Bài giảng điện tử cơ bản - Chương 4

CH

NG IV:

ƯƠ

Ệ

CH T BÁN D N ĐI N Ẫ Ấ DIODE BÁN D NẪ

Ệ Ự

Ụ ọ

ấ

ẫ ặ

- t s d ng các lo i diode trong các m ch đi n t ạ ạ ệ ử

M C TIÊU TH C HI N: H c xong bài này h c viên có kh năng: ả ọ - Hi u đ c c u trúc v t lý c a các ch t bán d n. ủ ậ ể ượ ấ - N m v ng b n ch t v t lý s hình thành và đ c ự ữ ắ ấ ậ ả tr ng c a ti p giáp p-n – ph n t c b n c a các ầ ử ơ ả ủ ủ ế ư linh ki n bán d n. ẫ ệ Bi ế ử ụ ch c năng. ứ

Ấ

Ẫ ấ

1. a. ặ ệ

ẫ

I. CH T BÁN D N ĐI N Ệ Đ c tính c a ch t bán d n ẫ ủ Đi n tr su t ở ấ Hai ch t bán d n thông d ng là Silicium và ấ

ệ ở ấ

b.

nhi ng c a nhi ủ ấ ệ ộ ổ ấ ớ ở ủ ệ ấ

ụ Germanium có đi n tr su t là: ρSi = 1014 Ωmm2/m ρGe = 8,9.1012 Ωmm2/m nh h t đ ưở ệ ộ Ả Đi n tr c a ch t bán d n thay đ i r t l n theo ệ ẫ ở ủ t đ , khi nhi t đ tăng cao thì đi n tr c a ch t ệ ộ bán ả d n gi m xu ng. ẫ ố

ưở ủ

i, c. nh h Ả ấ ẫ ở ấ ớ ị

Ch t bán d n có tr s đi n tr r t l n khi b che t ố khi có ánh sáng chi u vào thì đi n tr gi m xu ng. ng c a ánh sáng ị ố ệ ế ở ả ệ ố

t ế

d. nh h Ả ộ ẫ

ng c a đ tinh khi ưở ố ư

ở ủ ệ

ả ẫ ở ả ấ ố ỉ ệ ệ ệ

ủ ộ t có đi n tr r t M t kh i ch t bán d n tinh khi ở ấ ấ ệ ế r t th p các l n, nh ng n u pha thêm vào m t t l ấ ộ ỉ ệ ấ ế ớ ch t thích h p thì đi n tr c a ch t bán d n gi m ấ ợ xu ng rõ r t. T l pha càng cao thì đi n tr gi m càng nh .ỏ

2. Ch t bán d n thu n ầ ẫ ấ

ẫ ầ

Tinh th silicon là m t bán d n thu n n u nh ư ộ trong tinh th đ u là nguyên t ể ề ế ử ể ử

m i nguyên t ọ Silicon.

t t o ượ ệ ạ

ộ ặ

ệ ử ự t t do và l c g i là h t ng nhi Trong ch t bán d n thu n, năng l ầ ẫ tr ng b ng nhau. ằ ỗ ố ng đ tr ng th ượ ọ do và l ỗ ố ườ ạ

ấ ra m t c p đi n t Đi n t ệ ử ự i đi n. ệ t ả

3. Ch t bán d n lo i N (Negative) ẫ ấ ạ

ấ

ẫ ng r t ít t p ch t nguyên t ố ạ ấ ấ ấ ẳ

ế

ng nh cũng giúp đi n t này thoát kh i ượ ỏ

ỏ t p ử ạ ự

ng.

