Bài giảng Kỹ thuật điện tử - Bài 3: Điốt trạng thái rắn và các mạch điốt

BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN 3.1 Lớp tiếp giáp p-n 3.2 Đặc tuyến i-v 3.3 Mô hình toán học cho điốt 3.4 Phân cực điốt: thuận-ngược 3.5 Điốt phân cực ngược 3.6 Điện dung lớp tiếp giáp p-n 3.7 Điốt cản schottky 3.8 Phân tích mạch điốt 3.9 Các mạch chỉnh lưu điốt 3.10 Các điốt quang, phát quang, pin mặt trời BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN Phần tử mạch điện tử đầu tiên được tìm hiểu là điốt lớp tiếp giáp pn trạng thái rắn. Điốt là loại thiết bị cực kỳ quan trọng có nhiều ứng dụng quan trọng bao gồm biến đổi AC – DC (chỉnh lưu). Ngoài ra, điốt lớp tiếp giáp pn còn là khối xây dựng cơ bản cho các thiết bị trạng thái rắn khác. Nắm được đặc tính điốt là điều kiện tiên quyết để hiểu được hoạt động của các tranzito lưỡng cực và trường mà chúng được sử dụng để tạo mạch lôgic số và khuếch đại tương tự. 3.1 Lớp tiếp giáp p-n Điốt được tạo bằng cách bắt đầu từ kiểu n với tạp chất pha ND và biến đổi một phần sang kiểu p bằng cách thêm các tạp chất nhận với NA > ND. Điểm mà tại đó vật chất biến đổi từ kiểu n sang p được gọi là lớp tiếp giáp luyện kim (junction). Vùng kiểu p được gọi là cực anốt của điốt, vùng kiểu n được gọi là catốt của điốt. Hình 3.1.1 điốt tiếp xúc pn cơ bản. Hình 3.1.2 Ký hiệu điốt. Hình 3.1.3 Sự hình thành vùng tích điện không gian gần lớp tiếp giáp luyện kim. Vùng tích điện không gian (SCR – Space Charge Region), bị hết các hạt mang điện tự do, phát triển trong vùng quanh lớp tiếp xúc luyện kim. Do vậy vùng này còn được gọi là vùng cạn kiệt, hay lớp cạn kiệt. 3.2 Đặc tuyến i-v Điốt là một đương lượng điện tử của một van cơ học – nó cho phép dòng điện đi theo một hướng trong mạch và ngăn dòng điện theo hướng ngược lại. Chúng ta sẽ thấy được tính phi tuyến này có rất nhiều ứng dụng trong thiết kế mạch điện tử. Để hiểu được hiện tượng này, chúng ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa dòng điện qua điốt và điện áp đặt trên nó. Thông tin này được gọi là đặc tuyến i-v của điốt. Điện áp vD đặt trên các cực điốt, iD là dòng qua điốt. Hình 3.2.1 Điốt và điện áp đặt lên nó. Các chi tiết quan trọng nhất của đặc tính i-v được thể hiện trong hình 3.2.2. Hình 3.2.2 Đồ thị đặc tuyến i-v của điốt lớp tiếp giáp pn. Rõ ràng là nó không tuyến tính. Với điện áp nhỏ hơn không, điốt hoàn toàn không dẫn điện. Với , khi điện áp tăng hơn không, dòng điện vẫn gần bằng không cho đến khi điện áp vD vượt quá xấp xỉ 0.5 đến 0.7V. Ở điểm này, dòng điện tăng lên rất nhanh. Điện áp đặt vào điốt để có dòng điện qua thường được gọi là điện áp mở hoặc điện áp cắt, đóng của điốt. Hình 3.2.3 Hoạt động của điốt gần gốc với IS = 10-15A và n = 1. Hình 3.2.3 là hình phóng đại của vùng quanh gốc trong hình 3.2.2 Chúng ta thấy rằng đặc tuyến i-v đi qua gốc, dòng điện bằng không khi điện áp là không. Nếu điện áp âm thì thực tế dòng điện không bằng không nhưng ở giá trị giới hạn là -IS khi điện áp nhỏ hơn – 0.1V. IS được gọi là dòng điện bão hoà ngược, hay dòng bão hoà của điốt. 3.3 Mô hình toán học cho điốt Hình 3.3.1 Điốt với điện áp đặt vD Mô hình toán học cho đặc tuyến i-v của điốt: (3.3.1) Trong đó IS = dòng bão hoà ngược của diod (A) vD = điện