Giáo trình Điện tử cơ bản 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

Ths. §inh Gia Huân

giáo trình

Điện tử cơ bản 1
IA
IAđm
IG 3

IG 2
IG 1
IG = 0

IAmin
Ungmax
0

Um3

UAKmin

A
A
-

j1 j2 j3

K
+

A

K
+

A

Um2 Um1 Um0

IG1 < IG2 < IG3
j1 j2 j3

+

+

Nam Định - 2009

K
_

K
_

UAK


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT NAM ĐỊNH

Ths. §inh Gia Huân

giáo trình

Điện tử cơ bản 1
(Dùng cho sinh viên đại học các ngành: Công nghệ kỹ thuật điện;
Công nghệ điện, điện tử; Công nghệ tự động)

Nam Định - 2009


LỜI NÓI ĐẦU
Kỹ thuật điện tử là một ngành mũi nhọn mới phát triển. Trong một
khoảng thời gian không dài, từ khi transistor được phát minh (năm 1948) bởi
hai nhà khoa học người Mỹ là John Bardeen và W.H. Brattain, kỹ thuật điện tử
đã có những bước phát triển nhảy vọt, mang lại nhiều thay đổi to lớn và sâu sắc
trong hầu hết các lĩnh vực rất khác nhau, dần trở thành một trong những công
cụ quan trọng nhất của cách mạng kỹ thuật trình độ cao (mà trung tâm là tự
động hố, tin học hố, phương pháp cơng nghệ và vật liệu mới).
Môn học Điện tử cơ bản gồm hai học phần: Điện tử cơ bản 1 và Điện tử
cơ bản 2 là môn học cơ sở trong chương trình đào tạo kỹ sư các ngành Cơng
nghệ kỹ thuật điện; Công nghệ tự động; Công nghệ điện, điện tử.
Để phục vụ việc giảng dạy của cán bộ và học tập của sinh viên chúng tơi
đã biên soạn “Giáo trình Điện tử cơ bản 1” dựa trên chương trình mơn học đã
được trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định ban hành năm 2007.
Nội dung giáo trình đề cập đến những kiến thức cơ bản về cấu tạo,
nguyên lý làm việc, các tham số cơ bản của các linh kiện điện tử được dùng phổ
biến trong công nghệ điện, điện tử. Bên cạnh đó, giáo trình cịn giới thiệu một
số mạch ứng dụng thực tế để sinh viên tham khảo, nghiên cứu. Giáo trình gồm 6
chương:

Chương 1: Diode bán dẫn
Chương 2: Transistor
Chương 3: Các mạch khuếch đại cơ bản tín hiệu nhỏ dùng BJT, FET
Chương 4: Linh kiện nhiều mặt ghép
Chương 5: Linh kiện quang điện
Chương 6: Vi mạch (IC)
Chúng tơi tỏ lịng biết ơn đối với các thầy giáo, cô giáo ở bộ môn Kỹ
thuật mạch & Xử lý tín hiệu, bộ mơn Cơ sở kỹ thuật điện - Đo lường thuộc khoa
Điện- Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã đóng góp nhiều
ý kiến xây dựng để hồn chỉnh giáo trình này.
Trong q trình biên soạn chúng tơi đã cố gắng thể hiện nội dung một
cách cơ bản, hệ thống, hiện đại. Tuy nhiên do khoa học không ngừng phát triển
và khả năng có hạn nên chắc chắn cịn nhiều thiếu xót, chúng tơi mong nhận
được sự đóng góp xây dựng của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo trình ngày
càng hồn thiện hơn.
Xin chân thành cám ơn.
Ths. Đinh Gia Huân


Chương 1
DIODE BÁN DẪN
1.1. Chất bán dẫn nguyên chất và chất bán dẫn tạp
1.1.1- Cấu trúc vùng n ăng lượng của chất rắn tinh thể
Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể rắn. Điện trở suất của vật liệu bán dẫn
ςBD = (10-4 ÷ 1010) Ω.cm, nằm giữa điện trở suất của kim loại và điện trở suất của
điện mụi.
Bán dẫn

Kim loại
10

-6

10

Điện môi

--4

10

10

10

[. cm ]
15

Khi ch to dng cụ bán dẫn và các mạch vi điện tử, người ta thường dùng
Ge, Si, Ga, As, và một số bán dẫn khác như Se, Ti hoặc một số lo ại oxyt, Cacbit,
Sulfua …
Tính chất đặc trưng nhất của bán dẫn là độ dẫn điện của nó phụ thuộc rất
nhiều vào nhiệt độ, độ chiếu sáng và điện trường. Điện trở của bán d ẫn giảm
nhanh khi nhiệt độ tăng, ngược với kim loại là điện trở tăng khi nhiệt độ tăng.
Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của điện trở (R) của kim loại và bán dẫn được vẽ trên
hình 1.1.
R

R
Kim loại

0

Bán dẫn

0

T

T

a)
b)
Hình 1.1: Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ:
a) Kim loại, b) Chất bán dẫn

Ta ó bit cấu trúc năng lượng của một ngu yên tử đứng cơ lập có dạng là
các mức rời rạc. Khi đưa các nguyên tử lại gần nhau, do tương tác, các mức này
bị suy biến thành những dải gồm nhiều mức sát nhau được gọi là các vùng năng
lượng. Đây là dạng cấu trúc năng lượng điển hình của vật rắn tinh thể.
Tuỳ theo tình trạng các mức năng lượng trong một vùng có bị điện tử
chiếm chỗ hay khơng, người ta phân biệt 3 loại vùng năng lượng khác nhau:
1


- Vùng hố trị (hay cịn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng
lượng đều đã bị chiếm chỗ, khơng cịn trạng thái (mức) năng lượng tự do.
- Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống
hay chỉ bị chiếm chỗ một phần.
- Vùng cấm, trong đó khơng tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có

thể chiếm chỗ hay xác suất tìm thấy hạt dẫn tại đây bằng 0.
Tuỳ theo vị trí tương đối giữa 3 loại vùng kể tr ên, xét theo tính chất dẫn
điện, các chất rắn cấu trúc tinh thể được chia thành 3 loại (xét ở 0o K): chất cách
điện, chất dẫn điện, chất bán dẫn, minh hoạ trên hình 1.2.
Vïng dÉn
Vïng cÊm

Vïng dÉn
∆E

∆E

Vïng ho¸ trị

Vùng dẫn
Vùng hoá trị

Vùng hoá trị

a)

b)
c)
Hình 1.2: Cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn:
a) Chất cách điện E >2eV; b) Chất bán dẫn điện E 2eV; c) Chất dÉn ®iƯn

Chúng ta đã biết , muốn tạo dịng điện trong vật rắn cần hai quá trình đồng
thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ được kích thích năng lượng và q trình
chuyển động có hướng của các hạt dẫn điện này dưới tác dụng của điện trường.
Dưới đây ta xét tới đặc trưng dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn

thuần) và chất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá
trình sinh (tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể.
1.1.2. Bán dẫn thuần
Để giải thích đặc trưng dẫn điện của chất bán dẫn, ta hãy nghiên cứu một
thể tích lý tưởng của tinh thể Ge. Ge là một ngun tố thuộc nhóm IV trong
bảng tuần hồn. Hình vẽ 1.3a mô tả mạng tinh thể Ge trên mặt phẳng.
Nguyên tử Ge được phân bố ở nút mạng tinh thể và liên kết với các nguyên
tử lân cận bằng 4 điện tử hoá trị. Hai đường thẳng nối giữa các nút mạng biểu
diễn mối liên kết đồng hoá trị giữa các cặp điện tử dùng chung.
Tổng hợp các mức năng lượng của các điện tử hoá trị của tinh thể Ge lý
tưởng tạo nên giản đồ năng lượng biểu diễn trên hình 1 .3b. Trong đó: EC- mức
năng lượng đáy vùng dẫn, EV - mức đỉnh của vùng hoá trị, EF - mức Fecmi, ∆E độ rộng vùng cấm.
2


Ở nhiệt độ T = 00K: với bán dẫn không tạp chất, tất cả các e hoá trị đều
tham gia mối liên kết đồng hoá trị . Như thế là chúng chiếm đầy tất cả các mức
năng lượng trong vùng hố trị. Cịn vùng dẫn khơng có điện tử. Như vậy ở nhiệt
độ T = 0 o K, chất bán dẫn điện khơng dẫn điện. Giữa đỉnh vùng hố trị E V và
đáy vùng cấm E C là vùng cấm có độ rộng ∆E = EC - EV
Với Ge: ∆E ∼ 0,72 eV
Với Si: ∆E ∼ 1,2 eV
Như vậy, để chuyển điện tử ở vùng hoá trị lên vùng dẫn cần cung cấp một
năng lượng ≥ ∆E. Năng lượng này có thể là năng lượng nhiệt.

-

-

-

- Ge
-

-

-

- Ge

- Ge
-

-

-

- Ge
-

-

-

-

Vïng dẫn

-

- Ge
- Ge

-

-

-

-

Phát sinh
EF

EV

- Ge

-

EC

-

-

ni

-

-

-

- Ge

E

-

+

+

pi

-

- Ge

-

E

-

+
+
Vùng hoá trị

Tái hợp
+

+

-

b)

a)

Hình 1.3: Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng cña Ge tinh khiÕt (b)

Khi nhiệt độ T > 00K: do có năng lượng chuyển động nhiệt, sẽ có một số
điện tử phá vỡ liên kết đồng hoá trị và chuyển từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để
lại một lỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên độ dẫn lỗ trống. Độ dẫn này trong
điện từ trường giống như một điện tích dương có giá trị điện tích bằng điện tích
của điện t ử. Q trình tạo nên cặp điện tử tự do và lỗ trống như trên được gọi là
quá trình sinh hạt tải và được biểu diễn bằng mũi tên trên hình 1.3b.
Mật độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn không suy biến tuân theo thống kê
Maxwell- Boltzman.

n = N ne

−

EC − E F
kT

(1-1)

3


p = N pe

−

E F − EV
kT

(1-2)

Nn, Np: MËt ®é hiệu dụng các trạng thái trong vùng dẫn và vùng hóa trị.
k =1,38.10-23 j/K (hằng số Boltzman)
Nhân (1-1) với (1-2), coi khối lượng hiệu dụng của lỗ trống bằng khối
lượng hiệu dụng của điện tử và Nn Np N ta cã:

n. p = N e
2

−

Ec − EV
kT

=N e
2

−

∆E
kT

(1-3)

Trong trạng thái cân bằng nhiệt động, mật điện tử trong vùng dẫn của bán
dẫn không tạp chất ni bằng mật độ lỗ trống trong vùng hoá trị pi, tức là:
(1-4)
ni = pi = n
Tõ (1.3) ta suy ra: n = N e



E
2 kT

(1-5)

Từ công thức này ta thấy mật độ hạt tải điện trong bán dẫn càng lớn khi
nhiệt độ càng cao và độ rộng vùng cấm càng nhỏ. Từ (1.1) vµ (1.2) ta cã:
E Fi =

EC − EV
∆E
∆E
= EV +
= EC
2
2
2

(1-6)

Như vậy mức Fecmi trong bán dẫn thuần được nằm ở giữa vùng cấm (hình
1.3b).
Dưới tác dụng của năng lượng nhiệt, các điện tử trong vùng dẫn và các lỗ
trống trong vùng hoá trị thực hiện chuyển động nhiệt hỗn loạn. Song song với
quá trình phát sinh nói trên, còn xảy ra quá trình các điện tử nhảy từ vùng dẫn
xuống lấp vào chỗ trống trong vùng hoá trị tạo nên quá trình tái hợp của cặp điện
tử lỗ trống. Số tái hợp tỷ lệ với mật độ hạt tải điện.
Khi đặt điện trường ngoài E vào bán dẫn: chuyển động của điện tử và lỗ
trống trong bán dẫn được định hướng. Nghĩa là khi T > 0oK bán dẫn có khả năng
dẫn điện. Độ dẫn càng lớn khi cường độ của quá trình phát sinh ra cặp điện tử lỗ
trống càng lớn. Độ dẫn này bao gồm cả chuyển động của điện tử và chuyển động
của lỗ trống.
Như vậy độ dẫn toàn phần phụ thuộc v o ®é dÉn cđa ®iƯn tư céng ví i ®é
dÉn cđa lỗ trống. Gọi độ dẫn toàn phần là ta có:

= qnnàn + qppàp
qn, qp: Đ iện tích của điện tử và lỗ trống.
àn, àp: Đ ộ linh động của điện tử và lỗ trống.

4

(1-7)


Đ ộ dẫn này đư ợ c gọi là độ dẫn riêng của bá n dẫn (còn gọi là độ dẫn của
bá n dẫn không tạ p chất} . Bá n dẫn không tạ p chất còn đư ợ c ký hiệu là bá n dẫn
loạ i i. Đ ộ dẫn riêng thư ờng là không lớ n. Hơn nữa độ dẫn điện tử và độ dẫn lỗ

trống đều là do chuyển động của điện tử trong bá n dẫn (®iƯn tư trong vï ng dÉn
chun ®éng theo h­ í ng ngư ợ c chiều vớ i điện trư ờng, còn cá c điện tử trong vù ng
hoá trịsẽ chuyển động đến lấp cá c lỗ trống theo hư ớ ng ngư ợ c lạ i vớ i chuyển
động của lỗ trống). M ật độ điện tử và lỗ trống của bá n dẫn không tạ p ở nhiệt độ
phòng (200C) ®èi ví i: Ge: 2.1013cm-3, Si: 1,4.1010 cm-3 (mËt độ nguyên tử của
mạ ng tinh thểlà 5.1022cm-3).

