Tài liệu Chương 1: Diode bán dẫn ppt

Chương 1 1
KÝ HIỆU
Giá trò tại tónh điểm Q (quiescent-point): I
EQ
, V
CEQ
Giá trò một chiều (DC): I
E
, V
CE
Tổng giá trò tức thời: i
E
, v
CE
Giá trò tức thời của thành phần thay đổi theo thời gian: i
e
, v
ce
e
E
E
iIi 
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 2
CHƯƠNG 1: DIODE BÁN DẪN
1.1 Giới thiêu
1.2 Vật liệu bán dẫn
1.3 Diode bán dẫn thông thường
1.4 Chỉnh lưu
1.5 Phân tích mạch Diode

1.6 Mạch xén (Clippers) và mạch ghim điện áp (Clampers)
1.7 Diode Zener
1.8 Các loại Diode khác
1.9 nh hưởng của nhiệt độ và các thông số kỹ thuật
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 3
1.1 GIỚI THIỆU
x Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất.
x Các loại diode: Diode chân không, Diode khí, Diode chỉnh lưu
kim loại, Diode bán dẫn, vv.
x Diode bán dẫn
: Cấu tạo và tính chất.
Phương pháp phân tích mạch.
Ứng dụng.
1.2 VẬT LIỆU BÁN DẪN
Các vật liệu bán dẫn thường dùng:
x Silicon (Si)
x Germanium (Ge)
x Gallium Arsenide (GaAs)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 4
1.2.1 Cấu trúc nguyên tử và cấu trúc tinh thể
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 5
1.2.2 Sự dẫn điện
x Các mức năng lượng
x 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
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 6
1.2.3 Bán dẫn loại p và bán dẫn loại n
x “Doping”:
Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết.
x Bán dẫn loại p
9 Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III)
9 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng
9 Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 7
x Bán dẫn loại n
9 Chất đưa vào: Chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V)
9 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng
9 Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 8
1.3 DIODE BÁN DẪN THÔNG THƯỜNG
1.3.1 Cấu trúc của Diode bán dẫn
x Cấu trúc và ký hiệu
x Lớp tiếp xúc pn (pn junction)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 9
x Sự phân cực của Diode (bias)

1.3.2 Quan hệ giữa dòng điện và điện áp của Diode
x Diode lý tưởng

9 v
i
> 0: i
D
> 0 và v
D
= 0 (Diode ngắn mạch: short circuit)
9 v
i
< 0: v
D
< 0 và i
D
= 0 (Diode hở mạch: open circuit)
v
i
r
i
v
D
i
D
+
_
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 10

x Đặc tuyến Volt-Ampere (VA) của Diode
)1()1(  
T
D
D
mV
v
o
mkT
qv
oD
eIeIi
I
o
: Dòng phân cực nghòch bão hòa
(reverse saturation current), A
q = 1,6E-19 C
k = 1,38E-23 J/
o
K: Hằng số
Boltzmann
T: Nhiệt độ tuyệt đối,
o
K
m: 1d m d 2: Hằng số thực nghiệm
q
k
T
V
T

| 25 mV, tại nhiệt độ phòng
(27
o
C)
9 Phân cực thuận (v
D
> 0): Khi
T
D
mVv !!
:
T
D
mV
v
oD
eIi |
9 Phân cực nghòch (v
D
< 0): Khi
TD
mVv !! :
oD
Ii |
T
D
mV
v
o
eI

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 11
x Diode thực tế và Xấp xỉ tuyến tính hóa từng đoạn (piecewise-
linear approximation)
1.3.3 Mạch điện tương đương của Diode
<Xem Giáo trình và TLTK [3]>
1.3.4 Các phương pháp phân tích mạch dùng Diode
<Xem Giáo trình và TLTK [3]>
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 12
1.4 CHỈNH LƯU (Rectification)
Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi từ tín hiệu xoay chiều (ac) thành tín
hiệu một chiều (dc).
Lưu ý
: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến Diode lý tưởng.
1.4.1 Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification)
1
9
x Đònh luật Kirchhoff về điện áp (KVL):
L
i
Di
D
Rr
vv
i



v
i
> 0: v
D
= 0 (Diode ngắn mạch),
L
i
i
D
Rr
v
i


,
L
i
Li
DLL
Rr
Rv
iRv


v
i
< 0: Diode hở mạch: 0
D
i , 0

D
L
L
iRv
v
i
= V
im
cos(Z
o
t)
r
i
v
D
i
D
v
L
R
L
+
_
_
+
Ideal diode
N
g
uồn (Source)
Tải (Load)

