Bài giảng Cấu kiện điện tử - Chương 3: Điốt bán dẫn

Chương 3: Điốt bán dẫn • Tiếp giáp p-n và điốt bán dẫn • Các tham số của điốt bán dẫn • Sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn SITY • Phân loại và một số ứng dụng của điốt NIVER ANG U NHATR Tiếp giáp p-n • Trên một miếng tinh thể bán dẫn, bằng các phương pháp công nghệ, tạo ra hai vùng bán dẫn loại N và loại P, thì tại ranh giới giữa hai vùng bán dẫn xuất hiện một vùng, gọi là lớp tiếp giáp p-n (p-n junction) SITY NIVER ANG U NHATR Điốt bán dẫn • Linh kiện chỉ có một lớp tiếp giáp p-n gọi là điôt (diode) bán dẫn. SITY Hình dạng, ký hiệu, cấu tạo: NIVER ANG U NHATR Sự hình thành tiếp giáp p-n • Vùng bán dẫn loại N có hạt dẫn đa số là electron tự do 16 -3 (NA=10 cm ); vùng bán dẫn loại P hạt dẫn đa số là lỗ trống (ND=1017cm-3). • Do sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống giữa hai SITY vùng bán dẫn nên các electron ở gần tiếp giáp p-n khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch NIVER tán từ vùng P sang N. Kết quả là ở tiếp giáp p-n chỉ còn các ion tạp chất: ion dương ở phía tạp chất n, ion âm ở phía tạp chất p. Vùng giữa các ion này rất nghèo hạt dẫn ANG U điện (electron, lỗ trống), nên được gọi là vùng nghèo (depletion region) hay vùng điện tích không gian NHATR • Các ion này tạo thành một điện trường hướng từ n sang p gọi là điện trường tiếp xúc. Điện thế tạo bởi điện trường này gọi là hàng rào thế năng (barrier potential) Sự hình thành tiếp giáp p-n SITY NIVER ANG U pn junction: tiếp giáp p-n NHATR depletion region: Vùng nghèo barrier potential: Hàng rào thế năng Tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng • Điện trường tiếp xúc ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số (electron ở bán dẫn loại n; lỗ trống ở bán dẫn loại p)→giảm dòng khuếch SITY tán, và tăng cường chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số→tăng dòng trôi. Khi dòng điện sinh NIVER ra bởi các hạt dẫn này bằng nhau (nhưng ngược chiều), thì tiếp giáp ở trạng thái cân bằng ANG U động. • Ở trạng thái cân bằng động, tiếp giáp p-n có bề NHATR dày xác định (10-6m), điện trường tiếp xúc và hàng rào thế năng cũng có các giá trị xác định. NHATRANG UNIVERSITY Mô hình vùng năng lượng của tiếp giáp p - n ởtrạng thái cân bằng Các tham số của tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng Hiệu điện thế tiếp xúc xn q V   Edx  N x2  N x2   A p D n  SITY xp 2 xp: Độ rộng vùng nghèo về phía p NIVER N D N A xn: Độ rộng vùng nghèo về phía n V  V ln -14 0 T 2 ε=11,8ε0=11,8.8,85.10 (F/cm): ni ANG U Hằng số điện môi của chất bán dẫn Điện trường tiếp xúc NHATR N D N A E0  KT ln 2 ni Tiếp giáp p-n phân cực thuận • Tiếp giáp p-n được phân cực thuận khi đặt một điện áp một chiều có cực dương nối vào bán dẫn p và cực âm nối vào bán dẫn n • Điện áp phân cực (Vbias) phải lớn hơn hàng rào thế SITY năng. • Điện trường ngoài ngược hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm giảm điện trường tiếp xúc. Etx=E0-Eng NIVER ANG U NHATR Tiếp giáp p-n phân cực thuận • Điện trường ngoài hướng từ p sang n, làm các electron ở bán dẫn n tiến tới tiếp giáp p-n, đây là hiện tượng “phun” hạt dẫn vào vùng nghèo, làm điện trở vùng nghèo giảm xuống nhanh chóng • Điện trường ngoài làm tăng dòng khuếch tán và giảm dòng SITY trôi • Điện trường ngoài làm giảm độ rộng vùng nghèo, làm giảm NIVER điện trường tiếp xúc và làm giảm hàng rào thế năng • Khi tiếp giáp p-n được phân cực thuận, có dòng điện từ bán dẫn p sang bán dẫn n, gọi là dòng phân cực thuận. ANG U NHATR Tiếp giáp p-n phân cực ngược • Tiếp giáp p-n được phân cực ngược khi đặt một điện áp một chiều có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫn p SITY • Điện trường ngoài cùng hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm tăng cường điện