Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 3: Điốt – diode

Nhập môn Điện tử Chương 3 ĐIỐT – DIODE 1 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I – Chất bán dẫn I.1 Phân loại vật liệu: I.1.1 Các mức năng lượng Trong từng nguyên tử năng lượng được phân bố thành các mức không liên tục. Mỗi mức năng lượng được lấp đầy với một số electron nhất định Mức năng lượng thấp nhất được lấp đầy trước. Electron ở mức năng lượng cuối cùng được lấp đầy gọi là electron hoá trị và ảnh hưởng quyết định tới tính chất hoá học của vật liệu. 2 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I – Chất bán dẫn I.1 Phân loại vật liệu: I.1.1 Các mức năng lượng Khi các nguyên tử liên kết với nhau tạo thành Vùng dẫn mạng tinh thể các mức năng lượng được phân bố thành các vùng năng lượng do khoảng cách rất nhỏ giữa các ion. Vùng dẫn: vùng năng lượng thấp nhất mà electron không gắn chặt vào nguyên tử. Vùng hoá trị: vùng năng lượng cao nhất mà Vùng hoá trị electron còn gắn chặt vào nguyên tử 3 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I – Chất bán dẫn I.1.2 Phân loại vật liệu: Các loại vật liệu được phân thành 3 loại vật liệu dựa vào khoảng cách năng lượng (퐸푔푎푝) giữa vùng dẫn và vùng hoá trị Chất dẫn điện Chất Bán dẫn Chất Bán dẫn Chất cách điện (Kim loại) ( T=0K) ( T>0K) Vùng dẫn Vùng dẫn Vùng dẫn (trống) (trống) 퐸 Vùng dẫn 푔 퐸푔 퐸푔 Vùng hoá trị Vùng hoá trị Vùng hoá trị (lấp đầy) Vùng hoá trị (lấp đầy) (lấp đầy) 퐸 0eV 0 < 퐸푔2eV 푔 퐸푔 > 2eV 4 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2 Chất bán dẫn I.2.1 Chất bán dẫn thuần Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa 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). 5 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2 Chất bán dẫn I.2.1 Chất bán dẫn thuần Si và Ge đều có hoá trị 4, tức là lớp ngoài cùng có 4 điện tử, ở dạng tinh thể các nguyên tử Si (Ge) liên kết với nhau theo liên kết cộng hoá trị như hình dưới. 6 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2 Chất bán dẫn I.2.1 Chất bán dẫn thuần Khi được một nguồn năng lượng bên ngoài kích thích, điện tử dịch chuyển từ một mức năng lượng trong vùng hóa trị lên một mức năng lượng trong vùng dẫn và vị trí trước đó của electron được gọi là lỗ trống. 7 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2 Chất bán dẫn I.2.1 Chất bán dẫn thuần Trong chất bán dẫn thuần, mật độ của điện tử tự do (mang điện âm) và lỗ trống (mang điện tích dương) là bằng nhau. Điện tử tự do và lỗ trống gọi chung là các hạt dẫn. 8 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2 Chất bán dẫn I.2.1 Chất bán dẫn thuần Khi có điện thế ngoài tác động lên bán dẫn các hạt dẫn sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện 9 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2.2 - Chất bán dẫn loại n Khi ta pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 (như Sb) vào chất bán dẫn (như Si) thì một nguyên tử Sb liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị, nguyên tử Sb chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và còn dư một điện tử và điện tử này trở thành điện tử tự do  Chất bán dẫn lúc này trở thành thừa điện tử , được gọi là bán dẫn loại n . Trong bán dẫn loại n hạt tải đa số là electron 10 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2.3 - Chất bán dẫn loại p Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như B vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử B sẽ liên kết với 4 nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị và liên kết bị thiếu một điện tử. Vị trí thiếu này trở thành lỗ trống. ->Chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn loại p, hạt tải đa số là lỗ trống. 11 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.2- Chất bán dẫn Chương 3: Điốt 12 Nhập môn Điện tử I.3 Tiếp xúc p-n Nếu ghép hai chất bán dẫn p và n với nhau ta được một tiếp xúc p-n có đặc điểm: + Do chênh lệch nồng độ, các điện tử trong bán dẫn n khuyếch tán sang vùng bán dẫn p và đồng thời các lỗ trống khuếch tán từ p sang n. + Tại vùng tiếp xúc diễn ra sụ kết hợp giữa điện tử và lỗ trống. 