điện tử tương tự chương 2 diode

Điện tử tương tự và ứng dụng
Chương 2

Diode
1
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Diode
Tiếp xúc kim loại

Tiếp xúc kim loại

2
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Hình dáng các diode

3
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Phân cực thuận
Phân cực thuận: trạng thái cho phép dòng điện chạy ngang qua tiếp giáp pn.
• Phía cực âm của VBIAS được kết nối với miền n.
• Phía cực dương của VBIAS được kết nối với miền p.
• Điện áp phân cực VBIAS phải lớn hơn điện thế rào (barrier potential) VBARRIER.
Miền p

Miền n

4


Phân cực thuận
Miền p

Miền nghèo

Miền n

Điện thế rào

• Phía cực âm của nguồn điện áp phân cực đẩy các điện tử tự do
trong miền n về phía tiếp giáp, cung cấp luồng điện tử liên tục
thông qua kết nối bên ngoài (chất dẫn điện) vào trong miền n.
• Phía cực dương của nguồn điện áp phân cực thu hút các điện tử
hóa trị về phía đầu cuối trái của miền p. Các lỗ trong miền p di
chuyển về phía phải hướng đến tiếp giáp.
5
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Phân cực thuận

Miền nghèo
(a) Ở trạng thái cân bằng(không phân cực)
Điện thế rào

Miền nghèo

(b) Phân cực thuận thu hẹp miền nghèo và tạo ra giảm áp ngang
qua tiếp giáp pn xấp xỉ bằng với điện thế rào.

6


Phân cực nghịch
Phân cực nghịch: trạng thái, về bản chất, ngăn cản dòng điện chạy qua
diode.
– Phía cực dương của VBIAS được kết nối với miền n
– Phía cực âm của VBIAS được kết nối với miền p.
– Miền nghèo hạt mang điện đa số rộng hơn nhiều so với khi
phân cực thuận.
Miền p

Miền n

7


Đặc tính V-I của diode
Đặc tính V-I khi phân cực thuận :

(a) Điện áp phân cực nhỏ (VF < 0.7 V),
dòng thuận rất nhỏ.

(b) Điện áp thuận đạt đến và duy trì gần như
là hằng số xấp xỉ 0.7 V. Dòng điện thuận tiếp
tục tăng khi điện áp phân cực tăng.
8

Đặc tính V-I của diode
Đặc tính V-I khi phân cực thuận:

Chỗ uốn

(a) Đường đặc tuyến V-I khi phân
cực thuận.

(b) Mở rộng phần đường cong (chỗ uốn) của (a).
Điện trở động rd giảm khi ta di chuyển lên phía
trên đường cong, được chỉ ra bởi việc giảm giá trị
9
của rd = ΔVF / ΔIF .


Đặc tính V-I của diode
Đặc tính V-I khi phân cực nghịch:

Chỗ uốn

10
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Đặc tính V-I của diode
Miền phân cực thuận
(nVT)

Miền phân cực nghịch
Phân cực thuận

IS: dòng bão hòa nghịch
VT : điện áp nhiệt

Tỉ lệ đã nén

Đánh thủng

Phân cực nghịch

Tỉ lệ đã giãn

(ở 25oC)
k = hằng số Boltzmann
T = nhiệt độ tuyệt đối
q = điện tích của điện tử
n: hệ số phát xạ (1 ≤ n ≤ 2
phụ thuộc vào vật liệu).
11
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Đặc tính V-I của diode
• Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng (breakdown): nhiệt và điện.
• Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong miền nghèo hạt
mang điện. Dòng IS tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10C
• Đánh thủng về điện được phân làm 2 loại: đánh thủng thác lũ và đánh
thủng xuyên hầm