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 13
x Điện áp trên tải v
L
(Chỉnh lưu bán sóng):
x Phân tích tín hiệu chỉnh lưu bán sóng:
Giá trò trung bình:
S
Lm
T
LdcL
V
dttv
T
V

³
)(
1
,
Khai triển Fourier:
¸
¹
·
¨
©
§

4cos

15
2
2cos
3
2
cos
2
11
)(
tttVtv
oooLmL
Z
S
Z
S
Z
S
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 14
x Lọc (filter) tín hiệu chỉnh lưu bán sóng:
9 Mạch lọc dùng để lọc bỏ các hài xoay chiều (harmonics) nhằm giữ
lại thành phần một chiều của tín hiệu v
L
(t): Lọc thông thấp (lowpass
filter – LPF).
9 Các dạng mạch lọc cơ bản:
R R R
C
L L

C C C
(a) (b) (c)
9 Giả sử dùng mạch lọc (a) với RC = 100/Z
o
và R >> R
L
.
Biên độ điện áp ngõ ra của mạch lọc tại tần số nZ
o
(nt1) là:

n
V
RCn
V
V
Ln
o
Ln
on
100
1
2
|


Z
với V
Ln
là biên độ điện áp ngõ vào của mạch lọc tại tần số nZ

o
.
Sử dụng nguyên lý chồng chập, điện áp ngõ ra:
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 15
¸
¹
·
¨
©
§
|
4sin
3000
1
2sin
300
1
sin
200
11
)(
tttVtv
oooLmo
Z
S
Z
S
Z

S
9 Độ gợn sóng (Ripple factor):
Thành phần DC:
S
Lm
dcL
V
V
,
Thành phần gợn sóng:
¸
¹
·
¨
©
§

2sin
300
1
sin
200
1
ttVv
ooLmr
Z
S
Z
Giá trò hiệu dụng (rms) của thành phần gợn sóng:
>@

280

)300(
1
)200(
1
2
)(
1
)(
22
2/1
2
LmLm
T
rrmsr
VV
dttv
T
v |
¸
¹
·
¨
©
§

¿
¾
½

¯
®

{
³
S
Độ gợn sóng
011.0
280
)(
,
|{
S
dcL
rmsr
V
v
“Nothing is difficult to those who have the will.”
- Dutch Poet's Society
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 16
1.4.2 Chỉnh lưu toàn sóng (Full-wave rectification)
-+
1
2
3
4
1
4

5
6
8
Ri
1
Ri
1
9
D1
D2
x Hoạt động và điện áp ra trên tải v
L
(Chỉnh lưu toàn sóng)
v
i
v
i
R
L
R
L
v
L
+
_
v
L
+
_
D1

D2
D3
D4
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 17
x Phân tích tín hiệu chỉnh lưu toàn sóng
Giá trò trung bình:
S
Lm
dcL
V
V
2
,

Khai triển Fourier:
¸
¹
·
¨
©
§
 4cos
15
4
2cos
3
42
)( ttVtv

ooLmL
Z
S
Z
SS
x Lọc tín hiệu chỉnh lưu toàn sóng
Giả sử dùng mạch lọc như ở phần chỉnh lưu bán sóng, điện áp ngõ ra:
¸
¹
·
¨
©
§
 4sin
1500
1
2sin
300
22
)( ttVtv
ooLmo
Z
S
Z
SS
Giá trò hiệu dụng của thành phần gợn sóng:
S
210
)(
Lm

rmsr
V
v |
Độ gợn sóng
0024.0
420
1
|
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 18
1.4.3 Mạch lọc (Filtering)
1
4
5
6
8
D1
D2
x Hoạt động
Tụ C được nạp nhanh đến giá trò V
max
của điện áp v
o
(t).
Khi v
o
(t) giảm, tụ C phóng điện qua R
L
với quy luật:

CR
t
o
L
eVtv


max
)(
Quá trình tuần hoàn với tần số của điện áp chỉnh lưu f
p
:
op
ff 2 : Chỉnh lưu toàn sóng
op
ff : Chỉnh lưu bán sóng
với f
o
: Tần số của nguồn v
i
.
C
R
L
v
i
v
o
+
_

