Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 1 - Chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng

Chia sẻ: Cù Hồng Toán | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:45

Thêm vào BST

Báo xấu

294
lượt xem 59
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 1 "Chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng" thuộc bài giảng Kỹ thuật điện trình bày các nội dung chất bán dẫn, đại cương về diode, các mạch ứng dụng của diode. Với các bạn chuyên ngành Điện - Điện tử thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật điện: Chương 1 - Chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng

Chương 1: CHẤT BÁN DẪN- ĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE và CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 1.1 Chất bán dẫn 1.2 Đại cương về Diode 1.3 Các mạch ứng dụng của Diode 1.4 Bài tập 1
Mục tiêu chương 1: • Biết nguyên lý của chất bán dẫn • Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp phân cực thuận, nghịch cho diode. • Nắm được nguyên tắc hoạt động các mạch ứng dụng của diode : Mạch chỉnh lưu, Mạch xén, Mạch kẹp, Mạch cổng logic, Mạch ổn áp dùng Zener. • Áp dụng kiến thức đã học giải tích mạch diode. 2
1.1 Chất bán dẫn Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện: Cách điện ở nhiệt độ thấp (0°K) và dẫn điện ở nhiệt độ phòng. 3
1.1 Chất bán dẫn • Ở không độ tuyệt đối (0 ⁰K), các điện tử tồn tại ở vùng hóa trị. Chất bán dẫn không dẫn điện. • Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, một số điện tử nhận được năng lượng đủ lớn để nhảy lên vùng dẫn. Chất bán dẫn dẫn điện. Tính dẫn điện của chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ. • Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn cũng có thể thay đổi theo các nguồn năng lượng khác (quang bán dẫn). • Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện điện tử như Diode, Transistor, IC 4
1.1 Chất bán dẫn 1.1.1 Chất bán dẫn thuần. • Chất bán dẫn thuần là chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử như Germanium ( Ge) và Silicium (Si)  Liên kết cộng hoá trị. 5
1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất a. Chất bán dẫn loại N. • Khi pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P) vào chất bán dẫn Si thì một nguyên tử P liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị. • Nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do → Chất bán dẫn lúc này thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán dẫn N ( Negative : âm ). 6
1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất (tt) b. Chất bán dẫn loại P. Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử trở thành lỗ trống ( mang điện dương). → Chất bán dẫn lúc này thiếu điện tử ( mang điện dương) và được gọi là bán dẫn P ( Positive: dương ). 7
1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn. a. Thời gian sống của hạt mang điện • Khi một electron được cung cấp đủ năng lượng thì nó sẽ nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn và để lại một lổ trống trên lớp hóa trị. • Sau thời gian tồn tại ở trạng thái điện tử tự do, electron này sẽ rơi vào 1 trong các lổ trống trong lớp hóa trị. Thời gian này được gọi là thời gian sống của hạt mang điện. 8
1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn. b. Chuyển động của hạt mang điện.  Chuyển động trôi: là chuyển động của hạt mang điện dưới tác dụng của điện trường.  Chuyển động khuếch tán: đối với chất bán dẫn, khi nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều thì chúng sẽ khuếch tán từ nơi có nồng độ cao về nơi có nồng độ thấp. c. Ảnh hưởng của nhiệt độ. - Khi nhiệt độ tăng sẽ có nhiều electron hấp thụ năng lượng để trở thành điện tử tự do→độ dẫn điện tăng. - Khi nhiệt độ giảm, năng lượng nhiệt không đủ để phá vỡ liên kết hóa trị dẫn đến số lượng điện tử tự do giảm →độ dẫn điện giảm. 9
1.2 Đại cương về Diode 1.2.1 Cấu tạo. Diode gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau. Ký hiệu: Hình dạng thực tế: 10
1.2.2 Phân cực Diode.  Điện thế tiếp giáp: • Khi ghép 2 lớp bán dẫn P-N với nhau, do có sự chênh lệch mật độ nên điện tử và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp tiếp giáp làm cho vùng tiếp giáp phía N tích điện dương (do mất electron) và vùng tiếp giáp phía P tích điện âm. • Do đó hình thành nên điện thế tiếp giáp (0.3V đối với Ge và 0,7 đối với Si). 11
1.2.2 Phân cực Diode.(tt) a. Phân cực thuận Điều kiện: • Đầu (-) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode. • Đầu (+) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode. • Giá trị của điện áp VBIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế tiếp giáp (*) 12
a. Phân cực thuận (tt) • Khi điện áp phân cực đủ lớn (*), các electron sẽ di chuyển từ vùng n sang vùng p. Dưới tác động của đầu (+) nguồn áp VBIAS, các điện tử không tái hợp với lỗ trống ở vùng p mà sẽ di chuyển về cực (+) của nguồn. • Sự di chuyển này của điện tử làm thu hẹp vùng tiếp giáp. 13
b. Phân cực ngược (tt) • Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử tự do trong vùng n di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng tiếp giáp. • Các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào vùng p và di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác để đến vùng tiếp giáp tạo thành các ion âm. Hiện tượng này làm mở rộng vùng tiếp giáp. 14
1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe. VF: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực thuận. VBIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode. IF : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận. VR: điện áp đặt ngang qua diode lúc phân cực ngược. IR : dòng điện qua diode lúc phân cực ngược. 15
1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Phân cực thuận: • Khi VBIAS =0V thì VF=0V, không có dòng qua diode: IF=0A. • Khi tăng VBIAS thì VF tăng, dòng điện IF tăng. • Khi VBIAS tăng đến mức để điện áp VF=0,7V (Si), dòng điện IF gia tăng nhanh. • Khi tiếp tục tăng VBIAS, dòng điện IF càng tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7V(Si). 16
1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Phân cực nghịch: • Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, dòng điện ngược IR rất nhỏ ([ μA ] - không đáng kể - dòng rò). • Khi tăng điện áp phân cực nghịch VBIAS đến khi VR đạt giá trị điện áp đánh thủng (gây hư hỏng diode), dòng điện ngược IR gia tăng rất nhanh. • Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực nghịch VR, IR tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode VR vẫn không tăng.17
1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe.(tt)  Đặc tuyến thực tế - Đặc tuyến lý tưởng. Lý tưởng: xem Diode như một khóa điện tử. - Khóa hở khi phân cực ngược. - Khóa đóng khi phân cực thuận. • Khi đóng (nối mạch), có rơi áp qua diode. Với diode Si, rơi áp khoảng 0.7V; với diode Ge, rơi áp khoảng 0.3V. • Trong một số trường hợp đơn giản, nếu Vnguồn >> Vdiode , ta có thể xem rơi áp trên Diode≈0V. 18
1.2.4 Các thông số của Diode. • Dòng rò: Leakage current - Dòng điện chạy qua diode khi phân cực nghịch. • DC Blocking Voltage (VRDC): Là điện áp một chiều phân cực ngược Diode không làm hỏng diode. • RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều đặt vào diode mà không gây hư hỏng diode do đánh thủng khi phân cực ngược. 19
1.2.5 Các loại Diode. a. Diode zener Được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt nên chịu được dòng điện ngược lớn. Sử dụng chủ yếu ở vùng phân cực ngược. - Ứng dụng trong các mạch ổn áp tạo điện áp chuẩn. - Ký hiệu: - Hình dạng thực tế: - Mạch điện ứng dụng: IR IL R IZ VIn RL VOut(t) VZ Z1 20