Giáo trình Điện tử cơ bản (năm 2013)

Chia sẻ: Mucnang555 Mucnang555 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:204

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Điện tử cơ bản cung cấp cho người học những kiến thức như diode và ứng dụng; transistor; thyristor; khuếch đại thuật toán; mạch dao động; mạch nguồn và mạch ổn áp. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Điện tử cơ bản (năm 2013)

BỘ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT VĨNH LONG GIÁO TRÌNH ĐIỆN TỬ CƠ BẢN TP. Vĩnh long, năm 2013 1
LỜI NÓI ĐẦU Học phần Điện tử cơ bản đƣợc xem là học phần nền tảng của ngành Điện tử, vì vậy việc biên soạn giáo trình là rất cần thiết nhằm phục vụ hiệu quả việc đào tạo nguồn nhân lực cũng nhƣ trang bị cho sinh viên những kiến thức về điện tử cơ bản. Giáo trình đƣợc dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành Công nghệ kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ kỹ thuật Điện tử truyền thông, Công nghệ kỹ thuật Tự động hóa. Giáo trình bám sát chƣơng trình đào tạo của trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Vĩnh Long nhằm giúp cho sinh viên đạt đƣợc các mục tiêu của học phần. Đảm bảo chuẩn kiến thức, kỹ năng và chuẩn đầu ra đã ban hành. Nội dung giáo trình bao gồm 7 chƣơng - Chƣơng 1 trình bày về chất bán dẫn và diode bán dẫn - Chƣơng 2 trình bày về transistor - Chƣơng 3 trình bày về họ thyristor - Chƣơng 4 trình bày về Op-amp - Chƣơng 5, 6 và 7 đi vào các loại mạch cụ thể, bao gồm mạch khuếch đại, mạch dao động và mạch nguồn. Để học tốt học phần này, Sinh viên cần có kiến thức về mạch điện, các định luật và các phƣơng pháp giải mạch điện. Ngoài ra giáo trình này còn giúp các Giảng viên thống nhất nội dung giảng dạy học phần Điện tử cơ bản, làm cơ sở để xây dựng ngân hàng đề thi chung. Khi biên soạn, chúng tôi đã tham khảo các giáo trình và tài liệu giảng dạy học phần này của một số trƣờng đại học trong và ngoài nƣớc để giáo trình vừa đạt yêu cầu về nội dung vừa thích hợp với đối tƣợng là sinh viên của trƣờng Đại học sƣ phạm kỹ thuật Vĩnh Long. Trong quá trình biên soạn, chúng tôi nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến rất quý báu và sự hổ trợ của các đồng nghiệp trong khoa Điện – Điện tử và một số đồng nghiệp khác. Mặc dù đã đã hết sức cố gắng để giáo trình đƣợc hoàn chỉnh, song chắc chắn không tránh khỏi sai sót. Nhóm biên soạn rất mong nhận đƣợc sự góp ý của đọc giả. Nhóm tác giả 2
Chƣơng 1: DIODE VÀ ỨNG DỤNG 1.1. Đại cƣơng về chất bán dẫn. Thuật ngữ bán dẫn (Semiconductor) dựa trên khái niệm về độ dẫn điện của vật liệu này. Nó nằm khoảng giữa hai vật liệu là dẫn điện (Conductor) và cách điện (Isolator). Bán dẫn là những vật chất ở thể rắn, có thể là kết tinh hoặc vô định hình, tinh khiết hoặc hỗn hợp, đơn chất hoặc hợp chất. Để có thể ƣớc lƣợng về độ dẫn điện, ngƣời ta dùng đại lƣợng điện trở suất ρ(Ω.cm) Trong bảng 1.1 cung cấp giá trị điện trở suất của 3 loại vật liệu. Bảng 1.1. Giá trị điện trở suất Dẫn điện Bán dẫn Cách điện  = 10-6.cm ( đồng)  = 50.cm (Ge)  = 1012.cm (mica)  = 50.103.cm (Si) Vật liệu bán dẫn không phải chỉ có germanium (Ge) và silicon (Si), tuy nhiên hai vật liệu này đƣợc sử dụng phổ biến để chế tạo các linh kiện điện tử. Những năm gần đây việc sử dụng thiên về Si hơn là Ge, tuy nhiên Ge vẫn còn đƣợc sản xuất với một lƣợng khiêm tốn. Nếu dựa vào cấu tạo phân tử thì có thể phân ra bán dẫn đơn chất và bán dẫn