• Khi pha thêm vào ch t bán d n nguyên ch t m t ộ l nhóm 5 ch ng h n ạ ượ pha arsenic (As) vào Ge, phosphorus (P) vào Si thì c a v ngoài cùng c a nguyên t trong s 5 đi n t ử ủ ệ ử ủ ỏ ố tham gia liên k t hóa tr t p ch t P thì có 4 đi n t ị ệ ử ấ ạ v i các nguyên t lân c n. Đi n t th 5 liên k t y u ế ế ệ ử ứ ậ ử ớ xung quanh, ch h n v i h t nhân và các nguyên t ơ ỉ ử ớ ạ m t năng l ệ ử ộ ràng bu c và tr thành electron t do, nguyên t ở ch t tr thành ion d ộ ấ ở ươ

ấ

ấ

ư ậ ạ ấ

ấ

ọ

ấ  Vì đi n t

 Nh v y t p ch t nhóm V cung c p đi n t ệ ử cho ch t bán d n nguyên ch t nên g i là t p ạ ẫ ch t cho (donor). ệ ử

tr ng là h t ạ ọ

ố ỗ ố ạ

ể ố

d n thi u s nên ch t bán d n lo i này g i là ẫ bán d n đi n t ẫ

là h t d n đa s , l ạ ẫ ẫ ấ - lo i n ạ

ệ ử

4. Ch t bán d n lo i P ( Positive) ạ ẫ ấ

ng ấ ẫ ượ

ạ

ủ

ạ

ế ố ỉ

ỉ ầ ỏ ộ ộ

ế ỉ

ứ ữ ẽ ế t p ch t tr ấ ở

ử ạ tr ng. • N u pha thêm vào ch t bán d n nguyên ch t 1 l ế ấ nhóm III [Indium (In) vào Ge, r t ít t p ch t nguyên t ố ấ ấ boron (B) vào Si], do l p v ngoài cùng c a nguyên t ử ỏ ớ t p ch t ch có 3 đi n t , khi tham gia vào m ng tinh ấ ệ ử ỉ ạ th ch có 3 m i liên k t hoàn ch nh còn liên k t th 4 ế ể ỉ ng nh , m t trong nh ng b h . Ch c n m t năng l ượ ị ở đi n t c a m i liên k t hoàn ch nh bên c nh s đ n ố ạ ệ ử ủ th vào liên k t b h này. Nguyên t ế ỏ ở ế thành ion âm t c là xu t hi n 1 l ỗ ố ấ ứ ệ

ệ ử tr ng,

ỗ ố

c g i là t p ch t nh n (acceptor)

ấ

ậ

là h t

ỗ ố

ạ

ố

ể ố

tr ng – lo i p

 Nh v y t p ch t nhóm III nh n đi n t ư ậ ạ ậ ấ ch t c b n đ s n sinh các l t ể ả ừ ấ ơ ả nên đ ạ ượ ọ  Vì l tr ng là h t d n đa s , đi n t ệ ử ạ ẫ d n thi u s nên ch t bán d n lo i này ạ ấ ẫ g i là bán d n l ẫ ỗ ố ọ

ẫ ạ

II. DIODE BÁN D NẪ 1. C u t o ấ ạ •

ớ

ẫ

ấ ạ ồ

ạ

ố ế

ớ

ạ ả

ộ ủ

ộ

t. ệ

•

ề ỗ ố

ạ

ạ

ớ

tr ng, vùng do. Khi hai vùng ti p xúc v i ế vùng N qua m i n i sang vùng ố ố

Diode bán d n có c u t o g m hai l p bán d n lo i P ạ ẫ và lo i N ghép n i ti p nhau t o thành m t m i n i P- ạ ố ố N. M i n i này nh y c m v i tác đ ng c a đi n, ệ ố ố quang, nhi Trong vùng bán d n lo i P có nhi u l ẫ lo i N có nhi u e t ự ề nhau s có m t s e t ộ ố ừ ẽ P tái h p v i l tr ng. ợ

ớ ỗ ố

 Trong vùng N

ở

ệ

g n m i n i b m t e thì s ẽ ố ố ị ấ ở ầ tr thành mang đi n tích d ng), ng (ion d ươ ệ ươ g n m i n i nh n thêm e tr thành vùng P ở ậ ố ố ở ầ ng này mang đi n tích âm (ion âm). Hi n t ệ ượ ệ i khi đi n tích âm c a vùng P đ ti p di n t ủ ủ ễ ớ ế l n đ y không cho e t vùng N sang n a.. ẩ ớ

ữ

ừ

S chênh l ch v đi n tích

hai bên m i

ề ệ

ệ

ở

ố

nh v y g i là hàng rào đi n áp.

