán dẫn loại N: - Để hình thành bán dẫn loại N, ta cho vào bán dẫn thuần (Si, Ge) một lượng tạp chất hoá trị 5 (P, As) Ví dụ: Cho P (hoá trị 5) vào Si tạo thành bán dẫn N. Cho As (hoá trị 5) vào Ge tạo thành bán dẫn N. - Nồng độ điện tử ne> nP nồng độ lổ trống. - Điện tử là hạt mang điện đa số và lổ trống là hạt mang điện thiểu số. Hình 3.2: Hình thành bán dẫn N Liên kết đồng hóa trị Điện tử tự do P S i S i S i S i 3. Bán dẫn loại P: Để hình thành bán dẫn loại P, ta cho vào bán dẫn thuần (Si, Ge) một lượng tạp chất hoá trị 3. Ví dụ: Cho Bo (hoá trị 3) vào Si  bán dẫn loại P Cho In (hoá trị 3) vào Ge  bán dẫn loại P. Nồng độ điện tử ne< nP nồng độ lổ trống. Điện tử là hạt mang điện thiểu số và lổ trống là hạt mang điện đa số. Hình 3.3: Hình thành bán dẫn P Liên kết đồng hóa trị Lỗ trống B S i S i S S i Mối nối diode: - Một diode được tạo ra từ sự kết hợp giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N. - Mối nối diode là vùng nằm ở vị trí cuối của bán dẫn loại P và đầu bán dẫn loại N. NP Mối nối Diode Hình 4.1: Hình thành mối nối Diode Anot Catot P N Ký hiệu và hình dáng thực tế Diode A K A K A K K(case) A K A -Tại một thời điểm tức thời, khi mối nối hình thành thì quá trình khuếch tán diễn ra. -Một vài lổ trống sẽ dịch chuyển từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P. -Trái lại một vài điện tử tự do sẽ dịch chuyển từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P. -Những lổ trống và điện tử tự do này khi di chuyển ngang qua mối nối kết hợp lại và tạo ra vùng nghèo tạo chổ nối. -Vùng nghèo là nơi mà không có hạt mang điện đa số chuyển động. Hai bên mối nối hình thành nên những điện tích tích điện (+) và tích điện (-). P N Vùng nghèo Vùng nghèo Diode V = 0.2 – 0.6v tuỳ loại (Si, Ge) Vùng nghèo của Diode: P N Vùng nghèo Sự chênh lệch điện thế rào cản (hàng rào điện thế) Những điện tích trái dấu hình thành ở hai bên mối nối tạo ra một hàng rào điện thế hay điện thế rào cản. Điện thế này chống lại không còn để những điện tử tự do và lổ trống ngang qua mối nối. Điện thế rào cản khoảng 0,2v (đối với mối nối Ge), và khoảng 0.7v (đối với mối nối Si). Hình 4.3: Vùng nghèo Diode 1. Phân cực ngược: Khi bán dẫn loại P được nối với cực âm của nguồn và bán dẫn loại N nối với cực dương của nguồn thì được xem như diode phân cực ngược (PCN). Điện áp cung cấp sẽ làm cho những hạt đa số (những lổ trống ở bán dẫn loại P và điện tử ở bán dẫn loại N) ra xa khỏi mối nối. Kết quả là vùng nghèo của mối nối được mở rộng ra. Điện áp đánh thủng ngược ( V) Điện áp ngược I (A) PCN Đặc tính ngược của Diode P N Vùng nghèo Phân cực ngược Phân cực nghịch mối nối Dòng rò ( A)  Khi Diode phân cực nghịch, điện trở mối nối vô cùng lớn.  