áp đặt trên diod (V) q = điện tích electron (1.60 × 10-19 C) k = Hằng số Boltzmann (1.38 × 10-23 J/K, 8.622 × 10-5 eV/K) T = nhiệt độ tuyệt đối (K) n= hệ số không lý tưởng (vô hướng) VT = kT/q = điện thế nhiệt (V) Dòng bão hoà thường trong khoảng: 10-18A ≤ IS ≤ 10-9A Có thể thấy là dòng bão hoà của điốt tỉ lệ với , trong đó ni là mật độ của electron và lỗ trống trong bán dẫn nguyên chất. IS phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ. Tham số n là hệ số không lý tưởng. Với hầu hết các điốt, n từ 1.0 đến 1.1, mặc dù nó đạt đến 2 với các điốt có mật độ dòng cao. Từ quan điểm này, chúng ta giả định n = 1 nếu không có giả thiết khác và phương trình điốt sẽ được viết là (3.3.2) 3.4 Phân cực điốt: thuận - ngược 3.4.1 Phân cực ngược Giả sử đặt điện áp một chiều V = – 4VT = –0.1V lên điốt, như vậy vD = –0.1V. Thay giá trị này vào phương trình 3.3.2 sẽ có: (3.4.1) Phương trình trên bỏ qua exp(–4) do exp(–4) = 0.018. Với điện thế ngược lớn hơn 4VT, có nghĩa là vD ≤ –4VT = –0.1V thì phần luỹ thừa exp(vD/VT) nhỏ hơn 1 rất nhiều, nên dòng điốt sẽ xấp xỉ bằng –IS, một dòng rất nhỏ. Dòng IS đã được xác định trong hình 3.2.3. 3.4.2 Điện thế phân cực bằng không Mặc dù dường như nó không đáng kể, nhưng nên nhớ là đặc tuyến i-v của điốt đi qua gốc. Khi điện thế vD = 0, thì iD = 0. Như một điện trở, sẽ phải có một điện áp đặt trên điốt để tồn tại một dòng khác không. 3.4.3 Phân cực thuận Giả sử vD ≥ + 4VT = + 0.1V, khi đó hàm mũ exp(vD/VT) lớn hơn 1 rất nhiều, phương trình 3.3.2 sẽ trở thành (3.4.2) Dòng điốt tăng theo số mũ với điện áp vào với điện thế thuận lớn hơn khoảng 4VT. Đặc tuyến i-v với điện áp thuận được vẽ lại dưới dạng logarithm như trong hình 3.4.1. Hình 3.4.1 Đặc tuyến i-v của điốt theo thang chia logarithm. Đường thẳng biểu diễn phương trình 3.4.2 với vD ≥ 4VT. Gần gốc có một đường hơi cong, ở đó –1 không thể bỏ qua. Độ dốc của đồ thị trong vùng luỹ thừa là rất quan trọng. Chỉ cần tăng điện áp thuận thêm 60 mV là dòng điện tăng 10 lần. Đây là lý do mà dòng tăng gần như thẳng đứng như trong hình 3.2.2 với điện áp trên điện áp mở. 3.5 Điốt phân cực ngược 3.5.1 Dòng bão hoà trong điốt thực Thực tế dòng bão hoà ngược là do các cặp lỗ trống – electron do nhiệt tạo thành trong vùng cạn kiệt xung quanh lớp tiếp xúc pn và do vậy tỉ lệ với số lượng cặp trong vùng cạn kiệt. Do độ rộng vùng cạn kiệt tăng theo điện thế ngược, nên dòng ngược không thực sự bão hoà, dòng ngược tăng dần dần khi điện thế ngược tăng. (3.5.1) vR: Điện áp ngược. фj: Điện thế trong của lớp tiếp giáp, VT = kT/q: điện áp nhiệt, k: Hằng số Boltzmann (8.62×10-5 eV/K), T: nhiệt độ tuyệt đối, q: điện tích electron (1.602×10-19 C) Với điện áp ngược, độ rộng lớp cạn kiệt thay đổi rất ít và IS = ISO với điện áp thuận. 