Chương 3: Điốt bán dẫn
• Tiếp giáp p-n và điốt bán dẫn • Các tham số của điốt bán dẫn • Sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Phân loại và một số ứng dụng của điốt
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Tiếp giáp p-n • Trên một miếng tinh thể bán dẫn, bằng các phương pháp công nghệ, tạo ra hai vùng bán dẫn loại N và loại P, thì tại ranh giới giữa hai vùng bán dẫn xuất hiện một vùng, gọi là lớp tiếp giáp p-n (p-n junction)
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Điốt bán dẫn
• Linh kiện chỉ có một lớp tiếp giáp p-n gọi là điôt
(diode) bán dẫn.
I
Hình dạng, ký hiệu, cấu tạo:
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Sự hình thành tiếp giáp p-n
• Vùng bán dẫn loại N có hạt dẫn đa số là electron tự do (NA=1016cm-3); vùng bán dẫn loại P hạt dẫn đa số là lỗ trống (ND=1017cm-3).
I
• Do sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống giữa hai vùng bán dẫn nên các electron ở gần tiếp giáp p-n khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang N. Kết quả là ở tiếp giáp p-n chỉ còn các ion tạp chất: ion dương ở phía tạp chất n, ion âm ở phía tạp chất p. Vùng giữa các ion này rất nghèo hạt dẫn là vùng nghèo điện (electron, lỗ trống), nên được gọi (depletion region) hay vùng điện tích không gian
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Các ion này tạo thành một điện trường hướng từ n sang p gọi là điện trường tiếp xúc. Điện thế tạo bởi điện trường này gọi là hàng rào thế năng (barrier potential)
Sự hình thành tiếp giáp p-n
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
pn junction: tiếp giáp p-n depletion region: Vùng nghèo barrier potential: Hàng rào thế năng
Tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng
I
• Điện trường tiếp xúc ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số (electron ở bán dẫn loại n; lỗ trống ở bán dẫn loại p)→giảm dòng khuếch tán, và tăng cường chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số→tăng dòng trôi. Khi dòng điện sinh ra bởi các hạt dẫn này bằng nhau (nhưng ngược chiều), thì tiếp giáp ở trạng thái cân bằng động.
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
• Ở trạng thái cân bằng động, tiếp giáp p-n có bề dày xác định (10-6m), điện trường tiếp xúc và hàng rào thế năng cũng có các giá trị xác định.
Mô hình vùng năng lượng của tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Các tham số của tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng
Hiệu điện thế tiếp xúc
xn
V
2
2 xN pA
xN nD
q 2
Edx xp
I
A
ln
V 0
V T
NN D 2 n i
xp: Độ rộng vùng nghèo về phía p xn: Độ rộng vùng nghèo về phía n ε=11,8ε0=11,8.8,85.10-14(F/cm): Hằng số điện môi của chất bán dẫn
Điện trường tiếp xúc
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
A
KT
ln
E 0
NN D 2 n i
Tiếp giáp p-n phân cực thuận
• Tiếp giáp p-n được phân cực thuận khi đặt một điện áp một chiều có cực dương nối vào bán dẫn p và cực âm nối vào bán dẫn n
• Điện áp phân cực (Vbias) phải
lớn hơn hàng rào thế
năng.
• Điện trường ngoài ngược hướng với điện trường tiếp
I
xúc, nên làm giảm điện trường tiếp xúc. Etx=E0-Eng
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Tiếp giáp p-n phân cực thuận • Điện trường ngoài hướng từ p sang n, làm các electron ở bán dẫn n tiến tới tiếp giáp p-n, đây là hiện tượng “phun” hạt dẫn vào vùng nghèo, làm điện trở vùng nghèo giảm xuống nhanh chóng
• Điện trường ngoài làm tăng dòng khuếch tán và giảm dòng
trôi
• Điện trường ngoài làm giảm độ rộng vùng nghèo, làm giảm
I
điện trường tiếp xúc và làm giảm hàng rào thế năng
• Khi tiếp giáp p-n được phân cực thuận, có dòng điện từ bán
dẫn p sang bán dẫn n, gọi là dòng phân cực thuận.
