Cấu kiện điện tử - vật liệu điện tử - Dư Quang Bình - 2 pdf

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
20
cm 100
)10)(1010(1,6
)(0,748V)102(1,04
3
1/2
151619
12
−
−
−
×=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+×
×
= 0297
p
,x
cm100
3
D
A
pn
−

×== 297,x
N
N
x

Từ phương trình (2.14), có thể có ba loại tiếp giáp pn được chế tạo theo kiểu pha tạp khác nhau,
với mật độ điện tích biểu diễn như ở hình 2.5:
- Tiếp giáp đối xứng:
n0p0DA
x
x
N
N
=
⇒= .
- Tiếp giáp bất đối xứng:
n0p0DA
x
x
N
N
<
⇒>
.
- Tiếp giáp bất đối xứng lớn, tức là tiếp giáp p
+
n:
D
1/2
D

Js
d0n0p0DA
1
q
2
N
N
xxxNN ∝
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
φ
≈≈<<⇒>>
ε
(2.17)
D
1/2
s
DJ
0
2q
N
N
E ∝
⎥
⎦
⎤

⎢
⎣
⎡
ε
φ
≈ (2.18)
Phía bán dẫn được pha tạp loãng sẽ quyết định các đặc tính tĩnh điện của tiếp giáp pn.
Giá trị thế tiếp xúc tồn tại khi có tiếp giáp pn như đã xét ở trên, nhưng trong thực tế không thể
đo được bằng voltmeter do các thành phần thế tiếp xúc tại các tiếp giáp bán dẫn - kim loại. Các
tiếp xúc bán dẫn - kim loại là các tiếp giáp củ
a các vật liệu không đồng nhất, nên sẽ có các thành
phần thế tiếp xúc là:
mpmn
,φφ được xác định như ở hình 2.6. Do sự chênh lệch điện thế ngang
qua cấu trúc của diode phải bằng 0, nên trong thực tế không thể đo được thành phần thế tiếp giáp
B
φ trên hai đầu của diode bằng voltmeter !.
mpmnB
φ
+
φ
=
φ
(2.19)

CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
21
2.2 TIẾP GIÁP PN Ở TRẠNG THÁI PHÂN CỰC.
Trong các mạch điện tử, phân cực là đặt cưỡng bức nguồn một chiều (dc) lên cấu kiện bán dẫn

bằng nguồn ngoài (V
D
). Nếu nguồn điện áp với đầu dương của nguồn nối về phía anode và đầu
âm nối về phía cathode của diode thì gọi là phân cực thuận, (tức V
D
> 0), nếu đảo ngược nguồn
áp thì gọi là phân cực nghịch (V
D
< 0). Hình 2.7, cho thấy mạch của diode tiếp giáp pn khi được
phân cực thuận.
Với sụt áp ở các vùng trung hoà và tiếp giáp kim loại bán dẫn không đáng kể, điện áp V
D
sẽ tạo
ra điện trường chủ yếu đặt vào vùng điện tích không gian có chiều ngược lại với điện trường tiếp
xúc nếu được phân cực thuận, nên sẽ làm suy giảm điện trường tiếp xúc một cách hiệu quả. Điện
thế tiếp xúc sẽ giảm xuống (hình 2.8).
Tương tự đối với trường hợp phân cực ngược hiệu thế ti
ếp xúc sẽ tăng lên. Vậy chênh lệch thế
hiệu qua tiếp giáp (còn gọi là rào thế [potential "barrier"]) sẽ là:
- Ở trạng thái cân bằng là:
B
φ
- Ở trạng thái phân cực thuận:
BDB
φ<−φ
V

- Ở trạng thái phân cực ngược:
0)(vç
DBDB

<
φ
>
−
φ
V
V

Các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo của tiếp giáp pn ở trạng thái phân cực có thể mô tả như
ở hình 2.9.
Khi phân cực thuận: thế tiếp xúc giảm, tức
E giảm nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo
d
x hẹp
lại. Khi phân cực ngược: thế tiếp xúc tăng lên, tức
E tăng nên sẽ làm cho độ rộng vùng nghèo
d
x tăng lên.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
22
Hai vùng điện tích của vùng nghèo bị điều biến để điều chỉnh thế hiệu đặt trên tiếp giáp. Vì vậy,
các đặc trưng tĩnh điện của vùng nghèo khi phân cực tương tự như các đặc trưng tĩnh điện của
vùng nghèo ở trạng thái cân bằng nếu thay thế
B
φ
bằng
DB
V
−φ

.
Suy ra:
1/2
DDA
ADBs
Dn
) q(
)(2
)(
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−φε
=
NNN
NV
Vx

1/2
ADA
DDBs
Dp
) q(
)(2
)(
⎥

⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+
−φε
=
NNN
NV
Vx
(2.20)
1/2
DA
DADBs
Dd
q
))((2
)(
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+−φε
=
NN
NNV
Vx (2.21)

1/2
DAs
DADB
D
)(
)2q(
)(
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+ε
−φ
=
NN
NNV
VE
(2.22)
Hoặc có thể viết dưới dạng:
B
D
n0Dn
1 )(
φ
−=
V
xVx

B
D
p0Dp
1 )(
φ
−=
V
xVx
(2.23)
B
D
d0Dd
1 )(
φ
−=
V
xVx
(2.24)
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
23
B
D
0D
1 )(
φ
−=
V
EVE
(2.25)

trong đó:
0d0p0n0
;&;;
E
x
x
x
là các đại lượng tương ứng ở trạng thái cân bằng.
Ở tiếp giáp pn bất đối xứng lớn, nghĩa là được pha tạp với nồng độ ở hai phía tiếp giáp lớn, ví
dụ N
A
>> N
D
, xấp xỉ các biểu thức của độ rộng vùng nghèo phía bán dẫn n, x
n
; độ rộng vùng
nghèo phía bán dẫn p tức x
p
, độ rộng vùng nghèo tổng x
d
, điện trường E, và thế tiếp xúc
B
φ
, ta
thấy rằng tất cả các thay đổi xảy ra ở phía pha tạp thấp nhất (hình 2.10).
2.3 PHƯƠNG TRÌNH DIODE VÀ ĐẶC TUYẾN I - V CỦA DIODE.
Như đã xét ở trên, bằng việc áp đặt điện áp phân cực cho tiếp giáp pn làm cho vùng nghèo sẽ
rộng ra hay co hẹp lại, và cho dòng điện chỉnh lưu, ngoài ra cũng có sự lưu trữ điện tích của hạt
tải điện.
Đối với nồng độ hạt tải, ở trạng thái cân bằng nhiệt, có sự cân bằng động giữa dòng trôi và dòng

khuyếch tán của điện t
ử và lỗ trống:
kh.taïnträi
J
J
= .
Nếu xét nồng độ hạt tải điện trong tiếp giáp pn khi được phân cực ta thấy rằng: khi phân cực
thuận
0)(
D
>V
, rào thế tiếp giáp sẽ giảm,
↓−φ
)(
DB
V
, nên sẽ làm cho điện trường qua vùng
nghèo giảm,
↓
SCR
E
, và dòng trôi giảm xuống, ↓
träi
J
. Sự cân bằng giữa hai thành phần dòng
qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là:
kh.taïnträi
J
J
<

