Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Chương 2: Diode bán dẫn

Chương 2 Diode bán dẫn

2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Diode là một linh kiện bán dẫn 2 cực, cấu tạo cơ bản dựa trên chuyển tiếp PN. Điện cực nối với bán dẫn P gọi là Anode (A), điện cực nối với bán dẫn N gọi là Cathode (K).

Etx

Ký hiệu

K

iD →A

+

-

vD

Ký hi(cid:24)u c(cid:15)a diode bán d(cid:27)n

M(cid:2)t sô(cid:6) hình dáng c(cid:15)a các lo(cid:19)i diode

2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Vùng nghèo

2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode

Dqv kT η

Dv TV η

i

−

=

−

0

0

D

 eI  

 = 1 

 eI  

 1  

Trong đó:

I0: dòng điện ngược bão hòa

: điện thế nhiệt

VT =

kT q

q: điện tích electron, q=1.6×10-19C

k: hằng số Boltzmann, k=1.38×10-23J/K

Ở nhiệt độ phòng (T=300K), VT≈≈≈≈26mV

T: nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (K)

ηηηη: hằng số có giá trị trong khoảng từ 1 đến 2

2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode

Dv eI η TV

0

Dv V eIη

0

2.3 Các mô hình mạch diode tương đương

Mô hình tương đương của diode ở chế độ DC

γV

γV

Mô hình sụt áp hằng với điện trở Rf:

VVVV

γV

γV

Mô hình sụt áp hằng:

Mô hình lý tưởng:

2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn

1. Đi(cid:24)n tr" m(cid:2)t chi$u (đi(cid:24)n tr" tĩnh):

=

R

=

R th

f

V th I

th

-Theo chiều thuận:

V

ng

(Có giá vài ΩΩΩΩđ+n vài ch,c ΩΩΩΩ)

R

=

=

ng

R r

I

ng

-Theo chiều ngược:

=

(Có giá tr. r/t l0n, hàng trăm KΩΩΩΩ)

rd

V ∆ ∆ I

=

+

(Ω

)

2. Đi(cid:24)n tr" xoay chi$u :

r d

r B

0

- Khi diode làm việc trên điểm gián đoạn:

=

+

(

Ω

)

r d

r B

V T I 026 . I

- Ở nhiệt đô^ phòng:

- Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua rB .

2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn

3. Đi(cid:24)n dung t5ơng đ5ơng:

C0 = C hàng rào + C khu+ch tán

4. M(cid:2)t vài tham sô(cid:6) gi0i h(cid:19)n khác:

- Điện áp ngược cực đại cho phép V ngược max.

- Dòng điện thuận cực đại cho phép Imax.

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép Pmax.

- Tần sôZ cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax.

2.5 Phân tích mạch DC chứa diode

Trong thực tế, để dễ dàng trong việc phân tích mạch, đặc tuyến của diode được xem như thẳng đứng.

Diode dẫn

VD I(mA)

Vo ID

Diode tắt

E

V(V) 0 Vγ ID = (E – Vγ)/R Vo = ID.R

Có thể xem diode hở mạch trong trường hợp E < Vγγγγ và ngắn mạch trong trường hợp ngược lại => hoạt động như một khóa đóng ngắt. Vγγγγ = 0.6V ÷0.7V đối với diode Silicon Vγγγγ = 0.2V÷0.3V đối với diode Germanium Diode lý tưởng: Vγγγγ = 0V

2.5 Phân tích mạch DC chứa diode

Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có Vγγγγ =0.7V như hình vẽ. Tìm dòng điện I1, I2 và ID2

I(mA)

V(V)

ĐS:

I1=0.212mA

I2=3.32mA

ID2=3.108mA

0 0.7

2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode

Chế độ tín hiệu nhỏ được xem là chế độ mà dòng và áp của linh kiện thay đổi trên một đoạn đủ nhỏ của đặc tuyến để có thể xem linh kiện như phần tử tuyến tính.

sinAE)t(v +=

t ωωωω

Tìm dòng và áp trên diode?

→→→→Dùng nguyên lý x+p ch?ng (ch@ dùng cho phAn tB tuy+n tính).

2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode

- Đối với nguồn DC:

I = (E – 0.7) / R (A)

- Đối với nguồn AC:

=

(

Ω

)

r d

.0 026 I

D

VE − γ

i

=

I

+

sinω

( ) t

( )At

D

D

=+ i d

R

A + rR d

=

+

=

+

sin

ω

( )Vt

( ) tv D

V D

v d

V γ

rA . d + rR d

(Giả sử bỏ qua điện trở rB)

2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode

Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có Vγγγγ=0.7 như hình vẽ. Cho vs(t)=0.1cosωωωωt (V), Vb=2V. Tìm vD và iD

ĐS:

iD(t)=6+0.92cosωt (mA)

vD(t)= 0.7+0.004cosωt (V)

2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)

Phân tích tín hiệu nhỏ có thể sử dụng phương pháp đôv thị: đường tải DC biểu diễn mối quan hê^ của I,V trên diode khi có phân cực của điện áp DC.

2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)

- Điểm làm việc của diode chính là giao điểm của đường tải và đặc tuyến.

- Giao điểm này được gọi là điểm làm việc tĩnh, ký hiệu là Q.

