Chương 4: DIODE

ThS. Nguyễn Bá Vương

4.1 Chất bán dẫn điện

Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể

• Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bị chiếm chỗ, không còn 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 không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0.

a) Chất cách điện b) chất bán dẫn c) chất dẫn điện

Chất bán dẫn thuần

• Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúc vùng năng lượng dạng với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV

Mẫu nguyên tử Si14 (theo BOHR)

electron ­

+P N n=1 n=3 n=2

Cấu trúc electron

a) Silicon-Si b) Germanium-Ge c) Gallium-Ga

d) Arsenic-As e) Indium-In

Silicon cấu tạo bền

•Tuy nhiên, dưới tác dụng nhiệt (hoặc ánh sáng, điện trường…), một số điện tử nhận được năng lượng đủ lớn hơn năng lượng liên kết cộng hoá trị ( năng lượng ion hoá 1.12 eV đối với Si và 0,6 eV đối với Ge) nên có thể bức khỏi sự ràng buộc nói trên để trở thành điện tử tự do và dễ dàng di chuyển trong mạng tinh thể  Si trở nên dẫn điện.

•Khi có 1 điện tử rời khỏi vị trí sẽ để lại tại đó một lỗ trống mang điện tích dương các lỗ trống di chuyển ngược chiều với điện tử tự do.

•Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng sinh tạo nhiệt cặp điện tử tự do – lỗ trống.

Chaát baùn daãn pha (dope)

• 1. Chaát baùn daãn loaïi n     Pha nguyeân töû hoaù trò 5 ( P15 )vaøo tinh theå

Si:

 P seõ duøng 4 ñieän töû voøng ngoaøi cuøng ñeå  lieân keát coäng hoaù trò vôùi 4 ñieän töû cuûa 4  nguyeân töû keá caän

 Coøn laïi 1 ñieän töû thöù 5 vì khoâng lieân keát  neân deã daøng di chuyeån trong maïng tinh theå  ñieän töû töï do  daãn ñieän.

 1 nguyeân töû P cho 1 ñieän töû töï do,Pha nhieàu  nguyeân töû P cho nhieàu ñieän töû  töï do hôn  doøng ñieän caøng maïnh .

Chất bán dẫn tạp chất loại n

electron dư (e tự do)

+4+4

+4+4

+4+4

+4+4

+5+5

+4+4

+4+4

+4+4

+4+4

Ngoaøi ra, trong ñieàu kieän nhieät ñoä

trong

2 i

. n p n

n

n(cid:0)

phoøng, coøn coù sinh taïo nhieät caëp ñieän töû – loã troáng nhöng vôùi noàng ñoä raát beù. Keát luaän : Chaát baùn daãn loaïi n coù: Ñieän töû töï do laø haït taûi ña soá maät ñoä nn, Loã troáng laø haït taûi thieåu soá , maät ñoä pn, Nguyeân töû P laø nguyeân töû cho, maät ñoä ND, Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng cho: nn = ND + pn    =    ND

2 i

=

p

n

n N Vaø:       D maät ñoä loã troáng thieåu soá trong chaát baùn daãn loaïi n cho bôûi:

Chaát baùn daãn pha

• 1. Chaát baùn daãn loaïi p     Pha nguyeân töû hoaù trò 3( B5 )vaøo tinh theå Si:  B seõ duøng heát 3 ñieän töû voøng ngoaøi cuøng  ñeå  lieân  keát  coïng  hoaù  trò  vôùi  3  ñieän  töû  cuûa 3 nguyeân töû keá caän

 Coøn  laïi  1  vò  trí  thieáu  vì  ñieän  töû    neân  xem  nhö coù ñieän tích döông  vaø caùc ñieän töû laân  caän  deã  ñeán  taùi  keát  vôùi  loã  troáng  cuûa  B  vaø  ñeå  laïi  ôûvò  trí  ñoù  loå  troâng  môùi  vaø  hieän  töôïng  treân  cöù  tieáp  dieãn  daãn  ñieänbaèng loã troáng.

 1  nguyeân  töû  B  cho  1  loã  troáng,Pha  nhieàu  nguyeân töû B cho nhieàu loã troáng hôn  doøng  ñieän caøng maïnh .

Chất bán dẫn tạp chất loại p

Lỗ trống

+4+4

+4+4

+4+4

+4+4

+3+3

+4+4

+4+4

+4+4

+4+4

p

2 i

=

p

n

n N

(cid:0)

Ngoaøi ra, trong ñieàu kieän nhieät ñoä trong phoøng, coøn coù sinh taïo nhieät caëp ñieän töû – loã troáng nhöng vôùi noàng ñoä raát beù. Keát luaän : Chaát baùn daãn loaïi p coù: Ñieän töû töï do laø haït taûi thieåu soá maät ñoä np, Loã troáng laø haït taûi ña soá , maät ñoä pp, Nguyeân töû P laø nguyeân töû nhaän, maät ñoä NA, n(cid:0) 2 . n p Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng cho: i p pp = NA + np        NA. Vaø: A maät ñoä ñieän töû tö ïdo thieåu soá trong chaát baùn daãn loaïi p cho bôûi:

