Điốt bán dẫn và ứng dụng

Chia sẻ: Ha Van Nam | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

1.420
lượt xem 143
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hôm nay, đi tiếp trên con đường khám phá, chinh phục những linh kiện điện tử cơ bản - nhỏ bé nhưng rất quan trọng - chúng ta tiếp tục tìm hiểu về điốt.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Điốt bán dẫn và ứng dụng

Điốt bán dẫn Hôm nay, đi tiếp trên con đường khám phá, chinh phục nh ững linh kiện đi ện t ử cơ bản - nhỏ bé nhưng rất quan trọng - chúng ta tiếp tục tìm hiểu về điốt. Sau bài viết này chúng tôi rất mong các bạn có thể nắm được tầm quan trọng của linh kiện bán dẫn, cấu tạo, hình ảnh một số loại điốt, nguyên lý làm việc, tính chất, đặc tuyến Volt - Ampere, ứng dụng và đừng quên tìm ki ếm thêm thông tin về chúng! 1. Chất bán dẫn Chất dẫn 1.1 - bán là gì ? Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh ki ện bán d ẫn như Diode, Transistor, IC mà ta đã thấy trong các thiết bị đi ện tử ngày nay. Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian gi ữa chất dẫn điện và chất cách điện, về phương diện hoá học thì bán dẫn là những chất có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng của nguyên tử. đó là các chất Germanium ( Ge) và Silicium (Si).
Từ các chất bán dẫn ban đầu ( tinh khiết) người ta phải tạo ra hai loại bán dẫn là bán dẫn loại N và bán dẫn loại P, sau đó ghép các miếng bán dẫn loại N và P lại ta thu được Diode hay Transistor. Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở thể tinh khiết các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như hình dưới. Chất bán dẫn tinh khiết . 1.2 - Chất bán dẫn loại N * Khi ta 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 d ẫn lúc này trở thành thừa điện tử ( mang điện âm) và được gọi là bán d ẫn N (Negative : âm ).
Chất bán dẫn N 1.3 - Chất bán dẫn loại P Ngược lại khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 nh ư Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử Indium sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thi ếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bán dẫn P. Chất bán dẫn P 2. Diode (Đi ốt) Bán dẫn
2.1 - Tiếp giáp P – N và Cấu tạo của Diode bán d ẫn. Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán d ẫn theo một tiếp giáp P – N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuy ếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => t ạo thành một l ớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai chất bán dẫn. Mối tiếp xúc P – N => Cấu tạo của Diode . * Ở hình trên là mối tiếp xúc P – N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn. Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.
cực thuận 2.2 - Phân cho Diode. Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và đi ện áp âm (-) vào Katôt ( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác d ụng tương tác c ủa điện áp, miền cách điện thu hẹp lại, khi điện áp chênh l ệch gi ữ hai c ực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode loại Ge ) thì di ện tích miền cách điện giảm bằng không => Diode bắt đầu dẫn điện. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nh ưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,6V ) Diode (Si) phân cực thuận – Khi Dode dẫn điện áp thuận đựơc gim ở mức 0,6V Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode * Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận < 0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng đi qua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị 0,6V . 2.3 – Phân cực ngược cho Diode. Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của đi ện áp ngược,
miền cách điện càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớn khoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng. Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V 2.4 – Phương pháp đo kiểm tra Diode Đo kiểm tra Diode • Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu :
• Đo chiều thuận que đen vào Anôt, que đỏ vào Katôt => kim lên, đảo chiều đo kim không lên là => Diode tốt • Nếu đo cả hai chiều kim lên = 0Ω => là Diode bị chập. • Nếu đo thuận chiều mà kim không lên => là Diode bị đứt. • Ở phép đo trên thì Diode D1 tốt , Diode D2 bị chập và D3 bị đứt • Nếu để thang 1KΩ mà đo ngược vào Diode kim vẫn lên một chút là Diode bị dò. 2.5 – Ứng dụng của Diode bán dẫn . * Do tính chất dẫn điện một chiều nên Diode thường được sử dụng trong các mạch chỉnh lưu nguồn xoay chiều thành một chiều, các mạch tách sóng, mạch gim áp phân cực cho transistor hoạt động . trong mạch chỉnh lưu Diode có thể được tích hợp thành Diode cầu có dạng . Diode cầu trong mạch chỉnh lưu điện xoay chiều .