1.1.3. Bán dẫn tạp chất
a. Bán dẫn loại n
Nếu trong tinh thể Ge đư a vào tạ p chất là nguyên tố nhóm V vÝ dơ As.
Nguyªn tư As sÏ chiÕm mét nót mạ ng. As có 5 điện tử lớ p ngoài cù ng, nó bỏ ra 4
điện tử tạ o nên liên kết đồng hoá trịvà còn thừa 1 điện tử.
Cá c điện tử thừa nằm ở mức nă ng lư î ng t¹ p chÊt Ed, n»m trong vï ng cấm và
gần đá y vù ng dẫn gọi là mức Donor (møc cho). M øc Ed c¸ ch vï ng dẫn
Ed << E nên ở nhiệt độ trong phòng cá c điện tử ở mức tạ p chất dễ dàng
chuyển hết lên vù ng dẫn đểlạ i cá c lỗ trống trên mức Ed (nút mạ ng có nguyên tử
tạ p chất trở nên ion điện tích dư ơng).

-

-

-

-

-

-

As

-

Ge

-

-

EC
Ed
EF

Ge

V ù ng dẫn

nn

-

-

-

-

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

Đ iện
tử thừa

EV

-

a)Ge

-

-

-

-

-

Ge

-

-

-

-

- Ge

Ed

-

- Ge

E

E

- Ge

-

-

-

Ge

pn

Vù ng hoá trị

-

b)

a)

Hình 1.4: Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) cđa Ge cã pha t¹p chÊt As

5


Số lư ợ ng cá c điện tử từ mức Ed nhảy lên vù ng dẫn lớ n hơn nhiều so vớ i số
điện tử từ vù ng hoá trịnhảy lên vù ng dẫn. Như vậy độ dẫn của bá n dẫn tạ p này là
độ dẫn điện tử, gọi là bá n dẫn loạ i n. Trong bá n dẫn loạ i n thìđiện tử là hạ t tải cơ
bản (động tử đa số), lỗ trống là hạ t tải không cơ bản (động tử thiểu số).
M ật độ điện tử trong bá n dẫn loạ i n đư î c tÝnh:

n n = ni e

E Fn − E Fi

(1-8)

kT

Từ đây ta xá c định đư ợ c vịtrícủa mức Fecmi trong bá n dẫn loạ i n:

n
E Fn = E Fi + kT ln n
 ni





(1-9)

Nh­ vËy: møc Fecmi trong bá n dẫn tạ p chất loạ i n sẽ dịch lên gần vớ i vù ng
dẫn. Đ ộ dịch lên càng nhiều khi mật độ tạ p chất càng cao (có thểnằm trên vù ng
dẫn như ở diode tunel).

b. Bán dẫn loại p
Nếu đư a tạ p chất là nguyên tố nhóm III (vídụ In) vào Ge ta sẽ đư ợ c bá n
dẫn loạ i p. Nguyên tử In chiếm 1 nút mạ ng. Ge có 3 điện tử lớ p ngoài cù ng, khi
thực hiện liên kết đồng hoá trịsẽ thiếu 1 điện tử, đểlạ i một lỗ trống.

- Ge

-

-

- Ge

-

-

np

-

EF
EA
EV

-

- Ge

V ù ng dẫn

Ec

-

-

-

-

-

- Ge

In
m

-

3e

- Ge

Lỗ
trống

-

-

-

-

-

- Ge
-

-

-

- Ge

-

-

-

E

-

-

-

-

+ +

+

pp

-

EA

- Ge

-

E

-

V ù ng hoá trị

-

n
a)

b)

Hình 1.5: Mạng tinh thể (a) và giản đồ năng lượng (b) cđa Ge cã pha t¹p chÊt In

6


M ức tạ p chất của lỗ trống là EA nằm trong vù ng cấm và gần vớ i đỉnh vù ng
hoá trịgọi là axeptor (mức nhận). VìEA << E nên ở nhiệt độ trong phòng cá c

điện tử trong vù ng hoá trịsẽ dễdàng nhảy lên lấp lỗ trống trên mức EA , đểlạ i
hàng loạ t lỗ trống trong vù ng hoá trị(nguyên tử In đư ợ c điện tử nhảy lên chiếm
lỗ trống tạ o nên ion âm).
Số lỗ trống này rất lớ n hơn số điện tử dẫn tạ o nên do quá trình phá t sinh hạ t
tải điện. Vìvậy độ dẫn của bá n dẫn này là dẫn lỗ trống. Bá n dẫn đư ợ c gọi là bá n
dẫn loạ i p, trong bá n dẫn loạ i p lỗ trống là hạ t tải cơ bản (động tử đa số), điện tử
là hạ t tải không cơ bản (động tử thiểu số).
M ật độ lỗ trống trong bá n dẫn loạ i p đư ợ c xá c định:

p p = ni e

E Fi E Fp

(1-10)

kT
Từ đó ta tính đư ợ c møc Fecmi:
 pp 

E Fp = E Fi − kT ln
n
 i 

(1-11)

Nh­ vËy møc Fecmi trong b¸ n dẫn loạ i p lạ i dịch xuống vềphía đỉnh vù ng
hoá trị. Đ ộ dịch chuyển càng nhiều khi mật độ tạ p càng cao (có thểnằm trong
vù ng hoá trịnhư ở diode Tunel).

1.2. Tiếp giáp p n

1.2.1. Ttiếp giáp p-n khi chưa có điện trường ngoài
Khi cho hai đơn tinh thể bá n dẫn tạ p chất loạ i n và loạ i p tiếp xúc công
nghệvớ i nhau, cá c hiện tư ợ ng vật lý xảy ra tạ i nơi tiếp xúc là cơ sở cho hầu hết
cá c dụng cụ bá n dẫn điện hiện đạ i.
Hình 1.6 biểu diễn mô hình lý tư ëng ho¸ mét tiÕp gi¸ p p – n khi chư a có
điện á p ngoài đặ
t vào. Vớ i giả thiết ở nhiệt độ phòng, cá c nguyên tử tạ p chất đÃ
+

bịion hoá hoàn toàn ( n n = N D ; p p = N A ) . Cá c hiện tư ợ ng xảy ra tạ i nơi tiếp

xúc có thểmô tả tóm tắt như sau:
Do có sự chênh lệch lớ n vềnồng độ (nn >> np và pp >> pn), tạ i vù ng tiếp
xúc có hiện tư ợ ng khuyếch tá n cá c hạ t đa số qua nơi tiếp giá p, điện tư ë b¸ n dÉn
n khch t¸ n sang b¸ n dẫn p, lỗ trống ở bá n dẫn p khuÕch t¸ n sang b¸ n dÉn n, do
vËy xuÊt hiện một dòng điện khuyếch tá n (I kt) hư í ng tõ p sang n. T¹ i mét vï ng
lân cận (l 0) hai bên mặ
t tiếp xúc, xuất hiện một lớ p điện tích khối do ion tạ p chất
tạ o ra, tạ i đó nghè o hạ t dẫn đa số và có điện trở lớ n (hơn nhiều cấp so vớ i cá c
vù ng còn lạ i), do đó đồng thời xuất hiện một điện tr­ êng néi bé h­ í ng tõ vï ng n
7


(lí p ion d­ ¬ng N D+ ) sang vï ng p (lí p ion ©m N A− ) gäi là điện trư ờng tiếp xúc Etx
(h. 1.6c).
Quá trình đó ®· xt hiƯn mét hµng rµo ®iƯn thÕhay mét hiƯu ®iƯn thÕtiÕp
xóc Utx. BỊdÇy lí p nghÌ o l 0 phụ thuộc vào nồng độ tạ p chất, nếu N A = N D th×
t tiÕp xóc : l 0N = l 0P; th­ êng N A >>N D nªn l 0N >> l 0P và phần
l 0 đối xứng qua mặ
chủ yếu nằm bên loạ i bá n dẫn pha tạ p chất ít hơn (có điện trở suất cao hơn).