13 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử I.3 Tiếp xúc p-n + Vùng tiếp xúc thiếu hạt dẫn trở thành vùng nghèo + Tại vùng tiếp xúc bán dẫn p chỉ còn ion âm (acceptor), bán dẫn n hầu như chỉ còn ion dương (donor) => Hình thành hiệu điện thế tiếp xúc. => Ngăn cản sự di chuyển của các hạt dẫn âm từ n sang p và ngược lại, duy trì trạng thái cân bằng. Vùng nghèo n- type p- type 14 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II. Diode bán dẫn. Thiết bị được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn p và bán dẫn n đặt tiếp xúc nhau tạo thành một tiếp xúc p-n được gọi là diode. Diode đóng vai trò như một khoá điều khiển dòng, chỉ cho dòng qua diode theo một chiều duy nhất. 15 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.1 - Phân cực thuận cho Diode. - Cung cấp điện áp dương (+) vào Anôt (vùng bán dẫn P) và điện áp âm (-) vào Katôt (vùng bán dẫn n). - Dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền nghèo thu hẹp . - Khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,7V (với Diode loại Si) hoặc 0,3V (với Diode loại Ge) thì diện tích miền cách điện giảm bằng không  Diode bắt đầu dẫn điện. 16 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.1 - Phân cực thuận cho Diode. Nếu tiếp tục tăng điện áp nguồn thì dòng qua Diode tăng nhanh nhưng chênh lệch điện áp giữa hai cực của Diode không tăng (vẫn giữ ở mức 0,7V ) 17 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.2 – Phân cực ngược cho Diode. Khi phân cực ngược cho Diode: + Cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn n), nguồn (-) vào Anôt (bán dẫn p) + Dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền nghèo càng rộng ra và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp. 18 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.2. Phân cực ngược cho Diode. Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng I có giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược dòng qua diode chỉ là dòng ngược bão hòa Is có giá trị rất nhỏ. Điều này thể hiện tính chất van một chiều của diode. 19 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.2.1 Hiện tượng đánh thủng Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn đạt được giá trị điện áp đánh thủng (UBR), dòng I tăng đột ngột nhưng điện áp U không tăng. Khi đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng và diode mất tính chất van. Có hai hiện tượng đánh thủng chính: Đánh thủng vì nhiệt và đánh thủng vì điện. 20 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3 Các loại Diode II.3.1 - Diode Zener 21 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3 Các loại Diode II.3.1 - Diode Zener Diode Zener có thể hoạt động trong miền đánh thủng của đặc tuyến Volt-Ampere. Trong miền phân cực thuận, diode Zener hoạt động như một diode chỉnh lưu thường. Trong miền phân cực ngược, khi điện áp phân cực ngược đạt được giá trị điện áp 푈푍 = −푈퐵푅, dòng qua diode (Iz) tăng mạnh, nhưng điện áp Uz=const, nên diode Zener được sử dụng để ổn định điện áp một chiều. 22 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.2 - Diode Thu quang ( Photo Diode ) Là một linh kiện biến đổi quang năng thành điện năng. Có cấu tạo giống diode chỉnh lưu nhưng vỏ bọc cách điện bên ngoài có một phần là kính hoặc thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng chiếu vào tiếp giáp p-n. Diode thu quang cũng hoạt động trong miền phân cực ngược. Khi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp p-n cung cấp năng lượng cho các electron hóa trị để có thể bứt ra khỏi hạt nhân nguyên tử, làm phát sinh cặp hạt dẫn điện tử-lỗ trống tự do. Cường độ dòng ngược tăng tuyến tính với cường độ ánh sáng chiếu vào tiếp giáp. Diode thu quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động theo cường độ ánh sáng. 23 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.3 - Diode Phát quang ( Light Emiting Diode: LED ) 24 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.3 - Diode Phát quang ( Light Emiting Diode: LED ) Diode phát quang là linh kiên biến đổi điện năng thành quang năng. Diode phát ra ánh sáng khi được phân cực thuận, điện áp làm việc của LED khoảng 1,7  2,2V dòng qua Led khoảng từ 5mA đến 20mA Led được sử dụng để làm đèn báo nguồn, đèn nháy trang trí, báo trạng thái có điện . vv 25 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.4– Diode Varicap ( Diode biến dung ) Diode biến dung là Diode có điện dung như tụ điện, và điện dung biến đổi khi ta thay đổi điện áp ngược đặt vào Diode. Ứng 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. 