bài giảng chương diode bán dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
1
1
CHƯƠNG 2
Diode bán dẫn
Bùi Minh Thành
Bộ môn Kỹ thuật Điện tử - ĐHBK Tp. HCM
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Tài liệu tham khảo
[1] Theodore F.Bogart, JR, Electronic devices and
Circuits,2nd Ed. , Macmillan 1991
[2] Lê Phi Yn, Nguyn Như Anh, Lưu Ph, K thut
đin t, NXB Khoa hc k thut
[3] Allan R. Hambley, Electrical Engineering:
Principles and Applications, Prentice Hall,4 edition
(2007)
[4] Slide bài giảng môn K thut đin t cô Lê Thị Kim
Anh
2
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1) Diode chỉnh lưu
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
1.2) Các tham số
1.3) Phân tích mạch DC chứa diode
1.4) Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng
2) Diode zener

2.1) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
2.2) Các tham số
2.3) Các ứng dụng
3
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1) Diode chỉnh lưu
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
Diode là một chuyển tiếp PN được đặt vào trong vỏ
linh kiện và được kết nối với bên ngoài thông qua
các chân linh kiện
4
Một s hnh dng ca cc loi diode
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
5
Chuyển tiếp PN
0
2
.
ln( )
AD
i
NN
kT
VV
qn


E
tx

P-type N-type
vùng nghèo
Chiều khuếch tán lỗ
trống
Chiều trôi lỗ trống
Chiều khuếch tán điện
tử
Chiều trôi điện tử
Điện thế hàng rào
V
0
hay Vy: Điện thế hàng rào
K: Hằng số Boltzeman = 1.38x10
-23
J/K
T: Nhiệt độ K
q: Điện tích đơn vị = 1.6x10
-19
C
N
A
: Nồng độ tạp chất acceptor trong bán dẫn loại P
N
D
: Nồng độ tạp chất donor trong bán dẫn loại N:
n
i
: mật độ hạt dẫn trong bán dẫn thuần
- +
Vy

Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
6
Chiều khuếch tán lỗ
trống
Chiều trôi lỗ trống
Chiều khuếch tán điện
tử
Chiều trôi điện tử
Chiều khuếch tán lỗ
trống
Chiều trôi lỗ trống
Chiều khuếch tán điện
tử
Chiều trôi điện tử
Phân cực
thuận
Phân cực
ngược
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
7
Biểu thức diode
/
( 1)
T
V mV
s
I I e
Trong đó:

I: dòng qua chuyển tiếp (mA)
V: Điện áp trên chuyển tiếp (dương khi phân cực thuận) (V)
Is: Dòng bão hòa ngược (mA)
m: Hệ số phát, phụ thuộc vào loại vật liệu
V
T
: Điện thế nhiệt (V)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
8
1 ( )
s
n
BR
I
I
V
V


Biên độ dòng ngược khi V
xấp xĩ V
BR
(điện thế đánh
thủng) có thể được tính
theo biểu thức:
n: Hằng số xác định từ thực
nghiệm
Đặc tuyến
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK

1.2) Các thông số
a) Điện trở 1 chiều (điện trở đối với dòng 1 chiều)
- Phân cực thuận:
9
th
th
th
V
R
I

Có giá trị rất bé từ vài
Ohm đến vài chục Ohm
- Phân cực ngược:
ng
ng
ng
V
R
I

Có giá trị rất lớn (Hàng trăm K)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.2) Các thông số
b) Điện trở xoay chiều (điện trở vi phân)
10
Được xem xét khi ta quan tâm đến sự
thay đổi nhỏ của điện áp ∆V mà dẫn đến
sự thay đổi của dòng điện ∆I.
Sự thay đổi của ∆V và ∆I phải đủ nhỏ để

đảm bảo bảo đoạn làm việc có độ dốc
không thay đổi nhiều, lúc này có thể xem
diode như là một linh kiện tuyến tính
d
dV V
r
dI I



Với
/
( 1)
T
V mV
s
I I e
Q
=>
T
d
D
mV
r
I

Tuyến tính hoá
Q
Ở nhiệt độ phòng 25
oC

,
V
T
= 26mV
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.2) Các thông số
c) Điện dung
11
Điện dung chuyển tiếp P-N
C
o
= C
h.rào
+ C
k.tán
Điện dung hàng rào C
h.rào
- Hình thành do hai miền điện
tích khác dấu nằm đối diện nhau
- Điện áp ngược tăng thì C
h.rào
giảm
o
h.rào
o
S V
C = (2.51)
l V V
  


Điện dung khuếch tán C
k.tán
- Hình thành do hiện tượng phun
hạt dẫn giữa miền P và miền N
khi phân cực thuận.
- Với tín hiệu tần số thấp, ảnh hưởng C
o
có
thể bỏ qua
- Với tín hiệu tầng số cao, C
o
ảnh hưởng làm
giảm trở kháng theo chiều nghịch ở tần số cao,
làm chậm tốc độ đóng mở của diode.
Anode
Rth
rd
C
o
Vγ
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.3) Phân tích mạch DC chứa diode
12
Trong thực tế, để dễ dàng trong việc phân tích mạch đặc tuyến của diode
được xem như thẳng đứng
Vy = 0.7V đối với diode Silicon
Vy = 0.3V đối với diode
Germanium
E
V