Đ iện trư ờng Etx cản trở chuyển động của dòng khuyếch tá n như ng tạ o ra cá c
chuyển động trôi của cá c hạ t thiểu số qua miền tiếp xúc: điện tử từ chất bá n dẫn
p chuyển động vềphía chất bá n dẫn n, lỗ trống từ chất bá n dẫn n chuyển động về
phía chất bá n dẫn p. Quá trình này tạ o thành dòng điện trôi (Itr) có chiều ngư ợ c
lạ i vớ i dòng khuyếch tá n. Quá trình này tiếp diễn sẽ dẫn tớ i một trạ ng thá i cân
bằng động :Ikt = Itr và lúc đó không có dòng điện qua tiếp giá p p n. Hiệu
điện thếtiếp xúc có giá trịxá c lập, đư ợ c xá c định bởi :

Utx =

KT p p  KT  nn 
ln  =
ln
q  pn q np

(1

12)
Vớ i những điều kiện tiêu chuẩn, ở nhiệt độ phòng Utx có giá trịkhoảng
0,3V ví i lo¹ i tiÕp xóc p – n tõ Ge và 0,6V vớ i loạ i làm từ Si, phụ thuộc vào tỷ
số nồng độ hạ t dẫn cù ng loạ i, vào nhiệt độ vớ i hệsố nhiệt ©m (-2mV/K).

a)

p

n
Ikt

I tr

17

PP(10 )

Nn (1015)

b)

Pn (1011)

10

N P(10

)

lo
Etx

c)

lop l on
8

d)
Utx


Hình 1.6 : Tiếp giáp p-n khi chưa có điện trường ngoài
a) Mô hình cấu trúc 1 chiều; b) Phân bố nồng độ theo phương x; c) Vùng điện tích khối

tại lớp nghèo (với loại chuyển tiếp đột ngột);d) Hiệu thế tiếp xúc tại nơi tiếp xúc;

1.2.2- Tiếp giáp p - n khi có điện trường ngoài
Trạ ng thá i cân bằng động nêu trên sẽ bịphá vỡ khi đặ
t tí i tiÕp xóc p – n
mét ®iƯn tr­ êng ngoài. Có hai trư ờng hợ p xảy ra (hình 1.7. a và b) :
Eng

Etx
+
A

p

n

Eng

Etx
K

A

p

l0

n

+

+ K

l0

Utx

Utx

U tx-U ng

U tx+U ng

a)

b)

Hình 1.7 : Tiếp giáp p-n khi phân cực thuận (a) và phân cực ngược (b)

- Khi phân cực thuận (hình 1.7 a), điện á p đặ
t lên tiếp giá p có cực tính
dư ơng đặ
t tớ i p, âm tớ i n, điện trư ờng ngoài (Eng) ngư ợ c chiều vớ i Etx. Eng chủ
yếu đặ
t lên vù ng nghè o và xếp chồng vớ i Etx nên cư ờng độ trư ờng tổng cộng tạ i
vù ng lo giảm đi do đó làm tă ng chuyển động khuyếch tá n của cá c động tử đa số
(ngư ời ta gọi đó là hiện tư ợ ng phun hạ t đa số qua miền tiếp giá p p n khi nó
đư ợ c mở) do vậy dòng Ikt tă ng lên. Dòng điện trôi do Ext gây ra giảm không
đá ng kểdo nồng độ hạ t thiểu số nhỏ. Khi đó bềrộng vù ng tiếp giá p (vù ngnghè o)
giảm đi so vớ i l 0.

- Khi phân cực ngư ợ c (hình 1.7 b), nguồn ngoài có cực dư ơng đặ
t tớ i n, âm
đặ
t tớ i p, điện trư ờng ngoài (Eng) cù ng chiều vớ i Etx. Do tá c dụng xếp chồng
điện trư ờng tạ i vù ng tiếp giá p ngă n cản cá c động tử đa số khuếch tá n qua tiếp
giá p dẫn đến dòng Ikt giảm tớ i không, dòng chuyển động của cá c động tử thiểu
số (Itr) có tă ng chút ít như ng nhanh chóng đạ t một giá trịbà o hoà và có trịsố
9


nhỏ vì số lư ợ ng cá c động tử thiĨu sè kh«ng lí n. BỊ réng vï ng tiÕp giá p (vù ng
nghè o) tă ng lên so vớ i trạ ng thá i cân bằng.
Kết quả là tiếp giá p p n khi đặ
t trong 1 điện trư ờng ngoài có tính chất
dẫn điện không đối xứng theo 2 chiỊu: theo chiỊu ph©n cùc thn (p d­ ơng, n
âm), dòng điện thuận có giá trịlớ n (lúc này có thểnói tiếp giá p p-n ở trạ ng thá i
mở), theo chiều phân cực ngư ợ c (p âm, n dư ơng) dòng điện ngư ợ c có giá trịrất
nhỏ (lúc này có thểnói tiếp giá p p-n ở trạ ng thá i khoá ). Ngư ời ta gọi đó là hiệu
ứng chỉnh lư u (tính chất van) cđa tiÕp gi¸ p p – n.
1.3. Diode b¸ n dẫn

1.3.1.Cấu tạo của diode
Diode bá n dẫn có cấu tạ o là một tiếp giá p p n vớ i hai điện
cực nối ra ngoài. Đ iện cực phía miỊn p gäi lµ anèt, phÝa miỊn n gäi lµ catốt. Ta
có thểtạ o nên diode tiếp mặ
t và diode tiếp điểm.

A

Dây W

A
p

p

Chuyển tiếp P-N

Chuyển tiếp
P-N
n

n

K

K

a)

b)

Hình 1.8: Cấu tạo của diode tiếp mặt (a), tiếp điểm (b).

Tuỳ theo cấu tạ o, nguyên tắc hoạ t động mà ngư ời ta chia diode ra làm nhiều
loạ i khá c nhau. Hình 1.9 là kíhiệu của cá c diode chỉnh lư u, diode tá ch sóng hình a, diode ổn á p (còn gọi là diode zener)-hình b, varistor-hình c, diode biến
dung (varicap)-hình f, diode schottky-hình e, diode đư ờng hầm (tunel)-hình d,
photo diode-hình g, diode phá t quang - hình h.

a)

b)

c)

10

d)


e)

f)

g)

h)

1.3.2. Đặc tuyến V-A của diode
Sử dụng mạ ch điện hình 1.10a, biến đổi độ lớ n và chiều của điện á p ngoài,
c tuyến Vol Ampe của
đo dòng t­ ¬ng øng qua diode (I d) ng­ êi ta thu đư ợ c đặ
diode có dạ ng hình 1.10 b
I D (mA)

(1)

R

A

ID
E

V

UD

U đt

(V)

IS

U

(2)

D

Udmax

UD

(3)
( A )
b)

a)

Hình 1.10. Sơ đồ lấy đặc tuyến (a); Đặc tuyến V-A của diode bán dẫn (b).