4.2 Mặt ghép p-n và tính chỉnh

lưu của diode bán dẫn

II. Noái pn

1.Caáu taïo

p+

n+

1μm lôùp SiO 2

5μm

maøng moûng 10μm

n+ p

Giaù

(substrat

e)

Vùng tiếp xúc

P P P

N N N

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

- - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - -

Lỗ trống Lỗ trống Lỗ trống e tự do e tự do e tự do

­ ­

­ ­

­ ­

2.Caân baèng nhieät ñoäng • Do caùc haït taûi khueách taùn vaø taùi keát trong vuøng gaàn noái vuøng hieám (vuøng khieám khuyeát) hai beân noái ( vuøng khoâng coøn haït taûi di ñoäng maø chæ coøn caùc ion coá J ñònh ). Vuøng hieám Ei - + + - + + - + +

+ + + + + + + + +

- - ­ ­ - - ­ ­ - - ­ ­

- ­ - ­ - ­

- - -

VB       Raøo theá

Mối ghép kim loại Mối ghép kim loại

NaNa

NdNd

+ + + + + + + + + + ++

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - -

PP

+ + + + + + + + + + ++

nn

- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + ++

- - - - - - - - - - - -

+ + + + + + + + + + ++

Nhận ion Nhận ion

Space Charge Space Charge Region Region

Cho ion Cho ion

+ + + + + + + + + + ++

E-Field E-Field

__

__

++

++ h+ drift h+ drift

==

h+ diffusion h+ diffusion

e- diffusion e- diffusion

==

e- drift e- drift

• Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn >>np và pp >>pn) tại vùng tiếp xúc có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện 1 dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n.

• Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với các vùng còn lại), do đó đồng thời xuất hiện 1 điện trường nội bộ hướng từ vùng N (lớp ion dương ND) sang vùng P (lớp ion âm NA) gọi là điện trường tiếp xúc Etx .

• Người ta nói đã xuất hiện 1 hàng rào điện thế hay

một hiệu thế tiếp xúc Utx.

• Khi J=Jtr+Jkt = 0  caân baèng nhieät

ñoäng

D

=

ln

B

T

vaø raøo ñieän theá cho bôûi: V

V

• Ñieän tröôøng noäi ñaït trò nhaát ñònh Ei N N A 2 n i

• ÔÛ 300oK , VB = 0,7 V (Si) VB = 0,3 V (Ge) Vaäy noái pn khoâng daãn ñieän (I = 0) khi

chöa ñöôïc caáp ñieän ( phaân cöïc)

• Muoán noái pn daãn ñieän phaûi phaân cöïc baèng nguoàn caáp ñieän DC ñeå laøm giaûm raøo ñieän theá hay laøm heïp vuøng hieám.

Mặt ghép p-n khi có điện áp ngoài

Đặc tuyến Von –Ampe

IAK (mA)

1

IAK=+1mA

UAK (V)

2

U A K = + 0 , 2 8 (

U A K = + 0 , 5 1 (

3

V

V

)

)

Đường thẳng lấy điện

ID

­

+

VD

+

E

R

­

+ VR ­

=

I

I

D

-

V D . V T

� 0 exp � �

� 1 � �

h

=

+

E V RI D

D

Phương trình này xác định điểm làm việc của diode tức điểm điều hành Q, được gọi là phương trình đường thẳng lấy điện.

Đường thẳng lấy điện

=

=

E

0,

= + 0

,

E

=� I

V D

I R I R      D D

D

R

Trong trường hợp

=

+

=

0,

(0)

,

I

E

D

=     E V D

R V      D

=� V D

Trong trường hợp

2 điểm ID và VD trên trục tung và trục hoành của biểu đồ đường đặc tính VA. Nối 2 điểm này và cắt đường đặc tính VA của diode tại điểm Q. Khi đó ta có VDQ và IDQ.

4.3 Diode trong mạch điện một chiều

Khi E < VK, khi đó diode phân cực nghịch

ID

+

­

­

VD=E

+

ID

VD

ID

+

E

R

R

+ E ­

+ VR ­

­

+ VR ­

• ID = IR = 0mA ; VR = R.IR = 0V ; VD = E - VR = E

Khi E > VK, diode phân cực thuận, mạch được xem mạch kín

ID = IR = E/R (mA) ; VR = E ; VD = 0

ID

+

­

­

+

VD=0

VD

ID

ID

ID

ID

+

E

R

R

­

+ VR ­

+ E ­

+ VR=E ­

4.4. Diode trong mạch điện xoay chiều – Mạch chỉnh lưu

giá trị trung bình và giá trị hiệu dụng

•

T

S

v t dt ( ).

= (cid:0)

0

Một cách tổng quát, tổng đại số diện tích trong một chu kỳ T của một sóng tuần hoàn v(t) được tính bằng công thức:

T

=

v t dt ( ).