hợp chất. Ví dụ nhƣ Si và Ge là bán dẫn đơn chất vì trong nút mạng tinh thể của chúng chỉ cấu tạo từ một nguyên tử, còn những bán dẫn mà trong phân tử của nó có nhiều hơn một loại nguyên tử là bán dẫn hợp chất. Dựa vào bản chất của các hạt tải điện (hay còn gọi là hạt dẫn), ngƣời ta có thể chia ra thành 3 dạng: - Nếu hạt tải điện gồm 2 loại hạt với số lƣợng bằng nhau là điện tử và lỗ trống, đồng thời độ dẫn điện phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ thì đó là bán dẫn thuần (bán dẫn loại I - viết tắt của từ Intrinsic). - Nếu hạt tải điện chủ yếu là điện tử thì bán dẫn loại N. - Nếu hạt tải điện chủ yếu là lỗ trống thì bán dẫn loại P. 1.1.1. Chất bán dẫn thuần: Chất bán dẫn thuần về lý thuyết đƣợc định nghĩa là vật liệu không có tạp chất (Intrinsic Semiconductor). Trên thực tế không thể chế tạo đƣợc bán dẫn sạch lý tƣởng, tuy nhiên để chế tạo các linh kiện hoặc các mạch tổ hợp có chất lƣợng cao ngƣời ta đòi hỏi chất bán dẫn phải có độ sạch rất cao. Hiện nay độ sạch có thể đạt tới 1 phần 10 tỷ trong 1cm3 bán dẫn (1: 10.000.000.000). Có nghĩa là cứ 10 tỷ nguyên tử chất bán dẫn mới có một nguyên tử lạ (tạp chất). Hầu hết các chất bán dẫn đều có các nguyên tử sắp xếp theo dạng tinh thể. Hai chất bán dẫn đƣợc dùng nhiều nhất trong kỹ thuật chế tạo linh kiện điện tử là Silicon và Germanium. Hình 1.1 trình bày cấu trúc đơn tinh thể của hai loại bán dẫn Si và Ge, hình 1.2 trình bày cấu trúc nguyên tử của Si và Ge 3
Hình 1.1. Cấu trúc đơn tinh thể của Si và Ge a) Si b) Ge Hình 1.2. Cấu trúc nguyên tử của Si (a) và Ge (b) Mỗi nguyên tử của hai chất này đều có 4 điện tử ở ngoài cùng. Hình 1.3. Liên kết giữa các nguyên tử Si Khi tham gia vào các mối liên kết trong mạng để tạo thành mạng tinh thể bán dẫn, các nguyên tử đƣa ra các đôi điện tử dùng chung để hình thành 8 điện tử ở lớp ngoài cùng tạo nên cấu trúc bền vững (hình 1.3), sự liên kết giữa các nguyên tử với nhau này làm cho điện tử khó tách rời khỏi nhân của chúng. Với cấu trúc nhƣ vậy nên tại nhiệt độ 00K chất bán dẫn thuần hoàn toàn cách điện. Các mức năng lƣợng của vật liệu bán dẫn là không liên tục và hình thành các dải năng lƣợng là vùng dẫn, vùng hoá trị, giữa các vùng đƣợc phân cách bởi các vùng cấm. Ví dụ đối với bán dẫn Si, không có điện tử nào đƣợc phép nằm trong vùng cấm. Những điện tử ở lớp ngoài cùng tƣơng ứng với các liên kết cộng hoá trị nếu bứt 4
khỏi mối liên kết và trở thành điện tử tự do trong mạng thì việc đó tƣơng ứng với cách biểu diễn điện tử nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn trong giản đồ vùng năng lƣợng. Do đó điện tử tại vùng dẫn sẽ tham gia dẫn điện. Hình 1.4. Mức năng lượng của các vật liệu Đơn vị năng lƣợng tính bằng eV (electron Volts) W = QxV (eV) Vì điện tích của điện tử bằng 1,6 x 10-19C W = QxV = (1,6 x 10-19C) (1V) Nên 1eV = 1,6 x 10-19J Đối với chất bán dẫn thuần, tại 00K (tức là -2730C) tất cả các điện tử đều nằm ở vùng hoá trị. Tại nhiệt độ phòng (250C) một số lƣợng lớn điện tử có đủ năng lƣợng rời khỏi vùng hóa trị, vƣợt qua vùng cấm để nhảy lên vùng dẫn và trở thành điện tử tự do, những điện tử này là các hạt dẫn điện của chất bán dẫn. Với vật liệu bán dẫn loại Si, GaAs và Ge, độ lớn vùng cấm lần lƣợt là 1,1eV, 1,41eV và 0,67eV nhƣ trong hình 1.4 (đối với chất cách điện có vùng cấm thƣờng là 5eV hoặc hơn, làm hạn chế số lƣợng các electron có thể đến đƣợc vùng dẫn ở nhiệt độ phòng, đối với chất dẫn điện tồn tại các điện tử ở vùng dẫn ngay cả ở nhiệt độ 00K ). Với nhiệt độ 250C, trong 1cm3 của Si thuần có khoảng 1,5 x 1010 điện tử tự do, còn của Ge tƣơng ứng là 2,3 x 1013. Điều này chứng tỏ Ge dẫn điện tốt hơn Si rất nhiều. 