, như mô tả ở hình 2.11.
Dòng khuyếch tán thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện "thiểu số" phóng thích vào
hai vùng trung hoà, nên có sự vượt trội nồng độ hạt tải điện thiểu số ở hai vùng trung hoà. Vậy
một lượng lớn hạt tải điện đa số khuyếch tán vào hai vùng trung hoà có thể tạo ra dòng điện lớn
chảy qua tiếp giáp.
Mặt khác, khi phân cực ngược
)0( <
D
V
, rào thế tiếp giáp sẽ tăng, ↑−φ )(
DB
V , nên sẽ làm cho
điện trường qua vùng nghèo tăng,
↑
SCR
E
, và dòng trôi tăng lên,
↑
träi
J
. Sự cân bằng giữa hai
thành phần dòng qua vùng nghèo đã bị phá vỡ, tức là:
kh.taïnträi
J
J
> như ở hình 2.12.
Dòng trôi thực chảy qua vùng nghèo làm cho các hạt tải điện thiểu số bị rút ra khỏi hai vùng
trung hoà, nên có sự sụt giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số trong hai vùng trung hoà. Có rất ít hạt
tải điện thiểu số vào hai vùng trung hoà nên chi cho một dòng điện nhỏ.
Do đó, khi phân cực thuận cho diode tiếp giáp

pn thì các hạt tải điện thiểu số phóng thích sẽ
khuyếch tán qua vùng trung hoà, tạo ra sự tái hợp tại bề mặt bán dẫn. Khi phân cực ngược, các
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
24
hạt tải điện thiểu số rút ra khỏi vùng nghèo, tạo ra sự tái sinh tại bề mặt và khuyếch tán qua vùng
trung hoà.Vậy khi phân cực thuận sẽ có dòng điên lớn do khuyếch tán các hạt tải điện đa số; còn
khi phân cực ngược sẽ có dòng trôi nhỏ do các hạt tải điện thiểu số như thể hiện ở hình 2.13.
Để có độ lớn của dòng điện chảy qua diode, cần phải tính n
ồng độ các hạt tải điện thiểu số tại
hai biên vùng nghèo là
p(x
n
) và n(- x
p
), và tính dòng khuyếch tán của các hạt tải điện thiểu số
trong mỗi vùng trung hoà là
I
n
và I
p
, sau đó tính tổng dòng khuyếch tán của điện tử và lỗ trống,
pn
I
I
I
+= .
Từ quan hệ giữa thế hiệu và nồng độ hạt tải điện tại các điểm theo phương
x, ta có tỷ số nồng độ
điện tử và lỗ trống tại hai biên của vùng nghèo ở trạng thái phân cực, tức trạng thái tương ứng

với
taïnkh.träi
JJ ≠ :
kT
)q(
exp
kT
)]x(-)(xq[
exp
)x(
)(x
DB
pn
p
n
V
n
n −φ
=
−
φ
φ
≈
−

và tỷ số nồng độ lỗ trống tại hai biên vùng nghèo khi phân cực cho tiếp giáp:
kT
)q(
exp
kT

)]x(-)(xq[
exp
)x(
)(x
DB
pn
p
n
V
p
p
−φ−
=
−
φ
φ
−
≈
−

Nhưng nồng độ điện tử và lỗ trống ngay tại hai biên xấp xỉ bằng nồng độ pha tạp, được gọi là
xấp xỉ
phóng thích mức thấp:
Dn
)(x
N
n ≈
và
Ap
)

x
(
N
p
≈
−
, nên ta có:
kT
)q(
exp)x(
BD
Dp
φ
−
≈−
V
Nn (2.29)
và:
kT
)q(
exp)(x
BD
An
φ
−
≈
V
Np
(2.30)
Với giá trị thế tiếp xúc là:

2
i
AD
B
n
ln
q
kT
N
N
=φ
thay vào phương trình
)(-x
p
n
và
)(x
n
p
, sẽ nhận được nồng độ hạt tải điện thiểu số tại hai biên
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
25
của vùng nghèo là:
kT
q
exp
n
)x(
D

A
2
i
p
V
N
n ≈−
(2.31)
và:
kT
q
exp
n
)(x
D
D
2
i
n
V
N
p ≈
(2.32)
Vậy nồng độ hạt tải điện thiểu số khuyếch tán ngay tại hai biên của vùng nghèo tuỳ thuộc vào
điện áp phân cực, tức là:
- Ở trạng thái cân bằng
0)(
D
=V , ta có:
A

2
i
p
n
)x(
N
n =−
;
D
2
i
n
n
)(x
N
p =

như đã biết ở trên.
- Ở trạng thái phân cực thuận
0)(
D
>
V
; ngay tại giá trị rất nhỏ 0,1V)(
D
=
V
, tại nhiệt độ phòng:
A
2

i
p
n
)x(
N
n >>−
;
D
2
i
n
n
)(x
N
p >>

Có một số lượng lớn các hạt tải điện được phóng thích: Vậy khi điện áp phân cực tăng lên sẽ
cho nồng độ hạt tải điện phóng thích lớn, nên dòng thuận lớn.
- Ở trạng thái phân cực ngược
0)(
D
<
V
, thì:
A
2
i
p
n
)x(

N
n <<−
;
D
2
i
n
n
)(x
N
p <<

Có rất ít hạt tải điện trích ra khỏi vùng nghèo, cho dòng ngược nhỏ. Do có sự giới hạn độ sụt
giảm nồng độ hạt tải điện thiểu số thấp, nên khi phân cực ngược, có dòng ngược chảy qua tiếp
giáp rất bé, gần bằng 0, nên có sự bão hoà ở dòng ngược.
Như vậy, đặc tính chỉnh lưu của diode tiếp giáp
pn đã được xác định từ các điều kiện biên của
hạt tải điện thiểu số tại hai biên của vùng nghèo.
Tiếp theo là cần phải xác định dòng khuyếch tán của các hạt tải điện trong hai vùng trung hoà.
Do sự khuyếch tán của các điện tử trong vùng trung hoà phía bán dẫn -
p, chuyển đến và tái hợp
với tốc độ không đổi, mật độ dòng điện tử
n
J không đổi nên nồng độ điện tử n(x) là tuyến tính
như được biểu diễn ở hình 2.14.
Với các điều kiện biên tại vị trí
)W(
p
− là độ rộng vùng trung hoà của bán dẫn - p, ta có:
A

2
i
0p
n
)W(
N
nxn ==−=
và:
kT
q
exp
n
)x(
D
A
2
i
p
V
N
n =−

Phương trình biểu diễn nồng độ điện tử tại điểm
x trong vùng trung hoà phía bán dẫn - p:
)x(
Wx-
)(-
W
-)x(-
)x (-)(

p
pp
pppp
ppp
+
+
+= x
nn
nxn (2.33)
Mật độ dòng điện tử:
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
26
pp
A
2
iD
A
2
i
n
pp
pppp
nnn
xW
n
kT
q
exp
n

qD
xW
)W()x(
qDqD
−
−
=
−
−−−
==
N
V
N
nn
dx
dn
J

1)
kT
q
(exp
xW
Dn
q
D
pp
n
A
2

i
n
−
−
×=
V
N
J (2.34)
Tương tự, biểu diễn dòng lỗ trống trong vùng trung hoà ở phía bán dẫn - n như ở hình 2.15:
Mật độ dòng lỗ trống:
1)
kT
q
(exp
xW
D
n
q
D
nn
p
D
2
i
p
−
−
×=
V
N

J (2.35)
Tổng cả hai thành phần dòng điện tử và lỗ trống khuyếch tán trong vùng trung hoà sẽ là,
1)
kT
q
(exp
xW
D
1
xW
D
1
qn
D
nn
p
Dpp
n
A
2
ipn
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛

−
×+
−
×=+=
V
NN
JJJ
(2.36)
Dòng điện chảy qua tiếp giáp
pn với tiết diện A sẽ là:
1)
kT
q
(exp
xW
D
1
xW
D
1
nq
D
nn
p
Dpp
n
A
2
iD
−

⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
×+
−
×=
V
NN
AI
(2.37)
Dòng diode thường được viết dưới dạng phương trình diode:
1)
V
(expI1)
kT
q
(expI
T
D
S
D
SD
−=−=
V

V
I (2.38)
trong đó:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
×+
−
×=
nn
p
Dpp
n
A
2
iS
xW
D
1
xW
D1
q
NN
AnI