D
I
D
Vo
I
D
= (E – Vy)/R
V
o
= I
D
xR
Có thể xem diode hở mạch trong
trường hợp E < Vy và ngắn mạch trong
trường hợp ngược lại => hoạt động
như một khoá đóng ngắt
V
I
Vy
Diode dẫn
Diode tắt
O
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.4) Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
13
Nói chung linh kiện điện tử có thể hoạt động ở hai chế độ: tính hiệu nhỏ và tín
hiệu lớn.
- Chế độ tín hiệu nhỏ: là chế độ trong đó dòng và áp của linh kiện thay đổi
trong một đoạn đủ nhỏ của đặc tuyến để có thể xem như là tuyến tính
- Chế độ tín hiệu lớn: là chế độ trong đó dòng và áp của linh kiện thay đổi trên

toàn bộ đường cong đặc tuyến của linh kiện.
wt
v
I
(t)
E
E + A
E - A
O
Xét mạch sau: A << E
vi
D
E
R
V
I
(t)
v
i
= Asin(wt)
i
D
(t)
v
D
(t)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.4) Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
14
Quy ước:

- i
D
(t), v
D
(t): giá trị dòng điện và điện áp tức thời qua
diode
- I
D
, V
D
: giá trị dòng điện và điện áp DC qua diode
- i
d
(t), v
d
(t): giá trị dòng điện và điện áp xoay chiều (ac)
qua diode
i
D
(t) = I
D
+ i
d
(t)
v
D
(t) = V
D
+ v
d

(t)
- Xét DC: (ngắn mạch ac)
I
D
= (E – Vy)/R
V
D
= Vy
vi
D
E
R
V(t)
Vi = Asin(wt)
i
D
(t)
v
D
(t)
- Xét ac: (ngắn mạch DC, thay diode bằng
điện trở có giá trị là r
d
)
r
d
= mV
T
/I
D

i
d
= Asin(wt)/(R + rd)
v
d
= i
d
xr
d
= Asin(wt)xr
d
/(R + r
d
)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.4) Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
15
vi
D
E
R
V(t)
Vi = Asin(wt)
i
D
(t)
v
D
(t)
Xếp chồng:

i
D
(t) = I
D
+ i
d
(t)
= (E – Vy)/R + Asin(wt)/(R + r
d
)
v
D
(t) = V
D
+ v
d
(t)
= Vy + Asin(wt)x r
d
/(R + r
d
)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng
16
- Mạch chỉnh lưu dùng diode (bán
kỳ)
(d)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng

17
- Mạch chỉnh lưu dùng diode (2 bán kỳ):
(d)
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng
18
- Mạch chỉnh lưu dùng diode (2 bán kỳ):dùng cầu chỉnh lưu (bridge
rectifier):
R
L
V
O
V
O
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng
19
- Mạch nguồn dùng diode:
- Mạch nguồn dùng IC ổn áp 7805:
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
Nội dung
1) Diode chỉnh lưu
1.1) Cấu tao và nguyên tắc hoạt động
1.2) Các tham số
1.3) Phân tích mạch DC chứa diode
1.4) Phân tích mạch tín hiệu nhỏ
1.5) Phân tích mạch tín hiệu lớn và ứng dụng
2) Diode zener
2.1) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
2.2) Các tham số

2.3) Các ứng dụng
20
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
2) Diode Zener
2.1) Cấu tạo và đặc tuyến
21
- Vẫn là chuyển tiếp PN, nhưng được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và
tỏa nhiệt tốt.
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
2) Diode Zener
2.1) Cấu tạo và đặc tuyến
22
Trong vùng phân cực
thuận, Zener hoạt động
như diode thường, điện áp
rơi trên diode là Vy khi
diode dẫn.
Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
2.1) Cấu tạo và đặc tuyến
23
Trong vùng phân cực ngược, zener
có dòng ngược nhỏ khi áp ngược <
áp đánh thủng (breakdown)
Tại điểm áp ngược = áp breakdown,
dòng ngược bắt đầu tăng nhanh,
dòng Iz, và áp ngược rơi trên diode
thay đổi không đáng kể, áp Vz
+
Vz
_

Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
2.2) Các tham số
24
/
/
t
ZZ
Z Z d
R
dI I
S
dV V r

- Công suất max Pzmax
- Điện áp ổn định Vz.
- Điện trở tương đương: r
d
= dV
Z
/ dI
Z
- Điện trở tĩnh: Rt = V
Z
/ I
Z
- Hệ số ổn định:
V
R
I
R

Bộ môn Kỹ Thuật Điện Tử - ĐHBK
2.3) Các ứng dụng: dùng trong mạch ổn áp
25
a) Nguồn ổn định tải thay đổi
DC Z
S
S
VV
I
R


I
S
Để áp ngõ ra ở tải ổn định ở V
Z
thì I
Zmin
< I
Z
< I
Zmax
L S Z
I I I
min max
DC Z
LZ
S
VV
II

R


max min
DC Z
LZ
S
VV
II
R


min
max
Z
L
L
V
R
I

max
min
Z
L
L
V
R
I


Ta có
mà
=>
=>
Vậy khi tải R
L
thay đổi trong khoảng (R
Lmin
– R
Lmax
) thì áp trên nó vẩn ổn định
ỏ V
Z