Bài giảng Kỹ thuật điện - Chương 1: Chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng

Chương 1: CHẤT BÁN DẪN- ĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE và CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 1.1 Chất bán dẫn 1.2 Đại cương về Diode 1.3 Các mạch ứng dụng của Diode 1.4 Bài tập 1 Mục tiêu chương 1: • Biết nguyên lý của chất bán dẫn • Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp phân cực thuận, nghịch cho diode. • Nắm được nguyên tắc hoạt động các mạch ứng dụng của diode : Mạch chỉnh lưu, Mạch xén, Mạch kẹp, Mạch cổng logic, Mạch ổn áp dùng Zener. • Áp dụng kiến thức đã học giải tích mạch diode. 2 3 1.1 Chất bán dẫn Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện: Cách điện ở nhiệt độ thấp (0°K) và dẫn điện ở nhiệt độ phòng. 1.1 Chất bán dẫn • Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn không dẫn điện. • Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, một số điện tử nhận được năng lượng đủ lớn để nhảy lên vùng dẫn. Chất bán dẫn dẫn điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ. • Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn cũng có thể thay đổi theo các nguồn năng lượng khác (quang bán dẫn). 4 • Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện điện tử như Diode, Transistor, IC 1.1 Chất bán dẫn 1.1.1 Chất bán dẫn thuần. • Chất bán dẫn thuần là chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử như Germanium ( Ge) và Silicium (Si)  Liên kết cộng hoá trị. 5 1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất a. Chất bán dẫn loại N. • Khi pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị. • Nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do → Chất bán dẫn lúc này thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ). 6 1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất (tt) b. Chất bán dẫn loại P. Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử trở thành lỗ trống ( mang điện dương). → Chất bán dẫn lúc này thiếu điện tử ( mang điện dương) và được gọi là bán dẫn P ( Positive: dương ). 7 1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn. a. Thời gian sống của hạt mang điện • Khi một electron được cung cấp đủ năng lượng thì nó sẽ nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn và để lại một lổ trống trên lớp hóa trị. • Sau thời gian tồn tại ở trạng thái điện tử tự do, electron này sẽ rơi vào 1 trong các lổ trống trong lớp hóa trị. Thời gian này được gọi là thời gian sống của hạt mang điện. 8 1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn. b. Chuyển động của hạt mang điện.  Chuyển động trôi: là chuyển động của hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường.  Chuyển động khuếch tán: đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều thì chúng sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp. c. Ảnh hưởng của nhiệt độ. - Khi nhiệt độ tăng sẽ có nhiều electron hấp thụ năng lượng để trở thành điện tử tự do→độ dẫn điện tăng. - Khi nhiệt độ giảm, năng lượng nhiệt không đủ để phá vỡ liên kết hóa trị dẫn đến số lượng điện tử tự do giảm →độ dẫn điện giảm. 9 1.2 Đại cương về Diode 1.2.1 Cấu tạo. Diode gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau. Ký hiệu: Hình dạng thực tế: 10 1.2.2 Phân cực Diode.  Điện thế tiếp giáp: • Khi ghép 2 lớp bán dẫn P-N với nhau, do có sự chênh lệch mật độ nên điện tử và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp tiếp giáp làm cho vùng tiếp giáp phía N tích điện dương (do mất electron) và vùng tiếp giáp phía P tích điện âm. • Do đó hình thành nên điện thế tiếp giáp (0.3V đối với Ge và 0,7 đối với Si). 11 1.2.2 Phân cực Diode.(tt) a. Phân cực thuận Điều kiện: • Đầu (-) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode. • Đầu (+) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode. • Giá trị của điện áp VBIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế tiếp giáp (*) 12 a. Phân cực thuận (tt) • Khi điện áp phân cực đủ lớn (*), các electron sẽ di chuyển từ vùng n sang vùng p. Dưới tác động của đầu (+) nguồn áp VBIAS, các điện tử không tái hợp với lỗ trống ở vùng p mà sẽ di chuyển về cực (+) của nguồn. • Sự di chuyển này của điện tử làm thu hẹp vùng tiếp giáp. 13 b. Phân cực ngược (tt) • Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử tự do trong vùng n di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng tiếp giáp. • Các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào vùng p và di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác để đến vùng tiếp giáp tạo thành các ion âm. Hiện tượng này làm mở rộng vùng tiếp giáp. 14 1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe. VF: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực thuận. VBIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode. IF : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận. VR: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực ngược. IR : dòng điện qua diode lúc phân cực ngược. 