3.5.2 Đánh thủng Khi điện áp ngược tăng, điện trường sẽ tăng lên, điốt sẽ đi vào vùng đánh thủng. Quá trình đánh thủng là đột ngột và dòng điện sẽ tăng rất nhanh với bất kỳ điện áp nào, như được thể hiện trên đặc tuyến i-v trong hình 3.5.1. Điện áp xảy ra hiện tượng đánh thủng được gọi là điện áp đánh thủng của điốt và thường trong khoảng 2V ≤ VZ ≤ 2000V. Giá trị của VZ chủ yếu do mức tạp chất quyết định, nếu tạp chất càng nhiều thì điện áp đánh thủng càng nhỏ. Hình 3.5.1 Đặc tuyến i-v của điốt có vùng đánh thủng. Hình nhỏ là hệ số nhiệt độ (TC) của VZ. Có hai cơ chế đánh thủng riêng biệt: Đánh thủng thác lũ và đánh thủng Zener. Đánh thủng thác lũ Các điốt silic có các điện áp đánh thủng lớn hơn khoảng 5.6V bị đánh thủng với cơ chế được gọi là đánh thủng thác lũ. Khi độ rộng của lớp cạn kiệt tăng theo điện thế ngược, thì điện trường tĩnh điện tăng. Các hạt mang điện tự do trong vùng cạn kiệt được điện trường này tăng tốc, khi các hạt này di chuyển qua vùng cạn kiệt, chúng sẽ va chạm với các nguyên tử cố định. Ở một vài điểm, điện trường và độ rộng của vùng tích điện không gian đủ lớn để một số hạt mang điện tích đủ năng lượng để phá vỡ các liên kết hoá trị bằng va chạm, do vậy sẽ tạo ra các cặp electron - lỗ trống. Các hạt mang điện mới được tạo ra cũng có thể tăng tốc và tạo thêm các cặp electron - lỗ trống qua quá trình va chạm iôn hoá, như minh hoạ trong hình 3.5.2. Hình 3.5.2 Quá trình đánh thủng thác lũ. (Chú ý các hạt mang điện dương và âm thực tế chuyển động theo các hướng ngược nhau trong điện trường trong vùng cạn kiệt). Đánh thủng Zener Đánh thủng Zener thực chỉ xảy ra trong điốt nhiều tạp chất. Tạp chất nhiều làm độ rộng vùng cạn kiệt hẹp lại, điện thế ngược làm các hạt mang điện qua một đường hầm trực tiếp giữa các vùng hoá trị và vùng dẫn điện, lại tạo ra dòng ngược tăng rất nhanh trong điốt. Hệ số nhiệt độ của điện áp đánh thủng Chúng ta phân biệt được hai loại đánh thủng do điện áp đánh thủng của hai cơ chế có các hệ số nhiệt độ đối ngược nhau (TC – Temperature Coefficient). Trong đánh thủng thác lũ, VZ tăng theo nhiệt độ, còn trong đánh thủng Zener, VZ giảm so với nhiệt độ. Với điốt silic, hệ số nhiệt độ bằng không có ở xấp xỉ 5.6V. Cơ chế đánh thủng thác lũ xảy ra nhiều trong các điốt có điện áp đánh thủng lớn hơn 5.6V, trong khi các điốt có điện áp đánh thủng nhỏ hơn 5.6V là cơ chế đánh thủng Zener. 3.5.3 Mô hình điốt với vùng đánh thủng Khi bị đánh thủng, điốt có thể được mô hình hoá bằng một nguồn áp VZ nối tiếp với điện trở RZ, chúng tạo nên độ dốc của đặc tính i-v trong vùng đánh thủng, như trong hình 3.5.3. Giá trị RZ thường nhỏ (RZ ≤ 100Ω), và dòng ngược qua điốt bị giới hạn bởi mạch ngoài hoặc điốt bị hỏng. Một số điốt thực tế được thiết kế để hoạt động trong vùng đánh thủng. Các điốt này được gọi là điốt Zener và có ký hiệu mạch đặc biệt như trong hình 3.5.3. Hình 3.5.3 a) Mô hình cho vùng đánh thủng của điốt. b) Ký hiệu điốt Zener 3.6 Điện dung lớp tiếp giáp pn Các điốt đều có điện dung của lớp tiếp xúc pn. Điện dung này rất quan trọng với các điều kiện tín hiệu thay đổi do nó cản trở điện áp trên điốt thay đổi tức thời. 3.6.1 Điện thế ngược Ở điện thế ngược, wd tăng theo giá trị thế bằng không của nó theo phương trình 3.18 (xem thêm trong giáo trình), do vậy lượng điện tích trong vùng cạn kiệt cũng tăng theo. Do điện tích trong điốt thay đổi theo điện áp, nên có điện dung. Điện tích không gian tổng ở phía kiểu n của điốt là C (3.6.1) Trong đó A là tiết diện ngang của điốt và wd được mô tả trong phương trình 3.18 (trong giáo trình), NA: Mật độ tạp chất nhận, ND: mật độ tạp chất cho. Điện dung của lớp tiếp giáp pn điện áp ngược là trong đó F/cm2 (3.6.2) Trong đó Cjo là điện dung lớp tiếp xúc điện