Bài giảng Mạch điện tử - Chương 1: Diode bán dẫn

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 1 MẠCH ĐIỆN TỬ Chương 1. Diode bán dẫn 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 2 Nội dung • Diode bán dẫn thông thường • Chỉnh lưu • Mạch xén (clippers) và mạch ghim điện áp (Clampers) • Diode zener 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 3 Ký hiệu • Giá trị tại điểm tĩnh Q (quiescent-point): IEQ, VCEQ • Giá trị một chiều: IE, VCE • Giá trị tức thời: iE, vCE • Giá trị tức thời của thành phần thay đổi theo thời gian: ie, vce 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 4 Giới thiệu • Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất. • Các loại diode: • Diode chân không, • Diode khí, • Diode chỉnh lưu kim loại, • Diode bán dẫn, vv • Các vật liệu bán dẫn thường dùng: • Silicon (Si) • Phổ biến nhất • Germanium (Ge) • Gallium Arsenide (GaAs) • Mạch siêu cao tần, phát quang và ứng dụng tần số cao 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 5 Cấu trúc nguyên tử 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 6 Cấu trúc tinh thể 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 7 Các mức năng lượng 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 8 Sự dẫn điện trong chất bán dẫn • Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có sự thay đổi mật độ electron (hole) • Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường ngoài 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 9 Phân loại bán dẫn • “Doping” • Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết. • Bán dẫn loại p • Chất đưa vào: chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau) • Phần tử mạng điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material • Bán dẫn loại n • Chất đưa vào: chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V). • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau). • Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 10 Bán dẫn loại p • Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material). Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng • Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 Bán dẫn loại n • Chất đưa vào: Chất cho (donor material). Ví dụ: Phosphorus (V) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng • Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 12 Diode bán dẫn • Diode bán dẫn thông thường: • mạch chỉnh lưu và tách sóng • Zenner diode: • tạo điện áp chuẩn • Schottkky diode: • tụ điện bán dẫn thay đổi được • dùng trong các mạch cộng hưởng • LED (light-emitting diode): tạo ánh sáng • Tunnel diode: bộ tạo dao động điện trở âm • Photo diode: cảm biến ánh sáng 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 13 Diode bán dẫn thông thường • Cấu trúc và ký hiệu • Lớp tiếp xúc pn (pn junction) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 14 Phân cực của diode 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 15 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp _ + • Diode lý tưởng i r D i + vi vD _ • vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit) • vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open circuit) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 16 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ, tìm dòng qua diode. a. Giả sử diode ON => VD=0 với ID>0 ID >0 (đúng với giả thiết) b. Giả sử diode OFF => ID=0 với VD<0 4 10=10 .ID - VD =>VD=-10V ID=0 (đúng với giả thiết) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 17 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp Ví dụ: Cho Diode lý tưởng, tìm V? 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 18 Đặc tuyến Volt Ampere (VA) • Phân cực thuận (vD>0): vD  mVT vD qv vD D mV mkT mVT T i  I (e 1)  I (e 1) iD  Ioe D o o • Phân cực nghịch (vD< 0): v D  mVT iD  Io • I0 [A]: Dòng phân cực nghịch bảo hoà (reverse saturation current) • q = 1,6E-19 C • k = 1,38E-23 J/ 0K: Hằng số Boltzmann • T [0K]: Nhiệt độ tuyệt đối • m: 1 m  2: Hằng số thực nghiệm 0 • VT=kT/q 25 mV, tại nhiệt độ phòng (27 C) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 19 Diode thực tế và xấp xỉ • V: điện áp ngưỡng • Rf: điện trở thuận của diode=điện trở động rd+điện trở tiếp xúc 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 20 Đặc tuyến Volt Ampere (VA) Ví dụ: -16 -14 I01=10 A, I02=10 A Tính ID1, ID2, VD1, VD2? 