Bài giảng kỹ thuật điện chương 1 chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng

Chương 1: CHẤT BÁN DẪNĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE và
CÁC MẠCH ỨNG DỤNG
1.1 Chất bán dẫn
1.2 Đại cương về Diode
1.3 Các mạch ứng dụng của Diode
1.4 Bài tập

1


Mục tiêu chương 1:
• Biết nguyên lý của chất bán dẫn
• Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp
phân cực thuận, nghịch cho diode.
• Nắm được nguyên tắc hoạt động các mạch ứng dụng của diode :
Mạch chỉnh lưu, Mạch xén, Mạch kẹp, Mạch cổng logic, Mạch
ổn áp dùng Zener.
• Áp dụng kiến thức đã học giải tích mạch diode.

2


1.1 Chất bán dẫn
Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn
điện và chất cách điện: Cách điện ở nhiệt độ thấp (0°K) và dẫn
điện ở nhiệt độ phòng.

3


1.1 Chất bán dẫn

• Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị.
Chất bán dẫn không dẫn điện.
• Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, một số điện tử nhận được
năng lượng đủ lớn để nhảy lên vùng dẫn. Chất bán dẫn dẫn
điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ.

• Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn cũng có thể thay đổi
theo các nguồn năng lượng khác (quang bán dẫn).

• Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện
điện tử như Diode, Transistor, IC
4


1.1 Chất bán dẫn
1.1.1 Chất bán dẫn thuần.
• Chất bán dẫn thuần là chất có 4 điện tử ở
lớp ngoài cùng của nguyên tử như
Germanium ( Ge) và Silicium (Si) 
Liên kết cộng hoá trị.

5


1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất
a. Chất bán dẫn loại N.
• Khi pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P)
vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4
nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị.
• Nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và

còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do
→ Chất bán dẫn lúc này thừa điện tử ( mang điện âm) và
được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ).

6


1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất (tt)
b. Chất bán dẫn loại P.
Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium
(In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 4
nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu
một điện tử trở thành lỗ trống ( mang điện dương).
→ Chất bán dẫn lúc này thiếu điện tử ( mang điện dương)
và được gọi là bán dẫn P ( Positive: dương ).

7


1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn.
a. Thời gian sống của hạt mang điện
• Khi một electron được cung cấp đủ năng lượng thì nó sẽ
nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn và để lại một lổ trống trên
lớp hóa trị.
• Sau thời gian tồn tại ở trạng thái điện tử tự do, electron
này sẽ rơi vào 1 trong các lổ trống trong lớp hóa trị. Thời
gian này được gọi là thời gian sống của hạt mang điện.

8

1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn.
b. Chuyển động của hạt mang điện.
 Chuyển động trôi: là chuyển động của hạt mang điện
dưới tác dụng của điện trường.
 Chuyển động khuếch tán: đối với chất bán dẫn, khi
nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều thì
chúng sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao về nơi có
nồng độ thấp.
c. Ảnh hưởng của nhiệt độ.
- Khi nhiệt độ tăng sẽ có nhiều electron hấp thụ năng
lượng để trở thành điện tử tự do→độ dẫn điện tăng.
- Khi nhiệt độ giảm, năng lượng nhiệt không đủ để phá vỡ
liên kết hóa trị dẫn đến số lượng điện tử tự do giảm →độ
dẫn điện giảm.
9


1.2 Đại cương về Diode
1.2.1 Cấu tạo.
Diode gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau.

Ký hiệu:

Hình dạng thực tế:

10


1.2.2 Phân cực Diode.

 Điện thế tiếp giáp:
• Khi ghép 2 lớp bán dẫn P-N với nhau, do có sự chênh
lệch mật độ nên điện tử và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp
tiếp giáp làm cho vùng tiếp giáp phía N tích điện dương
(do mất electron) và vùng tiếp giáp phía P tích điện âm.
• Do đó hình thành nên điện thế tiếp giáp (0.3V đối với Ge
và 0,7 đối với Si).

11


1.2.2 Phân cực Diode.(tt)
a. Phân cực thuận
Điều kiện:
• Đầu (-) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode.
• Đầu (+) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode.
• Giá trị của điện áp VBIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế
tiếp giáp (*)

12


a. Phân cực thuận (tt)

• Khi điện áp phân cực đủ lớn (*), các electron sẽ di chuyển từ
vùng n sang vùng p. Dưới tác động của đầu (+) nguồn áp
VBIAS, các điện tử không tái hợp với lỗ trống ở vùng p mà sẽ di
chuyển về cực (+) của nguồn.
• Sự di chuyển này của điện tử làm thu hẹp vùng tiếp giáp.