ự n iố ư ậ

ệ

ọ

KÍ HI U VÀ HÌNH D NG C A DIODE

Ủ

Ạ

Ệ

ể ủ

ậ a. Phân c c ng

c Diode

2. Nguyên lý v n chuy n c a Diode ượ

ự

ồ ẽ ỗ ố ủ

ủ

ươ tr ng và e ỗ ố

ng tái • Khi đó đi n tích âm c a ngu n s hút l tr ng c a ủ ng c a ngu n s hút e c a ủ ồ ẽ hai bên m i n i ố ố ở ả ệ ượ

ệ vùng P, đi n tích d ệ vùng N làm cho l càng xa nhau h n nên không x y ra hi n t ơ h p gi a e và l tr ng. ỗ ố ữ ợ

 Tuy nhiên, trong tr

ng h p này v n có 1

ợ

ệ ấ

dòng

ả

ệ ệ ỉ

i thi u s gây ra.

ườ ẫ dòng đi n r t nh ch y qua D v i tr s ớ ị ố ỏ ạ kho ng vài nA. Dòng đi n này g i là ọ S) phát sinh do bão hòa ngh ch (dòng đi n r - I ị s tái h p gi a các h t t ữ ự

ể ố

ạ ả

ợ

b. Phân c c thu n Diode ự ậ

ng c a ngu n s đ y các l ệ ươ ồ ẽ ẩ ủ ỗ

Khi đó: Đi n tích d tr ngố

ệ ủ

ồ ẽ ẩ i g n m i n i h n, và khi l c tr ng và e l ủ ạ ầ ố ố ơ ỗ ố ự

ừ

c a vùng P, đi n tích âm c a ngu n s đ y e c a vùng N ủ làm cho l đ yẩ tĩnh đi n đ l n thì e t ệ ủ ớ vùng N qua m i n i sang vùng P ố ố

tái h p v i l tr ng. ớ ỗ ố ợ

ạ

ư ậ

ủ

ươ

ủ

ồ ạ

Nh v y đã có m t dòng e ch y liên t c t ộ ụ ừ c c âm c a ngu n, qua vùng N, sang vùng ồ ự P, v c c d ng c a ngu n, hay nói cách ề ự khác là có dòng đi n ch y qua D theo ệ chi u t

P sang N.

ề ừ

3. Đ c tuy n volt – Ampe c a diode

ủ

ế

ặ

c, ng Khi PCT Diode v i ngu n bi n đ i đ ớ ổ ượ ườ

ồ ệ i ta D trên hai chân A- K

ế đo dòng đi n Iệ D qua D và đi n áp V thì th y:ấ

ư ệ

ớ ắ ầ ệ • Khi VDC = 0 thì ch a có dòng đi n qua Diode. • Khi VDC = Vγ thì m i b t đ u có dòng đi n

qua Diode.

Dmax trên

ằ ằ • Khi D d n đi n thì đi n áp c c đ i V Vγ = 0,6 - 0,7V v i Diode làm b ng Si. ớ Vγ = 0,2 - 0,3V v i Diode làm b ng Ge. ớ ệ ự ạ ệ ẫ

Diode là:

ằ

ằ VDmax = 0,8 ÷ 0,9V v i Diode làm b ng Si. ớ VDmax = 0,4 ÷ 0,5V v i Diode làm b ng Ge. ớ

ng Vγ thì dòng

ượ

ưỡ

ố

c tính b ng công th c:

• Sau khi v t qua đi n áp ng ệ đi n qua D s tăng lên theo hàm s mũ và ẽ ệ đ ằ ượ

ứ

Vq . D TK .

