Kĩ thuật điện tử - Chương 2: Diode bán dẫn

Chương 2 Diode bán dẫn 2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Etx Diode là một linh kiện bán dẫn 2 cực, cấu tạo cơ bản dựa trên chuyển tiếp PN. Điện cực nối với bán dẫn P gọi là Anode (A), điện cực nối với bán dẫn N gọi là Cathode (K). Ký hiệu Mt sô hình dáng ca các loi diode Ký hiu ca diode bán dn + -vD iD→A K 2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Vùng nghèo Trong đó: I0: dòng điện ngược bão hòa q: điện tích electron, q=1.6×10-19C k: hằng số Boltzmann, k=1.38×10-23J/K T: nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (K) η: hằng số có giá trị trong khoảng từ 1 đến 2       −=      −= 11 00 TV Dv kT Dqv D eIeIi ηη Ở nhiệt độ phòng (T=300K), VT≈26mV 2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode q kT V T = : điện thế nhiệt V Dv eI η 0 TV Dv eI η 0 2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode V2.3 Các mô hình mạch diode tương đương Mô hình tương đương của diode ở chế độ DC γV γV γV γV Mô hình lý tưởng: Mô hình sụt áp hằng: Mô hình sụt áp hằng với điện trở Rf: 2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn 1. Đin tr" mt chi$u (đin tr" tĩnh): -Theo chiều thuận: (Có giá vài Ω đ+n vài ch,c Ω) -Theo chiều ngược: (Có giá tr. r/t l0n, hàng trăm KΩ) th th fth I V RR == ng ng rng I V RR == 2. Đin tr" xoay chi$u : I V r d ∆ ∆ = - Khi diode làm việc trên điểm gián đoạn: )(Ω+= B T d rI V r - Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua rB . )( . Ω+= Bd rI 0260 r- Ở nhiệt đô^ phòng: 3. Đin dung t5ơng đ5ơng: C0 = C hàng rào + C khu+ch tán 4. Mt vài tham sô gi0i hn khác: - Điện áp ngược cực đại cho phép V ngược max. - Dòng điện thuận cực đại cho phép Imax. - Công suất tiêu hao cực đại cho phép Pmax. - Tần sôZ cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax. 2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn 2.5 Phân tích mạch DC chứa diode Trong thực tế, để dễ dàng trong việc phân tích mạch, đặc tuyến của diode được xem như thẳng đứng. Vγ = 0.6V ÷0.7V đối với diode Silicon Vγ = 0.2V÷0.3V đối với diode Germanium Diode lý tưởng: Vγ = 0V E VD ID Vo ID = (E – Vγ)/R Vo = ID.R Có thể xem diode hở mạch trong trường hợp E < Vγ và ngắn mạch trong trường hợp ngược lại => hoạt động như một khóa đóng ngắt. V(V) I(mA) Vγ Diode dẫn Diode tắt 0 Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có Vγ =0.7V như hình vẽ. Tìm dòng điện I1, I2 và ID2 ĐS: I1=0.212mA I2=3.32mA ID2=3.108mA V(V) I(mA) 0.70 2.5 Phân tích mạch DC chứa diode 2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode tsinAE)t(v ω+= Chế độ tín hiệu nhỏ được xem là chế độ mà dòng và áp của linh kiện thay đổi trên một đoạn đủ nhỏ của đặc tuyến để có thể xem linh kiện như phần tử tuyến tính. Tìm dòng và áp trên diode? → Dùng nguyên lý x+p ch?ng (ch@ dùng cho phAn tB tuy+n tính). 2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode ( ) ( )At rR A R VE iIti d dDD sinωγ + + − =+= ( ) ( )Vt rR rA VvVtv d d dDD sin . ωγ + +=+= - Đối với nguồn DC: I = (E – 0.7) / R (A) - Đối với nguồn AC: )( 026.0 Ω= D d I r (Giả sử bỏ qua điện trở rB) Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có Vγ=0.7 như hình vẽ. Cho vs(t)=0.1cosωt (V), Vb=2V. Tìm vD và iD ĐS: iD(t)=6+0.92cosωt (mA) vD(t)= 0.7+0.004cosωt (V) 2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode 2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL) Phân tích tín hiệu nhỏ có thể sử dụng phương pháp đôv thị: đường tải DC biểu diễn mối quan hê^ của I,V trên diode khi có phân cực của điện áp DC. 2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL) - Điểm làm việc của diode chính là giao điểm của đường tải và đặc tuyến. - Giao điểm này được gọi là điểm làm việc tĩnh, ký hiệu là Q. 2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL) 2.8 Phân tích tín hiệu lớn cho diode Một diode được xem là hoạt động dưới chế độ tín hiệu lớn khi sự thay đổi của dòng điện và điện áp của diode mở rộng ra trên toàn bộ đặc tuyến. Khi điện trở của một diode thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn, nó hoạt động giống như một công tắc (switch). Diode có thể được xem như một công tắc được điều khiển bằng điện áp: đóng khi được phân cực thuận và mở khi phân cực ngược. 