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Tiếp giáp p-n phân cực ngược
• Tiếp giáp p-n được phân cực ngược khi đặt một điện áp một chiều có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫn p
• Điện trường ngoài cùng hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm tăng cường điện trường tiếp xúc. Etx=E0+Eng
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Tiếp giáp p-n phân cực ngược • Điện trường ngoài hướng từ n sang p làm cho các hạt dẫn điện đa số (electron ở bán dẫn n, lỗ trống ở bán dẫn p) càng rời xa tiếp giáp p-n, làm cho độ rộng của vùng nghèo tăng lên, điện trở của vùng nghèo cũng tăng lên nhanh chóng
• Điện trường ngoài
làm giảm dòng khuếch tán và tăng
dòng trôi (dòng trôi rất nhỏ so với dòng khuếch tán)
I
• Khi tiếp giáp p-n được phân cực ngược, chỉ có dòng điện
ngược (rất nhỏ) qua tiếp giáp p-n.
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Dòng điện ngược và hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p-n
• Dòng điện ngược là dòng dịch chuyển có hướng của hạt mang điện thiểu số (electron trong bán dẫn p, lỗ trống trong bán dẫn n) dưới tác dụng của điện trường ngoài • Dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài μA) và nhanh chóng bão
hào khi tăng điện áp phân cực ngược
I
• Nếu tiếp tục tăng điện áp phân cực ngược đến một mức nào đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng, dòng ngược tăng đột biến.
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận • Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận là dòng chuyển dời có hướng của các hạt dẫn điện đa số: I=IP+IN Dòng khuếch tán lỗ trống
I
qSD p Np
p
I
L P V V T exp 1
Dòng khuếch tán điện tử
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
p
n qSD n
N
I
S: tiết diện tiếp giáp p-n Dp;Dn: hệ số khuếch tán của lỗ trống, electron pN: nồng độ lỗ trống khuếch tán từ p sang n nP: nồng độ electron khuếch tán từ n sang p LP: độ dài khuếch tán của lỗ trống LN: độ dài khuếch tán của electron V: điện áp phân cực thuận VT: thế nhiệt
L N V V T exp 1
Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận
p
qSD n p Np qSD n
N
P
I I I
N
I
L L P V V T exp 1
0
I I
Với:
SqD
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
p Np
n Pn
I
Dòng điện ngược bão hòa
0
L
p
SqD L n
V TV exp 1
Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực ngược
• Dòng điện ngược bão hòa là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện thiểu số: Ing=Ingp+Ingn
SqD
p Np
n Pn
I
I
ng
L
p
SqD L n
D
I
qS .
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
ng
p NL p
D
D n NL n
A
2. n i
Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
Xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm: - Mắc các đồng hồ đo dòng điện và điện áp như hình vẽ
I
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
I
Đặc tuyến V-A là quan hệ giữa dòng điện qua Điốt và điện áp đặt vào các cực của Điốt
I
I
0
V TV
exp
1
Y T I S R E V N U G N A R T A H N
Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn
• Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn chia thành ba
phần rõ rệt.
– Vùng phân cực thuận: Khi 0 I – Vùng phân cực ngược: Khi UAK<0, dòng ngược bão hòa rất nhỏ (cỡ vài chục nA đến vài μA) Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N – Vùng đánh thủng: Dòng điện ngược tăng đột biến khi
điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủng
• Từ đặc tuyến V-A ta thấy Điốt là linh kiện chỉ
dẫn điện theo một chiều khi nó được phân cực
thuận. Người ta còn nói Điốt có tính chất Van 0 I I I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N V
TV
1
exp
Từ công thức trên cho thấy
dòng điện qua điốt phụ
thuộc vào nhiệt độ thông
qua VT và phụ thuộc vào
dòng bão hòa ngược I0
Dòng bão hòa ngược phụ
thuộc mạnh vào nhiệt độ
với mức xấp xỉ tăng gấp đôi
khi nhiệt độ tăng 10oC; hay
-2,1mV/oC (Si);
-2,3mV/oC
(Ge) Các tham số của Điốt bán dẫn U R0th< 0
R AK
I I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N AK r
i U
AK
I dU
