bài giảng diode bán dẫn

Diode Bán dẫn
Cấu tạo và đặc tuyến
Các tham số và mô hình tương đương
Các mạch chỉnh lưu dùng Diode
1
Diode Bán dẫn
Diode bán dẫn là linh kiện 2 cực, cấu tạo cơ bản
dựa trên chuyển tiếp p-n
Cấu tạo và đặc tuyến
2
P
-
type
N
-
type
vùng nghèo
Diode Bán dẫn
Cấu tạo và đặc tuyến
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
Chiều khuếch tán lỗ trống
Chiều trôi lỗ trống
Chiều khuếch tán điện tử
Chiều trôi điện tử

E
tx
P
-
type
N
-
type
vùng nghèo
3
Vùng
Vùng
phân
Vùng
đánh
Diode Bán dẫn
Cấu tạo và đặc tuyến
Vùng
phân
cực
thuận
phân
cực
ngược
Đặc tuyến diode
bán dẫn
thủng
4
I
D

Điện trở 1 chiều:
Rth = Vth / Ith phân cực thuận
Rng = Vng / Ing phân cực thuận
Diode Bán dẫn
Các tham số và mô hình tương đương
Vγ
Vγ =
=>
Vγ <<
V
D
I
D
Diode lý tưởng
Rth <<Rng >>
5
Diode Bán dẫn
Các tham số và mô hình tương đương
Điểm phân cực
Q
Độ dốc
1
rd
Điện trở xoay chiều:
rd = dV / dI
V = ϕ
T
ln((I+Is)/Is)
=> rd = ϕ
T

/ I
(ở 300°K ϕ
T
=25mV)
Q
6
Tuyến tính hóa đường cong
I
D
= I
S
[exp(V
D
/
ϕ
T
)
-
1]
1
rd
Diode Bán dẫn
Các tham số và mô hình tương đương
Độ dốc
Vγ
Vγ
I
D
= I
S

[exp(V
D
/
ϕ
T
)
-
1]
=> I
D
= V
D
7
Điện dung chuyển tiếp P-N
C
o
= C
h.rào
+ C
k.tán
- Với tín hiệu tầng số thấp, ảnh hưởng C
o
có
thể bỏ qua
-
Với
tín
hiệu
tầng
số

cao,
C
o
ảnh
hưởng
làm
Anode Catode
Rth
rd
V
γ
Diode Bán dẫn
Các tham số và mô hình tương đương
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
ε ε γ
γ −
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
tầng
số
cao,
C
o
ảnh
hưởng
làm
giảm trở kháng theo chiều nghịch ở tầng số cao,
làm chậm tốc độ đóng mở của diode.
Rth
C
o
V
γ
8
2.2 Các tham số của diode bán dẫn
1. Điện trở một chiều (điện trở tĩnh):
- Theo chiều thuận:
(Có giá trị từ vài
Ω
đến vài chục
Ω

)
- Theo chiều ngược:
(Có giá trị rất lớn, hàng trăm K
Ω
)
th
th
th
I
V
R =
ng
ng
ng
I
V
R =
2. Điện trở xoay chiều :
dI
dV
r
d
=
- Khi diode làm việc trên điểm gián đoạn:
)(r
I
V
r
B
T

D
Ω+=
- Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua r
B
.
)(r
I
026.0
r
BD
Ω+=
- Ở nhiệt độ phòng:
9
2.2 Các tham số của diode bán dẫn
3. Điện dung tương đương:
C
0
= C
hàng rào
+ C
khuếch tán
4. Một vài tham số giới hạn khác:
- Điện áp ngược cực đại cho phép V
ngược max
.
-
Dò
ng
đi
ệ

n
thu
ậ
n
c
ự
c
đ
ạ
i
cho
phé
p
I
max
.
-
Dò
ng
đi
ệ
n
thu
ậ
n
c
ự
c
đ
ạ

i
cho
phé
p
I
max
.
- Công suất tiêu hao cực đại cho phép P
max
.
- Tần số cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều F
max
.
10
2.3 Phân tích mạch DC chứa diode
Giả sử là diode silicon được phân cực thuận sao cho có đủ dòng điện
để điểm làm việc nằm trên điểm gián đoạn:
E = I.R + 0.7 (V) (V = 0.7 điện áp dẫn của diode Vγ
γγ
γ)
⇒ I = (E – 0.7)/R (A)
11
2.4 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
Tín hiệu nhỏ được xem là đoạn làm việc của diode trên đặc tuyến đủ nhỏ
để có thể xem là tuyến tính.
Áp dụng nguyên lý xếp chồng cho mạch tuyến tính:
( )
0.7
sin
D