trường tiếp xúc. Etx=E0+Eng NIVER ANG U NHATR Tiếp giáp p-n phân cực ngược • Điện trường ngoài hướng từ n sang p làm cho các hạt dẫn điện đa số (electron ở bán dẫn n, lỗ trống ở bán dẫn p) càng rời xa tiếp giáp p-n, làm cho độ rộng của vùng nghèo tăng lên, điện trở của vùng nghèo cũng tăng lên nhanh chóng SITY • Điện trường ngoài làm giảm dòng khuếch tán và tăng dòng trôi (dòng trôi rất nhỏ so với dòng khuếch tán) • Khi tiếp giáp p-n được phân cực ngược, chỉ có dòng điện NIVER ngược (rất nhỏ) qua tiếp giáp p-n. ANG U NHATR Dòng điện ngược và hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p-n • Dòng điện ngược là dòng dịch chuyển có hướng của hạt mang điện thiểu số (electron trong bán dẫn p, lỗ trống trong bán dẫn n) dưới tác dụng của điện trường ngoài • Dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài μA) và nhanh chóng bão SITY hào khi tăng điện áp phân cực ngược • Nếu tiếp tục tăng điện áp phân cực ngược đến một mức nào đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng, dòng ngược tăng đột NIVER biến. ANG U NHATR Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận • Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận là dòng chuyển dời có hướng của các hạt dẫn điện đa số: I=IP+IN S: tiết diện tiếp giáp p-n Dòng khuếch tán lỗ trống Dp;Dn: hệ số khuếch tán của lỗ SITY trống, electron qSDp pN   V   pN: nồng độ lỗ trống khuếch tán NIVER   I p  exp  1 từ p sang n LP VT     nP: nồng độ electron khuếch tán ANG U Dòng khuếch tán điện tử từ n sang p LP: độ dài khuếch tán của lỗ trống NHATR qSDnnp   V   L : độ dài khuếch tán của I  exp  1 N N     electron LN VT     V: điện áp phân cực thuận VT: thế nhiệt Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận qSD p qSD n   V   p N n p   I  I P  I N    exp  1  LP LN  VT   SITY   V   I  I exp  1 NIVER 0      VT   ANG U Với: SqD p NHATR p N SqDnnP I0   Dòng điện ngược bão hòa Lp Ln Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực ngược • Dòng điện ngược bão hòa là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện thiểu số: Ing=Ingp+Ingn SITY SqD p SqD n I  p N  n P NIVER ng Lp Ln ANG U  D D  I  S.q p  n .n2 NHATR ng   i  Lp N D Ln N A  Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn Xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm: - Mắc các đồng hồ đo dòng điện và điện áp như hình vẽ SITY NIVER ANG U NHATR Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn Đặc tuyến V-A là quan hệ giữa dòng điện qua Điốt và điện áp SITY đặt vào các cực NIVER của Điốt   V   ANG U   I  I0 exp  1  VT   NHATR Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn • Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn chia thành ba phần rõ rệt. – Vùng phân cực thuận: Khi 0<UAK<Uth (0,7V), dòng SITY thuận gần như không có. Khi UAK≥Uth, dòng thuận tăng nhanh NIVER – Vùng phân cực ngược: Khi UAK<0, dòng ngược bão hòa rất nhỏ (cỡ vài chục nA đến vài μA) – Vùng đánh thủng: Dòng điện ngược tăng đột biến khi ANG U điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủng • Từ đặc tuyến V-A ta thấy Điốt là linh kiện chỉ NHATR dẫn điện theo một chiều khi nó được phân cực thuận. Người ta còn nói Điốt có tính chất Van Sự phụ thuộc của đặc tuyến V-A vào nhiệt độ   V     I  I0 exp  1  VT   SITY Từ công thức trên cho thấy dòng điện qua điốt phụ NIVER thuộc vào nhiệt độ thông qua VT và phụ thuộc vào ANG U dòng bão hòa ngược I0 Dòng bão hòa ngược phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ NHATR với mức xấp xỉ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10oC; hay -2,1mV/oC (Si); -2,3mV/oC (Ge) Các tham số của Điốt bán dẫn Điện trở tĩnh: Là điện trở của tiếp giáp p-n khi có điện áp một chiều cố định đặt vào các cực của Điốt. U AK R <<R SITY R  0th 0ng 0 I NIVER Điện trở động: Là điện trở của của tiếp giáp p-n khi làm