Khi Diode phân cực nghịch, dòng điện PCN rất nhỏ (dòng rò, dòng rĩ). Đường cong đặc tính của diode khi phân cực ngược (PCN). (V) Điện áp đánh thủng ngược Điện áp ngược I (µA) PCN Hình 4.8: Đặc tính của Diode Khi diode PCN thì chỉ có một dòng điện rất nhỏ (do những hạt mang điện thiểu số) chảy qua được gọi là dòng điện nghịch hay dòng điện rò. Điều này có nghĩa rằng trở kháng phân cực nghịch thí rất cao. Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn nó sẽ làm hư hỏng hoặc đánh thủng mối nối PN. Điện áp ngược này gọi là điện áp đánh thủng. Đối với bất kỳ loại diode, điện áp ngược đỉnh (PIV) là điện áp ngược lớn nhất an toàn cho diode, thông số này được cung cấp bởi nhà chế tạo. 2. Phân cực thuận diode: Nguồn cung cấp phân cực sẽ làm cho những lổ trống từ bán dẫn loại P và những điện tử từ bán dẫn loại N tiến gần về phía mối nối. Kết quả là vùng nghèo của mối nối hẹp lại P N Vùng nghèo Phân cực thuận Ithuận Phân cực thuận mối nối của Diode V I (mA) V=0.3v-0.7v PCT Đặc tính thuận của Diode  Khi Diode phân cực thuận, điện trở mối nối rất bé.  Khi Diode phân cực thuận, dòng điện PCT tăng nhanh khi điện áp PCT  0.7v (điện áp ngưỡng, điện áp rào cản). Khi bán dẫn loại P được kết nối với cực dương của nguồn và bán dẫn loại N được kết nối với cực âm của nguồn thì dIode được xem như phân cực thuận. Đường cong đặc tính của diode khi phân cực thuận (PCT). V = 0.3 – 0.7v I (mA) PCT V Hình 4.7: Đặc tính thuận của Diode Khi diode phân cực thuận thì có một dòng điện rất lớn chảy qua mối nối được gọi là dòng điện thuận. Điều này có nghĩa rằng trở kháng phân cực thuận của mối nối thì rất thấp. Khi điện áp phân cực thuận chưa đủ lớn (nhỏ hơn điện thế rào cản) thì xem như diode chưa phân cực thuận và dòng điện thuận lúc này rất nhỏ xem như bằng 0. cho đến khi điện áp phân cực thuận đủ lớn, từ giá trị điện áp rào cản trở đi thì dòng điện tăng vot, lúc này có thể xem như không còn nữa mà mối nối dẫn dòng điện. 3. Đặc tính của diode: -Đầu Anod phía bán dẫn loại P của diode, Đầu catot phía bán dẫn loại N của diode -Diode là một linh kiện phi tuyến (không tuyến tính). -Khi diode được phân cực thuận, dòng điện dễ dàng chảy qua vì lúc bấy giờ trở kháng rất thấp. -Khi diode được phân cực nghịch, dòng điện không chảy qua nó vì lúc bấy giờ trở kháng rất cao. V I PCT PCN V Điện áp đánh thủng ngược Đặc tính của Diode Khi diode được phân cực thuận, dịng điện dễ dàng chảy qua vì lúc bấy giờ trở kháng rất thấp. Khi diode được phân cực nghịch, dịng điện khơng chảy qua nĩ vì lúc bấy giờ trở kháng rất cao. III. Ứng dụng của diode:  Ứng dụng diode trong mạch tách sóng của máy thu nhằm lấy tín hiệu thông tin gốc từ tín hiệu phát.  