Đặ
c tuyến Vol Ampe của diode là một đư ờng cong có dạ ng phức tạ p,
chia làm 3 vï ng râ rƯt:
Vï ng (1) øng ví i tr­ ờng hợ p phân cực thuận U D > 0.
Vù ng (2) ứng vớ i trư ờng hợ p phân cùc ng­ ỵ c U D < 0.
Vï ng (3) đư ợ c gọi là vù ng đá nh thủng tiếp xúc p n.
Qua việc phân tích đặ
c tính Vol Ampe giữa lý thuyết và thực tếngư ời
ta rút đư ợ c cá c kết luận chủ yếu sau:

11


- khi phân cực thuận, nếu điện á p UD < U thìdòng qua diode vẫn bằng
không, khi UD U thìmớ i có dòng qua diode. U đư ợ c gọi là điện á p ngư ỡ ng.
Đ iện á p trên diode dạ t giá trịlớ n nhất U dmax. Thùc nghƯm cho thÊy:
Ví i diode Si: U = 0,5 – 0,6V, U dmax = 0,8- 0,9V,
Ví i diode Ge: U = 0,15 – 0,2V, U dmax = 0,4- 0,5V.
- Trong vù ng (1) và (2) phư ơng trình mô tả đư ờng cong có dạ ng:


qK.U.TD
I D = I S  e
− 1



(1-13)

Trong ®ã:
I S gäi là dòng điện ngư ợ c bà o hoà có giá trịgần như không phụ thuộc vào
U D, chỉphụ thuộc vào nồng độ hạ t thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài và hệ số
khuyếch tá n tức là vào bản chất cấu tạ o chất bá n dẫn tạ p chất loạ i n và p và do ®ã
 Dn .n p D p pn 

+
phơ thc vµo nhiệt độ. I S = q.s.

L
L
p

n

U D: điện á p trên diode (V)
I D: dòng điện qua diode (A)
q: ®iƯn tÝch cđa ®iƯn tư , q = 1,6.10-19C,
K: h»ng sè Bolzoman, K= 1,38.10-23 J/K,
T: nhiƯt ®é tut ®èi (k)
UT =

KT
gọi là thếnhiệt; ở nhiệt độ trong phòng T = 3000K, U T có giá trị
q

xấp xỉ26 mV. Công thức 1-13 có thểviết dư ớ i dạ ng đơn giản:

UD
I D = I S  e 26 mV − 1


UD

- Khi ph©n cùc thuËn (diode dÉn): UD > U thì

I D = I Se

UD
26 mV

e 26 mV >>1 nên:

vàcó giá trịlớ n.

- Khi phân cực ngư ợ c (diode khoá ): U D < 0, e

UD
26 mV

<< 1, nên I D = I S, giá trị

dòng bà o hoà Is nhá (10-12A/cm2 ví i Si vµ 10-6 A/cm2 ví i Ge) và phụ thuộc mạ nh
vào nhiệt độ vớ i mức độ dòng điện ngư ợ c tă ng gấp đôi khi gia số nhiệt độ tă ng
100C.
- Khi phân cực ngư ợ c diode sau đó tă ng điện á p ngư ợ c đến giá trịkhá cao
(U đt) dòng điện qua diode tă ng lên rất lớ n có thểlàm hỏng diode. Lúc đó diode
12

đà bịđá nh thủng, tính chất van của diode không còn. Có hai dạ ng đá nh thủng
chính:
ã Đ á nh thủng vìnhiệt do tiếp xúc p n bịnung nóng cục bộ, vìva chạ m
của hạ t thiểu số đư ợ c gia tốc trong trư ờng mạ nh. Đ iều này dẫn tớ i quá trình sinh
hạ t ồ ạ t ( ion hoá nguyên tử chất bá n dẫn thuần, có tính chất thá c lũ) làm nhiệt
độ nơi tiếp xúc tiếp tục tă ng dòng điện ngư ợ c tă ng đột biến và tiếp giá p p n
bịphá hỏng.
ã Đ á nh thủng vìđiện do hai hiệu ứng:
- Ion hoá do va chạ m (giữa hạ t thiểu số đư ợ c gia tèc trong tr­ êng m¹ nh cì
105 V/cm ví i nguyên tử của chất bá n dẫn thuần thư ờng xảy ra ở cá c tiếp giá p p
n rộng (hiệu ứng Zener).
- Hiệu ứng xuyên hầm (Tunen) xảy ra ë c¸ c tiÕp gi¸ p p – n hẹp do pha
tạ p chất vớ i nồng độ cao liê n quan tớ i hiện tư ợ ng nhảy mức trực tiếp của điện tử
hoá trịbên bá n dẫn p xuyên qua rào thếtiếp xúc sang vù ng dẫn bên bá n dẫn n.
Cũng cần lư u ý U T và I S có độ lớ n phụ thuộc vào nhiệt độ, nên hoạ t động
của diode bá n dẫn phụ thuộc mạ nh vào nhiệt độ và trong thực tếcá c mạ ch điện
tử có sử dụng diode bá n dẫn (hoặ
c transistor sau này), ngư ời ta cần có nhiều biện
phá p nghiêm ngặ
t đểduy trì sự ổn định của chúng khi làm việc, chống (bù ) lạ i
cá c nguyên nhân kểtrên do nhiệt độ gây ra.

1.3.3. Các tham số của diode
Khi phân tích hoạ t động của diode trong cá c mạ ch điện cụ thể, ngư ời ta
thư ờng sử dụng cá c đạ i lư ợ ng (tham số) đặ
c trư ng cho nã. Cã hai nhãm tham sè
chÝnh ví i diode b¸ n dẫn là nhóm cá c tham số giớ i hạ n đặ
c trư ng cho chếđộ làm

việc giớ i hạ n của diode và nhóm cá c tham số định mức đặ
c trư ng cho chếđộ làm
việc thông thư ờng.
a) Các tham số giới hạn
ã Đ iện á p ngư ợ c cực đạ i đểdiode còn thểhiện tính chất van (chư a bịđá nh
thủng): Ungmax (thư ờng giá trịUngmax chọn khoảng 80% giá trịđiện á p đá nh
thủng Uđt).
ã Dòng cho phép cực đạ i qua diode lúc mở : I thmax
ã Dòng định mức làm việc của diode lúc mở : I đm
ã Công suất tiêu hao cực đạ i cho phép trên diode đểdiode chư a bịhỏng vì
nhiệt: PAcf .
ã Tần số giớ i hạ n của điện á p ( dòng điện) đặ
t lên diode ®Ĩnã cßn cã tÝnh
chÊt van f max.
13


b) Các tham số định mức chủ yếu
ã Đ iện trë mét chiỊu cđa diode
Rd =

U AK U T  I A
Ln + 1
=
IA
IA

IS

(1-14)

ã Đ iện trở vi ph©n (xoay chiỊu) cđa diode :

rd =

∂U AK
UT
=
(I A + I s )
∂I A

Ví i nh¸ nh thn

(1-15)

UT
≈ rdth, do I A lớ n nên giá trịrd nhỏ và giảm nhanh theo
IA

mức tă ng của I A . Vớ i nhá nh ngư ợ c rdng =

UT
, do I s rất nhỏ nên rdng lớ n, giá trị
Is

rdth và rdng càng chênh lệch nhiều thìtính chất van càng thểhiện rõ.
ã Đ iện dung tiếp giá p p-n: tạ i vù ng tiếp giá p p-n có hàng rào điện thế làm
cho cá c điện tử ở chất bá n dẫn n không sang đư ợ c chất bá an dẫn p. Khoảng này
coi như một lớ p cá ch điện có tá c dụng như một lớ p điện môi trong tụ điện và
hình thành tụ điện ký sinh của tiếp giá p p-n, ký hiệu là CD và đư î c tÝnh theo c«ng

thøc:

CD =  .