1.1.2. Chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai : Các đặc tính của chất bán dẫn thay đổi đáng kể nếu bổ sung các nguyên tử tạp chất nhất định vào chất bán dẫn thuần. Chất bán dẫn thuần đƣợc pha thêm tạp chất gọi là chất bán dẫn pha tạp hay ngoại lai (Doped/Extrinsic Semiconductor). Có hai loại bán dẫn pha tạp quan trọng dùng để chế tạo linh kiện bán dẫn đó là loại n và loại p. a. Chất bán dẫn loại n: Khi pha một lƣợng rất nhỏ tạp chất có hoá trị 5 (tức có 5 điện tử ở lớp ngoài cùng) vào mạng tinh thể của chất bán dẫn thuần (cấu trúc của tinh thể không biến dạng) nhƣ các chất Sb (Antimony), As (Asen), hoặc P (Photpho) Khi đó liên kết dùng chung cần 8 điện tử là đủ (Si: 4 điện tử và Sb góp 4 điện tử). Vậy còn thừa một điện 5
tử, điện tử này liên kết rất lỏng lẻo với nguyên tử và chỉ cần một năng lƣợng rất nhỏ cấp cho nó cũng đủ làm nó bứt khỏi liên kết và trở thành điện tử tự do. Tạp chất loại này đƣợc gọi là tạp chất cho (Donor). Hình 1.5 biểu diễn sự hình thành điện tử tự do và giản đồ năng lƣợng ứng với bán dẫn loại này. Tạp chất ở đây dùng Sb. Qua hình vẽ ta thấy rõ mức năng lƣợng ứng với tạp chất cho nằm ngay sát đáy vùng dẫn và khoảng cách này rất nhỏ cỡ 0,05eV đối với Si và 0,01eV đối với Ge. Vì vậy chỉ cần cấp 1 năng lƣợng rất nhỏ (thí dụ nhƣ năng lƣợng nhiệt ở mức nhiệt độ trong phòng) cũng đủ giúp điện tử nhảy lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự do. a) b) Hình 1.5. Tạp chất Sb trong bán dẫn loại n (a) và giản đồ năng lượng(b) Kết quả là khi có chất Donor, độ dẫn điện của bán dẫn tăng một cách đáng kể. Ở nhiệt độ phòng (250C), số lƣợng điện tử tự do của loại bán dẫn có tạp chất Donor lớn hơn 105 lần bán dẫn thuần (tùy theo mức pha tạp). Loại bán dẫn có pha tạp chất Donor gọi là bán dẫn loại N. Do có nhiều điện tử nằm trong băng dẫn điện hơn các lỗ trống nằm trong vùng hóa trị của chất bán dẫn loại n, các điện tử đƣợc gọi là các hạt tải đa số và các lỗ trống nằm ở lớp hóa trị đƣợc gọi là hạt tải thiểu số ( nn>> pn). b. Chất bán dẫn loại p: Trong trƣờng hợp pha tạp chất có hóa trị 3 (tức là có 3 điện tử ở lớp ngoài cùng) ví dụ nhƣ B (Boron), In (Indium), Al(Aluminium) hoặc Ga (Gallium) vào mạng tinh thể của bán dẫn thuần, kết quả thiếu 1 điện tử trong các mối liên kết cộng hóa trị. Tạp chất Boron hóa trị 3 đƣợc bao bọc xung quanh bởi 4 nguyên tố silicon. Nên sẽ có 1 mối liên kết không thành vì thiếu điện tử tạo thành 1 lỗ trống. Tạp chất để tạo nên hiệu ứng này có tên là tạp chất nhận (Acceptor). Chất bán dẫn loại p có nhiều lỗ trống ở vùng hóa trị nên đƣợc gọi là hạt tải đa số và rất ít điện tử ở vùng dẫn nên đƣợc gọi là hạt tải thiểu số. (pp >> np). 6
Hình 1.6. Tạp chất B trong bán dẫn loại p. 1.2. Đại cƣơng về diode.: 1.2.1. Cấu tạo: Cấu tạo của diode bán dẫn gồm một khối chất bán dẫn N và một khối chất bán dẫn P đƣợc ghép lại với nhau hình thành mặt tiếp xúc P-N nhƣ hình 1.7. Điện cực lấy ra từ bán dẫn loại P gọi là Anode còn điện cực lấy ra từ bán dẫn loại N gọi là Cathode. a. Cấu tạo của diode b. ký hiệu của diode Hình 1.7. Cấu tạo và ký hiệu của diode bán dẫn. Tại mặt tiếp xúc P-N các điện tử tự do và lỗ trống kết hợp lại với nhau, kết quả là tại khu vực này nồng độ của cả lỗ trống và điện tử giảm đi rõ rệt so với phía sâu trong vùng P và N. Điều này dẫn đến trở kháng của vùng này khá lớn. Cũng vì lý do này vùng tiếp xúc còn có tên gọi là vùng nghèo (ít hạt dẫn), hoặc vùng chắn (trở kháng lớn). 