Lession 3 : Diode
☺
1/72
Nội dung
• CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc cña §iot b¸n dÉn • C¸c tham sè chÝnh cña §iot b¸n dÉn • S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña §iot b¸n dÉn • Mét sè øng dông phæ biÕn cña §iot b¸n dÉn
2/72
Tiếp giáp PN
3/72
4/72
Dòng khuếch tán Ikt
• Do chªnh lÖch nång ®é h¹t dÉn gi÷a hai phÝa cña khu vùc mÆt ghÐp PN: pp >> pn vµ nn >> np nªn x¶y ra qu¸ tr×nh khuyÕch t¸n lç trèng tõ b¸n dÉn P sang b¸n dÉn N vµ ®iÖn tö tõ N sang P t¹o thµnh dßng khuyÕch t¸n Ikt
• Ikt = Ipkt + Inkt : dßng cña h¹t dÉn ®a sè
5/72
ðiện thế tiếp xúc Utx
6/72
7/72
Utx
n
ln
ln
=
=U tx
KT q
KT q
n n
• Do tån t¹i líp ®iÖn tÝch kÐp Q, h×nh thµnh mét ®iÖn thÕ tiÕp xóc Utx t¹i vïng tiÕp gi¸p. Gi¸ trÞ Utx tÝnh theo c«ng thøc sau:
P p P n
p
• Víi chÊt b¸n dÉn
Utx @
Ge:
Si:
Utx @
0,7V
0,3V • Itr«i = In tr«i + I p tr«i : dßng cña h¹t dÉn thiÓu sè • IS = Ikt - I tr«i = 0 : ?
8/72
Phân cực cho diode
9/72
10/72
Figure 1: Closeup of a diode, showing the square shaped semiconductor crystal
Figure 3: Structure of a vacuum tube diode
Figure 2: Various semiconductor diodes. Bottom: A bridge rectifier
11/72
Light Emitting Diode
12/72
13/72
Ph©n lo¹i diode
14/72
ðặc tuyến V-A
15/72
ðặc tuyến V-A
U D mU
T
• I=Is[exp( ) -1] • UD : ñiện áp ñặt vào ñiốt D • UT : thế nhiệt (=KT/q) • Is : dòng ñiện ngược bão hòa • m : hệ số tỷ lệ (1÷2) • K=1,38.10-23J/oK • q= 1,6.10-19 C • rD =m.UT/ID
16/72
ðặc tuyến V-A
17/72
• §iÖn ¸p më cña §iot Ge nhá h¬n so víi §iot Si:
UD0 = 0,3V (Ge) UD0 = 0,7V (Si)
• §iot Si cã ®iÖn ¸p ng−îc ®¸nh thñng lín h¬n §iot Ge, (§iot Si gi¸ trÞ nµy cã thÓ ®¹t tíi 1000V cßn §iot Ge chØ cì kho¶ng 400V.)
• §iot Si cã d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc lín h¬n §iot Ge (nhiÖt ®é cùc ®¹i cña §iot Si cã thÓ ®¹t tíi 2000C cßn ®èi víi §iot Ge lµ kh«ng qu¸ 1000C).
• Dßng ng−îc cña §iot Si nhá h¬n nhiÒu so víi §iot Ge
IS (Si) < 18/72 ¶¶¶¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é lªn ®Æc tuyÕn cña §iot ID(mA) 20 100oC 25oC -75oC 15 10 5 UD(V) 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0,3 0,5 0,7 0,1m A 25oC -75oC 100oC 19/72 20/72 • §èi víi §iot b¸n dÉn, cø t¨ng nhiÖt ®é thªm 100C dßng
IS sÏ t¨ng gÊp ®«i (®iÒu nµy sÏ kh«ng tèt, ®Æc biÖt ®èi
víi §iot lo¹i Ge).
