Bài giảng mạch điện tử chương 1 diode bán dẫn

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

MẠCH ĐIỆN TỬ
Chương 1.
Diode bán dẫn

1


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Nội dung
• Diode bán dẫn thông thường
• Chỉnh lưu
• Mạch xén (clippers) và mạch ghim điện áp (Clampers)

• Diode zener

2


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Ký hiệu
• Giá trị tại điểm tĩnh Q (quiescent-point): IEQ, VCEQ

• Giá trị một chiều: IE, VCE
• Giá trị tức thời: iE, vCE

• Giá trị tức thời của thành phần thay đổi theo thời gian: ie, vce

3


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Giới thiệu
• Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất.
• Các loại diode:
• Diode chân không,
• Diode khí,
• Diode chỉnh lưu kim loại,
• Diode bán dẫn, vv…
• Các vật liệu bán dẫn thường dùng:
• Silicon (Si)
• Phổ biến nhất

• Germanium (Ge)
• Gallium Arsenide (GaAs)
• Mạch siêu cao tần, phát quang và ứng dụng tần số cao

4

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Cấu trúc nguyên tử

5


11/2/2012

Cấu trúc tinh thể

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

6


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Các mức năng lượng

7


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

8

Sự dẫn điện trong chất bán dẫn
• Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có sự thay

đổi mật độ electron (hole)
• Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường ngoài


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Phân loại bán dẫn
• “Doping”
• Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết.
• Bán dẫn loại p
• Chất đưa vào: chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III)
• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau)
• Phần tử mạng điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material
• Bán dẫn loại n
• Chất đưa vào: chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V).
• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau).
• Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material

9


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Bán dẫn loại p
• Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III)
• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

10


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Bán dẫn loại n
• Chất đưa vào: Chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V)
• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material

11


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Diode bán dẫn

• Diode bán dẫn thông thường:
• mạch chỉnh lưu và tách sóng
• Zenner diode:
• tạo điện áp chuẩn
• Schottkky diode:
• tụ điện bán dẫn thay đổi được
• dùng trong các mạch cộng hưởng
• LED (light-emitting diode): tạo ánh sáng
• Tunnel diode: bộ tạo dao động điện trở âm
• Photo diode: cảm biến ánh sáng

12


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Diode bán dẫn thông thường
• Cấu trúc và ký hiệu
• Lớp tiếp xúc pn (pn junction)

13


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Phân cực của diode

14


Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

11/2/2012

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp
•

Diode lý tưởng

_

+

iD

ri
+

vi

vD

_
• vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit)
• vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open circuit)

15


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp
Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ, tìm dòng qua diode.
a. Giả sử diode ON => VD=0 với ID>0

ID >0 (đúng với giả thiết)

b. Giả sử diode OFF => ID=0 với VD<0

10=104.ID - VD
=>VD=-10V
ID=0 (đúng với giả thiết)

16


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp
Ví dụ: Cho Diode lý tưởng, tìm V?

17

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

11/2/2012

18

Đặc tuyến Volt Ampere (VA)
• Phân cực thuận (vD>0): vD  mVT

i D  I o (e

qvD
mkT

 1)  I o (e

vD
mVT

iD  I o e

 1)

vD
mVT

• Phân cực nghịch (vD< 0): vD  mVT

iD   I o

• I0 [A]: Dòng phân cực nghịch bảo hoà (reverse saturation current)
• q = 1,6E-19 C

• k = 1,38E-23 J/ 0K: Hằng số Boltzmann
• T [0K]: Nhiệt độ tuyệt đối
• m: 1 m  2: Hằng số thực nghiệm
• VT=kT/q 25 mV, tại nhiệt độ phòng (27 0C)


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Diode thực tế và xấp xỉ

• V: điện áp ngưỡng
• Rf: điện trở thuận của diode=điện trở động rd+điện trở tiếp xúc

19


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Đặc tuyến Volt Ampere (VA)
Ví dụ:
I01=10-16 A, I02=10-14 A

Tính ID1, ID2, VD1, VD2?

20


Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

11/2/2012

Diode
• Điện trở tĩnh của diode: RD = VD/ID
• Điện trở động
vD
nVT

I (e
)
diD
 0
dvD
nVT
• Ảnh hưởng nhiệt độ

• Mạch tương đương



nVT
nVT n.25mV
rD 



I 0  iD
iD
iD

21


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Phương pháp phân tích mạch diode
• Đối với mạch tín hiệu lớn

 Xem như diode lý tưởng
 giải tích mạch
• Đối với mạch tín hiệu bé

 Xem diode như một điện trở động

22


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

23

Phân tích mạch diode
Ri

Ví dụ:
Xét mạch dùng diode (Vγ=0.7V):
Tìm ngõ ra VL với ngõ vào Vi
• Giả sử diode tắt: VL< Vγ

Vi

4

RL
1
VL  Vi
 Vi
RL  Ri 2

1.4
0

VL  0.7  Vi  1.4V

-4

• Khi Vi≥1.4V: Diode dẫn

VL  0.7V

+

1K

0.7
0
-2

D

RL 1K
VL
_

Vi

t

VL
t


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Chỉnh lưu
• Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi tín hiệu xoay

chiều (ac) thành tín hiệu một chiều (dc)

• Có 2 loại chỉnh lưu:
• Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification)
• Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification)
•

Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến diode lý tưởng.

24


Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

11/2/2012

25

Chỉnh lưu bán kỳ
•

Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification)
ri

+
1

vD

_

iD

Ideal diode

+
RL

vi = Vimcos(ot)

9

Nguoàn (Source)

• Định luật Kirchhoff về điện áp (KVL): iD 

• vi > 0: vD = 0 (Diode ngắn mạch)

vi
ri  RL

vL
_

Taûi (Load)

vi  vD
ri  RL

vi RL
v L  RL i D 
ri  RL

• vi < 0: Diode hở mạch: iD  0 , vL  RL iD  0
iD 