1.2.2. Phân cực diode: Vì diode có 2 cực nên có 3 cách đặt điện áp lên các cực của diode là VD = 0V (không phân cực), VD < 0V (phân cực ngƣợc) và VD > 0V (phân cực thuận) a. Khi không phân cực (VD = 0V) Do chênh lệch nồng độ nên xảy ra hiện tƣợng khuếch tán của các hạt dẫn đa số: lỗ trống khuếch tán từ P sang N, còn điện tử khuếch tán theo chiều ngƣợc lại từ N sang P. Chúng tạo nên dòng điện khuếch tán. Trong vùng tiếp xúc do lỗ trống khuếch tán về phía N nên mất cân bằng về điện tích, chúng để lại các ion âm của tạp chất nhận tại nút mạng tinh thể. Ngƣợc lại các điện tử khuếch tán về phía vùng P, chúng để lại các ion dƣơng của tạp chất cho. Kết quả là hình thành một lớp điện tích kép tại vùng tiếp giáp P-N giống nhƣ hai bảng cực của tụ điện. Do tồn tại lớp điện tích kép này, hình thành một hiệu điện thế tiếp xúc Vtx tại vùng tiếp giáp. Do tồn tại hiệu điện thế tiếp xúc Vtx làm xuất hiện dòng điện trôi do các hạt dẫn thiểu số tạo thành có chiều ngƣợc với chiều dòng điện khuếch tán. Chiều của điện 7
áp tiếp xúc là cản lại dòng khuếch tán. Nhƣ vậy ở đây hình thành một cơ chế tự điều chỉnh nhƣ sau: Do có hiện tƣợng khuếch tán sinh ra dòng khuếch tán Ikt làm xuất hiện Vtx nhƣng sự xuất hiện Vtx lại cản sự tăng trƣởng của Ikt. Hình 1.8. Mối nối pn khi chưa có điện trường ngoài. Trong điều kiện không có điện áp ngoài, dòng điện tổng phải bằng không Ikt - Itrôi = 0 Ta nói chuyển tiếp P-N đạt tới trạng thái cân bằng động. Ứng với trạng thái đó, hiệu thế tiếp xúc giữa bán dẫn N và bán dẫn P có 1 giá trị nhất định. Thông thƣờng, hiệu điện thế tiếp xúc Vtx vào cỡ 0,2V- 0,3V (đối với germanium) hoặc 0,6V-0,7V (đối với silicon). Hiệu thế này ngăn cản không cho hạt dẫn tiếp tục chuyển động qua mặt ranh giới, duy trì trạng thái cân bằng, nên đƣợc gọi là “điện thế hàng rào”. Tóm lại khi không phân cực diode, dòng điện qua diode theo cả 2 chiều là bằng 0. b. Phân cực nghịch (VD < 0 ): Anode nối với cực âm và Cathode nối với cực dƣơng của nguồn ngoài. Có thể giả thiết rằng điện trở của vùng P và vùng N nhỏ hơn rất nhiều so với điện trở của lớp tiếp xúc nên điện áp ngoài VD coi nhƣ đặt toàn bộ lên lớp tiếp xúc này và cùng chiều với Vtx làm cho tình trạng cân bằng trƣớc đây không còn nữa. Số lƣợng các ion dƣơng trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại N sẽ tăng lên phụ thuộc vào số lƣợng rất lớn các điện tích dƣơng tự do lấy từ điện thế dƣơng của nguồn điện áp cung cấp. Tƣơng tự số lƣợng các ion âm sẽ tăng trong chất bán dẫn loại P. Kết quả làm cho vùng nghèo nới rộng ra. Sự nới rộng của vùng nghèo sẽ thiết lập một rào cản lớn đến nổi các hạt tải đa số không thể nào đi qua đƣợc nên dòng khuếch tán là zero nhƣ đƣợc trình bày trong hình 1.9. Do vùng nghèo bị mở rộng, điện trở của nó tăng. Điện thế hàng rào trở thành: V  Vtx  VD Điện thế hàng rào tăng thêm giá trị VD, làm cho dòng trôi của hạt dẫn thiểu số tăng theo VD. Nhƣng do nồng độ hạt tải thiểu số vốn rất ít, nên trị số dòng này rất nhỏ. Nó nhanh chóng đạt tới giá trị bảo hòa Is ngay khi điện áp VD còn rất thấp. 8
