›
›

Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 4: Diode bán dẫn

pdf 32 trang huongle 3500
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 4: Diode bán dẫn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_dien_tu_can_ban_bai_4_diode_ban_dan.pdf

Nội dung text: Bài giảng Điện tử căn bản - Bài 4: Diode bán dẫn

  1. Bài 4: DIODE BÁN DẪN
  2. • I. Chất bán dẫn: • Chất bán dẫn khơng phải là chất cách điện, cũng khơng là chât dẫn điện, nhưng nĩ thuộc lớp vật liệu nằm giữa hai chất trên, nếu ta xét về tính dẫn điện thì chất bán dẫn sẽ cĩ tính dẫn điện yếu hơn chất dẫn điện nhưng mạnh hơn chất cách điện và ngược lạ nếu ta xét về tính cách điện thì chất bán dẫn cách điện yếu hơn chất cách điện nhưng tốt hơn chất dẫn điện. • Chất bán dẫn cĩ 4 điện tử hố trị ở lớp ngồi cùng. • Những vật liệu bán dẫn điển hình như: • Gecmani (Ge) • Silic (Si)
  3. 1.Bán dẫn thuần: Bán dẫn thuần như là tinh thể Silic hoặc Gecmani tinh khiết+32SiGe+14 +14 +32 Si Ge Hình 3.1: Bán dẫn Si và Ge - Bán dẫn thuần cĩ 4 điện tử ở lớp ngồi cùngnên ta chỉ xét đến lớp ngồi cùng. - Nồng độ lổ trống và điện tử bằng nhau.
  4. 2. Bán dẫn loại N: - Để hình thành bán dẫn loại N, ta cho vào bán dẫn thuần (Si, Ge) một lượng tạp chất hố trị 5 (P, As) Ví dụ: Cho P (hố trị 5) vào Si tạo thành bán dẫn N. Cho As (hố trị 5) vào Ge tạo thành bán dẫn N. - Nồng độ điện tử ne> nP nồng độ lổ trống. - Điện tử là hạt mang điện đa số và lổ trống là hạt mang điện thiểu số. Điện tử tự do S i S P S i i S Liên kết i đồng hĩa trị Hình 3.2: Hình thành bán dẫn N
  5. 3. Bán dẫn loại P: Để hình thành bán dẫn loại P, ta cho vào bán dẫn thuần (Si, Ge) một lượng tạp chất hố trị 3. Ví dụ: Cho Bo (hố trị 3) vào Si bán dẫn loại P Cho In (hố trị 3) vào Ge bán dẫn loại P. Nồng độ điện tử ne< nP nồng độ lổ trống. Điện tử là hạt mang điện thiểu số và lổ trống là hạt mang điện đa số. Lỗ trống S i .S B S i S Liên kết i đồng hĩa trị Hình 3.3: Hình thành bán dẫn P
  6. Mối nối diode: - Một diode được tạo ra từ sự kết hợp giữa bán dẫn loại P và bán dẫn loại N. - Mối nối diode là vùng nằm ở vị trí cuối của bán dẫn loại P và đầu bán dẫn loại N. P N Mối nối Diode Anot Catot P N A A K A K K(case) A K K Hình 4.1: Hình thành mối nối Diode A Ký hiệu và hình dáng thực tế Diode
  7. Vùng nghèo của Diode: -Tại một thời điểm tức thời, khi mối nối hình thành thì quá trình khuếch tán diễn ra. -Một vài lổ trống sẽ dịch chuyển từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P. -Trái lại một vài điện tử tự do sẽ dịch chuyển từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P. -Những lổ trống và điện tử tự do này khi di chuyển ngang qua mối nối kết hợp lại và tạo ra vùng nghèo tạo chổ nối. -Vùng nghèo là nơi mà khơng cĩ hạt mang điện đa số chuyển động. Hai bên mối nối hình thành nên những điện tích tích điện (+) và tích điện (-). P N Vùng nghèo Vùng nghèo Diode V = 0.2 – 0.6v tuỳ loại (Si, Ge)
  8. P N Vùng nghèo Hình 4.3: Vùng nghèo Diode Sự chênh lệch điện thế rào cản (hàng rào điện thế) Những điện tích trái dấu hình thành ở hai bên mối nối tạo ra một hàng rào điện thế hay điện thế rào cản. Điện thế này chống lại khơng cịn để những điện tử tự do và lổ trống ngang qua mối nối. Điện thế rào cản khoảng 0,2v (đối với mối nối Ge), và khoảng 0.7v (đối với mối nối Si).
  9. 1. Phân cực ngược: . Khi Diode phân cực nghịch, điện trở mối nối vơ cùng lớn. . Khi Diode phân cực nghịch, dịng điện PCN rất nhỏ (dịng rị, dịng rĩ). Vùng nghèo Điện áp đánh thủng ngược P N ( V) Điện áp ngược PCN Dịng rị Phân cực ngược ( A) I (A) Phân cực nghịch mối nối Đặc tính ngược của Diode Khi bán dẫn loại P được nối với cực âm của nguồn và bán dẫn loại N nối với cực dương của nguồn thì được xem như diode phân cực ngược (PCN). Điện áp cung cấp sẽ làm cho những hạt đa số (những lổ trống ở bán dẫn loại P và điện tử ở bán dẫn loại N) ra xa khỏi mối nối. Kết quả là vùng nghèo của mối nối được mở rộng ra.