13


b. Phân cực ngược (tt)

• Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử tự do trong
vùng n di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các
ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng tiếp giáp.
• Các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào vùng p và di
chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác để đến vùng tiếp giáp
tạo thành các ion âm. Hiện tượng này làm mở rộng vùng tiếp
giáp.

14


1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.
VF: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực thuận.
VBIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode.
IF : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận.
VR: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực ngược.
IR : dòng điện qua diode lúc phân cực ngược.

15


1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)
 Phân cực thuận:

• Khi VBIAS =0V thì VF=0V, không có dòng qua diode: IF=0A.

• Khi tăng VBIAS thì VF tăng, dòng điện IF tăng.
• Khi VBIAS tăng đến mức để điện áp VF=0,7V (Si), dòng điện IF
gia tăng nhanh.
• Khi tiếp tục tăng VBIAS, dòng điện IF càng tăng nhưng điện áp
ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7V(Si).
16


1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)
 Phân cực nghịch:

• Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, dòng điện ngược IR
rất nhỏ ([ μA ] - không đáng kể - dòng rò).
• Khi tăng điện áp phân cực nghịch VBIAS đến khi VR đạt giá
trị điện áp đánh thủng (gây hư hỏng diode), dòng điện
ngược IR gia tăng rất nhanh.
• Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực nghịch VR, IR tăng
rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode VR vẫn không tăng.17


1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)
 Đặc tuyến thực tế - Đặc tuyến lý
tưởng.
Lý tưởng: xem Diode như một khóa điện
tử.
- Khóa hở khi phân cực ngược.
- Khóa đóng khi phân cực thuận.
• Khi đóng (nối mạch), có rơi áp qua diode.
Với diode Si, rơi áp khoảng 0.7V; với
diode Ge, rơi áp khoảng 0.3V.

• Trong một số trường hợp đơn giản, nếu
Vnguồn >> Vdiode , ta có thể xem rơi áp trên
Diode≈0V.

18


1.2.4 Các thông số của Diode.
• Dòng rò: Leakage current - Dòng điện chạy qua diode
khi phân cực nghịch.
• DC Blocking Voltage (VRDC): Là điện áp một chiều
phân cực ngược Diode không làm hỏng diode.
• RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiệu dụng của
điện áp xoay chiều đặt vào diode mà không gây hư hỏng
diode do đánh thủng khi phân cực ngược.

19


1.2.5 Các loại Diode.
a. Diode zener
Được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt nên chịu
được dòng điện ngược lớn. Sử dụng chủ yếu ở vùng phân
cực ngược.
- Ứng dụng trong các mạch ổn áp tạo điện áp chuẩn.
- Ký hiệu:
- Hình dạng thực tế:

- Mạch điện ứng dụng:

IR

IL

VIn

IZ

R
VZ

Z1

RL

VOut(t)

20


1.2.5 Các loại Diode.(tt)
b. Diode thu quang (photodiode): hoạt động ở chế
độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh
sáng chiếu vào mối nối P - N , dòng điện ngược qua diode tỷ
lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode.
- Mạch điện ứng dụng:

c. Diode phát phang (LED) : là Diode phát ra ánh
sáng khi được phân cực thuận.
Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang

trí, báo trạng thái có điện,…
- Hình dạng thực tế:
21


1.2.5 Các loại Diode.(tt)
e. Diode biến dung: Diode biến dung là diode có điện
dung như tụ điện, giá trị điện dung biến đổi khi ta thay đổi
điện áp ngược đặt vào diode.

f. Diode xung: là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài
chục KHz.
- Hình dạng thực tế:
- Ứng dụng: dùng Diode xung để chỉnh lưu điện áp ra trong
các bộ nguồn xung.

22


1.3 Các mạch ứng dụng của diode.
1.3.1 Mạch chỉnh lưu và mạch lọc.
a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ.

Dùng mô hình tương đương lý tưởng
- Trong khoảng thời gian [0, T/2], tín hiệu vào vI dương nên
diode D dẫn xem như ngắn mạch => v0=vi
- Trong khoảng thời gian [T/2, T], tín hiệu vào vI âm nên
diode D ngưng dẫn xem như hở mạch=> v0=0
23

a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ.(tt)

24


a. Mạch chỉnh lưu bán kỳ.(tt)
Điện áp phân cực ngược PIV
- Giá trị điện áp PIV của diode là một thông số quan trọng
trong thiết kế các hệ thống chỉnh lưu.
- Điện áp phân cực ngược diode không được vượt quá điện
áp PIV cho phép của diode.
- Ta có: PIV  Vm

25