S
d

 : h»ng số điện môi

S: tiết diện tiếp giá p
d: bềdầy lớ p cá ch điện
Khi làm việc ở tần số cao, ph¶i l­ u ý tí i ¶nh h­ ëng cđa CD tớ i cá c tính chất

của mạ ch điện. Đ ặ
c biệt khi sử dụng diode ở chếđộ khoá điện tử đóng mở vớ i
nhịp cao, diode cần một thời gian quá độ để phục hồi lạ i tính chất van lúc
chuyển từ mở sang khoá . 1.3.3. Phân loạ i diode
Ngư ời ta phân loạ i cá c diode bá n dẫn theo nhiều quan điểm khá c nhau:
ã Theo đặ
c điểm cấu tạ o có loạ i diode tiếp điểm, diode tiếp mặ
t.
ã Theo loạ i vật liệu sử dụng có diode Ge hay Si.
ã Theo tần sè gií i h¹ n fmax cã lo¹ i diode tần số cao, diode tấn số thấp.
ã Theo công suất pAcf có loạ i diode công suất lớ n, công suất trung bình
hoặ
c công suất nhỏ( I Acf < 300mA)
ã Theo nguyên lý hoạ t động hay phạ m vi ứng dụng cá c loạ i diode chỉnh
lư u, diode ổn định điện á p (diode Zenner), diode biến dung (Varicap), diode sử
dụng hiệu ứng xuyên hầm (diode Tunen)...
1.4. Cá c loạ i diođe và ứng dụng

14


1.4.1. Diode chØnh l­u
Diode chØnh l­ u b¸ n dÉn là loạ i diode dù ng để biến đổi dòng điện xoay
chiều thành dòng điện một chiều. diode chỉnh lư u là cá c diode tiếp mặ
t có diện
tích lớ p tiếp giá p lớ n. Giải tần làm việc của diode f = 50Hz ữ 10kHz. Vật liệu
làm diode chØnh l­ u lµ Se, Ge, Si. HiƯn nay ng­ ời ta dù ng chủ yếu cá c loạ i diode
làm bằng Si vìnó có giá trịdòng ngư ợ c nhỏ.
Đặ
c trư ng von- ampe của diode chỉnh lư u có dạ ng hình 1.10b.
Khi sử dụng diode chỉnh lư u cần quan tâm cá c thông số sau:
- U ngmax: Đ iện á p ngư ợ c lớ n nhÊt cho phÐp (cµng lí n cµng tèt).
- I thtb max : Dòng thuận trung bình lớ n cho phép diode làm việc lâu dài
không bịhỏng (còn gọi là I đm).
- U thtb : Giá trịtrung bình của điện á p thuận sụt trên diode khi nó làm việc ở
I thtb.
Cá c loạ i diode chỉnh lư u công suất nhỏ và vừa có:
I thtbmax : (0,5 ữ 1)A, Ungmax : 500V.
Diode chØnh l­ u c«ng st lí n cã:
I thtbmax : (5 ÷ 20)A, U ngmax: (200 ÷ 500)V.
Diode chỉnh lư u điện á p cao có:
U ngmax : (10 ÷ 25) V, I thtbmax : (1 ÷ 100)mA.
VÝdơ tham sè cđa mét sè diode chØnh l­ u th«ng dơng cho trong b¶ng 1.1.

B¶ng 1.1: Tham sè cđa mét số diode chỉnh lưu thông dụng
Ký hiệu

I đm (A)

U ngmax(V)

1N4001

1

50

1N4002

1

1N4003
1N4007

Ký hiệu

I đm (A)

U ngmax(V)

BYX38

6

1200

100

BY229

7

800

1

200

BY329

8

1200

1

1000

BYD13-D

2

200

Cá ch mắc diode đểchỉnh lư u (biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều)
cho thấy trên h×nh 1.11.
D1

D

○

○
U1

+

○

U0

U2
C

○
a)

U2

U1

U2

○

○ -

○

D2

+

U0

C

○-

b)

D1

○

○
U1

U2

C1

+

U0

○

○

U0

U1

15

○
C2

D1
U2

D3

D2
D4

○

○
○-

C

+

U0

a) ChØnh l­ u nöa chu kú: nöa chu kú dư ơng của dòng điện xoay chiều đi
qua diode nạ p điện cho tụ. Nửa chu kỳ âm dòng điện không đi qua diode .
b) Chỉnh lư u hai nửa chu kỳ: nửa chu kỳ dư ơng dòng điện đi qua diode D1
nạ p điện cho tụ điện. Nửa chu kỳ âm dòng điện đi qua diode D2 nạ p điện cho tụ
điện. Đ iện á p một chiều khi ch­ a cã t¶i: U 0 = 1,4 U 2.
c) Chỉnh lư u cầu: nửa chu kỳ dư ơng dòng ®iƯn ®i qua diode D2, D3 n¹ p ®iƯn
cho tơ điện. Nửa chu kỳ âm dòng điện đi qua diode D1, D4 nạ p điện cho tụ điện.
d) Chỉnh lư u nhân á p: C1 và D1, C2 và D2 tạ o thành hai mắt chỉnh lư u. ở nửa
chu kỳ dư ơng, dòng điện đi qua diode D1 nạ p điện cho tụ C1, trên tụ C1 có điện
á p U 0. Nửa chu kỳ âm, dòng điện đi qua diode D2 và nạ p điện cho tụ C2, trên tụ
C2 có điện á p U 0. Sau hai nửa chu kỳ điện á p tạ i đầu ra có độ lớ n 2U 0.
Khi mắc nguồn chỉnh lư u cần phải chú ý không đư ợ c mắc nhầm cực tụ hoá .
Đ iện á p một chiều cao nhÊt ë lèi ra bé nguån chØnh l­ u (lúc chư a mắc tải vào
nguồn) phải nhỏ hơn điện á p tụ chịu đựng đư ợ c. Đ iện dung tụ lọc nguồn có giá
trịtừ 500àF ữ 1000àF (càng lớ n càng tốt).