(2.39)
gọi là dòng bão hoà ngược.
Vậy khi tiếp giáp
pn được phân cực thuận thì mức chênh lệch điện thế ngang qua vùng nghèo sẽ
giảm xuống do điện áp phân cực
V
D
, nên sẽ tạo ra sự phóng thích hạt tải điện thiểu số vào hai
vùng trung hoà. Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và tái hợp
tại bề mặt của vùng trung hoà. Do được cung cấp số lượng hạt tải điện lớn cho sự phóng thích
nên sẽ tạo ra dòng điện lớn tỷ lệ theo mức hàm mũ điện áp đặt vào:
kT
q
exp
D
D
V
I ∝
Khi tiếp giáp
pn được phân cực ngược thì mức chênh lệch điện thế ngang qua vùng nghèo sẽ
tăng lên do điện áp phân cực
V
D
, nên sẽ tạo ra sự rút tỉa hạt tải điện thiểu số khỏi hai vùng trung
hoà. Sự khuyếch tán hạt tải điện thiểu số vào sâu trong các vùng trung hoà và phát sinh tại bề
mặt của vùng trung hoà. Do được cung cấp số lượng hạt tải điện rất ít cho sự rút tỉa nên sẽ tạo ra
dòng điện có giá trị bão hoà nhỏ.
Từ phương trình diode (2.37), ta nhận thấy rằng:
- Dòng diode tỷ lệ vớ
i nồng độ hạt tải điện thiểu số vượt trội tại hai biên của vùng điện tích

không gian:
1)
kT
q
(exp
n
D
2
i
D
−∝
V
N
I
. Ở chế độ phân cực thuận:
kT
q
exp
n
D
2
i
D
V
N
I ∝
, nhiều hơn
hạt tải điện được phóng thích nên sẽ cho dòng điện lớn hơn chảy qua diode. Ở chế độ phân cực
ngược:
N

I
2
i
D
n
−∝
, nồng độ hạt tải điện thiểu số bị suy giảm đến giá trị không đáng kể và dòng
điện sẽ bão hoà.
- Dòng diode cũng tỷ lệ với độ khuyếch tán:
D
D
∝
I
, nên với sự khuyếch tán nhanh hơn sẽ cho
dòng điện lớn hơn.
- Dòng diode tỷ lệ nghịch với độ rộng vùng trung hoà
QNR
D
W
1
∝I
, vậy hạt tải điện khuyếch
tán qua vùng trung hoà ngắn hơn sẽ cho dòng diode lớn hơn.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
27
- Dòng diode cũng tỷ lệ với tiết diện của diode: A
I
∝
D

tức là diode có tiết diện lớn hơn sẽ cho
dòng chảy qua diode lớn hơn.
Chú ý rằng, tại
0≠
x
, dòng tiếp giáp không phải hoàn toàn là dòng khuyếch tán, nhưng dòng
tổng phải vẫn không đổi. Phương trình diode thường được hiệu chỉnh dưới dạng:
1)(exp
T
D
SD
−=
nV
V
II (2.40)
trong đó,
n là hệ số thực nghiệm, n = 1 đối với khi chỉ có dòng khuyếch tán. Nhưng khi có sự tái
hợp rất lớn trong vùng nghèo (như trong silicon với các giá trị của
V
D
thấp hơn 0,5 V), thì n có
thể phải được tăng lên 2. Thực tế cũng thấy rằng
n = 2 đối với phóng thích mức cao tức mật độ
dòng cao. Tại các mức dòng diode vừa phải thì
21 << n
. Đối với phần lớn các diode silicon, n
trong khoảng từ 1,0 đến 1,1.
Hình 2.16, là đặc tuyến
I - V, theo phương trình
diode. Bởi vì

V
T
≈ 26mV ở nhiệt độ phòng
(300
o
K), dòng I
D
phụ thuộc giá trị V
D
dương trên
50mV theo dạng hàm mũ. Cũng vậy, đối với
V
D

âm hơn - 50mV, dòng diode sẽ được bão hoà tại
giá trị
I
S
. Thang đo dòng diode âm đã được mỡ
rộng để biểu diễn giá trị rất nhỏ của
I
S
. Theo đặc
tuyến
I - V, cũng cần phải lưu ý rằng, trong thực tế
phương trình diode sẽ trở nên không hợp lý tại giá
trị
V
D
âm đáng kể, khi đó dòng diode sẽ tăng mạnh

do đánh thủng điện áp.
2.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA DIODE BÁN DẪN.
a) Điện trở động của diode
Giữa nồng độ hạt tải điện và thế hiệu đặt vào có quan hệ theo hàm mũ, nên có thể viết biểu thức
đơn theo sự phân bố nồng độ và tính toán cho cả hai trạng thái phân cực thuận và ngược. Biểu
thức sẽ đúng với điều kiện điện áp không vượt quá mức điện áp đánh thủng. Quan hệ trong
trường hợp tổng quát cần phải được th
ể hiện theo phương trình (2.41).
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
1exp
D
SD
nkT
qv
Ii
(2.41)
trong đó,

i
D
là dòng điện trong diode (ampere); v
D
là chênh lệch điện thế ngang qua diode (volt);
với:
V
T
= kT/q, suy ra:
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
1exp
T
D
SD
nV

v
Ii (2.42)
Nếu diode làm việc ở nhiệt độ phòng (khoảng 25
o
C) và chỉ ở chế độ phân cực thuận, thì số hạng
đầu trong ngoặc sẽ vượt trội, nên dòng tính được gần đúng là,
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
≈
T
D
SD
exp
nV
v
Ii (2.43)
Phương trình có đặc tuyến theo hình 2.17.
Như đã xét ở trên, mức dòng bảo hòa ngược I
S
tùy thuộc vào sự pha tạp, kích thước hình học của
diode, và nhiệt độ. Hằng số thực nghiệm n có thể khác nhau tùy theo các mức dòng và áp và phụ
thuộc vào sự khuyếch tán, độ trôi của điện tử, và sự tái hợp của hạt tải điện trong vùng nghèo.
Hằng số n sẽ đạt bằng 2 khi số lượng tái hợp điện tử - lỗ trống trong vùng nghèo tăng lên.
Nếu n =1, giá tr

ị nV
T
là vào khoảng 25mV tại 25
o
C. Khi n = 2, thì nV
T
sẽ là khoảng 50mV.
Để tính mức dòng và áp tại điểm làm việc Q, căn cứ vào độ dốc của đặc tuyến ở hình 2.17, thay
đổi theo độ biến thiên của dòng tuân theo quan hệ hàm mũ.
Có thể vi phân biểu thức của phương trình (2.42) để tính độ dốc tại mức dòng i
D
cố định bất kỳ.
Độ dốc là độ dẫn điện tương đương của cấu kiện.
(
)
[
]
T
TDS
D
D
/exp
nV
nVvI
dv
di
=
(2.44)
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN

28
Từ phương trình diode cơ bản (2.42), ta có:
1exp
S
D
T
D
+=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
I
i
nV
v

Thay vào phương trình độ dẫn điện (2.44), ta nhận được:
T
SD
D
D
nV
Ii
dv
di

+
= (2.45)
Điện trở động là nghịch đảo của độ dẫn điện (2.45), hay:
D
T
SD
T
d
i
nV
Ii
nV
r
≈
+
=
(2.46)
vì
I
S
<< i
D
. Mặc dù biết rằng r
d
thay đổi khi i
D
thay đổi, nhưng ta thường cho r
d
cố định trong
khoảng làm việc quy định, tức là ta chọn một trị số trong dãi các điện trở biến thiên (tức có thể

sử dụng
I
D
thay cho i
D
). Sử dụng số hạng R
f
để biểu thị điện trở thuận của diode, mà trong đó
bao gồm
r
d
và điện trở tiếp xúc giữa chất bán dẫn và điện cực kim loại.
b) Điện áp ngưỡng.
Hình 2.18, là các đặc tuyến mô tả nguyên lý hoạt động của diode silicon và germanium thông
dụng trong thực tế, làm việc ở nhiệt độ phòng
.
Khi thang đo dòng được chọn phù hợp với dòng làm việc lớn nhất, thì mỗi diode có một mức
điện áp ngưỡng
V
γ
khi được phân cực thuận, dưới mức điện áp ngưỡng đó dòng diode rất nhỏ,
nhỏ hơn 1% giá trị dòng định mức của diode. Điện áp ngưỡng này còn gọi là điện áp dịch. Vì
dòng
I
S
của diode germanium lớn hơn nên điện áp dịch của diode germanium vào khoảng 0,2V -
0,3V, khi so sánh với điện áp dịch của diode silicon vào khoảng 0,6V - 0,7V. Trong nhiều ứng
dụng thông thường, diode có thể được xem là ngưng dẫn [OFF] tại các giá trị điện áp thấp hơn
điện áp ngưỡng.
Khi điện áp thuận tăng dần khỏi mức 0, dòng điện sẽ không bắt đầu chảy ngay, mà lấy theo mức