Vậy I = Ikt - Itrôi = - Itrôi = -Is Hình 1.9. Phân cực nghịch mối nối pn. Tóm lại khi phân cực ngƣợc diode, dòng điện qua diode là dòng điện ngƣợc có giá trị rất nhỏ. c. Phân cực thuận (VD > 0 ): Anode nối với cực dƣơng và cathode nối với cực âm của nguồn ngoài, lúc này điện thế hàng rào giảm chỉ còn Vtx-VD. Số lƣợng các ion dƣơng trong vùng nghèo của chất bán dẫn loại N sẽ giảm xuống phụ thuộc vào số lƣợng rất lớn các điện tích âm tự do lấy từ điện thế âm của nguồn điện áp cung cấp. Tƣơng tự số lƣợng các ion âm sẽ giảm trong chất bán dẫn loại P. Kết quả làm cho vùng nghèo thu hẹp lại. Sự thu hẹp của vùng nghèo sẽ làm cho hạt dẫn đa số của hai bán dẫn sẽ tràn qua hàng rào sang miền đối diện. Dòng do hạt dẫn đa số tăng nhanh theo điện áp V D, còn dòng trôi của hạt dẫn thiểu số thì giảm theo VD. Tuy nhiên do dòng hạt tải thiểu số vốn rất bé nên có thể coi nhƣ không đổi. Khi đó dòng tổng hợp qua chuyển tiếp pn sẽ là: I  I kt  Itroi  I S  eVD VT  1 (1-1) Hình 1.10. Phân cực thuận mối nối pn. Trong đó: IS = dòng điện bảo hòa . : hằng số phụ thuộc vào vật liệu. 1≤≤2 9
kTk VT: là hiệu điện thế nhiệt : VT  q Tk : nhiệt độ kelvin Tk = Tc +273 q: điện tích. q = 1,6 x 10-19 C ; k: hằng số Boltzman. k = 1,38 x 10-23 J/0K 1.2.3. Đặc tuyến Vôn - Ampe: Đặc tuyến Vôn -Ampe của diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua diode theo điện áp VD(hay VAK) đặt vào nó, đƣợc mô tả bởi biểu thức I D  I S  eV V  1 . Có thể chia đặc tuyến này thành hai vùng: D T - Vùng phân cực thuận: dòng điện ban đầu rất nhỏ gần nhƣ bằng không và tăng rất nhanh sau một giá trị VD nhất định. Điểm mà tại đó dòng bắt đầu tăng nhanh là điểm VD gần tới giá trị điện áp tiếp xúc Vtx và khi VD  Vtx thì dòng ID tăng vọt. Theo đƣờng cong thực tế, dòng diode thuận ID không bắt đầu từ gốc toạ độ mà chỉ xuất hiện khi có một điện áp thuận nhất định gọi là điện áp ngƣỡng hay điện áp mở diode. Đối với diode Ge giá trị điện áp này khoảng 0,3V còn đối với Si khoảng 0,7V Hình 1.11. Đặc tuyến vôn-ampe của chuyển tiếp pn. - Vùng phân cực ngƣợc: Dòng ngƣợc qua diode rất nhỏ, nếu điện áp ngƣợc tiếp tục tăng đến một giá trị khá lớn nào đó thì dòng điện ngƣợc trở nên tăng vọt, nghĩa là 10
chuyển tiếp PN dẫn điện mạnh cả theo chiều nghịch, phá hỏng đặc tính van của nó. Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng đánh thủng. Nguyên nhân dẫn đến đánh thủng có thể do điện hoặc nhiệt, vì vậy ngƣời ta thƣờng phân biệt hai dạng là đánh thủng về điện và đánh thủng về nhiệt. a. Đánh thủng về điện: Vùng đánh thủng về điện thƣờng gọi là vùng Zener. Đánh thủng về điện gồm 2 hiệu ứng. - Hiệu ứng Zener khi hai lớp P và N có nồng độ hạt dẫn rất cao và bề dầy lớp tiếp xúc rất nhỏ. Khi đó điện trƣờng tại lớp tiếp xúc rất lớn đủ giải phóng các điện tử khỏi mối liên kết để thành hạt dẫn tự do, và làm dòng ngƣợc tăng đột ngột. Cơ chế đánh thủng này có tên là đánh thủng Zener. - Cơ chế đánh thủng thác lũ do điện tử va chạm vào mạng tinh thể gây nên hiện tƣợng ion hoá làm tăng dòng ngƣợc. Tuy hiện tƣợng đánh thủng do hai hiệu ứng gây ra nhƣng ngƣời ta gọi chung vùng đặc tuyến này là vùng Zener. Hiện tƣợng đánh thủng do điện không làm hỏng diode. Điện áp phân cực ngƣợc lớn nhất trƣớc khi đạt đến vùng zener đƣợc gọi là điện áp ngƣợc đỉnh (peak inverse voltage: PIV) thƣờng gọi là điện áp đánh thủng ngƣợc. Hình 1.12. Vùng zener. b. Đánh thủng về nhiệt: Xảy ra do sự tích luỹ nhiệt trong vùng tiếp xúc. Khi có điện áp ngƣợc lớn, dòng điện ngƣợc tăng làm nóng chất bán dẫn, khiến nồng độ hạt dẫn thiểu số tăng và do đó lại làm dòng điện ngƣợc tăng nhanh. Quá trình cứ nhƣ thế tiến triển khiến cho nhiệt độ vùng tiếp xúc và dòng điện ngƣợc liên tục tăng nhanh, dẫn đến đánh thủng. Hiện tƣợng đánh thủng này có trị số điện áp đánh thủng phụ thuộc vào dòng điện ngƣợc ban đầu, nhiệt độ môi trƣờng và điều kiện tỏa nhiệt của chuyển tiếp pn. Đánh thủng về nhiệt thƣờng làm diode bị hỏng hoàn toàn không sử dụng đƣợc nữa. Hình 1.13 so sánh đặc tuyến của diode bán dẫn Si và Ge. 11