=

I

I

.(

e

)1

D

S

ệ

-23 J/K

q = 1,6. 10-19 Culông VD: đi n áp trên D (V) K: h ng s Bônzman K = 1,38. 10 ố ằ t đ tuy t đ i (0K) T: nhi ệ ố ệ ộ IS: dòng bão hòa ngh ch (A) ị 250C = 2980K

-

=

• Th s vào ta đ c công th c d ng đ n gi n: ế ố ượ ứ ạ ả ơ

I

I

V D e .( 26 mV

)1

D

S

VD >> 1 nên: mV

-

e 26 V 26

D mV

• Khi PCT : VD > Vγ thì

I

D

.= eI S

VD << 1 nên: mV

e 26

• Khi PCN: VD< 0V thì

»

I

I

D

S

ố ỹ

g ấ ế ạ ể và VDmax

S

ệ ệ

ự ạ

Rmax ắ

Nh v y, m t diode có các thông s k thu t c n ư ậ ộ ậ ầ t khi s d ng là: bi ử ụ ế - Ch t bán d n ch t o đ có V ẫ - Dòng đi n thu n c c đ i I ậ ự ạ Fmax - Dòng đi n bão hoà ngh ch I ị - Đi n áp ngh ch c c đ i V ị Thí d : b ng tra các diode n n đi n thông d ng. ệ ụ ả ệ

Mã số

Ch tấ

IFmax

IS

ụ VRmax

1N4004

Si

1A

5m A

500V

1N4007

Si

1A

5m A

1000V

1N5408

Si

3A

5m A

1000V

a. Đi n tr m t chi u ề

ở ộ

ệ

D

R =

D

V I

D

b. Đi n tr đ ng

ở ộ

ệ

4. Đi n tr c a Diode ở ủ ệ

D

r D

=

trên th c t

r : D

ự ế

D »

V I

mV 26 ( I mA )

D

D

D

5. Hình d ng và cách ki m tra Diode

ể

ạ

HÌNH D NG M T S LO I DIODE

Ộ Ố Ạ

Ạ

b. Cách ki m tra Diode ể

Dùng đ ng h V.O.M thang đo Ω v i R×1 đ ki m ể ể ồ ồ ớ

tra Ch tấ Đi ntr ệ ở Đi n tr ngh ch ở ệ ị

thu nậ

Si Vài KΩ Vô c c Ωự

Ge Vài trămΩ Vài trăm KΩ

III. NG D NG C A DIODE

Ứ

Ủ

Ụ

1. M ch ch nh l u bán kỳ ư ạ ỉ

2. M ch ch nh l u c u ỉ

ư ầ

ạ

IV. PHÂN LO I DIODE 1. • ỉ

ư ườ cao h n và th ơ

• ư ặ

ư

• ấ

t p ch t ớ

ệ ư ọ ựơ ượ ệ

ng đ • ệ ổ ườ

Ạ Diode Zener Diode Zener có c u t o gi ng diode ch nh l u nh ng ấ ạ ư ố ng dùng l c pha t p ch t v i t đ ấ ớ ỷ ệ ạ ượ ch t bán d n chính là Si. ẫ ấ tr ng thái PCT: D Z có đ c tính gi ng nh Diode Ở ạ ố ch nh l u thông th ng. ườ ỉ l c pha v i t tr ng thái PCN: do đ ớ ỷ ệ ạ Ở ạ c có tr s th p h n so v i cao h n nên đi n áp ng ơ ị ố ấ ơ Z (VD: 5V; Diode ch nh l u g i là đi n áp Zener V ỉ 6v; 8v; 9v; 12v…) c ng d ng làm linh ki n n đ nh DZ th ị ụ ượ ứ đi n áp trong m ch có đi n áp ngu n thay đ i. ạ ệ ệ ồ ổ

Ệ

Ủ

KÝ HI U VÀ HÌNH D NG C A DIODE Ạ ZENER

Đ C TUY N C A ZENER DIODE Ủ

Ặ

Ế

CÁCH M C ZENER DIODE

Ắ

ấ ạ ư ỉ

ư ủ ệ ầ

ế ậ

2. Diode quang (photo diode) • Photo diode có c u t o gi ng D ch nh l u nh ng ố v b c cách đi n có m t ph n là kính hay th y tinh ộ ỏ ọ trong su t đ nh n ánh sáng bên ngoài chi u vào ố ể m i n i P-N.

ố ố ố ố ị ự

ặ ế

ẽ ệ ổ

ế ộ i: Rngh ch = vô c c Ω ; Rthu n = r t ự ố ấ ị

ế ậ ị

• M i n i P- N phân c c ngh ch khi đ c chi u sáng ế ượ i thi u s qua vào m t ti p giáp s phát sinh h t t ể ố ạ ả m i n i và dòng đi n bi n đ i m t cách tuy n tính ế ộ ế ố ố v i c ng đ ánh sáng (lux) chi u vào nó. ớ ườ Khi b che t ậ ị l n.ớ Khi chi u sáng: Rngh ch 10 kΩ ÷100 kΩ ; Rthu n = vài trăm Ω.

