Bài Giảng Diode Bán Dẫn

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

MẠC ĐIỆ TỬ
H
N

Chương
1.
Diode

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

3

Ký hiệu
tại điểm tĩnh Q
VC
EQ
một
V
(quiescent-point):
I
EQ
,
Giá tức
CE
C
chiều:
I
Ev
,
• trị tức thời của Ethành phần thay đổi theo thời gian: vc
thời: iE,
Giá
ie, e
•

•

Giátrị
•

Giá
trị


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Giới thiệu
Diode là một linh kiện điện đơn giản nhất.
tử phi tuyến
• Các loại diode:
•

•
•
•
•

Diode chân không,
Diode khí,
Diode chỉnh lưu kim loại,
Diode bán dẫn, vv…
•

Mạch siêu cao tần, phát quang và ứng dụng tần số cao

• Các vật liệu bán dẫn

thường dùng:
• Silicon (Si)

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

8

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Sự dẫn điện trong chất bán dẫn
• Dòng khuếch tán (diffusion

có sự thay

current): Khi
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

9


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Bán dẫn loại p
• Chất đưa vào: Chất

nhận (acceptor

Boron (III)

material). Ví dụ:

• 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:
ánh sáng
•• tạo
điệndiode:
áp chuẩn
Tunnel
bộ tạo dao
động điện trởdiode:
âm
• Schottkky
• Photo
cảm
biến
tụ điệndiode:
bán dẫn
thay
đổiánh
sáng

được
• dùng trong các mạch

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

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Quan hệ giữa dòng điện &điện áp
_

+

• Diode lý
tưởng

r
i

v
i

i
+ D
vD
_

• vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn

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

15

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp
V í d ụ : Cho mạch như hình vẽ, tìm qua diode.
dòng

a. Giả

sử diode ON =>
VD=0 với ID>0
ID >0 (đúng với giả
b. Giả
sử
diode
OFF
=>
thiết)
ID=0 với VD<0

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

16

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp
V í d ụ : Cho Diode lý tưởng,
tìm V?

17


11/2/2012

Đặctuyến VoltAmpere
(VA)
•

vD

iD = I o (e qv −1) = I o (e
D
mkT

18

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

mVT

−1)

•

Phân cực thuận vD >>
mVT
mV
(vD>0):
iD ≈ I
oe

T

vD

Phân cực nghịch
(vD< 0): vD
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
•

>>
mVT


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Diode thực tế và xấp xỉ

• Vγ: điện áp ngưỡng
• Rf: điện trở thuận của

động rd+điện trở
tiếp xúc

19


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Đặc tuyến Volt Ampere
(VA)
Ví d
ụ:
I01=10-16

A,
I02=10-14 A
Tính ID1, ID2,
VD1, VD2?

20

11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Diode
Điện tĩnh của
trở
diode:
di
= I (e
• Điện động
dvD nV nV
)v
trở
T
• Ảnh hưởng
nhiệt độ
• Mạch tương
đương
•

D

0

T

D

R=
D VD/ID


n.25mV
nV
≈
≈
rD
iD
Ti
InV
0+
T
=
D
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
tưởng

• lý
Đối
với mạch tín hiệu bé
 giải
mạch
Xemtích
diode
như một
điện trở động
•

22


11/2/2012

23

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Phân tích mạch diode
Ri

Ví d
ụ:

Xét mạch dùng diode
(Vγ=0.7V):
Tìm ngõ ra VL với ngõ vào Vi

• Giả sử diode
V =V
V L< R
tắt:
VLγ= 2 V
R L1+
VL < 0.7
R i ⇒ Vi <
1.4V
L

i

i

• Khi Vi≥1.4V: Diode

dẫn

V
i

4
1
.
4
0
-4
0.7
0

2

+
D

1K

R 1K
L
_
VL

V ii

VL

t
t
t


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Chỉnh lưu
• Chỉnh lưu là quá trình chuyểnxoay

đổi tín hiệu
chiều (ac) thành tín hiệu

một chiều (dc)
•• Có
L ư u ý2: Các
ví dụchỉnh
trong phần này
sử dụng đặc tuyến diode lý
loại
lưu:
tưởng.
• Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification)

• Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification)

24


11/2/2012

Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM

Chỉnh lưu bán kỳ
• Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave
r

rectification)

i

vi =
Vimcos(ωot

)

+
1

v

_

D
Ideal diode

i
D

+

R
L
Nguoàn
(Source)

• Định luật Kirchhoff về
•điện
vi >áp
0: (KVL):
vD = 0

vi

i
D

L

L D

v
L

Taûi _
(Load)

= v i − vD
ri + RL

v
i
(Diode ri + RL ngắn
riL+
R
iD = , vRLL RLiD
• vi < 0: Diode mạch)
iD =

9

25