• Do đó giá trị trung bình được tính bằng công thức:

DCV

1 T

0

(cid:0)

Dạng sóng

Trị trung bình

V(t)

+

S

S 1

2

=

=

S1

V

0

DC

0

1

t

T

S2

T

V(t)

+

S

S 1

2

S1

=

<

0

V

0

3

DC

t

T

S2

T

V(t)

+

S

S 1

2

=

>

V

S1

0

DC

0

2

S2

t

T

T

Dạng sóng

Trị trung bình

Giá trị hiệu dụng

•

T

2

=

I

i

t dt ( ).

là trị số đương của dòng điện một chiều IDC mà khi chạy qua một điện trở R trong một chu kì sẽ có năng lượng tỏa nhiệt bằng nhau.

rms

1 T

0

T

=

2 v t dt ( ).

(cid:0)

rmsV

1 T

0

(cid:0)

Trị trung bình và hiệu dụng

Dạng sóng

=

V

0

DC

V(t) +VMax

V

=

t

0

V

rms

1

Max 2

­VMax

Max

=

=

V(t) VMax

V

0, 637

DC

V M

ax

V 2 p

2

V

=

V

rms

t

0

Max 2

=

=

V

0,318

DC

V M

ax

V(t) +VMax

V Max p

t

0

V

3

=

V

rms

Max 2

Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)

Vi(t) +VMax

t

0

­VMax

ID

­

+

VD

AC

RL

Vi(t)

+ VR ­

VRL Vdcm

t

0

=

=

V

V 0,318.

DC

dcm

V dcm p

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

V1

AC

V2

(a)

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

D1 + -

Vo Vdcm

RL

t

AC

0

-

+ Vo

D2

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

Vo Vdcm

t

0

=

=

V

2

V 0, 637.

DC

dcm

V dcm p

Chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode

D1 D2

AC

D4 D3

VOut

=

=

V

2

V 0, 637.

DC

dcm

V dcm p

Chỉnh lưu với tụ lọc

VL(t)

VdcMax

Vr(p­p)

Vdcmin 0,637VdcMax

V

V

V

DC

dcMax

r(p p) 2

t

0

T/2

T

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

dcMax nên đi n th  trung bình t

ố ệ ế ố ệ ế ỉ i đa là V ể i thi u là:

=

=

V

V

0,837

dc

dcMax

V 2 dcMax p

Do đi n th  đ nh t Vdcmin=VdcMax­Vr(p­p) ắ ụ ư Khi ch a m c t ị  C vào, giá tr  trung bình là:

=

ụ ọ Khi có t l c C:

V

V

dc

dcMax

r p p

min

V - (

)

-

ở ị Nên giá tr  trung bình ngõ ra:

V

)

(

=

V

V

DC

dcMax

r p p 2

- -

Hệ số sóng dư: (ripple factor)

VL(t)

VL(t)

VL(t)

Sóng dư

t

0

VdcMax VDC

VDC

t

t

0

0

VL(t)

VL(t)

t

t

0

0

Vr(p­p)

Vr(p­p)

Chu k  ỳ =T/2

Chu k  ỳ =T/2

V

V

)

)

( r p p

V

)

=

=

r

%

.100%

=

V

)

( r ms

r

( r ms V

DC

2 3

( r ms V

DC

-

Mạch cắt (Clippers)

Mạch cắt nối tiếp

Dạng sóng đầu vào VIn Dạng sóng đáp ứng (đầu ra VOut)

Mạch cắt (Clippers)

+

R

VIn(t)

VOut(t)

D1

­

Mạch cắt song song

Dạng sóng đầu vào VIn Dạng sóng đáp ứng (đầu ra VOut)

Mạch cắt Mạch có phân cực

+

R

VIn(t) +16V

D1

VIn(t)

VOut(t)

t

0

V=4V

­16V

­

Mạch ghim áp (Mạch kẹp - Clampers)

C

+

VIn(t)

+VMax

t

VIn(t)

VOut(t)

0

R

D1

T/2

T

­

­VMax

VOut(t)

t

0

T/2

T

­2V

Mạch dùng diode Zener

IR

IL

I Z

R

VIn

RL

VOut(t)

VZ

Z1

Diode zener với điện thế ngõ vào vi và tải RL cố định - Xác định trạng thái của diode zener bằng cách tháo rời diode zener ra khỏi mạch và tính hiệu thế V ở hai đầu của mạch hở.

= V V In

R L + R R L

= V V In

R L + R R L

* Nếu V≥Vz diode zener dẫn điện V⇒ Out=Vz

=

V Z

V = In

I

L

I

R

R

V Z R L

- Khi dẫn điện, dòng điện IZ chạy qua diode zener được xác định bởi: IZ=IR-IL Trong đó:

IZ

R L R R+

L

⇒ VOut=Vz; IZ=0; IR=IL=

Mạch chỉnh lưu bội áp

ạ

ư ữ

ạ

ỉ

M ch ch nh l u n a sóng

M ch ghim áp C1

D1

C2

VOut=2Vm

VOut

D1

Vm

AC

VOut +Vm

+Vm

Vm(t) +Vm

0

t

t

0

t

0

­Vm

­Vm

­Vm

­2Vm

­2Vm

D1

C1

AC

Vm

VOut=2Vm

RL

C2

D2 Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế 2 bán kỳ

Kiểm tra diode