E A
i t I i t
R R r
ω
−
= + = +
+
tsinAE)t(v
ω
ωω
ω
+
=
( )
sin
0 .7
D
D
D
r A t
v
R r
ω
= +
+
12
2.4 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
- Đối với nguồn DC:
I = (E – 0.7) / R (A)
- Đối với nguồn AC:

)(
I
026.0
r
D
Ω=
t
sin
A
e
i
ω
ωω
ω
=
=
t
sin
rR
A
rR
e
i
DD
ω
ωω
ω
+
=
+

=
( )
0.7
sin
D
E A
i t I i t
R R r
ω
−
= + = +
+
( )
s i n
0 . 7
D
D
D
r A t
v
R r
ω
= +
+
- Tổng hợp:
13
2.5 Đường tải
Phân tích tín hiệu nhỏ có thể sử dụng pp đồ thị: đường tải DC biểu diễn
mối quan hệ của I,V trên diode khi có phân cực của điện áp DC.
14

2.5 Đường tải
- 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.
15
2.5 Đường tải
16
2.6 Phân tích tín hiệu lớn cho diode
- 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).
- Một công tắc lý tưởng có điện trở bằng không khi đóng và điện trở là vô
cùng khi mở.
- 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.
17
2.7 Chỉnh lưu
- 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.
18
Ví dụ
Cho mạch điện như hình vẽ, diode Ge có Vγ= 0.2V, nội trở r
D
không đáng
kể. Tải R
L
= 9Ω, nguồn tín hiệu vào có r
i

= 1Ω.
1. Biết điện áp vào có dạng xung vuông hoặc hình sin, biên độ 10V. Hãy
vẽ dạng sóng và xác định điện áp trên tải R
L
.
2. Vẫn câu hỏi 1 nhưng khi v
i
(t) là hình sin có biên độ 1V. Xác định giá trị
điện áp trên tải tại thời điểm ωt = π/2.
V
L
19
Hướng dẫn
1. - Dòng qua tải R
L
:
Li
i
L
Rr
Vv
i
+
−
=
γ
γγ
γ
- Áp rơi trên tải:
L

Li
i
L
Rx
Rr
Vv
)t(v
+
−
=
γ
γγ
γ
-

Vì
V
γ
<< v
,
nên
có
th
ể bỏ
qua
V
γ
:
)t(v9.0Rx
Rr

v
)t(v
iL
Li
i
L
=
+
=
-

Vì
V
γ
<< v
i
,
nên
có
th
ể bỏ
qua
V
γ
:
10
V
t
-10
9

vi
v
L
V
t
vi
v
L
20
Hướng dẫn
2. Khi v
i
nhỏ, không thể bỏ qua Vγ. Diode chỉ dẫn điện trong khoảng thời
gian v
i
> Vγ, tại ωt = π/2:
1V
V
γ
=
0
.
2
V
V72.09.
10
)2.0t(sin
Rx
Rr
Vv

)t(v
L
Li
i
L
=
−
=
+
−
=
ω
ωω
ω
γ
γγ
γ
v
i
V
γ
=
0
.
2
V
V
L
t
t

0.72V
21
Diode Bán dẫn
Mạch chỉnh lưu dùng Diode ( bán kỳ)
22
Diode Bán dẫn
V
γ
Mạch chỉnh lưu dùng Diode ( 2 bán kỳ)
23
2V
γ
R
L
Diode Bán dẫn
Mạch chỉnh lưu dùng Diode ( toàn kỳ)
V
VV
V
O
V
VV
V
O
24
Diode Bán dẫn
Mạch nguồn dùng Diode
25