Hình 1.13. Đặc tuyến Vôn – Ampe của diode Si và Ge. Diode Si có PIV, dòng điện và khoảng nhiệt độ hoạt động lớn hơn diode Ge. Điện áp PIV đối với Si khoảng 1000V trong khi đó giá trị lớn nhất đối với Ge là 400V. Diode Si có thể dùng trong các ứng dụng mà nhiệt độ có thể lên đến 2000C trong khi đó nhiệt độ chịu đựng lớn nhất của diode Ge là 1000C. Dòng ngƣợc của diode Si nhỏ hơn nhiều so với diode Ge IS (Si)
thuận không đổi thì điện áp thuận rơi trên diode sẽ giảm đi khi nhiệt độ tăng và vào khoảng -2mV/0K. Hình 1.14. ảnh hưởng của nhiệt độ lên đặc tuyến của diode. 1.3. Các thông số của diode: 1.3.1 Các thông số giới hạn: Bảng thông số của các linh kiện bán dẫn thƣờng đƣợc cung cấp bởi nhà chế tạo. Hầu hết bảng thông số cung cấp các thông số giới hạn cho phép. Các thông số này bao gồm: 1. Điện áp đánh thủng ngƣợc (PIV hay BV: Breakdown Voltage) Là điện áp ngƣợc tại đó diode bị đánh thủng (dòng ngƣợc tăng đột ngột) 2. Điện áp ngƣợc cực đại: Là điện áp ngƣợc cực đại cho phép sử dụng ở chế độ làm việc để diode chƣa bị đánh thủng 3. Dòng thuận đỉnh IF (.(Peak Repetitive Forward Current): Là giá trị tức thời cực đại cho phép đối với dòng thuận 4. Dòng chỉnh lƣu trung bình (Average Rectified Current) IO: Là trị trung bình cho phép của dòng chỉnh lƣu qua diode 5. Dòng thuận đỉnh ở thời điểm chuyển mạch (Peak Forward Surge Current) : Là giá trị đỉnh tức thời cực đại cho phép ở thời điểm đóng mạch (xung) 6. Công suất tiêu tán cực đại: Là công suất cực đại mà diode phải tiêu tán sao cho không bị nung nóng quá giới hạn cho phép. PD max = UD x ID Với diode Si UD = 0,7V và diode Ge UD = 0,3V thì công thức có thể tính một cách đơn giản cho hai loại Si và Ge. PD max= 0,7(V) x ID đối với diode Si PD max= 0,3(V) x ID đối với Điot Ge 13
7. Dải nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp xúc (Junction) ở chế độ làm việc và ở chế độ cất giữ: Cho biết dải nhiệt độ cho phép tại tiếp xúc PN khi ở chế độ làm việc và khi cất giữ. 1.3.2. Các thông số về điện: Tùy thuộc vào từng loại diode sử dụng, có thể đƣợc cung cấp thêm các thông số khác nhƣ dãy tần số làm việc, mức nhiễu, thời gian chuyển mạch, các mức điện trở Hình 1.15. Đặc tuyến của diode 1. Điện áp thuận trên diode: Là điện áp rơi trên diode khi phân cực thuận. 2. Dòng ngƣợc bão hoà IS: Là dòng điện khi diode phân cực ngƣợc. Dòng này thƣờng rất nhỏ và phụ thuộc vào nhiệt độ. 3. Điện trở tĩnh hay điện trở một chiều: Là điện trở đối với thành phần dòng một chiều. Giá trị RD phụ thuộc vào điểm làm việc trên đặc tuyến Volt- Ampere của diode. RD= UD/ID (1.2) Ví dụ1.1: Tính giá trị RD của diode có đặc tuyến nhƣ hình 1. 25 tại a) ID = 2mA b) ID = 20mA c) VD = -10V Giải U D 0,5V a) Tại ID = 2mA, VD = 0,5V RD    250 I D 2mA U D 0,8V b) Tại ID = 5mA, VD = 0,8V RD    40 I D 20mA U D 10V c) Tại VD = -10V, ID = -IS = -1µA RD    10M  I D 1 A 14