Ứng dụng diode trong mạch chỉnh lưu nhằm thay đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. t VL Vin Tải D ac Ứng dụng Diode trong mạch chỉnh lưu Mạch và dạng sóng của chỉnh lưu bán kỳ Dạng sóng ngõ ra biến áp Dạng sóng trên tải Ura VL VDC VP VDC = VP  Điện áp trung bình một chiều trên tải sau khi chỉnh lưu 1. Chỉnh lưu bán kỳ: BVgen 120Vrms + RL - A D1 D2 A B + RL - D1 D2 Vgen 120Vrms 2. Chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 diode: VDC = 2VP  Vp Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu t VL Vp t VA Vp t VB Dạng sóng tại A Dạng sóng tại B Dạng sóng trên tải VDC Điện áp trung bình một chiều trên tải sau khi chỉnh lưu (VDC) Dạng sóng chỉnh lưu toàn kỳ dùng 2 Diode: + B Vgen 120vrms - A + RL - D1 D2 D3 D4 C - B Vgen 120vrms + A + - D1 D2 D3 D4 C RL 3. Chỉnh lưu toàn kyø dùng 4 diode (chỉnh lưu cầu):  + 1 2 3 4  + 1 2 3 4 Vp Vin VL Dạng sóng vào và ra của mạch chỉnh lưu D2,D3 PCT D1,D4 PCT D2,D3 PCT D1,D4 PCT VDC Dạng sóng mạch chỉnh lưu cầu: 4. Mạch lọc RC: Ngõ vào ac RL Chỉnh lưu RA B Mạch lọc RC C1 C2 V'r(p-p) t t t Vdc V'dc Vr(p-p) Đường xả của tụ Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu có tụ lọc Dạng sóng chưa qua tụ T2 (c) t V’’dc V’’r(p-p) Daïng soùng maïch loïc RC: Dạng sĩng ngõ ra chỉnh lưu sau khi qua mạch lọc RC Dạng sóng ra mạch chỉnh lưu có tụ lọc trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ: V'r(p- p) Đường xả của tụ Dạng sóng vào, ra của mạch chỉnh lưu có tụ Dạng sóng chưa qua tụ t Dạng sóng chưa qua tụ t Dạng sóng đã qua tụ Dạng sóng đã qua tụ Đường xả của tụ VDC VDC 5.Mạch lọc RL: C2C1 RL Từ chỉnh lưu đến L Mạch lọc RL .  Ưu điểm của mạch dùng LC Cả hai cuộn cảm và tụ đều làm cho giảm điện áp gợn sĩng ngõ ra. Giảm nhiệt cho mạch chỉnh lưu và biến áp. Khi gia tăng dịng điện tải thì điện áp ngõ ra ít bị ảnh hưởng hơn.  Nhược điểm của mạch dùng LC Cuộn cảm thì nặng, cồng kềnh và đắt tiền. Nếu mạch cơng suất cao thì dùng cuộn cảm sẽ bị hạn chế. Điện áp gợn sóng Sự biến đổi của ngõ ra DC sau khi lọc % Gợn sóng = (Vripple/ VDC) x 100% Vr(p-p) t Vdc IV. Thông số kỹ thuật của diode: Thông số Ký hiệ u IN40 0 1 IN4 0 0 2 IN4 0 0 3 IN4 0 0 4 IN4 0 0 5 IN4 0 0 6 IN40 0 7 Đơn vị Điện áp ngược cực đại VRM 50 100 200 400 600 800 1000 V Điện áp ngược hiệu dụng VR(rms) 35 70 140 280 420 560 700 V Dòng điện thuận trung bình đã chỉnh lưu ( 1 pha, tải trở, 60 Hz) I0 1.0 A Khoảng nhiệt độ mối nối hoạt động Tj -65 đến +175 0C Đặc tuyến vol_ampere của diode zenner I Ký hiệu  Khi phân cực thuận giống như Diode thường.  Khi phân cực nghịch, nếu Vnghịch < VZ thì điện áp trên zener gần như bằng điện áp vào.  Khi phân cực nghịch, nếu Vnghịch  VZ thì điện áp trên zener sẽ bằng điện áp danh định của zener VZ. V. Diode zener - Đặc tính: Một số diode zener thường gặp: Tên gọi Công suất tiêu tán cực đại Vt Dòng điện ngược danh định 1N702 0.25 2.6 5 1N703 0.25 3.4 5 1N706 0.25 5.8 5 1N707A 0.25 8 5 1N708 0.25 5.6 25 1N711A 0.25 7.5 25 1N714 0.25 10 12 1N758 0.4 10 20 1NH1525 1 15 13 Ví dụ: Cho mạch điện như hình trên với R1 = 300, R2 = 1200. Hãy xác định phạm vi biến thiên cho phép của Vi để điện áp trên tải ổn định ở mức 10v. Mạch ổn áp dùng diode zener Ứng dụng Diode zener: • PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA DIODE