• Đánh thủng thác lũ xảy ra trong các tiếp giáp P-N có bề dày lớn, trường
điện trong miền nghèo hạt mang điện có trị số khá lớn. Trường điện này
gia tốc cho các hạt mang điện, gây ra hiện tượng ion hóa va chạm làm
sản sinh những cặp điện tử-lỗ. Các hạt mang điện vừa sinh ra này lại
tiếp tục được gia tốc và ion hóa các nguyên tử khác làm số lượng hạt
mang điện tăng cao, dẫn đến dòng điện trong diode sẽ tăng vọt.
• Đánh thủng xuyên hầm xảy ra ở những miền nghèo hạt mang điện
tương đối hẹp, tức là tiếp giáp của những bán dẫn có mật độ hạt mang
điện đa số rất lớn. Trường điện trong miền nghèo rất lớn, có khả năng
gây ra hiệu ứng “xuyên hầm”, tức là điện tử trong dải hóa trị của bán
dẫn P có khả năng chui qua hàng rào thế để chạy sang dải dẫn của bán
dẫn N, làm cho dòng điện tăng vọt.
12
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Đặc tính V-I của diode
Hiệu ứng nhiệt độ:

13
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Hoạt động lý tưởng của diode
Mô hình diode lý tưởng

(a) Phân cực thuận

(a) Phân cực nghịch

Mô hình diode lý tưởng

Phân cực nghịch

Phân cực thuận

14
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Hoạt động lý tưởng của diode
Phân cực thuận

Phân cực nghịch

Phân cực
Chuyển mạch
tương đương
Điện trở
Dòng điện

Điện áp A đến K

Vô cùng
Dòng điện A đến K được
xác định bởi điện trở và
điện áp bên ngoài
Bằng với điện
áp phân cực
15

Hoạt động lý tưởng của diode
TD: Giả sử diode là lý tưởng, tìm dòng điện và điện áp của các diode
trong các mạch điện sau đây.

16
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Hoạt động lý tưởng của diode
TD: Giả sử diode là lý tưởng, tìm giá trị của I và V trong các mạch
điện sau đây.

17


Ứng dụng đơn giản: mạch nắn điện
TD: Giả sử diode là lý tưởng, tìm điện áp ngõ ra ở mạch điện sau đây.

18
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Ứng dụng đơn giản: mạch nắn điện
TD: Giả sử diode là lý tưởng, tìm phần của mỗi chu kỳ mà trong thời
gian của phần này diode dẫn điện, và giá trị đỉnh của dòng điện qua
diode.

19

Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mô hình giảm áp hằng số

(a) Phân cực thuận

(c) Đường đặc tuyến V-I (silicon)
Điện áp 0.7 V được gọi tên là Vɤ, VDO hoặc VF
(b) Phân cực nghịch

20


Mô hình giảm áp hằng số
TD: Tính điện áp và dòng điện trên tải (VL và IL)trong mạch điện sau, sử
dụng mô hình giảm áp hằng số, giả sử điện áp giảm trên diode là VD =
0.7V.

21
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mô hình tuyến tính từng đoạn

Đặc tính dạng
hàm mũ

Đường thẳng B
Độ dốc

d

d

Đường thẳng A

Mạch tương đương

22
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Mô hình hàm mũ

IS: dòng điện bão hòa nghịch.
n: hệ số phát xạ (1 ≤ n ≤ 2 phụ thuộc
vào vật liệu).
VT: điện áp nhiệt.
(Ở nhiệt độ 25oC)

k = hằng số Boltzmann
= 1.38 x 10-23 joules/kelvin
T = nhiệt độ tuyệt đối Kelvin
= 273 + nhiệt độ oC
q = điện tích của điện tử
= 1.60 x 10-19 coulomb

23

Mô hình hàm mũ
Với i >> IS:

hoặc

24
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM


Đường tải DC
Điểm hoạt động Q

Đặc tuyến của diode
Đường tải DC
Q

Độ dốc=-1/R1

Phương trình đường tải
25
Tống Văn On – Biên soạn từ tài liệu của Bộ môn Điện tử - ĐHBK TP HCM