thế bằng không trên đơn vị diện tích của điốt, εs: hằng số điện môi bán dẫn. Phương trình 3.6.2 cho thấy điện dung của điốt thay đổi theo điện áp đặt vào. Điện dung giảm khi điện thế ngược tăng với quan hệ căn bậc hai của điện thế ngược. Điện dung điều khiển bằng điện áp này có ích cho một số mạch điện tử. Các điốt có thể được thiết kế với các mặt tạp chất (còn được gọi là các mặt ngắt đột ngột) tối ưu cho các hoạt động như các tụ điều khiển bằng điện áp. Như trong trường hợp của điốt Zener, có một ký hiệu đặc biệt cho điốt có điện dung thay đổi như trong hình 3.5.4. Nhớ là điốt này hoạt động với điện thế ngược. Hình 3.5.4 Ký hiệu cho có điện dung thay đổi 3.6.2 Điện thế thuận Khi điốt hoạt động theo điện thế thuận, lượng điện tích thêm được lưu ở vùng trung gian gần các biên của vùng điện tích không gian. Lượng điện tích QD lưu trong điốt tỉ lệ với dòng điốt: C (3.23) Hằng số tỉ lệ τT được gọi là thời gian quá độ của điốt và nằm trong khoảng 10-15s đến hơn 10-6s (1 fs đến 1μs) phụ thuộc vào kích cỡ và loại điốt. Do iD phụ thuộc vào điện áp điốt qua phương trình điốt, nên có một điện dung bổ sung, được gọi là điện dung khuếch tán CD, khi hoạt động ở điện thế thuận: (F) (3.6.4) trong đó VT là điện thế nhiệt. Điện dung khuếch tán tỷ lệ với dòng điện và có thể trở nên rất lớn khi dòng tăng cao. 3.7 Điốt cản schottky Diod cản Schottky có một trong những vùng bán dẫn của lớp tiếp xúc pn được thay thế bằng lớp tiếp xúc kim loại, như mô tả trong hình 3.7.1. Dễ nhất là tạo lớp tiếp xúc Schottky cho phần silic kiểu n, trong trường hợp này, cực anốt là kim loại. Một vùng n+ được thêm vào để đảm bảo lớp catốt là có điện trở. Kí hiệu của diod Schottky được minh hoạ trong hình 3.7.1b. Hình 3.7.1 a) Cấu trúc diod cản Schottky. b) Ký hiệu diod Schottky. Hình 3.7.2 So sánh các đặc tuyến i-v của diod lớp tiếp xúc pn và diod Schottky (SB). Diod Schottky mở ở một điện áp thấp hơn điện áp mở lớp pn, như trong hình 3.7.2. Nó làm giảm đáng kể lượng điện tích trong theo điện áp thuận. Ứng dụng quan trọng của diod Schottky là trong các mạch lôgíc lưỡng cực (trong chương 10 giáo trình). Diod Schottky cũng có các ứng dụng quan trọng trong các mạch chỉnh lưu công suất lớn và chuyển mạch nhanh. 3.8 Phân tích mạch điốt Bây giờ sẽ bắt đầu phân tích các mạch có chứa diod là giới thiệu các mô hình mạch đơn giản hoá cho diod. Hình 3.8.1 là mạch nối tiếp gồm một nguồn áp, một điện trở và một diod. Chú ý là V và R có thể biểu diễn mạch tương đương Thévenin của một mạch hai cửa phức tạp hơn. Cũng cần chú ý thay đổi quy ước trong hình 3.8.1. Trong các mạch được phân tích trong các phần tiếp theo, điện áp nguồn, điện áp trên diod và dòng qua diod là các đại lượng một chiều. (Nhắc lại là các thành phần một chiều của tổng các iD và vD tương ứng là ID và VD). Hình 3.8.1 Mạch diod chứa nguồn áp và điện trở. Một mục đích thông thường của việc phân tích mạch diod là để tìm điểm hoạt động thụ động, hay điểm Q của diod. Điểm Q này bao gồm dòng điện và điện áp một chiều (ID và VD) mà nó xác định điểm hoạt động của đặc tuyến i-v của diod. Chúng ta bắt đầu phân tích bằng việc viết vòng lặp cho mạch của hình 3.8.1: V = IDR + VD (3.8.1) Phương trình 3.8.1 biểu diễn mối quan hệ ở điểm hoạt động của