3 – Các loại Diode 3.1 - Diode Zener * Cấu tạo : Diode Zener có cấu tạo tương tự Diode thường nhưng có hai lớp bán dẫn P - N ghép với nhau, Diode Zener được ứng dụng trong chế độ phân cực ngược, khi phân cực thuận Diode zener như diode thường nhưng khi phân cực ngược Diode zener sẽ gim lại một mức điện áp cố định bằng giá trị ghi trên diode. Hình dáng Diode Zener ( Dz ) Ký hiệu và ứng dụng của Diode zener trong mạch. • Sơ đồ trên minh hoạ ứng dụng của Dz, nguồn U1 là nguồn có điện áp thay đổi, Dz là diode ổn áp, R1 là trở hạn dòng. • Ta thấy rằng khi nguồn U1 > Dz thì áp trên Dz luôn luôn cố đ ịnh cho dù nguồn U1 thay đổi. •
Khi nguồn U1 thay đổi thì dòng ngược qua Dz thay đổi, dòng ngược qua Dz có giá trị giới hạn khoảng 30mA. • Thông thường người ta sử dụng nguồn U1 > 1,5 => 2 lần Dz và lắp trở hạn dòng R1 sao cho dòng ngược lớn nhất qua Dz < 30mA. Nếu U1 < Dz thì khi U1 thay đổi áp trên Dz cũng thay đổi Nếu U1 > Dz thì khi U1 thay đổi => áp trên Dz không đổi. 3.2 - Diode Thu quang. ( Photo Diode ) Diode thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N , dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode. Ký hiệu của Photo Diode
Minh hoạ sự hoạt động của Photo Diode 3.3 - Diode Phát quang ( Light Emiting Diode : LED ) Diode phát phang là Diode phát ra ánh sáng khi được phân c ực thu ận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7 => 2,2V dòng qua Led kho ảng t ừ 5mA đến 20mA. Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện . vv… Diode phát quang LED 3.4 – Diode Varicap ( Diode biến dung ) Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung bi ến đ ổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode.
Ứn dụng của Diode biến dung Varicap ( VD ) trong mạch cộng hưởng • Ở hình trên khi ta chỉnh triết áp VR, điện áp ngược đặt vào Diode Varicap thay đổi , điện dung của diode thay đổi => làm thay đổi tần số công hưởng của mạch. • Diode biến dung được sử dụng trong các bộ kênh Ti vi mầu, trong các mạch điều chỉnh tần số cộng hưởng bằng điện áp. 3.5 - Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của bi ến áp xung , ta ph ải dùng Diode xung để chỉnh lưu. diode xung là diode làm việc ở tần s ố cao khoảng vài chục KHz , diode nắn điện thông thường không thể thay th ế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có th ể thay thế cho vị trí diode thường, diode xung có giá thành cao hơn diode thường nhiều lần. Về đặc điểm , hình dáng thì Diode xung không có gì khác bi ệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh d ấu đ ứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng Ký hiệu của Diode xung 3.6 – Diode tách sóng. Là loại Diode nhỏ vở bằng thuỷ tinh và còn gọi là diode ti ếp đi ểm vì mặt tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn P – N tại một điểm để tránh điện dung ký sinh, diode tách sóng thường dùng trong các mạch cao tần dùng để tách sóng tín hiệu.