1.4.2. Varistor (điện trở bán dẫn phi tuyến)
Những vật liệu bá n dẫn có điện trở giảm khi tă ng điện á p đặ
t vào gọi là
varistor (hoặ
c là cá c điện trở bá n dẫn phi tuyến). Varistor đư ợ c chếtạ o từ SiC có
cấu tróc h¹ t kÝch th­ í c d = 20 ÷ 200 µm. Bét nµy trén ví i mét sè vật liệu kết
dính đư ợ c đốt ở nhiệt độ cao. Cấu tạ o của varistor như hình 1.12 a, ký hiệu
varistor trên hình 1.12b.

I

0

16

U


a)

b)

c)

Trong Varistor tồn tạ i cá c cơ chếcho dòng điện qua như sau:
1. Dòng chạ y qua tiếp điểm không bình thư ờng giữa cá c hạ t. Khi tă ng dòng
có thểxảy ra sự đốt nóng vi mô cđa tiÕp ®iĨm, do ®ã ®é dÉn ®iƯn ë ®ã tă ng lên.
2. Dòng qua lớ p tiếp xúc p - n: nếu bềmặ
t hạ t này có độ dẫn khá c bềmặ
t
hạ t kia (do sự hấp thụ của bềmặ
t) thìtiếp điểm giữa hai hạ t đó tạ o nên một tiếp
giá p p - n. Dòng qua đó là dòng qua 1 diode. Dòng này tă ng khi thếtă ng.
3. Dòng chạ y qua khe hở của cá c hạ t gần nhau. Nếu giữa cá c hạ t có cá c kẽ


hở nối tiếp nhau thìkhi tă ng E trong khe hở có thểxảy ra sự phá t xạ e- từ những
mũi nhọn của cá c hạ t và độ dẫn ở đó tă ng lên. Khi đó tă ng điện á p số khe hở
đư ợ c nối vớ i nhau tă ng lên coi như tă ng tiết diện hiệu dụng của điện tử.
4. Dòng chạ y qua màng mỏng oxyt: khi có mặ
t màng mỏng oxyt giữa cá c
hạ t sự tă ng dòng có thểxảy ra do sự đi qua tunel của cá c hạ t tải qua cá c màng

mỏng hoặ
c do sự đá nh thủng màng mỏng.
Tuỳ theo công nghệ chế tạ o, mỗi varistor có cá c cơ chế dẫn nhiều ít khá c
nhau mà độ dẫn toàn phần của nó phụ thuộc vào điện á p có thểkhá c nhau.
Khi điện á p nhỏ, sự tă ng dòng do 2 cơ chếđầu là cơ bản.
Khi điện á p lớ n, sự tă ng dòng do 2 cơ chếsau là cơ bản.
Dòng số lư ợ ng cá c hạ t rất lớ n nên đặ
c tuyến V- A là đối xứng (hình 1.12 c)
Đặ
c tuyến V- A là thểhiện hầu hết cá c cơ chếtạ o dòng qua diode. Quan hệ
I = B.U K
B: Hằng số.

dòng và điện á p:

K: Hằng số phi tuyến.
Thực nghiệm quan sá t đư ợ c sự phụ thuộc của K vào điện á p:
K=1+ a

U
;
2

a: Hằng số phi tuyến.

Varistor đư ợ c dù ng cho cá c chuyển mạ ch, rơle, bảo vệsự quá á p cho cá c
mạ ch điện.

1.4.3. Diode ổn áp (zener)
17

Diode ổn á p bá n dẫn hay còn gọi là diode zener là một diode bá n dẫn có
một tiếp giá p p - n, khi làm việc ở cơ chếổn định điện á p, diode đư ợ c mắc vớ i
nguồn điện theo chiều phân cực ngư ợ c. Thế ngư ợ c đạ t tớ i giá trịđiện á p đá nh
thủng lớ p tiếp giá p thì dòng ngư ợ c tă ng như ng điện á p ngư ợ c thay đổi không
đá ng kể. Ngư ời ta dù ng điện á p này làm điện á p ổn định U Z.
Diode zener đư ợ c lµm tõ Si, cã bỊ dµy lí p tiÕp giá p rất hẹp để có thể tạ o
điều kiện ®¸ nh thđng ®iƯn lí p tiÕp gi¸ p ë điện á p thấp.
Đặ
c tuyến von - ampe của diode ổn á p đư ợ c vẽ như trên hình 1.13a.
Diode zener đư ợ c đặ
c trư ng bởi cá c thông số cơ bản sau:
1. Đ iện á p ổn định UZ.
2. Dòng cực đạ i I Zmax đư ợ c xá c định bởi tỷ số giữa công suất cực đạ i vớ i
điện á p UZ:
I Zmax = Pmax/ U Z
Dòng điện nhỏ nhất qua diode I Z min đư ợ c xá c định bởi độ bền vững của
trạ ng thá i đá nh thủng lớ p tiếp giá p.
3. Đ iện trở vi phân của diode ổn á p:
rZ = dUZ/ dI Z ,

rZ càng nhỏ càng tốt.

4. Đ iện trở tĩnh của ổn á p: RT =

UZ
tạ i điểm làm việc
IZ

5. Hệsố nhiệt của điện á p ổn định U Z đư ợ c biểu thịbởi sự thay đổi điện á p
U Z khi nhiệt độ môi trư ờng xung quanh thay đổi 1 ®é.

α = ∆U Z / U Z∆T (%)
I th(mA)

+

UZ

R

+

Uv

0

U ng (V )

Dz

Rt

Ur

Uth(V)

-

I Z min

-

b)

a)
I Z tb

Hình 1.13: Đặc tuyến V-A của zener (a);
Sơ đồ ổn áp dùng zener (b)

I Z max
I ng (mA)

VÝdơ tham sè cđa mét sè diode zener cho thấy trên bảng 1.2
18


B¶ng 1.2: Tham sè cđa mét sè diode zener
Diode ỉn ¸ p

1N4954

1N4966

UZ

6,8 V

390 V

I Z tb

175mA

3mA

I Z max

700mA

12mA

α

0,05%

0,12%

rZ

1Ω (175 mA)

1000Ω (1mA)

M ạ ch điện ổn á p dù ng zener đư ợ c mắc như hình 1.13.b
Đ iện trở R dù ng đểhạ n chếdòng qua diode zener . Đ iện trở Rt l điện trở
tải. diode ổn á p đư ợ c chia làm hai loạ i: diode von thấp có U Z = (0,3 ữ 1)V loạ i
này khi nhiệt độ tă ng U Z giảm, diode von cao có U Z lên vài chục von. Loạ i này

khi nhiệt độ tă ng UZ cũng tă ng.