Hình 1.16. Đặc tuyến xác định điện trở động của diode 4. Điện trở động hay điện trở xoay chiều: Là điện trở của diode đối với thành phần tín hiệu xoay chiều. Nếu xếp chồng một nguồn tín hiệu sin lên nguồn điện áp dc thì tín hiệu vào thay đổi sẽ làm điểm hoạt động thay đổi lên và xuống nhƣ hình 1.16. Nếu tín hiệu biến thiên đƣa đến bằng 0, điểm hoạt động sẽ là điểm Q xuất hiện trên hình 1.16. đƣợc xác định bởi các mức điện áp DC. Điểm gán chữ Q đƣợc rút ra từ chữ quiscent có nghĩa là mức không thay đổi hay còn gọi là điểm tĩnh. Phƣơng trình tính điện trở động của diode là: VD rD  (1.3) I D Nếu vùng làm việc của diode đƣợc xem là tuyến tính thì điện trở động của diode trong phƣơng trình trên có thể đƣợc viết lại nhƣ sau: dv D rD  di D Từ phƣơng trình (1.1) ta có: I D  I S  I S eVD VT ID  IS ID  IS  eVD VT hay VD  VT ln IS IS Vậy dv D VT rD   (1.4) di D I D  I S Do dòng ID khi phên cực thuận lớn hơn dòng ngƣợc IS rất nhiều nên rD có thể tính gần đúng nhƣ sau: 15
VT rD  (1.5) ID Trƣờng hợp  = 1 và xét tại nhiệt độ phòng TC  25o C thì VT = 26mV: 26mV rD  (1.6) ID Tất cả các điện trở đã xác định từ trƣớc đến giờ không kể đến điện trở của chính vật liệu bán dẫn và điện trở bởi các đầu nối giữa vật liệu bán dẫn và các dây dẫn kim loại bên ngoài. Các điện trở này đƣợc cộng lại và kí hiệu là rB và đƣợc tính thêm vào điện trở ac, kết quả điện trở rd’ gồm có điện trở động và điện trở rB: 26mV rD   rB (1.7) ID Điện trở rB khoảng từ 0,1 đối với các diode công suất lớn và từ 1 đến 2 đối với các diode công suất nhỏ. 5. Điện dung chuyển tiếp và điện dung khuếch tán (transition and diffusion capacitance): Trong diode bán dẫn pn, có 2 ảnh hƣởng của điện dung cần phải xem xét đó là điện dung chuyển tiếp và điện dung khuếch tán. Điện dung chuyển tiếp : Là điện dung của lớp tiếp xúc PN khi phân cực ngƣợc Trong chuyển tiếp pn, vùng tiếp xúc mang tính chất nhƣ là chất cách điện giữa 2 lớp điện tích đối ngƣợc nhau vì vậy nó tƣơng đƣợng một tụ điện có điện dung gọi là điện dung chuyển tiếp. Độ rộng vùng nghèo này tăng tỉ lệ với điện áp phân cực nghịch, vì vậy điện dung chuyển tiếp sẽ bị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp phân cực nghịch cung cấp. Hình 1.17. Điện dung chuyển tiếp và khuếch tán tỉ lệ với điện áp phân cực. A CT   (1.8) d Trong đó  là hằng số điện môi của chất cách điện giữa các bản cực A diện tích tiếp xúc của hai chất bán dẫn N và P d: bề dày của vùng tiếp xúc 16
Điện dung khuếch tán : ở chế độ dòng thuận (UD> 0), do khuếch tán điện tích đa số qua Lớp tiếp xúc tạo nên sự thay đổi điện tích khi điện áp UD thay đổi. Việc biến thiên này tƣơng đƣơng với một tụ điện có điện dung CD đƣợc tính bằng: dQ CD  (1.9) dV Q: điện tích miền nền của diode. Giá trị của CD thƣờng lớn hơn CT. Tuy nhiên, ở chế độ phân cực thuận CD mắc song song với điện trở rD và điện trở này rất nhỏ nếu ít gây ảnh hƣởng ( = RC: thời hằng nhỏ). Các ảnh hƣởng vừa diễn tả ở trên đƣợc minh họa bằng 1 tụ điện mắc song song với 1 diode lý tƣởng nhƣ hình 1.18 Trong các ứng dụng tần số từ trung bình trở xuống thì có thể bỏ qua ảnh hƣởng của tụ. Hình 1.18. Mạch tương đương của diode khi xét đến ảnh hưởng của điện dung. 6. Thời gian phục hồi ngƣợc: Đƣợc định nghĩa nhƣ là khoảng thời gian diode trở lại trạng thái không dẫn kể từ thời điểm chuyển điện áp từ thuận sang ngƣợc. Khi diode đang có dòng thuận, nghĩa là tại vùng bán dẫn P có rất nhiều điện tử khuếch tán từ phía N sang và tại vùng N cũng có rất nhiều lỗ trống từ vùng P khuếch tán sang. ở tại 2 vùng này, điện tử và lỗ trống trở thành loại hạt thiểu số. Khi đổi chiều phân cực, số lƣợng hạt này là khá lớn và chúng chuyển động theo chiều ngƣợc lại tạo nên dòng I ngƣợc có giá trị không đổi trong một khoảng thời gian nhất định t1 . Sau đó số lƣợng hạt dẫn này giảm đi theo thời gian nên dòng ngƣợc cũng giảm dần và bằng IS. Thời gian t2 đƣợc tính từ điểm sau t1 đến khi dòng giảm còn bằng 0,1 giá trị dòng ngƣợc ban đầu. Hình 1.19. Đặc tuyến chuyển mạch của diode. 17