điện áp nhỏ
nhất là V
γ
(0,2V hoặc 0,7V trong hình vẽ) để có được mức dòng có thể đo được. Khi
điện áp vượt quá
V
γ
, thì dòng tăng rất nhanh. Độ dốc của đặc tuyến là lớn, nhưng không phải vô
cùng như trường hợp với diode lý tưởng (
V
γ
xem như bằng 0).
Vậy mức điện áp nhỏ nhất cần thiết để có mức dòng có thể đo được
V
γ
vào khoảng 0,7V đối với
diode bán dẫn silicon (tại nhiệt độ phòng), và khoảng 0,2V đối với diode bán dẫn germanium.
Khi diode được phân cực ngược, sẽ có dòng điện rò nhỏ trong khoảng điện áp ngược thấp hơn
so với điện áp cần để đánh thủng tiếp giáp. Dòng rò của diode germanium lớn hơn nhiều so với
diode silicon hay diode gallium arsenide. Nếu mức điện áp âm trở nên đủ lớn ở vùng đánh
thủng, thì mộ
t diode thông thường có thể bị phá hũy. Điện áp đánh thủng được quy định như
điện áp ngược đỉnh – PIV [peak inverse voltge] trong các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.
Hư hỏng ở các diode thông dụng tại mức điện áp đánh thủng là do sự tăng nhanh của dòng điện
tử chảy qua tiếp giáp dẫn đến quá nhiệt ở diode. Mức dòng lớn có thể làm hỏng diode nếu tích tụ
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
29
nhiệt vượt quá mức cho phép. Đánh thủng do nhiệt đôi khi cũng được xem như điện áp đánh
thủng diode (

V
BR
).
c) Dòng ngược của các loại diode khác nhau.
Như đã nói ở trên, từ phương trình diode (2.38) ta thấy rằng: dòng bão hoà ngược phụ thuộc vào
tiết diện của tiếp giáp, các hệ số khuyếch tán của hạt tải điện thiểu số, nồng độ của các hạt tải
điện thiểu số ở điều kiện cân bằng, và độ dài của các vùng trung hoà hay quãng đường khuyếch
tán của các hạt tải điện thiểu số, mà các thông s
ố đó lại phụ thuộc vào nhiệt độ và các mức pha
tạp. Do vậy, dòng bão hoà
I
S
có thể có giá trị vào khoảng µA đối với các diode Germanium, và
vào khoảng cỡ nA đối với các diode Silicon. Nhiều diode có dòng ngược biểu hiện tăng theo
điện áp ngược không tuân theo phương trình diode, vì do dòng rò qua tiếp giáp tại bề mặt của
chất bán dẫn và do khi khảo sát phương trình diode ta đã bỏ qua sự phát sinh cặp điện tử - lỗ
trống do năng lượng nhiệt trong vùng điện tích không gian. Đối với các tiếp giáp silicon khi
được phân cực ngược thì dòng ngược không tăng do dòng điện phát sinh do nhiệ
t là thành phần
chủ yếu của dòng bão hoà ở nhiệt độ phòng rất thấp. Vì vậy, dòng ngược ít phụ thuộc vào điện
áp ngược do vùng nghèo trở nên dày hơn tại các giá trị điện áp ngược cao hơn.
d) Các ảnh hưởng do nhiệt độ và hệ số nhiệt độ của diode.
Nhiệt độ có vai trò quan trọng quyết định các đặc tính làm việc của các diode. Các thay đổi về
đặc tính của diode gây ra do nhiệt độ thay đổi có thể cần phải điều chỉnh về thiết kế và hoàn
thiện các mạch. Hệ số nhiệt độ đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ là một trong những thông số
quan trọng cần phải được lưu ý.
Hệ số nhiệt độ liên quan đế
n mức sụt áp trên diode v
D
. Giải phương trình diode (2.41) theo sụt

áp trên diode ở điều kiện phân cực thuận (với hệ số thực nghiệm
n = 1), ta có:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
≅
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=
S

D
S
D
S
D
TD
ln1ln1ln
I
i
q
kT
I
i
q
kT
I
i
Vv
[V]
Vi phân theo nhiệt độ ta có:
T
VVv
dT
dI
I
V
T
v
dT
dI

Iq
kT
I
i
q
k
dT
dv
TGODS
S
T
DS
SS
DD
311
ln
−−
=−=−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
[V/ K]
trong đó ta cho rằng:
SD

I
i >> và I
S

∝

2
i
n
, v
D
là điện áp sụt trên diode; V
GO
là điện áp tương
ứng với mức năng lượng độ rộng vùng cấm của Silicon tại
0
K, (V
GO
= E
G
/ q) , và V
T
là áp nhiệt.
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
30
Hai số hạng sau rút ra từ sự phụ thuộc vào nhiệt độ của
2
i
n . Giản lược các số hạng ở phương

trình trên đối với diode Si, chẳng hạn có
V
D
= 0,65V, E
G
= 1,12eV, và V
T
≈ 0,025V ta có:
1,82mV/K
300K
0,075)V1,12(0,65
D
−=
−
−
=
dT
dv
(2.47)
Vậy, tại nhiệt độ phòng điện áp thuận của diode biểu hiện hệ số nhiệt độ âm gần bằng -1,82
mV/
0
C, nghĩa là tại giá trị dòng diode I
D
không đổi, điện áp V
D
sẽ giảm vào khoảng 2mV khi
nhiệt độ tăng lên 1
o
C ở nhiệt độ từ 25

o
C:
C2mV/
o
D
D
−≅
I
dT
d
V
(2.48)
Bằng thực nghiệm, cũng có thể thấy rỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ trên các đặc tuyến của một
diode Silicon như ở hình 2.19.
Nhiệt độ cũng làm tăng mức dòng bảo hòa ngược vì dòng bão hoà ngược biến thiên theo nồng
độ các hạt tải điện thiểu số, tức là thay đổi theo
2
i
n
, mà
2
i
n
là một hàm của nhiệt độ.
Đối với diode bằng bán dẫn Gemanium, dòng bão hòa ngược
I
S
(còn gọi là dòng rò hay dòng rỉ)
tăng lên gần gấp đôi cứ mỗi khi nhiệt độ tăng lên 10
0

C, ở nhiệt độ 25
0
C sẽ có dòng I
S
vào
khoảng 1
µA hay 2µA và có dòng rò vào khoảng 100µA = 0,1mA tại nhiệt độ làm việc 100
0
C.
Với các mức dòng rò
I
S
nhỏ ở vùng ngược, nên có thể xem diode như một chuyển mạch ở trạng
thái hở mạch ở vùng phân cực ngược. Thực tế thấy rằng, đối với bán dẫn Silicon,
I
S
sẽ tăng gấp
đôi trong khoảng tăng nhiệt độ 5
o
C ở nhiệt độ từ 25
o
C. Tuy nhiên, giá trị điển hình của I
S
ở
diode Silicon thấp hơn rất nhiều so với
I
S
của diode bằng bán dẫn Germanium có cùng cấp công
suất và mức dòng. Thậm chí, ta cũng có kết quả tương tự khi diode làm việc ở nhiệt độ cao thì
dòng