3.7 – Diode nắn điện. Là Diode tiếp mặt dùng để nắn điện trong các bộ chỉnh lưu nguồn AC 50Hz , Diode này thường có 3 loại là 1A, 2A và 5A. Diode nắn điện 5A 4. Tính chất Điốt chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt sang ca-tốt. Theo nguyên lý dòng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế th ấp, muốn có dòng điện qua điốt theo chiều từ nơi có điện thế cao đ ến n ơi có đi ện th ế thấp, cần phải đặt ở a-nốt một điện thế cao hơn ở ca-tốt. Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc (UTX). Như vậy muốn có dòng điện qua điốt thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh h ơn đi ện tr ường tiếp xúc, tức là: UAK >UTX. Khi đó một phần của điện áp UAK dùng đ ể cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0.6V), phần còn l ại dùng đ ể t ạo dòng điện thuận qua điốt. Khi UAK > 0, ta nói điốt phân cực thuận và dòng đi ện qua đi ốt lúc đó g ọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IFORWARD hoặc ID t ức IDIODE). Dòng điện thuận có chiều từ a-nốt sang ca-tốt. Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điốt trở nên d ẫn đi ện r ất tốt, tức là điện trở của điốt lúc đó rất thấp (khoảng vài chục Ohm). Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhi ều so v ới phần điện áp dùng để cân bằng với UTX. Thông thường phần đi ện áp
dùng để cân bằng với UTX cần khoảng 0.6V và phần đi ện áp t ạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài ch ục mA hay l ớn đ ến vài Ampere. Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua đi ốt khoảng 0.6V đến 1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điốt bắt đầu dẫn và khi UAK = 0.7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA. Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chi ều ngược ca-tốt sang a- nốt. Thực tế là vẫn tồn tại dòng ngược nếu điốt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ μA) và th ường không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghi ệp. Mọi đi ốt ch ỉnh l ưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì điốt bị đánh thủng, dòng đi ện qua điốt tăng nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử d ụng c ần tuân th ủ hai điều kiện sau đây: Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép  (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài li ệu c ủa hãng sản xuất để xác định).  Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được l ớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của điốt, cũng do nhà sản xuất cung cấp). Ví dụ điốt 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xu ất cung c ấp nh ư sau: VBR=1000V, IFMAX = 1A, VF¬ = 1.1V khi IF = IFMAX. Nh ững thông số trên cho biết: Dòng điện thuận qua điốt không được lớn hơn 1A.   Điện áp ngược cực đại đặt lên điốt không được lớn hơn 1000V.  Điện áp thuận (tức UAK)có thể tăng đ ến 1.1V n ếu dòng đi ện thu ận bằng 1A. Cũng cần lưu ý rằng đối với các đi ốt ch ỉnh l ưu nói chung thì khi UAK = 0.6V thì điốt đã bắt đầu dẫn điện và khi UAK = 0.7V thì dòng qua điốt đã đạt đến vài chục mA.
5. Đặc tuyến Volt-Ampere Đặc tuyến Volt-Ampere của một điốt bán dẫn lý tưởng. Đặc tuyến Volt-Ampere của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng đi ện qua điốt theo điện áp UAK đặt vào nó. Có th ể chia đặc tuy ến này thành hai giai đoạn: Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V > 0 mô tả quan h ệ dòng áp khi đi ốt  phân cực thuận.  Giai đoạn ứng với UAK = 0.7V< 0 mô tả quan h ệ dòng áp khi đi ốt phân cực nghịch. (UAK lấy giá trị 0,7V chỉ đúng với các điốt Si, với điốt Ge thông s ố này khác) Khi điốt được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với điốt). Dòng điện phụ thuộc rất ít vào điện trở thuận c ủa điốt vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện. [ sửa
]6. Ứng dụng Vì điốt có đặc tính chỉ dẫn điện theo một chiều từ a-nốt đ ến ca-t ốt khi phân cực thuận nên điốt được dùng để chỉnh lưu dòng điện xoay chiềuthành dòng điện một chiều. Ngoài ra điốt có nội trở thay đổi rất lớn, nếu phân cực thuận RD 0 (nối tắt), phân cực nghịch RD (hở mạch), nên điốt được dùng làm các công t ắc đi ện tử, đóng ngắt bằng điều khiển mức điện áp. Điốt chỉnh lưu dòng điện, giúp chuyển dòng điện xoay chi ều thành dòng điện một chiều, điều đó có ý nghĩa rất l ớn trong kĩ thu ật đi ện tử. Vì vậy điốt được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và điện tử.