dI Các tham số của Điốt bán dẫn I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Mô hình Điốt lý tưởng (Ideal model): Điốt tương đương với một công tắc:
– Công tắc đóng khi Điốt phân cực thuận
– Công tắc hở khi phân cực ngược I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Mô hình Điốt thực tế (Practical model): Giống như mô
hình lý tưởng nhưng tính đến ảnh hưởng của hàng rào
thế năng (0,7V đối với Si và 0,2V đối với Ge)
– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng) và công tắc đóng – Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Mô hình Điốt hoàn chỉnh (Complete model): Là mô hình
kể đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng VF, điện trở
thuận r’d (rất nhỏ) và điện trở ngược r’R (rất lớn)
– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng), một công tắc đóng và điện trở thuận r’d – Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở và điện trở ngược I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Mô hình Điốt hoạt động ở tần số cao: – Khi điốt hoạt động ở tần số cao, thì phải tính đến ảnh
hưởng của các tụ ký sinh (tụ khuếch tán Cd và tụ tiếp
giáp p-n Cj) I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Điốt chỉnh lưu (rectifier diode): Dựa trên tính
chất dẫn điện theo một chiều của điốt để chỉnh
lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Các mạch ghim (hạn chế điện áp) I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N của điốt. Dùng để ổn định điện áp • Khi được phân cực thuận, điốt Zener cũng giống như
điốt bình thường, khi phân cực ngược thì nó chỉ làm việc
ở trạng thái đánh thủng. I • Điốt Zener được chế tạo từ hai lớp bán dẫn được pha
tạp rất mạnh (nên điện áp đánh thủng thường nhỏ hơn
điốt thông thường) Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Điốt xung : Điốt làm việc với các xung điện áp (dòng
điên), tương tự như một khóa điện tử, đóng mở mạch
• Điốt Schottky: Là điốt có thời gian phục hồi trạng thái
đóng, ngắt nhanh, điốt schottky sử dụng tiếp xúc bán
dẫn-kim loại I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Điốt biến dung (Varicap): Là điốt làm việc như một
tụ điện, với điện dung của phần tiếp giáp p-n thay đổi
theo điện áp phân cực cho điốt I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N I Y
T
I
S
R
E
V
N
U
G
N
A
R
T
A
H
N • Điốt cao tần (Điốt tách sóng): Nguyên lý làm việc
giống như điốt chỉnh lưu, nhưng tần số làm việc rất cao,
thường dùng trong mạch tách sóng của máy thu thanhSự phụ thuộc của đặc tuyến V-A vào
nhiệt độ
Điện trở tĩnh: Là điện trở của tiếp giáp p-n khi có điện
áp một chiều cố định đặt vào các cực của Điốt.
Điện trở động: Là điện trở của của tiếp giáp p-n khi làm
việc với điện áp biến đổi. Hay nói cách khác là điện trở tức
thời của tiếp giáp
Điện dung của Điốt: Là điện dung của lớp điện tích
không gian ở trạng thái cân bằng hoặc khi phân cực ngược.
Điện áp ngược cực đại Ungmax: Là điện áp ngược tối
đa mà Điốt còn làm việc bình thường, thường Ungmax=0,8Udt
Dòng thuận cực đại Imax: Là dòng điện thuận tối đa mà
Điốt còn hoạt động bình thường
Khoảng nhiệt độ làm việc: Là khoảng nhiệt độ mà
Điốt còn làm việc bình thường. Đối với Điốt Si là từ -60 đến
150oC; Điốt Ge là -60 đến 85oC
Các tham số của Điốt thường được cho
ở Datasheet của hãng sản xuất
Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
Các sơ đồ tương đương của Điốt
bán dẫn
Phân loại và ứng dụng của điốt
Ứng dụng của điốt
Phân loại và ứng dụng của điốt
• Điốt Zener : Dựa trên hiện tượng đánh thủng về điện
Sơ đồ tương đương của điốt Zener
ZZ: Trở kháng
(Impedance) của điốt
Zener
Ứng dụng của điốt Zener
Ổn định điện
áp một chiều:
Khi tải thay đổi:
Uod=Uz
Ứng dụng của điốt Zener
Ổn định điện
áp một chiều:
Khi điện áp
nguồn vào thay
đổi: Uod=Uz
Phân loại và ứng dụng của điốt
Phân loại và ứng dụng của điốt
Phân loại và ứng dụng của điốt
• Điốt xuyên hầm (tunnel): Điốt làm việc dựa
trên hiệu ứng xuyên hầm. Có khả năng dẫn điện
theo cả chiều thuận và chiều ngược