I
S
của các diode bằng bán dẫn Si cũng không thể đạt được các mức dòng rò cao như ở các
diode Ge, đây là lý do rất quan trọng khiến cho các diode bằng bán dẫn Si được sử dụng nhiều
hơn trong thiết kế chế tạo mạch điện tử.
Về cơ bản thì sự tương đương như một mạch hở ở vùng phân cực ngược, khi làm việc tại nhiệt
độ bất kỳ là lý do tố
t nhất có ở diode Si so với diode Ge. Mức dòng I
S
tăng theo nhiệt độ, điều
này giải thích cho việc các mức điện áp ngưỡng thấp hơn. Ở vùng phân cực ngược, điện áp đánh
thủng cũng tùy thuộc vào nhiệt độ, nhưng lưu ý là dòng bão hòa ngược không mong muốn cũng
tăng lên. Dòng bảo hòa ngược tăng vào khoảng 7,2%/
o
C đối với cả diode silicon và germanium.
Nói cách khác,
I
S
gần gấp đôi cho mỗi khoảng tăng nhiệt độ là 10
o
C. Biểu thức của dòng bảo
hòa ngược phụ thuộc vào nhiệt độ là,
)]()exp[()(
12i1S2S
TTkTITI
−
=
(2.49)
trong đó:
k

i
= 0,07/
o
C và T
1
và T
2
là hai nhiệt độ khác nhau. Biểu thức có thể tính gần đúng bằng
cách rút gọn hàm mũ,
)/10(
102S
12
)2()(
TT
TITI
−
= (2.50)
bởi vì 2
70
≈
,
e .
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
31
Khi mức điện áp phân cực thuận trên diode không đổi, thì I
D
cũng sẽ tăng gấp đôi trong khoảng
tăng nhiệt độ 10
o

C ở nhiệt độ từ 25
o
C.
Khi nhiệt độ tăng, điện áp chuyển sang dẫn
V
γ
sẽ giảm. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm sẽ làm tăng
về
V
γ
, như chỉ rõ ở hình 2.19, trong đó V
γ
thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuân theo phương
trình sau: (giả sử dòng chảy qua diode được giữ không đổi).
)()()(
01T0γ1γ
TTkTVTV
−
=
−
(2.51)
trong đó:
T
0
là nhiệt độ phòng, khoảng 25
o
C; T
1
là nhiệt độ làm việc của diode (
o

C); V
γ
(T
0
) là sụt
áp trên diode tại nhiệt độ phòng (Volt). Đối với diode Si:
V
γ
(T
0
) = 0,7V, và diode Ge: V
γ
(T
0
) =
0,2V;
V
γ
(T
1
) là sụt áp trên diode ở nhiệt độ làm việc, (Volt); k
T
là hệ số nhiệt độ (V/
o
C). Giá trị
của
k
T
là khác nhau tùy theo loại diode, đối với diode Ge có k
T

= - 2,5 mV/
o
C, diode Si có k
T
= -
2,0 mV/
o
C.
e) Mô hình mạch tương đương của diode
Mạch ở hình 2.20a, tương ứng với mô hình đơn giản của diode silicon ở cả trạng thái làm việc
dc thuận và ngược. Đặc tuyến của mô hình gần như đặc tuyến hoạt động của diode ở hình 2.18.
Điện trở
R
r
tương ứng với điện trở phân cực ngược của diode, thường vào khoảng vài megaohm.
Điện trở
R
f
tương ứng với điện trở khối và tiếp xúc của diode, thường nhỏ hơn 50Ω. Khi được
phân cực thuận, diode lý tưởng là một ngắn mạch, hay điện trở bằng 0. Điện trở mạch của diode
thực tế khi phân cực thuận được mô hình hóa ở hình 2.20a, là điện trở đầu cực của diode lý
tưởng được ngắn mạch, hay:
ffr
RRR ≈
Ở trạng thái phân cực ngược, diode lý tưởng có điện trở lớn vô cùng (mạch hở) còn điện trở
mạch của mô hình thực tế là
R
r
. Diode lý tưởng là một phần của mô hình ở hình 2.20a, phân cực
thuận khi điện áp đầu cực vượt quá 0,7V.

Các mô hình mạch
ac phức tạp hơn do hoạt động của diode phụ thuộc vào tần số. Mô hình ac
đơn giản cho diode phân cực ngược như ở hình 2.20b. Tụ
C
J
tương ứng với điện dung của tiếp
giáp
, xuất hiện do vùng nghèo như một tụ điện. Hình 2.20c, là mạch tương đương của diode
phân cực thuận. Mô hình bao gồm hai tụ điện là
tụ khuyếch tán C
D
và tụ tiếp giáp C
J
. Điện dung
khuyếch tán liên quan đến sự di chuyển của các hạt tải điện dẫn đến trạng thái có thể so với sự
lưu trữ điện tích. Do vậy, hệ quả của sự khuyếch tán bao gồm các ảnh hưởng của điện dung.
Điện dung khuyếch tán
C
D
sẽ gần bằng 0 khi diode phân cực ngược. Điện trở động là r
d
. Ở dãi
tần số thấp các ảnh hưởng của điện dung là nhỏ và chỉ có
R
f
là phần tử đáng kể nhất.
f) Phân tích mạch diode
Từ các nội dung trên, ta đã có thông tin cơ bản cần thiết để phân tích các mạch có diode. Giả sử
cho một mạch gồm các cấu kiện tuyến tính thụ động, các nguồn cung cấp và các diode, cần phải
tính mức dòng và áp liên quan. Bài toán cũng có thể giải quyết ở phòng thí nghiệm điện tử, chọn

các cấu kiện thích hợp và nối dây cho mạch, đo các mức dòng và áp bằng các đồng hồ đo / hoặc
máy hiện sóng. Dĩ nhiên là các
điều kiện của phòng thí nghiệm phải đáp ứng phù hợp các điều
kiện của bài toán đã cho. Trong thực tế, có thể có các quy trình đo chính xác các đại lượng mà
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
32
không phải ngắt mạch để có kết quả đúng so với tính toán lý thuyết, khi chưa có sự rõ ràng về
mô hình đúng của các cấu kiện, tức là giả sử các mô hình ở phần trước không mô tả được bản
chất vật lý của các cấu kiện một cách thích hợp. Trong trường hợp như vậy, sẽ không lời giải để
cho kết quả đúng. Thực ra mục đích xuyên suốt trong nghiên cứu là cho khả
năng dự đoán và
giải thích nguyên lý hoạt động thực tế.
Nếu không muốn mất nhiều thời gian, và tình trạng chưa biết rõ ràng của giải pháp cứng (mạch
thực nghiệm), thì có thể dựa vào phân tích thuần túy bằng cách sử dụng các phương trình cho
từng phần tử (chẳng hạn như định luật Ohm và phương trình diode). Hoặc có thể dựa vào các
mô hình diode ở phần trên thay cho các diode và sau đó thực hiện việc phân tích mạ
ch thông
thường. Các phân tích như vậy cần phải có các gần đúng vì tự các mô hình là các xấp xĩ. Ngoài
ra, cũng có thể không đưa vào tính toán nhiều điều kiện vật lý khác như biến thiên về nhiệt độ và
sai số của các cấu kiện.
Ngoài các phương pháp phân tích mạch trên, các chương trình mô phỏng bằng máy tính đã trở
nên phổ biến trên các PC. Khả năng và tốc độ của PC thường sử dụng mô phỏng dùng cho việc
phân tích mạch đúng hơn là thiết kế mạch, nghĩa là thường kiểm chứng hiệu suất của mạch mà
trong đó có các cấu kiện điện tử khác nhau đã được chọn sẳn.
Các chương trình mô phỏng cũng có thể dùng để thiết kế bằng cách sử dụng kỹ thuật
lặp, chẳng
hạn như nếu ta muốn chọn một trị số điện trở, ta có thể phân tích mạch theo các trị số khác nhau
và chọn một trị số để nhận được các thông số thiết kế.
Đường tải của diode: Do diode là cấu kiện phi tuyến, cần phải thay đổi kỹ thuật phân tích mạch

thông thường. Không thể viết các phương trình một cách đơn giản và giải theo các biến, vì các
phương trình chỉ có thể áp dụng trong phạm vi vùng làm việc cụ thể.
Một mạch thường bao gồm cả hai điện áp nguồn
dc và nguồn thay đổi theo thời gian. Nếu ta
thiết lập nguồn biến thiên theo thời gian bằng 0, thì năng lượng chỉ được cung cấp đến mạch từ
nguồn điện áp
dc. Loại bỏ nguồn biến thiên theo thời gian ra khỏi mạch, sẽ xác định được điện
áp và dòng của diode được gọi là
điểm làm việc tĩnh (điểm - Q).
Hình 2.21a, là mạch gồm một diode, tụ, nguồn cung cấp và 2 điện trở. Nếu chọn dòng chảy qua
diode và điện áp diode là đại lượng cần tìm của mạch, thì cần phải có hai phương trình độc lập
có các đại lượng cần tính đó để có lời giải duy nhất cho điểm làm việc. Một trong hai phương
trình được suy ra từ mạch nối với diode. Phương trình thứ hai là quan hệ dòng – áp thực tế của
diode. Hai ph
ương trình cần phải được giải đồng thời, tức là có thể thực hiện bằng đồ thị.
Nếu xét trạng thái
dc đầu tiên, thì nguồn điện áp sẽ trở nên đơn giản là V
S
, và tụ sẽ là mạch hở
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
33
(tức là trở kháng của tụ là vô cùng tại tần số bằng 0). Vậy phương trình cho mạch dc có thể lập
được là:
1DDR1DS
RIVVVV
+
=
+
=