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 19
x Phân tích và tính toán mạch
Xấp xỉ tín hiệu ngõ ra bằng dạng sóng răng cưa (sawtooth wave)
Tụ C:
Lp
RVf
V
C
'

max
Điện áp gợn sóng hiệu dụng:
32
)(
minmax
VV
v
rmsr


Chứng minh: <Xem Giáo trình và TLTK [3]>
1.4.4 Mạch nhân đôi điện áp (Voltage-doubling circuit)
x Ví dụ 1: (Nhân đôi điện áp một bán chu kỳ)
1 5
4 8
C1
C2D1
D2

9 Bán kỳ âm của v
S
: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp V
Smax
9 Bán kỳ dương của v
S
: Điện áp chồng chập của C1 và v
S
nạp điện
cho C2 qua D2 đến điện áp 2V
Smax
v
S
+
+
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 20
x Ví dụ 2: (Nhân đôi điện áp hai bán chu kỳ)
D1 D2
C1C2
1 5
4 8
9 Bán kỳ dương của v
S
: C2 nạp điện qua D1 đến điện áp V
Smax
Tổng điện áp v
S
và V

Smax
trên C1 (được nạp từ
bán kỳ trước) đặt lên tải R
L
thông qua D1
9 Bán kỳ âm của v
S
: C1 nạp điện qua D2 đến điện áp V
Smax
Tổng điện áp v
S
và V
Smax
trên C2 (được nạp từ
bán kỳ trước) đặt lên tải R
L
thông qua D2
1.4.5 Nhân tần số (Frequency multiplication)
9 Mạch chỉnh lưu tạo ra tín hiệu (hài – harmonics) tại các tần số: nZ
o
.
9 Sử dụng mạch lọc thích hợp để tách lấy thành phần hài cần thiết.
R
L
++
+
_
v
S
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 21
1.5 PHÂN TÍCH MẠCH DIODE
Lưu ý
: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến Diode thực
1.5.1 Mạch Diode đơn giản – Đường tải một chiều (DC Load Line)
x Phương pháp đồ thò
9 Phần tử phi tuyến được thể hiện bằng đặc tuyến VA:
)(
DD
vfi
9 Phần còn lại (tuyến tính) được thay thế bằng mạch tương đương
Thevenin:
T
D
T
D
Rivv 
hay:
T
T
D
T
D
R
v
v
R
i 
1

(DCLL)
x Tìm điểm hoạt động (tónh điểm Q – quiescent point)
v
i
r
i
v
D
R
L
v
L
v
T
R
T
v
D
i
D
i
D
+
+
+
_
_
_
Diode hoặc
các phần tử

phi tuyến
Mạch tư
ơ
n
g
đươn
g
Thevenin
của phần tuyến tính
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chửụng 1 22
x ẹieọn aựp tửụng ủửụng Thevenin v
T
thay ủoồi (Vớ duù: v
T
= V
Tm
sinZt)
0FKLQW

Chương 1 23
1.5.2 Phân tích tín hiệu nhỏ – Điện trở động (Dynamic resistance)
x Tín hiệu nhỏ
Thành phần thay đổi (ac) của tín hiệu là rất nhỏ so với thành phần dc.
tVVvVv
imdcidc
T
Z
sin  với V

im
<< V
dc
x Phương pháp kết hợp đồ thò – phân tích (graphical-analytical)
0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 24
Phân tích tín hiệu nhỏ:
Chuyển trục toạ độ về Q:
DQDd
Iii 

DQDd
Vvv 
Tín hiệu nhỏ: Xem ab là đoạn thẳng đi qua Q và có phương trình:
d
d
d
r
v
i
Điện trở động (dynamic resistance):
Q
D
D
d
i
v
r
'

'

0ҥFKÿLӋQWӱ

Chương 1 25
x Tính giá trò điện trở động
Từ phương trình:
T
D
mV
v
oD
eIi | , giá trò điện trở động:
DQDQ
T
Q
D
D
Q
D
D
d
I
mVm
I
mV
i
v
i
v

r
)(25u

w
w
|
'
'

với: I
DQ
: Dòng điện tónh điểm qua Diode
x Mạch tương đương
(a) (b)
9 Mạch (a): Tìm tónh điểm Q (I
DQ
và V
DQ
), sử dụng phương pháp đồ thò
9 Mạch (b): Tìm đáp ứng tín hiệu nhỏ (i
d
và v
d
), sử dụng điện trở động
và các đònh luật Kirchhoff
9 Dùng nguyên lý xếp chồng để tìm tổng đáp ứng
V
dc
R
T

R
T
r
d
v
i
V
DQ
I
DQ
+
_
i
d
0ҥFKÿLӋQWӱ