Ệ

Ủ

Ạ

KÝ HI U VÀ HÌNH D NG C A DIODE QUANG

c dùng trong các h th ng ệ ố

Diode quang th t ự ộ ng đ ượ ườ đ ng đi u khi n b ng ánh sáng, báo cháy… ằ ể ề

3. Diode phát quang (Led: Light Emitting Diode)

ộ ớ ế ồ

Diode phát quang có c u t o g m m t l p ti p ấ ạ xúc

c làm t các ch t Ga – As, ượ ừ ấ

P-N, Diode phát quang đ Ga – P, Ga As – P, Si – C.

ườ ng dòng đi n đi qua v t d n đi n s ệ ẽ ậ ẫ ệ

ng d i d ng nhi t. Do đó môt s ch t ượ ướ ạ ệ ở ố ấ

t này khi có dòng đi n đi qua thì có hi n ệ ệ

ng b c x quang (phát ra ánh sáng). Thông th sinh ra năng l bán d n đ c bi ặ ẫ t ượ ệ ứ ạ

• Diode Ga – As: cho ra ánh sáng h ng ngo i ạ

ồ

mà m t nhìn không th y đ

c.

ấ ượ

ắ

• Diode Ga As – P: cho ra ánh sáng kh ki n,

ả ế

ổ

ng photpho s cho ra ánh khi thay đ i hàm l ẽ sáng khác nhau nh đ , cam, vàng.

ượ ư ỏ • Diode Ga – p pha thêm t p ch t s b c x ấ ẽ ứ ạ ấ

ạ cho ánh sáng. Tùy lo i t p ch t mà diode có ạ ạ đ , cam, vàng, xanh lá th cho ra các màu t ừ ỏ ể cây.

• Diode Si – C khi pha thêm t p ch t s cho ra

ấ ẽ

ạ

ánh sáng màu xanh da tr i.ờ

Ệ

Ủ

KÝ HI U VÀ HÌNH D NG C A Ạ DIODE PHÁT QUANG

 Khi phân c c thu n: - Led đ : Vỏ

ự

ậ D = 1,4V ÷ 1,8V - Led vàng: VD = 2V ÷ 2,5V - Led xanh lá: VD = 2V ÷ 2,8V

D = 5mA ÷ 20mA (th

ng ch n ườ ọ ệ

ng đ c dùng trong các m ch báo hi u, ch ỉ ạ ệ Dòng đi n qua led: I 10 mA). ườ

 Led th ị ạ

th tr ng thái c a m ch… ượ ủ ạ

4. Diode tách sóng

ệ ớ

ề ệ

ệ ỏ Dmax= vài ch c mA) và đi n áp ng

 Diode tách sóng là lo i diode làm vi c v i dòng ạ đi n xoay chi u có t n s cao, có dòng đi n ch u ị ầ ố ệ c đ ng nh (I ượ ụ ự c c đ i th p (V Rmax = vài ch c v). Diode tách sóng ự ạ ấ ng là lo i Ge. th ườ

ụ

 Diode tách sóng ký hi u nh diode th

ạ

ệ ư

ư ườ ng nh ng ườ ng là thu tinh trong ỷ ệ

v cách đi n bên ngoài th ỏ su t.ố

5. Diode bi n dung ế

Diode bi n dung là lo i diode có đi n dung ký ạ ệ ế

sinh thay đ i theo đi n áp phân c c. ự ệ ổ

D có tr s đ ề

e=

c tính theo công th c: ứ ệ

CD

(cid:215)

Đi n dung C S d ị ố ượ d là b dày đi n môi ệ e : h ng s đi n môi ằ ố ệ t di n m i n i S: ti ố ố ệ ế

Đ C TÍNH C A DIODE BI N DUNG

Ủ

Ặ

Ế

ID

CD

VRmax

Vg

VRmax

Vg

VD

VD