(2.52)
hay:
1DSD
RIVV
−
=
(2.53)
Đây là phương trình thứ nhất trong hai phương trình đồng thời có điện áp và dòng của diode. Ta
cần phải kết hợp phương trình (2.53) với đặc tuyến của diode để xác định điểm làm việc. Đồ thị
của phương trình như ở hình 2.21b, gọi là “đường tải
dc”. Đặc tuyến của diode cũng được thể
hiện trên cùng một trục tọa độ. Giao điểm của hai đặc tuyến là nghiệm chung của hai phương
trình nên ký hiệu là “điểm tĩnh –
Q” [Q – quiescent] trên hình vẽ. Đây là điểm mà tại đó mạch sẽ
làm việc với tín hiệu vào biến thiên theo thời gian thiết lập mức 0.
Nếu đặt bổ sung tín hiệu biến thiên theo thời gian đến đầu vào dc, thì một trong hai phương trình
đồng thời sẽ thay đổi. Nếu cho rằng, tín hiệu vào biến thiên theo thời gian là tín hiệu có tần số
đủ cao để cho phép coi tụ điện như một ngắn mạch, thì sẽ cho phương trình m
ới như sau:
)(
L1dds
RRivv +=
(2.54)
)(
L1dsd
RRivv −=
(2.55)
Ta đang chỉ xét các thành phần biến thiên theo thời gian của các tham số khác nhau (lưu ý việc
sử dụng các ký tự viết thường cho các biến số). Vậy các giá trị của tham số toàn bộ sẽ là:
DQdD

Vvv
+
=

DQdD
Iii
+
=

và phương trình (1.37) sẽ trở thành:
sDQDL1DQD
))(( vIiRRVv +−−=−
Phương trình cuối cùng có tên gọi là “đường tải ac” ở hình 2.21b. Do phương trình liên qua chỉ
với các đại lượng biến thiên theo thời gian nên không biết điểm cắt trục tọa độ. Tuy nhiên,
đường tải ac cần phải đi qua điểm – Q, vì tại các thời điểm khi phần tín hiệu vào biến thiên theo
thời gian đi qua điểm 0, hai trạng thái làm việc (dc và ac) cần phải đồng nhấ
t. Vậy đường tải ac
xác định được là duy nhất.
Ví dụ 2.2: Cho mạch như ở hình 2.22, và điện áp
nguồn là:
(V) 0,1sin10001,1
s
tv +=

Hãy tính mức dòng chảy qua diode i
D
. Biết rằng, nV
T

= 40mV; V

γ
= 0,7V.
Lặp lại phép tính bằng cách sử dụng chương trình mô
phỏng trên máy tính.
Giải: Áp dụng KVL để có phương trình dc, ta có:
LDγS
RIVV += , suy ra: mA4
L
γS
D
=
−
=
R
VV
I

Mức dòng này sẽ thiết lập điểm làm việc của diode. Ta
cần phải xác định điện trở động (sử dụng ký hiệu R
f
thay cho r
d
do bỏ qua điện trở tiếp xúc giữa
bán dẫn và điện cực kim loại), để có thể xác lập điện trở của tiếp giáp được phân cực thuận đối
với tín hiệu ac, ta có:
0Ω1
D
T
f
==

I
nV
R

Lúc này ta có thể thay thế diode bằng một điện trở 10
Ω với điều kiện là diode sẽ duy trì phân
cực thuận trong chu kỳ vào của tín hiệu
ac. Áp dụng trở lại KVL, ta có:
dLdfs
iRiRv += ; mA 1000 ,91sin0
Lf
S
d
t
RR
v
i =
+
=
Dòng chảy qua diode sẽ là:
()
mA 00,91sin1004
D
ti
+
= .
Vì
i
D
luôn luôn dương, diode sẽ luôn luôn được phân cực thuận.

Nếu biên độ của dòng
ac trở nên lớn hơn so với giá trị dc của dòng i
D
, thì i
D
sẽ không phải luôn
luôn dương, và giả thiết là diode được phân cực thuận là không chính xác. Do vậy, lời giải cần
phải được sửa đổi, trong đó khi biên độ dòng
ac theo chiều âm trở nên lớn hơn so với giá trị dc,
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
34
thì diode sẽ trở nên bị phân cực ngược và dòng sẽ ngưng.
g) Khả năng xử lý công suất
Các diode được đánh giá tùy theo khả năng xử lý công suất. Các thông số được quy định theo
cấu trúc vật lý của diode (tức là, kích thước của tiếp giáp, kiểu vỏ, và kích thước của diode). Các
chỉ tiêu kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp, dùng để xác định khả năng về công suất của diode
trong khoảng nhiệt độ cho trước. Một số diode như các diode công suất đánh giá theo khả năng
tải dòng của diode.
Mức công suấ
t tức thời tiêu tán bởi diode xác định bằng biểu thức ở phương trình (2.56),
DDD
ivp
=
(2.56)
Khi các diode dẫn dòng tương đối lớn, thì diode cần phải được lắp đặt sao cho nhiệt tạo ra trong
diode có thể tiêu tán ra khỏi diode. Để tiêu tán nhiệt năng phát ra từ bên trong diode, thì phải lắp
cánh tản nhiệt cho các diode.
h ) Điện dung của diode
Mạch tương đương của diode gồm có một tụ nhỏ. Điện dung của tụ tùy thuộc vào biên độ và cực

tính của điện áp đặt vào diode cũng như các đặc tính của tiếp giáp hình thành trong suốt quá
trình chế tạo.
Trong mô hình đơn giản của tiếp giáp diode thể hiện ở hình 2.23, vùng tại tiếp giáp đã được rút
hết cả điện tử và lỗ trống. Ở phía
p của tiếp giáp có nồng độ lỗ trống cao, còn ở phía n có nồng
độ điện tử cao. Sự khuyếch tán của các điện tử và lỗ trống xảy ra lân cận tiếp giáp tạo ra
dòng
khuyếch tán
ban đầu. Khi các lỗ trống khuyếch tán qua tiếp giáp vào vùng n, các lỗ trống nhanh
chóng kết hợp với các điện tử đa số có trong vùng
n và triệt tiêu. Tương tự như vậy, các điện tử
khuyếch tán ngang qua tiếp giáp, tái hợp và biến mất, tức là tạo ra
vùng nghèo (còn gọi là vùng
điện tích không gian
) lân cận tiếp giáp, vì rất ít các điện tử và lỗ trống. Khi đặt điện áp phân cực
ngược ngang qua tiếp giáp, vùng nghèo sẽ mở rộng, tức là làm tăng kích thước của vùng nghèo.
Vùng nghèo đóng vai trò như vùng cách điện, do đó diode phân cực ngược hoạt động giống như
một tụ điện có điện dung thay đổi nghịch đảo với căn bậc hai của mức sụt áp ngang vật liệ
u bán
dẫn.
Điện dung tương đương của các diode tần số cao nhỏ hơn 5pF, và có thể trở thành điện dung lớn
khoảng 500pF ở các diode dòng lớn (tần số thấp). Các thông số của nhà sản xuất cần phải được
lưu ý để xác định mức điện dung cho trước theo điều kiện làm việc đã cho.
2.5 MẠCH NGUỒN CHỈNH LƯU
Ứng dụng cơ bản trước tiên của diode là chỉnh lưu. Chỉnh lưu (hay nắn) là quá trình chuyển tín
hiệu xoay chiều (
ac) thành một chiều (dc). Chỉnh lưu được phân loại thành chỉnh lưu bán kỳ
hoặc
chỉnh lưu toàn kỳ.
a) Chỉnh lưu bán kỳ

