Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Chương 2 cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của diode bán dẫn Nguyễn Lý Thiên Trường

Chương 2 Diode bán dẫn
2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
E
tx
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
Mt sôĭ hình dáng ca các loi diode
Ký hiu ca diode bán dn
+ -
v
D
i
D
→
A
K
2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Vùng nghèo
Trong đó:
I
0
: dòng điện ngược bão hòa
q: điện tích electron, q=1.6×10
-19
C
k: hằng số Boltzmann, k=1.38×10
-23

J/K
T: nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (K)
η
ηη
η: hằng số có giá trị trong khoảng từ 1 đến 2








−=






−= 11
00
T
V
D
v
kT
D
qv
D

eIeIi
η
η
Ở nhiệt độ phòng
(T=300K), V
T
≈
≈≈
≈26mV
2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode
q
kT
V
T
=
: điện thế nhiệt
V
D
v
e
I
η
0
T
V
D
v
eI
η
0

2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode
VVVV
2.3 Các mô hình mạch diode tương đương
Mô hình tương đương của diode ở chế độ DC
γ
V
γ
V
γ
V
γ
V
Mô hình lý tưởng:
Mô hình sụt áp hằng:
Mô hình sụt áp hằng
với điện trở R
f
:
2.4 Các tham sô của diode bán dẫn
1. Đin tr mt chiu (đin tr tĩnh):
-Theo chiều thuận:
(Có giá vài
Ω
ΩΩ
Ω
đn vài chc
Ω
ΩΩ
Ω
)

-Theo chiều ngược:
(Có giá tr rt ln, hàng trăm K
Ω
ΩΩ
Ω
)
th
th
fth
I
V
RR ==
ng
ng
rng
I
V
RR ==
2. Đin tr xoay chiu :
I
V
r
d
∆
∆
=
- Khi diode làm việc trên điểm gián đoạn:
)(Ω+=
B
T

d
r
I
V
r
- Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua r
B
.
)(
.
Ω+=
Bd
r
I
0260
r
- Ở nhiệt đô phòng:
3. Đin dung tơng đơng:
C
0
= C
hàng rào
+ C
khuch tán
4. Mt vài tham sôĭ gii hn khác:
- Điện áp ngược cực đại cho phép V
ngược max
.
- Dòng điện thuận cực đại cho phép I
max

.
- Công suất tiêu hao cực đại cho phép P
max
.
- Tần sô cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều f
max
.
2.4 Các tham sô 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.
V
γ
γγ
γ
= 0.6V ÷0.7V
đối với diode Silicon
V
γ
γγ
γ
= 0.2V÷0.3V
đối với diode Germanium
Diode lý tưởng: V
γ
γγ
γ
= 0V
E
V

D
I
D
Vo
I
D
= (E – V
γ
)/R
V
o
= I
D
.R
Có thể xem diode hở mạch trong
trường hợp E < Vγ
γγ
γ và ngắn mạch
trong trường hợp ngược lại => hoạt
động như một khóa đóng ngắt.
V(V)
I(mA)
V
γ
Diode dẫn
Diode tắt
0
Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có V
γ
γγ

γ
=0.7V như hình vẽ. Tìm dòng điện I
1
, I
2
và I
D2
ĐS:
I
1
=0.212mA
I
2
=3.32mA
I
D2
=3.108mA
V(V)
I(mA)
0.7
0
2.5 Phân tích mạch DC chứa diode
2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
tsinAE)t(v
ω
ωω
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 phn t tuyn tính).
2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
( ) ( )
At
rR
A
R
VE
iIti
d
dDD
sin
ω
γ
+
+
−
=+=
( ) ( )
Vt
rR
rA
VvVtv
d

d
dDD
sin
.
ω
γ
+
+=+=
- 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 r
B
)
Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có
V
γ
γγ
γ
=0.7 như hình vẽ. Cho v
s
(t)=0.1cosω
ωω

ωt (V),
V
b
=2V. Tìm v
D
và i
D
ĐS:
i
D
(t)=6+0.92cosωt (mA)
v
D
(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
đô 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
γγ
γ= 0.2V, điện trở r
d
không đáng kê. Tải R
L
= 9Ω
ΩΩ
Ω, nội trở nguồn tín hiệu vào r
i
= 1Ω
ΩΩ
Ω.
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 R
L
.
2. Làm lại câu 1 với v
i
(t) là tín hiệu sin có biên đô 1V. Xác định giá

trị điện áp trên tải tại thời điểm ω
ωω
ωt = π
ππ
π/2.
1. - Dòng qua tải R
L
:
Li
i
L
Rr
Vv
i
+
−
=
γ
γγ
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
γγ
γ << v
i
, nên có thê bỏ qua Vγ :
10
V
t
-10
9
vi
v
L
V
t

vi
v
L
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
↓i
L
+
v
L
−
2. Khi v
i
nhỏ, không thê bỏ qua Vγ. Diode chỉ dẫn điện trong khoảng
thời gian v
i
≥ Vγ, tại ωt = π/2:
1V
V
γ
=0.2V
V
L
t
t
V
t
R
Rr
Vv
tv

L
Li
i
L
72.09.
10
)2.0(sin
)( =
−
=⋅
+
−
=
ω
γ
v
i
0.72V
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
-Chê tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt.
-Hoạt động ở chê 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 V
Z
thì I
Zmin
≤ I

Z
≤ I
Zmax
DC Z
S
S
V V
I
R
−
=Ta có
L S Z
I 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 R
L
thay đổi trong khoảng (R
Lmin
÷ R
Lmax
) thì áp trên
tải vẫn ổn định ở V
Z
I
S
+
V
Z
−
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 V
Z
thì I
Zmin
≤ I
Z
≤ I
Zmax
Z
L
L
V
I
R
=
Ta có:
S Z L
I 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 V
DC
thay đổi trong khoảng (V
DCmin
÷ V
DCmax
) thì áp
trên tải vẫn ổn định ỏ V
Z
min min
.
DC S S Z

V I R V
= +
=>
max max
.
DC S S Z
V I R V
= +
I
S
+
V
z
−
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)
c) Nguồn và tải đều thay đổi
Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở V
Z
thì I
Zmin
≤ I
Z
≤ I
Zmax
DC Z
S
S
V V
I
R

−
=
Z S L
I I I
= −
với
DC Z
Z L
S
V V
I I
R
−
= −
=>
Điều kiện cực trị:
- I
Zmin
khi V
DCmin
và I
Lmax
- I
Zmax
khi V
DCmax
và I
Lmin
Vậy với Rs trong khoảng (R
s1

÷ R
s2
) thì áp trên tải vẫn ổn định ở V
Z
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

I
S
+
V
z
−
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)