2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode - Mạch chỉnh lưu là mạch chỉ cho phép dòng điện chảy qua nó theo một chiều. - Biến điện xoay chiều thành điện một chiều. - Diode sử dụng trong mạch này gọi là diode chỉnh lưu. 2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ, diode Ge có Vγ= 0.2V, điện trở rd không đáng kê{. Tải RL = 9Ω, nội trở nguồn tín hiệu vào ri = 1Ω. 1. Biết điện áp vào có dạng xung vuông hoặc hình sin, biên đô^ 10V. Hãy vẽ dạng sóng và xác định điện áp trên tải RL. 2. Làm lại câu 1 với vi(t) là tín hiệu sin có biên đô^ 1V. Xác định giá trị điện áp trên tải tại thời điểm ωt = pi/2. 1. - Dòng qua tải RL: Li i L Rr Vv i + − = γ - Áp rơi trên tải: L Li i L R Rr Vv tv ⋅ + − = γ)( )(9.0)( tvR Rr v tv iL Li i L =⋅ + = - Vì Vγ << vi, nên có thê8 bỏ qua Vγ : 10 V t -10 9 vi vL V t vi vL 2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode ↓iL+ vL − 2. Khi vi nhỏ, không thê8 bỏ qua Vγ. Diode chỉ dẫn điện trong khoảng thời gian vi ≥ Vγ, tại ωt = pi/2: 1V Vγ=0.2V VL t t V t R Rr Vv tv L Li i L 72.09. 10 )2.0(sin )( = − =⋅ + − = ωγ vi 0.72V 2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode -ChêZ tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt. -Hoạt động ở chêZ đô^ phân cực ngược. - Đoạn làm việc trên phần đặc tuyến song song với trục tung. 2.10 Diode ổn áp (diode Zener) Dùng trong mạch ổn áp. a) Nguồn ổn định, tải thay đổi Để áp ngõ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax DC Z S S V V I R − =Ta có L S ZI I I= −mà min max DC Z L Z S V V I I R − = − max min DC Z L Z S V V I I R − = − => Vậy khi tải RL thay đổi trong khoảng (RLmin ÷ RLmax) thì áp trên tải vẫn ổn định ở VZ IS + VZ − min max Z L L V R I = max min Z L L V R I ==> và 2.10 Diode ổn áp (diode Zener) b) Nguồn thay đổi, tải ổn định Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax Z L L V I R =Ta có: S Z LI I I= +mà min min Z S Z L V I I R = + max max Z S Z L V I I R = + => Vậy khi tải VDC thay đổi trong khoảng (VDCmin ÷ VDCmax) thì áp trên tải vẫn ổn định ỏ VZ min min .DC S S ZV I R V= +=> max max .DC S S ZV I R V= + IS + Vz − 2.10 Diode ổn áp (diode Zener) c) Nguồn và tải đều thay đổi Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin≤ IZ ≤ IZmax DC Z S S V V I R − = Z S LI I I= −với DC Z Z L S V V I I R − = −=> Điều kiện cực trị: - IZmin khi VDCmin và ILmax - IZmax khi VDCmax và ILmin Vậy với Rs trong khoảng (Rs1 ÷ Rs2) thì áp trên tải vẫn ổn định ở VZ min 1 min max DC Z S Z L V V R I I − = + max 2 max min DC Z S Z L V V R I I − = + => và IS + Vz − 2.10 Diode ổn áp (diode Zener) Ví dụ Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ. IS + Vz − Với Rs=330Ω, RL=1.2KΩ, xác định phạm vi thay đổi cho phép của VDC sao cho điện áp trên tải ổn định ở mức 10V. Biết diode Zener có Izmin=10mA, Pzmax=0.3W ĐS: 16.04V≤VDC≤22.64V Với VDC=50V, Vz=10V, Izmin=3.2mA, Rs=1KΩ. Tìm RL sao cho mạch vẫn còn ổn áp. ĐS: 272 Ω ≤ RL ≤ 1.25KΩ Ví dụ IS + VZ − Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ. Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ a. Xác định VL, VR, IZ và PZ b. Làm lại câu a với RL=3KΩ ĐS: a. VL=8.73V, VR=7.27V, IZ=0A và PZ=0W b. VL=10V, VR=6V, IZ=2.67mA và PZ=26.7mW (V≥VZ) Ví dụ