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 21 Diode • Điện trở tĩnh của diode: RD = VD/ID • Điện trở động vD nVT diD I0 (e ) nVT nVT n.25mV   rD    dvD nVT I0  iD iD iD • Ảnh hưởng nhiệt độ • Mạch tương đương 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 22 Phương pháp phân tích mạch diode • Đối với mạch tín hiệu lớn  Xem như diode lý tưởng  giải tích mạch • Đối với mạch tín hiệu bé  Xem diode như một điện trở động 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 23 Phân tích mạch diode Ri Ví dụ: 1K + RL Xét mạch dùng diode (Vγ=0.7V): Vi D 1K VL _ Tìm ngõ ra VL với ngõ vào Vi VVii • Giả sử diode tắt: VL< Vγ 4 R L 1 1.4 VVVL i i 0 RLi R 2 tt VLi 0.7  V  1.4V -4 VL • Khi Vi≥1.4V: Diode dẫn 0.7 0 t VL  0.7V -2 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 24 Chỉnh lưu • Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi tín hiệu xoay chiều (ac) thành tín hiệu một chiều (dc) • Có 2 loại chỉnh lưu: • Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification) • Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification) • Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến diode lý tưởng. 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 25 Chỉnh lưu bán kỳ • Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification) vD _ iD ri + 1 Ideal diode + vi = Vimcos(ot) RL v 9 L _ Nguoàn (Source) Taûi (Load) vi  vD • Định luật Kirchhoff về điện áp (KVL): iD  ri  RL • vi > 0: vD = 0 (Diode ngắn mạch) v v R i  i v  R i  i L D r  R L L D i L ri  RL • vi < 0: Diode hở mạch: i D  0 , vL  RLiD  0 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 26 Chỉnh lưu bán kỳ • Điện áp trên tải vL: • Giá trị trung bình: 1 VLm VL,dc   vL (t)dt  T T  • Mạch lọc • Để tạo điện áp DC ở ngõ ra thì cần sử dụng mạch lọc thông thấp (LPF) • Các bộ lọc LPF thường dùng: 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 27 Chỉnh lưu toàn sóng Ri D1 5 1 1 _ 1 + D4 D1 v 6 9 4 - + 2 i vL vi RL vL 4 RL Ri D2 _ 8 D3 D2 + 1 3 Hoạt động và điện áp ra trên tải vL (chỉnh lưu toàn sóng) 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 28 Mạch lọc D1 5 1 + vi 6 C RL vo 4 _ D2 8 • Hoạt động: • Tụ C được nạp nhanh đến giá trị Vmax của điện áp v0(t). • Khi v0(t) giảm, tụ C phóng điện qua RL với quy luật: t  RLC vo (t)  Vmaxe • Quá trình tuần hoàn với tần số chỉnh lưu fp: • fp = 2f0 : Chỉnh lưu toàn sóng • fp = f0: Chỉnh lưu bán sóng • f0: tần số của nguồn vi. 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 29 Mạch lọc D1 5 1 + vi 6 C RL vo 4 _ D2 8 • Xấp xỉ tín hiệu ngõ ra bằng dạng sóng răng cưa V • Tụ C: C  max Vf p RL Vmax Vmin • Điện áp gợn sóng hiệu dụng: (vr )rms  • fp = 2f0 : Chỉnh lưu toàn sóng 2 3 • fp = f0: Chỉnh lưu bán sóng • f0: tần số của nguồn vi. Chứng minh: xem tài liệu 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 30 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 31 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp một bán kỳ: C1 D2 1 5 D1 C2 4 8 • Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 32 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp hai bán kỳ: D1 D2 R 1 5 L vS 4 8 + C2 + C1 • Bán kỳ dương của vS: • C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D1 • Bán kỳ âm của vS: • C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D2 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 33 Mạch xén • Dùng để loại bỏ tín hiệu nằm dưới (hay trên) một mức chuẩn (reference level) R • Xén trên: v v i o VB • Xén dưới: • Xén 2 biên: Mạch xén • Xén 2 biên: • Giả sử D1, D2 tắt =>Vo=Vi • uD1-Vγ - Vo Vi > -Vγ • uD2Vo – Vγ Vi < Vγ • Vậy –Vγ < Vi < Vγ thì Vo=Vi • Giả sử D1 dẫn, D2 tắt =>Vo=-Vγ • iD1>0 =>-(Vi+Vγ )/R>0 =>Vi < -Vγ • uD2Vo – Vγ -2Vγ < 0 • Vậy Vi < -Vγ thì Vo=-Vγ • Giả sử D1 tắt, D2 dẫn =>Vo=Vγ • uD1-Vγ - Vo -2Vγ<0 • iD2>0 =>(Vi – Vγ)/R >0 =>Vi > Vγ • Vậy Vi > Vγ thì Vo=Vγ 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 35 Mạch ghim đỉnh 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 36 Mạch ghim điện áp • Thực hiện việc di chuyển tín hiệu (shifting operation) theo trục Y với độ dịch chuyển phụ thuộc vào dạng sóng ngõ vào sao cho tín hiệu ngõ ra luôn được ghim (clamped) tại một giá trị cố định. • Ví dụ: Giả sử Diode lý tưởng, RC >> T và Vm > VB C VC = Vm -VB R v v i o V B MẠCH LOGIC SỐ • Cổng OR • Giả sử D1, D2, D3 là các Diode lý tưởng:  Khi V1 (hoặc V2, hoặc V3) >0  D1 dẫn (hoặc D2, D3 dẫn) +  Vout>0 – Ta có mức HIGH  Khi V1 và V2 và V3 <= 0  D1 và D2 và D3 tắt  Vout<= 0 – Ta có mức LOW - Cổng OR Biểu thức dạng logic: Yout=A + B + C MẠCH LOGIC SỐ • Cổng AND • Giả sử D1, D2, D3 là các Diode lý tưởng: Cổng AND  Khi V1(hoặc V2, hoặc V3)< Vcc  D1 dẫn (hoặc D2, D3 dẫn)  Vout =Vinput – Ta có mức LOW +  Khi V1 và V2 và V3 > Vcc  D1 và D2 và D3 tắt  Vout=Vcc – Ta có mức HIGH - Biểu thức dạng logic: Yout=A.B.C 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 39 Diode Zener • Diode Zener: • Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch • Ký hiệu và đặc tuyến VA • Phân cực thuận: như Diode thông thường • Phân cực nghịch: I Z max  i Z  I Z min , vZ = VZ = constant . VZ: Điện áp Zener . IZmax: Dòng phân cực nghịch tối đa của Diode Zener . IZmin: Dòng phân cực nghịch tối thiểu để vZ = VZ, thường IZmin = 0.1IZmax . PZmax = VZ IZmax: Công suất tối đa tiêu tán trên Diode Zener 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 40 Diode Zener i R Ri iL + v và i : không ổn định v S L S iZ V _ Z RL • Mạch ổn áp dùng Diode Zener: • Thiết kế mạch sao cho Diode Zener hoạt động trong vùng ổn áp: IZmax  iZ  IZmin , vZ = VZ vS VZ vS VZ vS VZ • Phân tích R i    iZ   iL iR iZ  iL Ri • Để IZmax  iZ  IZmin với mọi giá trị của vS và iL: min(iZ)  IZmin và max(iZ)  IZmax  VS min VZ min(iZ )   I Lmax  I Z min   Ri  V V max(i )  S max Z  I  I  Z Lmin Z max  Ri 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 41 Diode Zener VS min VZ VS max VZ  Ri   I L max  IZ min IL min  IZ max • Với yêu cầu về nguồn (vS) và tải (iL) cho trước V V V V S min Z  S max Z I L max  IZ min I L min  IZ max • Thường chọn IZmin = 0.1 IZmax I L max (VS max VZ )  I L min (VS min VZ ) Chọn Diode Zener để: IZ max  VS min  0.9VZ  0.1VS max và: I Z max  IL max và: I Z min  0.1IZ max  IL min  IZ max 10IL min • Thiết kế: Làm theo thứ tự ngược lại để xác định IZmax của Diode Zener và Ri 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 42 Diode Zener Ví dụ: Thiết kế mạch ổn áp dùng Diode Zener: VZ = 10 V, vS : 14  20 V và iL: 100  200 mA IL max (VS max VZ )  IL min (VS min VZ ) IZ max   0.533A VS min  0.9VZ  0.1VS max và I Z max  I L max  0 . 2 A và IZ max 10IL min 1A Chọn IZmax = 0.533A  Ri = 15.8  Cần xét đến công suất tiêu tán cực đại trên Ri và Diode Zener: •Trên Ri: PRimax = (VSmax – VZ)2 / Ri = 6.33 W •Trên Diode Zener: PDiode = IzmaxVZ = 5.33 W vS : 10.2  14 V và iL: 20  200 mA I L max (VS max VZ )  I L min (VS min VZ ) IZ max   4A VS min  0.9VZ  0.1VS max Không thiết kế được !!! 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 43 Diode Zener Ví dụ: VZ = 7.2 V; vS = Vdc = 12 V; iL: 12  100 mA; Tìm Ri? VSmax = VSmin = Vdc = 12V IL max (VS max VZ )  I L min (VS min VZ ) I Z max   97.8mA VS min  0.9VZ  0.1VS max Và I Z max  I L max  100 mA và IZ max 10IL min 120mA Chọn IZmax = 100 mA  43.5  Ri  40: Chọn Ri = 43.5 Công suất tiêu tán cực đại: •Trên Ri: PRimax = (Vdc – VZ)2/ Ri = 0.53W •Trên Diode Zener: PDiode = IzmaxVZ = 0.72 W 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 44 Diode Zener • Diode Zener thực tế • Đặc tuyến VA 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 45 Bài tập • Bài 1.3, 1.20, 1.23, 1.24, 1.40