Do một diode lý tưởng có thể duy trì dòng điện chảy chỉ theo một chiều, nên diode có thể dùng
để chuyển đổi tín hiệu
ac thành tín hiệu dc.
Hình 2.24, là mạch
chỉnh lưu bán kỳ đơn giản. Khi điện áp vào dương, diode được phân cực
thuận nên có thể được thay bằng một ngắn mạch (giả sử diode là lý tưởng). Khi điện áp vào âm,
diode được phân cực ngược nên có thể thay bằng một mạch hở. Vậy, khi diode được phân cực
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
35
thuận, điện áp ra trên điện trở tải có thể xác định từ quan hệ mạch phân áp. Mặt khác, ở trạng
thái phân cực ngược, dòng điện bằng 0 nên điện áp ra cũng bằng 0.
Hình 2.24, thể hiện ví dụ của dạng sóng ra khi cho dạng sóng vào sin có biên độ khoảng 100V,
R
s
= 10Ω, và R
L
= 90Ω.
Mức
điện áp trung bình của hàm tuần hoàn được tính theo tích phân của hàm số trong một chu
kỳ của hàm tuần hoàn, tức là bằng số hạng thứ nhất trong khai triển chuổi Fourier của hàm số.
Lưu ý rằng, khi tín hiệu vào sin có trị trung bình bằng 0, thì dạng sóng ra có trị trung bình là,
∫
==
/2
0
oavg
π
902
90sin

1
T
dt
T
t
T
V
π

Mạch chỉnh lưu bán kỳ có thể dùng để tạo ra tín hiệu ra
dc gần như không đổi nếu dạng sóng ra
ở hình 2.24, được lọc (xem mục 2.5c). Lưu ý mạch chỉnh lưu bán kỳ có hiệu suất rất thấp. Trong
suốt nữa bán kỳ của mỗi chu kỳ tín hiệu vào bị cắt bỏ hoàn toàn khỏi tín hiệu ra. Nếu có thể
truyền năng lượng vào đến đầu ra trong suốt bán kỳ đó cần phải tăng mức công suất ra.
b) Chỉnh lưu toàn kỳ
Mạch chỉnh lưu toàn kỳ sẽ chuyển đổi năng lượng vào đến đầu ra trong cả hai bán kỳ của tín
hiệu vào và sẽ làm cho mức dòng trung bình tăng lên trong một chu kỳ. Có thể sử dụng biến áp
trong mạch chỉnh lưu bán kỳ để có được cả hai cực tính âm và dương. Mạch tương đương và
dạng sóng ra như ở hình 2.25. Mạch chỉnh lưu bán kỳ sẽ tạo ra mức dòng trung bình gấp đôi
mức dòng trung bình của mạch chỉnh l
ưu bán kỳ (tự kiểm chứng phát biểu này).
Chỉnh lưu toàn kỳ có thể không sử dụng biến áp, chẳng hạn như mạch
chỉnh lưu cầu ở hình
2.26, cũng thực hiện việc chỉnh lưu toàn kỳ.
Khi điện áp nguồn có bán kỳ dương, các diode 1 và 4 sẽ dẫn còn các diode 2 và 3 là hở mạch.
Khi điện áp nguồn chuyển sang bán kỳ âm, xảy ra trạng thái ngược lại nên các diode 2 và 3 dẫn,
như chỉ rõ ở hình 2.26b. Xét mạch ở hình 2.26a, sẽ cho thấy có thể ngắn mạch thực tế của mạch
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
36

chỉnh lưu cầu, nếu một đầu của nguồn được nối đất, cả hai đầu cực của điện trở tải có thể được
nối đất, sẽ tạo ra
vòng đất, làm ngắn mạch hiệu dụng một trong các diode. Do đó, cần phải bổ
sung một biến áp cho mạch để cách ly hai mức đất tách biệt nhau. Trong trường hợp này biến áp
không cần phải có điểm giữa như biến áp của mạch chỉnh lưu toàn kỳ ở hình 2.25. Cũng lưu ý
rằng, do có hai diode dẫn nối tiếp, sụt áp của diode là 2
V
γ
.
c) Mạch lọc
Các mạch chỉnh lưu sẽ cho điện áp dc dạng xung (đập mạch) ở đầu ra. Các xung ra gọi là gợn
sóng
ra, độ gợn có thể giảm đáng kể bằng cách lọc tín hiệu ra của mạch chỉnh lưu.
Kiểu lọc thông dụng nhất là sử dụng tụ điện một chiều. Hình 2.27a, là mạch chỉnh lưu toàn kỳ
có thêm một tụ mắc song song với điện trở tải. Dạng sóng của điện áp ra đã bị thay đổi như ở
hình 2.28.
Trong ứng dụng thực t
ế, các diode cần phải mắc ngược lại và đặt gần với mức thế đất như mạch
ở hình 2.27b, tức là tạo cho anode có thế đất, nên các diode có thể được gắn với tấm nối đất,
bằng cách đó cho phép tiêu tán nhiệt năng đối với các mạch chỉnh lưu công suất lớn.
Tụ điện sẽ nạp đến mức điện áp cao nhất (
V
max
) khi các mức đỉnh của tín hiệu vào tại giá trị âm
và dương nhất. Khi điện áp vào giảm thấp hơn giá trị đỉnh, tụ điện không thể xã qua cả hai
diode. Do vậy, tụ xã qua
R
L
, tức là xuất hiện sự suy giảm theo hàm mũ cho bởi phương trình:
CRt

τt
VVtv
L
/
max
/
max
ee)(
−
−
==
(2.57)
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
37
Việc thiết kế mạch lọc bao gồm chọn trị số cho tụ C. Chẳng hạn, cho tín hiệu vào là sóng sin có
biên độ 311V và mức điện áp ra thấp nhất có thể nhận ở mạch ứng dụng cho trước là 300V, suy
ra:
CR'T
L
/
e311300
−
=
trong đó,
T’ là khoảng thời gian xã như đã chỉ ở hình 2.28. Ta có thể tính C theo T’ và R
L
như
sau:
CR'T

L
/
e311300
−
=
hay:
CR
T'
L
ln1,037 = , và suy ra:
L
2828
R
T'
,C
=
Công thức này khó dùng để thiết kế mạch lọc, vì
T’ phụ thuộc vào hằng số thời gian R
L
C, do đó
C chưa biết. Lấy gần đúng khi để ý là: T’ < T . Đối với tín hiệu vào có tần số 50Hz, thì tần số cơ
bản của tín hiệu ra là 100Hz. Do vậy,
ms 10
100
11
===
f
T

Ta có thể tính trị số của tụ lọc cần cho một tải cụ thể bằng cách sử dụng đường thẳng gần đúng

như thể hiện ở hình 2.29. Tính
C theo đường thẳng gần đúng.
Độ dốc thứ nhất của hàm mũ ở phương trình (2.57) là:
CR
V-
m
L
max
1
=
đó là độ dốc của đường thẳng
A ở hình vẽ. Độ dốc của đường thẳng B ở hình 2.29, là:
2
max
2
/T
V
m =
Suy ra:
max
L
1
1
∆∆-
V
VCR
m
V
t ==
Sử dụng các tam giác đồng dạng, ta có:

max
min
21
222 V
VTT
t
T
t +=+=
và:
2
)/∆(2∆
max
max
L
1
VVT
V
VCR
t
−
==
thay T = 1/f
P
, trong đó f
P
số lượng xung trong một giây (gấp hai lần tần số ban đầu), ta có:
⎟
⎟
⎠
⎞