VÝ dô ë 250C, IS » 1m A th× ë 1000C, IS > 0,1mA • NhiÖt ®é t¨ng, ®iÖn ¸p ng−îc ®¸nh thñng t¨ng
• NÕu gi÷ dßng ID thuËn kh«ng ®æi th× ®iÖn ¸p trªn §iot
sÏ ph¶i gi¶m ®i khi nhiÖt ®é t¨ng (ng−êi ta nãi hÖ sè
nhiÖt - ®iÖn ¸p lµ ©m) vµ b»ng kho¶ng: = mV2 - 0 K U
δ
D
T
δ = const I
D 21/72 C¸c tham sè chÝnh cña §iot b¸n dÉn • C¸c tham sè giíi h¹n
• C¸c tham sè ®iÖn
• C¸c tham sè c¬ khÝ
• C¸c hä ®−êng cong ®Æc tuyÕn cña tham sè ®iÖn
• www.datasheetcatalog.com 22/72 C¸c tham sè giíi h¹n 23/72 C¸c tham sè ®iÖn 24/72 C¸c hä ®−êng cong ®Æc tuyÕn cña tham sè ®iÖn 25/72 PDmax = 4mW/0C
Hhy x¸c ®Þnh PDmax ë nhiÖt ®é 1000C. Theo c«ng thøc (2-63) sÏ cã: 500mW - 300mW = 200mW. • Nh− vËy khi nhiÖt ®é t¨ng tõ 250C lªn 1000C c«ng suÊt
tiªu t¸n cùc ®¹i cña §iot gi¶m ®i chØ cßn 200mW (gi¶m
®i 2,5 lÇn). 26/72 • - §iÖn trë mét chiÒu: D R = D U
I D • - §iÖn trë xoay chiÒu rD: hay cßn gäi lµ ®iÖn trë ®éng, ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®¹o hµm t¹i ®iÓm Q: D D ≡ =r
D dU
dI D U
∆
I
∆
D 1 U
D
mU U
D
mU T T ) e I= = = I (e S S S (
I+I
D S 1
mU 1
mU T
=1+
I
D
I
S mU 1
r dI
D
dU d
dU D D D T T
I=1)-
27/72 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña ®iot • §iot lý t−ëng ID K A DLT 0 UD • D fi fi DLT nÕu:
Umth >> UD0
Rt + Rth >>rD
fmax cña §iot >> fth fi fi 28/72 29/72 30/72 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng ë tÇn sè thÊp 31/72 32/72 Diode Zener 33/72 • • • • - UZ: §iÖn ¸p danh ®Þnh - lµ ®iÖn ¸p trung b×nh tiªu biÓu cña §iot
Zener ë vïng lµm viÖc. Th«ng th−êng ®èi víi c¸c lo¹i §iot Zener
UZ n»m trong kho¶ng tõ 1,8V ®Õn 200V, c«ng suÊt tiªu t¸n ë chÕ
®é Zener tõ 0,25W ®Õn 50W
- IZ min: Dßng ®iÖn tèi thiÓu - lµ dßng ®ñ ®Ó §iot duy tr× ®−îc ë
chÕ ®é Zener.
- IZ max: Dßng ®iÖn tèi ®a cho phÐp - nÕu I > IZ max §iot sÏ chuyÓn
sang vïng ®¸nh thñng vÒ nhiÖt, tiÕp gi¸p bÞ nãng côc bé vµ §iot
bÞ ph¸ huû kh«ng håi phôc ®−îc.