15 1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Phân cực thuận: • Khi VBIAS =0V thì VF=0V, không có dòng qua diode: IF=0A. • Khi tăng VBIAS thì VF tăng, dòng điện IF tăng. • Khi VBIAS tăng đến mức để điện áp VF=0,7V (Si), dòng điện IF gia tăng nhanh. • Khi tiếp tục tăng VBIAS, dòng điện IF càng tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7V(Si). 16 1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Phân cực nghịch: • Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, dòng điện ngược IR rất nhỏ ([ μA ] - không đáng kể - dòng rò). • Khi tăng điện áp phân cực nghịch VBIAS đến khi VR đạt giá trị điện áp đánh thủng (gây hư hỏng diode), dòng điện ngược IR gia tăng rất nhanh. • Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực nghịch VR, IR tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode VR vẫn không tăng. 17 1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Đặc tuyến thực tế - Đặc tuyến lý tưởng. Lý tưởng: xem Diode như một khóa điện tử. - Khóa hở khi phân cực ngược. - Khóa đóng khi phân cực thuận. • Khi đóng (nối mạch), có rơi áp qua diode. Với diode Si, rơi áp khoảng 0.7V; với diode Ge, rơi áp khoảng 0.3V. • Trong một số trường hợp đơn giản, nếu Vnguồn >> Vdiode , ta có thể xem rơi áp trên Diode≈0V. 18 1.2.4 Các thông số của Diode. • Dòng rò: Leakage current - Dòng điện chạy qua diode khi phân cực nghịch. • DC Blocking Voltage (VRDC): Là điện áp một chiều phân cực ngược Diode không làm hỏng diode. • RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đặt vào diode mà không gây hư hỏng diode do đánh thủng khi phân cực ngược. 19 1.2.5 Các loại Diode. a. Diode zener Được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt nên chịu được dòng điện ngược lớn. Sử dụng chủ yếu ở vùng phân cực ngược. - Ứng dụng trong các mạch ổn áp tạo điện áp chuẩn. - Ký hiệu: - Hình dạng thực tế: - Mạch điện ứng dụng: 20 VIn VOut(t)RLZ1 R VZ IR IL I Z 1.2.5 Các loại Diode.(tt) b. Diode thu quang (photodiode): hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối nối P - N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode. - Mạch điện ứng dụng: c. Diode phát phang (LED) : là Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận. Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện, - Hình dạng thực tế: 21 1.2.5 Các loại Diode.(tt) e. Diode biến dung: Diode biến dung là diode có điện dung như tụ điện, giá trị điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào diode. f. Diode xung: là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz. - Hình dạng thực tế: - Ứng dụng: dùng Diode xung để chỉnh lưu điện áp ra trong các bộ nguồn xung. 22 1.3 Các mạch ứng dụng của diode. 1.3.1 Mạch chỉnh lưu và mạch lọc. a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ. Dùng mô hình tương đương lý tưởng - Trong khoảng thời gian [0, T/2], tín hiệu vào vI dương nên diode D dẫn xem như ngắn mạch => v0=vi - Trong khoảng thời gian [T/2, T], tín hiệu vào vI âm nên diode D ngưng dẫn xem như hở mạch=> v0=0 23 a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ.(tt) 24 a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ.(tt) Điện áp phân cực ngược PIV - Giá trị điện áp PIV của diode là một thông số quan trọng trong thiết kế các hệ thống chỉnh lưu. - Điện áp phân cực ngược diode không được vượt quá điện áp PIV cho phép của diode. - Ta có: PIV  Vm 25 b. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode. Dùng mô hình tương đương lý tưởng: - Trong khoảng thời gian [0, T/2], tín hiệu vào vI dương nên diode D2,D3 dẫn xem như ngắn mạch => v0=+vi - Trong khoảng thời gian [T/2, T], tín hiệu vào vI âm nên diode D1,D4 dẫn xem như ngắn mạch => v0=-vi 26 b. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode (tt) 27 c. Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi Khi vi dương thì D1 dẫn, D2 ngưng dẫn. Khi vi âm thì D2 dẫn, D1 ngưng dẫn. Dạng sóng vào-ra: Điện áp phân cực ngược PIV: PIV  2Vm 28 d. Mạch chỉnh lưu có tụ lọc Để điện áp trên tải bớt nhấp nhô, người ta sử dụng thêm tụ lọc gắn song song với tải. Ví dụ xét mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi có sử dụng tụ lọc: 29 1.3.2 Mạch xén (clipping circuit). • Mạch xén là mạch cắt bỏ một phần của tín hiệu ngõ vào mà không làm méo dạng phần tín hiệu còn lại. • Có 2 loại : mạch xén nối tiếp và song song. • Mạch xén nối tiếp diode mắc nối tiếp với tải, mạch xén song song là diode mắc song song với tải. 30 1.3.2 Mạch xén.(tt) a. Mạch xén nối tiếp. • Dạng mạch 1: - Trong khoảng thời gian từ [0,T/2], tín hiệu vào dương diode ở trạng thái dẫn – xem như ngắn mạch => Vo=Vi - Trong khoảng thời gian từ [T/2, T], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem như hở mạch => Vo=0 31 a. Mạch xén nối tiếp.(tt) • Dạng mạch 2: - Xét thời điểm Diode bắt đầu dẫn: Vd>0 - Khi đó, ad ĐL K2 ta có: -Vi+Vd+V=0 =>Diode dẫn khi Vi>V => Vo=Vi-V =>Diode ngưng dẫn khi Vi Vo=0 32 b. Mạch xén song song. • Dạng mạch 1: - Trong khoảng thời gian từ [0,T/2], tín hiệu vào dương diode ở trạng thái dẫn – xem như ngắn mạch => Vo=0 - Trong khoảng thời gian từ [T/2, T], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem như hở mạch => Vo=Vi 33 b. Mạch xén song song.(tt) • Dạng mạch 2: - Xét thời điểm Diode bắt đầu dẫn: Vd>0 - Khi đó, ad ĐL K2 ta có: -Vi+Vd+V=0 =>Diode dẫn khi Vi>V => Vo=V =>Diode ngưng dẫn khi Vi Vo=Vi 34 1.3.3 Mạch kẹp (clamping circuit). • Mạch kẹp là mạch dời tín hiệu đến một mức điện áp DC khác. • Một mạch kẹp gồm có: - Tụ điện: tích trữ năng lượng - Diode: khóa - Điện trở - Nguồn áp DC: tạo mức DC • Giá trị của R và C phải được lựa chọn sao cho thời hằng =RC đủ lớn để đảm bảo rằng điện áp rơi trên tụ điện C xả không đáng kể trong khoảng thời gian Diode ngưng dẫn. 35 1.3.3 Mạch kẹp.(tt)  Dạng mạch 1: Mạch ghim đỉnh trên của tín hiệu ở mức không. • Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu vào dương diode ở trạng thái dẫn xem như ngắn mạch – tụ C được nạp qua diode với thời hằng =rdC có giá trị rất nhỏ và tụ C nạp đầy điện áp V một cách nhanh chóng => Vo=0 • Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem như hở mạch – thời hằng  = RC có giá trị rất lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm điện áp ra =>Vo= -2Vm 36 1.3.3 Mạch kẹp.(tt)  Dạng mạch 2: (Vm>V) Mạch ghim đỉnh trên của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ. • Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu vào dương diode ở trạng thái dẫn xem như ngắn mạch – tụ C được nạp qua diode với thời hằng =rdC có giá trị rất nhỏ và tụ C nạp đầy điện áp (Vm-V) một cách nhanh chóng => Vo=V • Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem như hở mạch – thời hằng  = RC có giá trị rất lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm điện áp ra =>Vo= -2Vm+V 37 1.3.4 Mạch cổng.(tt) a. Cổng OR 38 Vi1 Vi2 Vo 0(D1 dẫn) 0(D2 dẫn) 0 V(D1 dẫn) 0(D2 không dẫn) V 0(D1 không dẫn) V(D2 dẫn) V V(D1 dẫn) V(D2 dẫn) V 1.3.4 Mạch cổng. b. Cổng AND 39 Vi1 Vi2 Vo 0(D1 dẫn) 0(D2 dẫn) 0 V(D1 không dẫn) 0(D2 dẫn) 0 0(D1 dẫn) V(D2 không dẫn) 0 V(D1 không dẫn) V(D2 không dẫn) V 1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener. • Sơ đồ trên minh họa ứng dụng của zener, nguồn Vin là nguồn có điện áp thay đổi, Z1 là diode ổn áp, R là điện trở hạn dòng. • Khi nguồn Vin > Vz thì áp trên Z1 luôn luôn cố định cho dù nguồn Vin thay đổi. • Lưu ý: khi nguồn Vin thay đổi thì dòng ngược Iz qua Z1 thay đổi nhưng phải thỏa điều kiện: Iz ≤ Izmax Với Izmax: dòng điện tối đa qua zener mà không làm hỏng. ult.asp?causo1=%203985 VIn VOut(t)RLZ1 R VZ IR IL I Z 40 1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener.(tt) Ví dụ: Cho mạch ổn áp dùng zenner như hình. Vs=25V, Vz=10V, R1= 1k, R2=2k. Tìm dòng qua zenner? ĐS: [10mA] 41 1.4 Bài tập  BT 1.1: Xác định các giá trị dòng và áp trong mạch? a. b. c. d. e. f. 42 1.4 Bài tập (tt)  BT 1.2: Tính dòng qua các diode a. b. c. d. 43 1.4 Bài tập (tt) 44 1.4 Bài tập (tt)  BT 1.4: Cho điện áp ngõ vào là sóng vuông, biên độ 8V, chu kỳ 10sec, E=2V, hãy vẽ dạng sóng ra Vo? a. b. 45