⎜
⎜
⎝
⎛
−=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−=
maxPmaxPmax
L
2
∆
1
1∆
2
2
1∆
V
V
fV
V
fV
V
CR

(2.58)
Trong phần lớn các thiết kế mạch lọc, đều đòi hỏi độ gợn cần phải nhỏ hơn nhiều so với biên độ
dc, nên:
1
2
∆
max
<<
V
V

Và phương trình (2.58) sẽ trở thành:
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
38
LP
max
∆ RfV
V
C = (2.59)
Công thức (2.59) là kết quả tính của bài toán thiết kế chỉ đúng nếu đường thẳng không thấp hơn
V
min
, đặc tuyến theo hàm mũ sẽ vẫn giữ trên giá trị V
min
.
Sử dụng phương trình (2.59) để tính tụ cho ví dụ đã cho ở trên, với giả thiết tín hiệu vào là sóng
sin 50Hz, biên độ 311V và để có điện áp ra có thể nhận được thấp nhất là 300V, vậy ta có V
max
=

311V, ∆V = 11V, và tần số của tín hiệu ra ở mạch nắn toàn kỳ là f
P
= 100Hz, đối với mạch nắn
bán kỳ f
P
= 50Hz,
Vậy, từ phương trình (2.59),
(
)
1
LLLP
max
Ωs
0,283
100Hz11V
11V3
∆
−
⋅=
××
==
RRRfV
V
C .
Mức gợn sóng không tuân theo dạng tiêu chuẩn bất kỳ nào (ví dụ như dạng sin hoặc răng cưa),
nên cần phải có một số cách đặc trưng riêng về độ lớn của dạng sóng. Điện áp gợn V
r
(rms) sẽ
được tính theo:
32

(rms)
minmax
r
VV
V
−
= (2.60)
Lưu ý rằng, sử dụng
3 ở mẫu số đúng hơn so với 2 vì với chỉ số 2 dùng để tính trị số hiệu
dụng của sóng sin bằng biên độ chia cho
2
. Đối với sóng tam giác, trị số hiệu dụng bằng biên
độ chia cho
3. Các chỉ số đó sẽ được kiểm chứng bằng cách lấy căn bậc hai của trị số trung
bình bình phương của dạng sóng trong một chu kỳ. Dạng sóng của gợn gần với dạng sóng răng
cưa hơn so với sóng sin. Trị số trung bình của điện áp gợn được cho là điểm giữa của dạng sóng
(xấp xỉ). Hệ số gợn sẽ đượ
c định nghĩa là:
dc
r
(rms)
V
V
gon soHe =
d) Mạch nhân đôi điện áp
Hình 2.30, là mạch tạo ra mức điện áp bằng khoảng hai lần mức điện áp ra đỉnh lớn nhất (khi
không tải), gọi là mạch nhân đôi điện áp. Lưu ý rằng mạch giống như mạch chỉnh lưu cầu toàn
kỳ ở hình 2.26a, nếu không có hai diode đã được thay bằng hai tụ. Khi điện áp vào có cực tính
như hình vẽ, sẽ có hai thành phần dòng
chảy qua diode D

1
. Một dòng thành phần
chảy qua C
2
nên tụ sẽ nạp lên mức V
max
.
Một dòng thành phần khác thông qua điện
trở tải và C
1
. Nếu C
1
đã được nạp lên mức
V
max
trong chu kỳ trước, thì tụ sẽ có mức
nguồn điện áp hiệu dụng khác V
max
mắc
nối tiếp với điện áp ra của biến áp, nên tải
sẽ có mức điện áp là gấp hai lần mức điện
áp lớn nhất. Các tụ cũng có vai trò làm
giảm mức điện áp gợn tại đầu ra.
2.6 DIODE ỔN ÁP (ZENER)
Diode zener là cấu kiện bán dẫn được thực hiện pha tạp để tạo thành đặc tuyến điện áp đánh
thủng hay điện áp thác lũ rất dốc. Nếu điện áp ngược vượt quá điện áp đánh thủng, thường diode
không bị phá hũy với điều kiện dòng chảy qua diode không được vượt quá giá trị lớn nhất đã
được quy định trước và diode không bị quá nhiệ
t.
Khi hạt tải điện tạo ra do nhiệt (thành phần dòng ngược bảo hòa) làm giảm được rào thế tiếp

giáp (xem mục 2.2) và nhận năng lượng do điện thế ngoài đặt vào, hạt tải điện sẽ va chạm với
các ion trong mạng tinh thể và truyền mức năng lượng đáng kể để phá vỡ mối liên kết đồng hóa
trị. Ngoài hạt tải điện ban đầu, các cặp h
ạt tải điện điện tử - lỗ trống cũng được tạo ra. Cặp hạt
tải mới có thể nhận mức năng lượng lớn từ điện trường đặt vào để va chạm với ion tinh thể khác
và tạo ra ngay cặp điện tử - lỗ trống khác. Tác động liên tục như vậy sẽ bẻ gãy các mối liên kết
đồng hóa trị, nên gọi là quá trình đ
ánh thủng thác lũ.
Có hai cơ chế phá vỡ các mối liên kết đồng hòa trị. Sử dụng điện trường mạnh tại tiếp giáp có
CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ
BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN
39
thể trực tiếp làm cho mối liên kết bị gãy. Nếu điện trường đặt vào một lực lớn vào điện tử trong
mối liên kết, thì điện tử có thể bị bứt khỏi mối liên kết đồng hóa trị, nên tạo ra một số lượng cặp
điện tử - lỗ trống hợp thành theo cấp số nhân. Cơ chế đánh thủng như vậy đượ
c gọi là đánh
thủng zener. Trị số điện áp đánh thủng zener được điều chỉnh bằng lượng pha tạp của diode.
Diode được pha tạp đậm đặc sẽ có điện áp đánh thủng zener thấp, ngược lại diode được pha tạp
loãng có điện áp đánh thủng zener cao.
Mặc dù như mô tả ở trên có hai cơ chế đánh thủng, nhưng thông thường có giao thoa. Tại các
mức
điện áp cao hơn khoảng 10V, chủ yếu là cơ chế đánh thủng thác. Do hiệu ứng zener (thác
lũ) xảy ra tại điểm có thể xác định trước, nên diode có thể sử dụng như một bộ chuẩn điện áp.
Mức điện áp ngược mà tại đó xuất hiện đánh thủng thác lũ được gọi là mức điện áp zener.
Đặc tuyến của diode zener đ
iển hình thể hiện ở hình 2.31. Ký hiệu mạch của diode zener khác
với ký hiệu mạch của diode thông thường, và được thể hiện trong cùng hình vẽ.
Mức dòng ngược lớn nhất, I
Zmax
mà diode zener có thể chịu được tùy thuộc vào cách chế tạo và

cấu trúc của diode. Giả sử rằng, mức dòng zener nhỏ nhất mà tại đó đặc tuyến vẫn giữ tại V
Z
(gần điểm khuỷu của đặc tuyến) là 0,1I
Zmax
. Mức công suất của diode zener có thể chịu đựng
(V
Z
I
Zmax
) là một yếu tố giới hạn trong việc thiết kế nguồn cung cấp.
a) Mạch ổn định bằng diode zener
Diode zener có thể sử dụng làm bộ ổn định điện áp như mạch ở hình 2.32. Mạch cho thấy sự
thay đổi dòng tải tương ứng với sự thay đổi của điện trở tải. Mạch được thiết kế để diode làm
việc ở vùng đánh thủng, nên gần như một nguồn điện áp lý tưởng. Trong các ứng dụng thực tế,
điện áp nguồ
n v
S
thay đổi và dòng tải cũng thay đổi. Nhiệm vụ thiết kế là chọn trị số của R
i
để
cho phép diode duy trì mức điện áp ra gần như không đổi, ngay cả khi điện áp nguồn vào thay
đổi, cũng như dòng tải thay đổi.
Thực hiện phân tích mạch hình 2.36, để xác định đúng trị số của R
i
. Phương trình nút của mạch