diod với các phần tử của mạch điện. Đặc tuyến i-v của diod trong hình 3.8 biểu diễn các giá trị cho phép của ID và VD như được xác định bằng bản thân diod trạng thái rắn. Giải pháp đồng thời của hai tập quan hệ này sẽ xác định điểm Q. Phân tích tải Trong một số trường hợp, đặc tuyến i-v của thiết bị trạng thái rắn chỉ có thể có ở dạng đồ thị, như trong hình 3.8.2. Do vậy cần dùng cách tiếp cận đồ thị (phân tích tải) để tìm giải pháp đồng thời cho phương trình 3.8.2 với đặc tuyến đồ thị. Phương trình 3.8.1 xác định đường tải của diod. Hình 3.8.2 Đặc tuyến i-v và đường tải của diod. Mô hình diod lý tưởng Là mô hình diod đơn giản nhất. Đặc tuyến i-v của diod lý tưởng trong hình 3.8.3 bao gồm hai phần đường thẳng. Nếu diod là dẫn điện (điện thế thuận), thì điện áp trên diod là bằng không. Nếu diod là điện thế ngược, với vD < 0, thì dòng qua diod là bằng không. Các điều kiện này có thể được mô tả toán học là vD = 0 với iD > 0 và iD = 0 với vD ≤ 0 Ký hiệu đặc biệt trong hình 3.8.3 được dùng để biểu diễn diod lý tưởng trong sơ đồ mạch. Bây giờ chúng ta có thể thấy diod có hai trạng thái. Diod hoặc là dẫn điện hay là ở trạng thái mở, hoặc là không dẫn điện hay là ở trạng thái đóng. Để phân tích mạch, chúng ta dùng các mô hình trong hình 3.8.4 với hai trạng thái. Nếu diod là mở, thì nó là mô hình ngắn mạch, có dây. Với trạng thái đóng, diod có mô hình là mạch hở, hay không kết nối. Hình 3.8.3 Đặc tuyến i-v và ký hiệu mạch của diod lý tưởng. Hình 3.8.4 Các mô hình cho trạng thái đóng và mở của diod lý tưởng. 3.9 Các mạch chỉnh lưu điốt Chỉnh lưu nửa chu kỳ với điện trở Hình 3.9.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Hình 3.9.2 Các mô hình diod cho hai trạng thái chỉnh lưu nửa chu kỳ. CHỈNH LƯU CẦU CẢ CHU KỲ Hình 3.9.3 Mạch chỉnh lưu cầu cả chu kỳ với điện áp ra dương 3.10 Các điốt quang, phát quang, pin mặt trời Diod quang, pin mặt trời Nếu vùng cạn kiệt của một diod lớp pn được chiếu sáng với ánh sáng có tần số đủ lớn, thì các hạt ánh sáng có thể cung cấp đủ năng lượng để làm electron nhảy qua cách dải bán dẫn, tạo thành các cặp electron - lỗ trống. Khi quá trình hấp thụ ánh sáng xảy ra, các hạt ánh sáng tới phải có một năng lượng Ep lớn hơn cách dải của bán dẫn: (3.10.1) Trong đó h = hằng số Plăng (6.626 × 10-34 Js) υ = tần số ánh sáng λ = bước sóng ánh sáng c = vận tốc ánh sáng (3 × 108 m/s) Các diod phát quang (LED – Light Emitting diode) Các diod phát quang, hay LED dựa trên việc mất các electron và lỗ trống qua sự kết hợp lại chứ không phải tạo các hạt mang điện, như trong trường hợp của các diod quang. Khi một lỗ trống và electron kết hợp lại, một năng lượng bằng cách dải của bán dẫn có thể được giải phóng dưới dạng hạt ánh sáng. Quá trình kết hợp này có trong diod lớp tiếp xúc pn mắc thuận. Trong silic, thực tế quá trình kết hợp liên quan đến sự tương tác giữa các hạt ánh sáng và các dao động lưới tinh thể được gọi là phonon. Quá trình phát quang trong silic không hiệu quả như trong bán dẫn hợp chất III-V GaAs hay các hợp chất ba nguyên tố GaIn1-xAsx và GaIn1-xPx. Các LED trong các bán dẫn tạp chất này cho ánh sáng nhìn thấy và màu có thể điều khiển được bằng cấu tạo hợp chất bằng cách thay đổi tỉ lệ x của asen hay phốtpho trong tạp chất.