1.4.4. Diode biến dung (Varicap)
Varicap là một diode bá n dẫn đư ỵ c sư dơng nh­ mét tơ ®iƯn cã ®iƯn dung
biến đổi, hoạ t động của nó dựa trên sự phụ thuộc của điện dung lớ p tiếp giá p vào
điện á p ngư ợ c đặ
t vào tụ. Sự thay đổi điện dung đư ợ c thực hiện bằng cá ch điều
khiển điện á p ngư ợ c đặ
t vào varicap. Varicap đư ợ c ứng dụng rộng rà i trong cá c
mạ ch điện tự động điều chỉnh tần số, điều chếbiên độ và điều chếtần số. Trong
mạ ch diện khuếch đạ i thông số, varicap đư ợ c dù ng trong dải siêu cao tần.
C1

r
C2

CD

R1

Rng
L

+ E0
CD

a)

c)
CD

(pF)

CD

UD
UD

19

R2
VR

(pF)

t


b)

Hình 1.14: Sơ đồ tương đương của varicap (a),
Đặc tuyến của varicap (b)
Mạch cộng hưởng dùng varicap (c)

Sơ đồ tư ơng đư ơng của varicap mắc ở chếđộ phân cực ngư ợ c hình 1.14.a.
Rng là điện trở vi phân cđa lí p tiÕp gi¸ p p - n khi diode mắc ở chếđộ phân
cực ngư ợ c, dòng điện ngư ợ c rất nhỏ nên nó có giá trịrất lớ n. Đ iện trở r là điện
trở thuần của chỗ tiếp xúc giữa bá n dẫn vớ i dây kim loạ i đư a ra ngoài và điện trở
của tinh thểbá n dẫn, điện trở này rất nhỏ cỡ một vài . CD là điện dung của tiếp
giá p p-n.

- Đ iện dung CD có độ lớ n tuỳ thuộc cá ch chếtạ o diode tạ o nên lớ p tiếp giá p.
Trư ờng hợ p tổng quá t CD đư ợ c tính theo công thức sau:
CD = A.S ( U D+ ϕK ) n

(1-16)

A: HÖsè tû lÖ;
S: diện tích của tiếp giá p p-n.
U D: điện á p đặ
t lê n varicap.

K : hiệu điện thếtiếp xúc cđa tiÕp gi¸ p, ví i diode Silic ϕK =0,7v.
n: hệsố phụ thuộc vào vật liệu nằm trong khoảng 1/2 ..... 1/3.
§ ­ êng cong biĨu diƠn sù phơ thc của CD vào U D cho thấy trên hình 1.14
b. Đ ối vớ i varicap làm việc ở tần số cao CD khoảng vài chục pF. Varicap làm
việc ở tần sè thÊp S = 0,1 cm2, CD cã thĨhµng chơc ngàn pF.
- Hệ số phẩm chất của varicap Q đư ợ c định nghĩa là tỷ số giữa trở khá ng
cđa varicap ví i tÇn sè cđa tÝn hiƯu xoay chiều vớ i điện trở tổn hao trên tụ có điện
á p ngư ợ c đặ
t vào. Sơ đồ tư ơng đư ơng của varicap có trở khá ng:
Z =r+

Rng jCv
Rng + 1 jCv

r 2Cv Rng + r + Rng jCv Rng
2

=

2

2Cv 2 Rng 2 + 1

2

(1-17)

Phần ảo cđa trë kh¸ ng:

Xc =

Cv Rng 2
 2Cv 2 Rng 2 + 1

HÖsè phÈm chÊt Q:
20

(1-18)


Q=

Cv Rng
Xc
=
∑ R Cv 2 rRng + r + 1
Rng

(1-19)

§ é chän läc cđa varicap Q:
- ë tÇn sè thÊp:
1
>> r ta bỏ qua giá trịr
th C v

Q = ωthCvRng
- ë tÇn sè cao:
1
<< Rng
 cao C v

Q =

1
caoCv r

Trong cá c mạ ch tạ o dao động, nếu dù ng diode biến dung làm tụ điện mắc
song song vớ i cuộn cảm như hình 1.14.b. Có thểcoi điện dung C2 >> CD cã thĨ
bá qua tơ C2, tÇn sè céng h­ ëng cđa khung sÏ lµ:
f0 =

1
2 LC D

Đ iều khiển điện á p đặ
t vào diode, điện dung CD sẽ biến đổi, tần số cộng
hư ởng f 0 sÏ biÕn ®ỉi theo quy lt biÕn ®ỉi cđa điện á p. Nếu dù ng khung cộng
hư ởng này làm khung cộng hư ởng của má y phá t tần số sẽ có một má y phá t có

thể điều chế tần số, hoặ
c má y phá t tần số đư ợ c điều khiển bằng đi ện á p VCO
(Voltage Controled Oscitator). M á y phá t loạ i này đư ợ c ứng dụng trong bộ kênh
ti vi, trong cá c má y phá t điều tần
Cá c thông số cơ bản của varicap.
Cđ.mức ( khi U ®.m = 4V), K 0 =

C max
, Q, U ng­
C min

ợ c max

Vídụ một số varicap có thông số cho thÊy ë b¶ng 1.3

B¶ng 1.3: Tham sè cđa mét sè diode biến dung (varicap)
Loạ i

Cđm[pF]

K0

Q

U ngc.max[V]

I ngc[ àA]

902
KB 101A

6-12
200

2,5
2,5

30
12

25
4

10
1

KB 102A

14 - 23

2,5

40

45

1

KB 105A

400 - 600

3

500

50 - 90

50

21


1.4.5. Diode tách sóng cao tần
Diode tá ch sóng cao tần đư ợ c dù ng đểtá ch sóng (chỉnh lư u dòng cao tần),
điều chế, biến đổi tần số. Ngư ời ta dù ng diode tiếp điểm đểlàm diode cao tần,
diện tích lớ p tiếp giá p p - n nhỏ, điện dung lớ p tiếp giá p không vư ợ t quá 1 pF nên
dải tần số làm việc có thểtớ i hàng tră m MHz.
Diode tiếp điểm đư ợ c chếtạ o từ một dây vofram gắn vào đơn tinh thểbá n
dẫn Ge loạ i n. Chỗ bá n dẫn tiếp giá p vớ i đầu kim vonfram hình thành miền bá n
dẫn loạ i p (hình 1.8b). Lớ p tiếp giá p p - n đư ợ c hình thành trong diode tiếp điểm
có diện tích nhỏ, dòng thuận qua diode cũng nhỏ, công suất Pmax cđa diode cao
tÇn nhá rÊt nhiỊu so ví i diode chỉnh lư u.
Sơ đồ mắc mạ ch tá ch sóng tín hiệu cao tần điều chếbiên độ đư ợ c vẽ ở hình
1.15.
Khi diode đư ợ c dù ng đểtá ch sóng thìở nửa chu kỳ dư ơng của tín hiệu cao
tần diode đư ợ c phân cực thuận dòng qua diode. Đ iện trở vi phân của diode chính
là ®iƯn trë lí p tiÕp gi¸ p p - n phân cực thuận, rất nhỏ nên rth = r.
Nửa chu kỳ âm diode đư ợ c phân cực theo chiều ngư ợ c. Đ iện trở lớ p tiếp
giá p p - n theo chiều phân cực ngư ợ c ®iƯn trë nµy rÊt lí n so ví i dung khá ng ta có

thểbỏ qua, nên trở khá ng của diode khi phân cực ngư ợ c là: rngD = r + 1/ j CD

in

C1
D1

out
L1

C2

L2

R

Cv

Hình 1.15: Sơ đồ mạch tách sóng cao tần dùng diode

Cá c thông số đặ
c trư ng của diode tá ch sóng:
Đ iện á p thuận của diode U th.
Dòng điện ngư ợ c của diode I ng.
Đ iện trở vi phân rvf .
Tần số giớ i h¹ n f α.
22