26 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.4– Diode Varicap ( Diode biến dung ) Diode biến dung được ứng dụng trong các mạch cộng hưởng chọn tần: Mạch điều chỉnh tần số tự động - AFC (Automatic frequency Controller) hay VCO (Voltage-Controlled Oscillator) 27 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử II.3.5 - Diode xung Trong các bộ nguồn xung thì ở đầu ra của biến áp xung , ta phải dùng Diode xung để chỉnh lưu. Diode xung là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz, diode nắn điện thông thường không thể thay thế vào vị trí diode xung được, nhưng ngựơc lại diode xung có thể 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 biệt với Diode thường, tuy nhiên Diode xung thường có vòng dánh dấu đứt nét hoặc đánh dấu bằng hai vòng 28 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử III. Các đại lượng đặc trưng cho diode III.1 Đường đặc tuyến Volt- Ampere – Phương trình diode lý tưởng Đường đặc tuyến Volt- Ampere thể hiện mối quan hệ giữa dòng và điện áp qua diode. Phương trình diode lý tưởng (pt Shockley) là pt : 29 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử III. Các đại lượng đặc trưng cho diode III.2 Phương trình đường tải một chiều – Điểm Q Điện thế áp vào sẽ có ảnh hưởng đến các điểm và vùng của một thiết bị. Đướng tải một chiều là đường được vẽ dựa trên đường đặc tuyến Vol-Ampere thể hiện thế áp vào tải. 30 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử III. Các đại lượng đặc trưng cho diode III.2 Phương trình đường tải một chiều – Điểm Q Theo định luật Kirchoff: EVVODR   EVIRDD. E VE | IDVV | 0 DIAD 0 R D Điểm Q là giao giữa đường tải một chiều và đường đặc tuyến Vol-Apere, được gọi là điểm hoạt động của diode 31 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV. Mô hình diode  Việc tính toán toán học các mạch diode gặp rất nhiều khó khăn do tính phi tuyến, đặc biệt là sự xuất hiện của các thành phần hàm mũ trong đó.  Vì vậy, để đơn giản người ta đưa ra một số các sơ đồ tuyến tính tương đương của diode.  Mỗi một sơ đồ có độ chính xác khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng mà người thiết kế quyết định chọn sơ đồ nào cho phù hợp. Các sơ đồ này gọi là mô hình diode. 32 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV. Mô hình diode IV.1. Diode lý tưởng Mô hình diode lý tưởng được xem như một thiết bị hai cửa chức năng tương đương như khóa điện. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến. 33 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.1 Mô hình diode IV.1.1. Mô hình Diode lý tưởng Khi bỏ qua điện thế rào cản và điện trở động của diode khi phân cực thuận diode, điện áp đặt ngang qua 2 đầu diode là 푉퐹 = 0푉 Dòng điện phân cực thuận được xác định theo định luật Ohm như sau: Khi bỏ qua dòng điện ngược 퐼푅 = 0 , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp 푉퐵푖푎푠. Mô hình diode lý tưởng thường được áp dụng trong trường hợp cần xác định nguyên tắc hoạt động của mạch điện tử (xác định định tính) và chưa cần quan tâm đến các giá trị chính xác của áp và dòng trong mạch (chưa cần thiết xác định định lượng một cách chính xác). 34 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.2 Mô hình Diode thực nghiệm • Mô hình thực nghiệm của diode chính là mô hình lý tưởng của diode được thêm vào điện thế rào cản. • Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. • Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 푉퐹 = 0,7(푑푖표푑푒 푆푖). Điện áp này duy trì giá trị trong suốt quá trình phân cực thuận . • Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. • Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. • Điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến. 35 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.2 Mô hình Diode thực nghiệm Dòng phân cực thuận xác định theo định luật K2 như sau, Dòng điện ngược qua diode là 퐼푅 = 0 , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp 푉퐵푖푎푠 36 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.3 Mô hình hoàn chỉnh của Diode • Mô hình hoàn chỉnh của diode bao gồm: mô hình của diode lý tưởng thêm vào điện thế rào cản, điện trở động phân cực thuận có giá trị nhỏ 푟′푑 và điện trở nội phân cực nghịch 푟′푅 có giá trị lớn. • Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 0,7푉 (푆푖) và nối tiếp với điện trở động 푟′푑. • Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện hở mạch, đấu song song với điện trở nội phân cực nghịch 푟′푅. Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. 