2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)

2.8 Phân tích tín hiệu lớn cho diode

Một diode được xem là hoạt động dưới chế độ tín hiệu lớn khi sự thay đổi của dòng điện và điện áp của diode mở rộng ra trên toàn bộ đặc tuyến.

Khi điện trở của một diode thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn, nó hoạt động giống như một công tắc (switch).

Diode có thể được xem như một công tắc được điều khiển bằng điện áp: đóng khi được phân cực thuận và mở khi phân cực ngược.

2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode

- Mạch chỉnh lưu là mạch chỉ cho phép dòng điện chảy qua nó theo một chiều.

- Biến điện xoay chiều thành điện một chiều.

- Diode sử dụng trong mạch này gọi là diode chỉnh lưu.

2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode

Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ, diode Ge có Vγγγγ= 0.2V, điện trở rd không đáng kê{. Tải RL = 9ΩΩΩΩ, nội trở nguồn tín hiệu vào ri = 1ΩΩΩΩ. 1. Biết điện áp vào có dạng xung vuông hoặc hình sin, biên đô^ 10V. Hãy vẽ dạng sóng và xác định điện áp trên tải RL. 2. Làm lại câu 1 với vi(t) là tín hiệu sin có biên đô^ 1V. Xác định giá trị điện áp trên tải tại thời điểm ωωωωt = ππππ/2.

2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode

Vv − γγγγ

=

i L

i Rr + i

L

1. - Dòng qua tải RL:

↓iL + - Áp rơi trên tải:

=

⋅

−

)( tv L

R L

− Vv i γ + Rr L i

=

=

⋅

tv )( L

R L

tv )(9.0 i

vL

- Vì Vγγγγ << vi, nên có thê8 bỏ qua Vγ : v i + Rr i L

V V

10 9 vL vL t t

vi vi -10

2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode

)2.0

(sin

72.09.

V

=

=

=

⋅

)( tv L

R L

ω − t 10

2. Khi vi nhỏ, không thê8 bỏ qua Vγ. Diode chỉ dẫn điện trong khoảng thời gian vi ≥ Vγ, tại ωt = π/2: − Vv i γ + Rr i L

vi

1V

Vγ=0.2V

t

VL

0.72V

t

2.10 Diode ổn áp (diode Zener)

-ChêZ tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt.

-Hoạt động ở chêZ đô^ phân cực ngược.

- Đoạn làm việc trên phần đặc tuyến song song với trục tung.

2.10 Diode ổn áp (diode Zener)

Dùng trong mạch ổn áp. a) Nguồn ổn định, tải thay đổi

Để áp ngõ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax

V

V

Z

I

=

Ta có

S

− DC R

S

IS

mà

I

I

+

L

Z

VZ

= V

− V Z

−

=

−

I

I

L

Z

min

max

V Z

V

V Z

và

=

=

=>

R L

max

min

R L

I

=

−

I

max

min

L

Z

V Z I

I

L

min

max

L

I S − DC R S − DC R S

Vậy khi tải RL thay đổi trong khoảng (RLmin ÷ RLmax) thì áp trên tải vẫn ổn định ở VZ

=>

2.10 Diode ổn áp (diode Zener)

b) Nguồn thay đổi, tải ổn định

Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax

Z

Ta có:

I

=

L

V R

L

+

mà

I

=

I

+

I

IS

S

Z

L

−

I

I

=

+

Vz

S

Z

min

min

=>

V

=

I

+

DC

min

S

I

I

=

+

S

Z

max

max

V

=

I

+

V Z R L V Z R L

DC

max

S

min. R S R max. S

V Z V Z

Vậy khi tải VDC thay đổi trong khoảng (VDCmin ÷ VDCmax) thì áp trên tải vẫn ổn định ỏ VZ

=>

2.10 Diode ổn áp (diode Zener)

c) Nguồn và tải đều thay đổi

Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin≤ IZ ≤ IZmax

V

V

Z

I

=

với

S

I Z

= − I I L S

− DC R

S

+

V

V Z

IS

I

=

−

I

Z

L

− DC R S

−

Điều kiện cực trị:

DC

V Z

- IZmin khi VDCmin và ILmax

DC

V Z

=

và

Vz =>

=

R S

2

R S

1

V I

− I

max +

V I

− I

min +

Z

max

L

min

Z

L

min

max

- IZmax khi VDCmax và ILmin

Vậy với Rs trong khoảng (Rs1 ÷ Rs2) thì áp trên tải vẫn ổn định ở VZ

=>

Ví dụ

Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ.

+

Vz

−

Với Rs=330ΩΩΩΩ, RL=1.2KΩΩΩΩ, xác định phạm vi thay đổi cho phép của VDC sao cho điện áp trên tải ổn định ở mức 10V. Biết diode Zener có Izmin=10mA, Pzmax=0.3W

ĐS: 16.04V≤VDC≤22.64V

IS

Ví dụ

Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ.

IS

+

VZ

Với VDC=50V, Vz=10V, Izmin=3.2mA, Rs=1KΩΩΩΩ. Tìm RL sao cho mạch vẫn còn ổn áp.

ĐS: 272 Ω ≤ RL ≤ 1.25KΩ

−

Ví dụ

Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ

a. Xác định VL, VR, IZ và PZ

b. Làm lại câu a với RL=3KΩΩΩΩ

(V≥VZ)

ĐS:

a. VL=8.73V, VR=7.27V, IZ=0A và PZ=0W

b. VL=10V, VR=6V, IZ=2.67mA và PZ=26.7mW