việc với điện áp biến đổi. Hay nói cách khác là điện trở tức thời của tiếp giáp ANG U U dU NHATR r  AK  AK i I dI Các tham số của Điốt bán dẫn Điện dung của Điốt: Là điện dung của lớp điện tích không gian ở trạng thái cân bằng hoặc khi phân cực ngược. Điện áp ngược cực đại Ungmax: Là điện áp ngược tối SITY đa mà Điốt còn làm việc bình thường, thường Ungmax=0,8Udt NIVER Dòng thuận cực đại Imax: Là dòng điện thuận tối đa mà Điốt còn hoạt động bình thường ANG U Khoảng nhiệt độ làm việc: Là khoảng nhiệt độ mà Điốt còn làm việc bình thường. Đối với Điốt Si là từ -60 đến NHATR 150oC; Điốt Ge là -60 đến 85oC Các tham số của Điốt thường được cho ở Datasheet của hãng sản xuất Các sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Mô hình Điốt lý tưởng (Ideal model): Điốt tương đương với một công tắc: – Công tắc đóng khi Điốt phân cực thuận SITY – Công tắc hở khi phân cực ngược NIVER ANG U NHATR Các sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Mô hình Điốt thực tế (Practical model): Giống như mô hình lý tưởng nhưng tính đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng (0,7V đối với Si và 0,2V đối với Ge) – Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng) và công tắc đóng SITY – Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở NIVER ANG U NHATR Các sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Mô hình Điốt hoàn chỉnh (Complete model): Là mô hình kể đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng VF, điện trở thuận r’d (rất nhỏ) và điện trở ngược r’R (rất lớn) – Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng), một công tắc đóng và điện trở thuận r’d SITY – Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở và điện trở ngược NIVER ANG U NHATR Các sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Mô hình Điốt hoạt động ở tần số cao: – Khi điốt hoạt động ở tần số cao, thì phải tính đến ảnh hưởng của các tụ ký sinh (tụ khuếch tán Cd và tụ tiếp giáp p-n Cj) SITY NIVER ANG U NHATR Phân loại và ứng dụng của điốt • Điốt chỉnh lưu (rectifier diode): Dựa trên tính chất dẫn điện theo một chiều của điốt để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều SITY NIVER ANG U NHATR Ứng dụng của điốt • Các mạch ghim (hạn chế điện áp) SITY NIVER ANG U NHATR Phân loại và ứng dụng của điốt • Điốt Zener : Dựa trên hiện tượng đánh thủng về điện của điốt. Dùng để ổn định điện áp • Khi được phân cực thuận, điốt Zener cũng giống như điốt bình thường, khi phân cực ngược thì nó chỉ làm việc ở trạng thái đánh thủng. SITY • Điốt Zener được chế tạo từ hai lớp bán dẫn được pha tạp rất mạnh (nên điện áp đánh thủng thường nhỏ hơn NIVER điốt thông thường) ANG U NHATR Sơ đồ tương đương của điốt Zener SITY NIVER ANG U NHATR ZZ: Trở kháng (Impedance) của điốt Zener Ứng dụng của điốt Zener SITY Ổn định điện áp một chiều: NIVER Khi tải thay đổi: Uod=Uz ANG U NHATR Ứng dụng của điốt Zener SITY Ổn định điện áp một chiều: NIVER Khi điện áp nguồn vào thay ANG U đổi: Uod=Uz NHATR Phân loại và ứng dụng của điốt • Điốt xung : Điốt làm việc với các xung điện áp (dòng điên), tương tự như một khóa điện tử, đóng mở mạch • Điốt Schottky: Là điốt có thời gian phục hồi trạng thái đóng, ngắt nhanh, điốt schottky sử dụng tiếp xúc bán SITY dẫn-kim loại NIVER ANG U NHATR Phân loại và ứng dụng của điốt • Điốt biến dung (Varicap): Là điốt làm việc như một tụ điện, với điện dung của phần tiếp giáp p-n thay đổi theo điện áp phân cực cho điốt SITY NIVER ANG U NHATR Phân loại và ứng dụng của điốt • Điốt xuyên hầm (tunnel): Điốt làm việc dựa trên hiệu ứng xuyên hầm. Có khả năng dẫn điện theo cả chiều thuận và chiều ngược SITY NIVER ANG U • Điốt cao tần (Điốt tách sóng): Nguyên lý làm việc NHATR giống như điốt chỉnh lưu, nhưng tần số làm việc rất cao, thường dùng trong mạch tách sóng của máy thu thanh