- IZ 0: Dßng danh ®Þnh - lµ dßng øng víi 1/4 c«ng suÊt cùc ®¹i vµ
®−îc tÝnh b»ng c«ng thøc + I I z max z min = I zo 2 34/72 rZ: §iÖn trë xoay chiÒu (®iÖn trë ®éng) • RZ: §iÖn trë tÜnh
•
• Z: HÖ sè æn ®Þnh z z z = = Z : dI
I dU
U z z R
r
z • TZ: HÖ sè nhiÖt - ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña ®iÖn ¸p UZ tÝnh b»ng % khi nhiÖt ®é thay ®æi 10C. Z = 100% 0
C%/ γ TZ x
) U
∆
(
T-TU
0 Z • PZ max: C«ng suÊt tiªu t¸n cùc ®¹i trªn §iot Zener PZ max = IZ maxUZ • IS: Dßng ng−îc bJo hoµ cùc ®¹i ¡ 35/72 Sơ ñồ tương ñương 36/72 ; IS = 10m A ; ¡ IZ max x rZ = 32mA x 8,5W = 272mV VËy ®iÖn ¸p trªn §iot Zener t¹i gi¸ trÞ dßng IZ max sÏ b»ng:
U’Z = UZ + IZ max rZ = 10V + 272mV = 10,272V b/ ¡ TZ ë nhiÖt ®é T = 650C: TZ (T - T0)] UZ (T) = UZ (T0) [1 + ¡
ë ®©y: T0 = 250C, T = 650C VËy UZ (650C) = 10V [1+ 0,072%/0C x (650C - 250C)] = 10,288V 37/72 38/72 e= C v A
d tx Trong ®ã: Cv lµ ®iÖn dung cña Varicap
lµ h»ng sè ®iÖn m«i cña chÊt b¸n dÉn A lµ diÖn tÝch mÆt c¾t ngang cña líp xóc PN
dtx lµ ®é réng cña líp tiÕp xóc
Gi¸ trÞ cña CV th−êng rÊt nhá, kho¶ng tõ 2pF ®Õn 100pF e 39/72 =f
0 p
2 1
LC tñ 40/72 Mét sè øng dông phæ biÕn cña §iot b¸n dÉn • ChØnh l−u
• H¹n chÕ
• æn ¸p 41/72 ChØnh l−u nöa chu kú • U0 = 0,318Um U0 = 0,318 (Um - UD0) I = o U
o
R
t 42/72 . §iot lµ lo¹i Si nöa chu kú ©m, chän §iot thÝch hîp m¹ch nµy. 220V x =2 310,2V =U
Vm 0,318 x 310,2V = 98,64V = U
0 = 98,64m = = I
0 U
0
R 98,64V
1K Ω t
= U 310,2V D ng 43/72 • UngD <=2Um 44/72 45/72 Ripple Full-wave ripple frequency is twice AC frequency 46/72 47/72 48/72 U0 = 0,636Um • §iÖn ¸p chØnh l−u:
• NÕu tÝnh ®−îc h¹ ¸p trªn §iot
U0 = 0,636 (Um - 2UD0) I = o U
o
R
t • Dßng chØnh l−u:
• §iÖn ¸p ng−îc ®Æt trªn §iot ë møc nöa chu kú ©m: UngD = Um 49/72 Có tụ lọc U0 » Um 50/72 Kh«ng cã tô läc Cã tô läc • C¸c tham sè cÇn chän §iot nh− sau:
I0(§iot) > I0(tÝnh to¸n)
Ungmax(§iot) > Um
Ungmax(§iot) > 2Um 51/72 • ë nöa chu kú d−¬ng tô C1 n¹p ®Õn gi¸ trÞ ®Ønh Um qua D1 (nÕu coi D1 lµ lý t−ëng) • ë nöa chu kú ©m D2 dÉn, D1 kho¸, nh− vËy C2 ®−îc n¹p ®Õn gi¸
trÞ b»ng tæng gi¸ trÞ ®iÖn ¸p trªn tô C1 vµ trªn thø cÊp cña biÕn ¸p 52/72 On negative half-cycle, D1 charges C1 to Vp.
