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

VÝ dô

VÝ dô 2-1: PDmax = 500mW ë nhiÖt ®é 250C. ¡

PDmax =

4mW/0C Hhy x¸c ®Þnh PDmax ë nhiÖt ®é 1000C.

Theo c«ng thøc (2-63) sÏ cã:

Gi¶i: • PDmax (1000C) = 500mW - 4mW/0C x (1000C - 250C) =

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 cña §iot

• - §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

C¸c tham sè chÝnh cña §iot Zener

- 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 ; ¡

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:

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

§iot biÕn dung (Varicap hoÆc Varactor)

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

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

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

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

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

Diode Bridge

47/72

Diode Bridge

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

ChØnh l−u c¶ chu kú cã ®iÓm gi÷a

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

ChØnh l−u nh©n ®iÖn ¸p

• 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

Voltage Doubler

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

M¹ch nh©n ®iÖn ¸p n lÇn

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

72/72