Thời gian phục hồi ngƣợc đƣợc tính bằng tổng hai thời gian t1 và t2 trr = t1 + t2 Thời gian phục hồi ngƣợc quan trọng trong các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao. Hầu hết các diode chuyển mạch có trr vào khoảng vài nano giây đến 1 s. 1.4. Các loại diode: Diode bán dẫn có ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ tần số thấp đến tần số cao và siêu cao, từ công suất nhỏ đến công suất lớn (dòng điện đạt tới hàng ngàn Ampe). Vì vậy việc phân loại và đặc tính chủ yếu dựa theo một số tham số kỹ thuật đặc trƣng và liên quan đến nó là lĩnh vực ứng dụng, công nghệ chế tạo. 1.4.1. Diode chỉnh lƣu: Ứng dụng trong các mạch chỉnh lƣu. Cấu tạo là một chuyển tiếp pn, tiếp xúc mặt. Diode chỉnh lƣu bao gồm diode chỉnh lƣu công suất nhỏ, diode chỉnh lƣu công suất trung bình và công suất lớn. Hình 1.20. Ký hiệu của diode chỉnh lưu. 1.4.2. Diode cao tần Ứng dụng trong các mạch hoạt động ở tần số cao nhƣ mạch tách sóng cao tần. Diode cao tần có điện dung tiếp xúc bé nhƣ diode tiếp xúc điểm. 1.4.3. Diode phát quang (led-light emitting diode): Diode phát quang là diode phát ra ánh sáng khi nó dẫn điện. Hình 1.21. Led a. cấu tạo; b. kí hiệu. Mối nối p-n phân cực thuận thì sẽ có sự tái hợp của lỗ trống và điện tử nằm trong cấu trúc và gần mối nối. Sự tái hợp này đòi hỏi một năng lƣợng đƣợc chiếm hữu bởi các điện tử tự do phát ra sẽ chuyển sang 1 trạng thái khác. Trong tất cả các mối nối bán dẫn p-n, năng lƣợng này sẽ tạo ra nhiệt và một vài dạng hạt photons (hạt ánh sáng). Trong silicon và germanium việc tạo ra nhiệt và ánh sáng phát ra không đáng 18
kể. Trong một số vật liệu khác chẳng hạn nhƣ gallium arsenide phosphide (GaAsP) hoặc gallium phosphide (GaP), số lƣợng hạt ánh sáng tạo ra vừa đủ để tạo ra một nguồn phát sáng có thể thấy đƣợc. Led có đặc tính đƣờng cong gần giống nhƣ diode mối nối pn. Tuy nhiên điện áp phân cực thuận (VF) cao hơn và điện áp phân cực nghịch (VBR) thấp hơn. Các dãy điện áp làm việc thông thƣờng của led nhƣ sau: - Điện áp phân cực thuận: +1V đến +3V - Điện áp phân cực ngƣợc: -3V đến –10V Dòng điện trung bình phân cực thuận thƣờng là 10mA. Dòng điện phân cực thuận thấp nên phải thêm điện trở hạn dòng. Trong các ứng dụng thực tế sử dụng led thƣờng mắc thêm điện trở hạn dòng mắc nối tiếp. Điện trở phải đƣợc tính toán sao cho dòng cực đại qua led không đƣợc vƣợt quá dòng cho phép. Giá trị của điện trở RS đƣợc tính nhƣ sau: Vout (max)  VF RS  (1.10) IF Trong đó: - Vout(pk) : là điện áp đỉnh ngõ ra của mạch. - VF : là giá trị điện áp VF nhỏ nhất của led. - IF : là dòng điện cho phép lớn nhất của led. 1.4.4. Diode zener: Ứng dụng trong các mạch ổn áp, tạo điện áp chuẩn. Hoạt động chủ yếu ở vùng phân cực ngƣợc. Vùng zener đã đƣợc đề cập ở phần trƣớc một cách chi tiết có đƣờng cong đặc tính rơi thẳng đứng tại VZ. Vùng đặc tính zener đƣợc sử dụng trong chế tạo ra diode Zener. Hình 1.22. (a) Kí hiệu của của diode zener (b) Đặc tuyến của diode zener 19