On positive half-cycle D2 adds AC peak to Vp on C1
and transfers it all to C2. 53/72 54/72 M¹ch h¹n møc dïng §iot b¸n dÉn • C¸c kiÓu h¹n møc:
– H¹n chÕ møc d−íi
– H¹n chÕ møc trªn
– H¹n chÕ møc trªn vµ d−íi • Hai c¸ch m¾c §iot trong m¹ch: m¹ch nèi tiÕp vµ m¹ch song song 55/72 M¾c nèi tiÕp 56/72 57/72 58/72 M¾c song song 59/72 60/72 61/72 62/72 Mạch hạn chế 63/72 64/72 M¹ch dÞch møc (Clamper) • §iÒu kiÖn : 65/72 • VÝ dô 2-9: VÏ tÝn hiÖu ra ®èi víi m¹ch dÞch møc biÕt R = 100KW , C = 1m F, ftÝn hiÖu = 1000Hz. 66/72 M¹ch æn ¸p dïng §iot Zener 67/72 M¹ch kh«ng t¶i • VÝ dô 2-10: Cho m¹ch æn ¸p dïng §iot Zener kh«ng t¶i víi c¸c
th«ng sè sau: R0 = 1KW
, IZmin = 0,5mA, IZmax = 11,5mA, UZ =
10V. Coi §iot Zener lµ lý t−ëng, hhy t×m ®iÓm lµm viÖc Q øng
víi ®iÓm gi÷a cña vïng Zener. Hhy tÝnh ®iÖn ¸p ®Æt vµo cùc ®¹i
Emax, vµ cùc tiÓu Emin? TÝnh c«ng suÊt tiªu t¸n trªn §iot Zener t¹i
®iÓm lµm viÖc Q . • NÕu tÝnh tõ ®iÓm Q th× sù thay ®æi ®iÖn ¸p vµo vÒ 2 phÝa
sÏ ®−îc tÝnh b»ng mét nöa toµn bé l−îng thay ®æi trªn
tøc lµ b»ng = 5,5V vµ th−êng ®−îc viÕt D E = – 5,5V 68/72 M¹ch cã t¶i r
ZZ I+U+R +RI=E
Z 0 Z 0 r
ZZ I+U
Z
R t ( ) + +1RI=E
Z 0 +1U+
Z r
Z
Ro r
Z
R
t R
o
tR +1U+RI=E
0 Z Z R o
tR 69/72 . • VÝ dô 2-11: X¸c ®Þnh gi¸ trÞ cùc tiÓu vµ cùc ®¹i cña
®iÖn ¸p vµo: Emin, Emax nÕu biÕt IZmin = 1mA, IZmax =
15mA, UZ = 5V, rZ = 10W , R0 = 1KW , Rt = 1KW 70/72 Tãm t¾t ðIỐT BÁN DẪN 1. Khái niệm và phân loại
2. ðiot chỉnh lưu tần số thấp 5.2.1. Cấu tạo, tham số và ñặc tuyến
5.2.2. Mô hình tương ñương
5.2.3. Ví dụ ứng dụng 3. ðiốt Zener 3.1. Cấu tạo, tham số và ñặc tuyến
3.2. Ví dụ ứng dụng
4. ðiốt biến dung (Varicap) 4.1. Cấu tạo, tham số, ñặc tuyến
4.2. Ví dụ ứng dụng
5. Một số ñiốt ñặc biệt 5.1. Nguyên lý cấu tạo của ñiốt Tunen, Schottky, ñiốt PIN, ñiốt thác, ñiốt Gunn
5.2. Tính chất và ứng dụng của chúng 71/72 72/72VÝ dô
VÝ dô 2-1: PDmax = 500mW ë nhiÖt ®é 250C. ¡
Gi¶i:
• PDmax (1000C) = 500mW - 4mW/0C x (1000C - 250C) =
§iÖn trë cña §iot
C¸c tham sè chÝnh cña §iot Zener
VÝ dô 2-6: Cho §iot Zener 1N961 cã c¸c tham sè sau (ë nhiÖt ®é 250C):
UZ = 10V ; IZ min = 0,25mA ; IZ max = 32mA;
rZ = 8,5W
TZ = + 0,072%/0C;
a/ TÝnh ®iÖn ¸p trªn §iot t¹i gi¸ trÞ IZ max
b/ TÝnh ®iÖn ¸p trªn §iot ë nhiÖt ®é 650C
G : a/ Víi dßng IZ max = 32mA sÏ g©y nªn mét gia t¨ng ®iÖn ¸p trªn rZ lµ:
§iot biÕn dung (Varicap hoÆc Varactor)
VÝ dô 2-8: Cho m¹ch chØnh l−u nh− h×nh 2-74a.
UV = 220V; Rt = 1KW
TÝnh ®iÖn ¸p chØnh l−u U0, dßng chØnh l−u I0, ®iÖn ¸p ng−îc ®Æt trªn §iot ë
Diode Bridge
Diode Bridge
ChØnh l−u c¶ chu kú cã ®iÓm gi÷a
ChØnh l−u nh©n ®iÖn ¸p
Voltage Doubler
M¹ch nh©n ®iÖn ¸p n lÇn
(
)
(
)