37 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.3 Mô hình hoàn chỉnh của Diode Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh trình bày trong hình Điện áp xuất hiện ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận xác định theo quan hệ sau: Dòng qua diode tại trạng thái phân cực thuận xác định theo quan hệ: Dòng điện ngược tại trạng thái diode phân cực nghịch : 38 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.Mô hình Diode Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ. Tính I, 푉푅, 39 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử IV.Mô hình Diode Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ. Tính I, 푉푅, 푉푅푎 Đáp số: I = 6,5mA, 푉푅 =14,3V, 푉푅푎 =9,3V 40 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.Mạch chỉnh lưu Diode Mạch chỉnh lưu : là mạch biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. III.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (bán kỳ) Trong mạch này ta dùng mô hình lý tưởng hoặc thực nghiệm của diode trong việc phân tích mạch. 41 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (bán kỳ) Diode chỉ dẫn điện khi bán kỳ dương của vi(t) đưa vào mạch. Nếu diode được coi là lý tưởng: Biên độ đỉnh của vo(t) Ðiện thế trung bình ngõ ra: V VVdcm 0,318 TB dcm Ta cũng có thể chỉnh lưu lấy bán kỳ âm bằng cách đổi đầu diode. 42 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (bán kỳ) Nếu diode là Si (VD=0.7) : Biên độ đỉnh của Vo(t) Ðiện thế trung bình ngõ ra: V VVdcm 0,318 TB dcm 43 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (bán kỳ) Mạch chỉnh lưu bán kỳ có tụ lọc 44 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (bán kỳ) 45 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.1 Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ Ví dụ: Cho mạch chỉnh lưu bán kỳ với điện trở tải và áp tức thời ngõ vào là: . Khi xem như diode là lý tưởng, xác định định áp, dòng trung bình trên tải. Vẽ dạng sóng vào và sóng ra. Giải: Áp trung bình: VV0,318.12 2 5,4 TB Dòng trung bình VTB 5,4 IATB    0,225 RL 24 46 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ  Mặc dù chỉnh lưu bán kỳ cũng có một số ứng dụng nhưng chỉnh lưu toàn kỳ (chỉnh lưu hai bán kỳ) thường được sử dụng nhiều hơn trong các bộ nguồn DC. Chỉnh lưu toàn kỳ có hai dạng chỉnh lưu dùng hai diode phối hợp máy biến áp có điểm giữa và chỉnh lưu cầu Graetz.  Chỉnh lưu toàn kỳ cho phép dòng điện qua tải chỉ theo duy nhất một hướng trong suốt chu kỳ của áp ngõ vào hình sin, trong khi đó chỉnh lưu bán kỳ chỉ cho dòng qua tải theo hướng định trước chỉ trong bán kỳ dương của điện áp ngõ vào chỉnh lưu.  Mạch chỉnh lưu toàn kỳ cho áp ngõ ra có tần số cao hơn 2 lần tần số của áp ngõ vào. 47 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ V.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 48 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ V.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu Diode lý tưởng Giá trị điện áp trung bình trên ngõ ra chỉnh lưu toàn kỳ là: 49 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ V.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu Diode Si Giá trị điện áp trung bình trên ngõ ra chỉnh lưu toàn kỳ là: 50 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử V.2 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ V.2.2 Mạch chỉnh lưu dùng biến áp đôi 51 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI.1 Mạch cắt nối tiếp Mạch cắt nối tiếp ( diode lý tưởng) 52 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI.1 Mạch cắt nối tiếp Mạch cắt nối tiếp phân thế 53 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI. Mạch cắt nối tiếp Mạch cắt nối tiếp phân thế 54 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI. Mạch cắt song song Mạch cắt song song ( diode lý tưởng) 55 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI. Mạch cắt song song Mạch cắt song song phân thế ( diode lý tưởng) 56 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt VI. Mạch cắt song song Mạch cắt song song phân thế ( diode lý tưởng) 57 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt Ví dụ 1: Xác định dạng sóng ngõ ra của mạch sau, giả sử diode là lý tưởng. 58 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt Xác định giá trị điện thế vào làm thay đổi trạng thái của diode. 59 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt Ví dụ 2: Xác định dạng sóng ngõ ra của mạch sau, giả sử diode là lý tưởng. 60 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt Ví dụ 3: Xác định dạng sóng ngõ ra của mạch sau, giả sử diode là lý tưởng. 61 Chương 3: Điốt Nhập môn Điện tử VI. Mạch cắt 62 Chương 3: Điốt