  10. Đường cong đặc tính của diode khi phân cực ngược (PCN). Điện áp đánh thủng ngược (V) Điện áp ngược PCN I (µA) Hình 4.8: Đặc tính của Diode Khi diode PCN thì chỉ cĩ một dịng điện rất nhỏ (do những hạt mang điện thiểu số) chảy qua được gọi là dịng điện nghịch hay dịng điện rị. Điều này cĩ nghĩa rằng trở kháng phân cực nghịch thí rất cao. Khi điện áp phân cực ngược đủ lớn nĩ sẽ làm hư hỏng hoặc đánh thủng mối nối PN. Điện áp ngược này gọi là điện áp đánh thủng. Đối với bất kỳ loại diode, điện áp ngược đỉnh (PIV) là điện áp ngược lớn nhất an tồn cho diode, thơng số này được cung cấp bởi nhà chế tạo.
  11. 2. Phân cực thuận diode: . Khi Diode phân cực thuận, điện trở mối nối rất bé. . Khi Diode phân cực thuận, dịng điện PCT tăng nhanh khi điện áp PCT 0.7v (điện áp ngưỡng, điện áp rào cản). I (mA) Vùng nghèo P N PCT V Ithuận V=0.3v 0.7v Phân cực thuận - Đặc tính thuận của Diode Phân cực thuận mối nối của Diode Nguồn cung cấp phân cực sẽ làm cho những lổ trống từ bán dẫn loại P và những điện tử từ bán dẫn loại N tiến gần về phía mối nối. Kết quả là vùng nghèo của mối nối hẹp lại Khi bán dẫn loại P được kết nối với cực dương của nguồn và bán dẫn loại N được kết nối với cực âm của nguồn thì dIode được xem như phân cực thuận.
  12. Đường cong đặc tính của diode khi phân cực thuận (PCT). I (mA) PCT V V = 0.3 – 0.7v Hình 4.7: Đặc tính thuận của Diode Khi diode phân cực thuận thì cĩ một dịng điện rất lớn chảy qua mối nối được gọi là dịng điện thuận. Điều này cĩ nghĩa rằng trở kháng phân cực thuận của mối nối thì rất thấp. Khi điện áp phân cực thuận chưa đủ lớn (nhỏ hơn điện thế rào cản) thì xem như diode chưa phân cực thuận và dịng điện thuận lúc này rất nhỏ xem như bằng 0. cho đến khi điện áp phân cực thuận đủ lớn, từ giá trị điện áp rào cản trở đi thì dịng điện tăng vot, lúc này cĩ thể xem như khơng cịn nữa mà mối nối dẫn dịng điện.
  13. I 3. Đặc tính của diode: PCT Điện áp đánh thủng V ngược V PCN Đặc tính của Diode Khi diode được phân cực thuận, dịng điện dễ dàng chảy qua vì lúc bấy giờ trở kháng rất thấp. Khi diode được phân cực nghịch, dịng điện khơng chảy qua nĩ vì lúc bấy giờ trở kháng rất cao. -Đầu Anod phía bán dẫn loại P của diode, Đầu catot phía bán dẫn loại N của diode -Diode là một linh kiện phi tuyến (khơng tuyến tính). -Khi diode được phân cực thuận, dịng điện dễ dàng chảy qua vì lúc bấy giờ trở kháng rất thấp. -Khi diode được phân cực nghịch, dịng điện khơng chảy qua nĩ vì lúc bấy giờ trở kháng rất cao.
  14. III. Ứng dụng của diode:  Ứng dụng diode trong mạch tách sĩng của máy thu nhằm lấy tín hiệu thơng tin gốc từ tín hiệu phát.  Ứng dụng diode trong mạch chỉnh lưu nhằm thay đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Vin D ac Tải VL t Ứng dụng Diode trong mạch chỉnh lưu
  15. 1. Chỉnh lưu bán kỳ: VP Điện áp trung bình một chiều trên tải sau khi chỉnh lưu VDC = U Dạng sĩng ngõ ra biến ra áp VL VP VDC Dạng sĩng trên Mạch và dạng sĩng của chỉnh lưu bán kỳ tải
  16. 2. Chỉnh lưu tồn kỳ dùng 2 diode: A A D1 D 1 V + V gen gen + 120V R 120V rms L rms RL - - D2 D2 B B
  17. Dạng sĩng chỉnh lưu tồn kỳ dùng 2 Diode: VA Dạng sĩng tại A Vp t Dạng sĩng tại B Điện áp trung bình một chiều VB trên tải sau khi chỉnh lưu Vp (VDC) t 2VP Dạng sĩng trên tải VL Vp VDC = VDC t Dạng sĩng vào, ra của mạch chỉnh lưu
  18. 3. Chỉnh lưu tồn kỳ dùng 4 diode (chỉnh lưu cầu): + A - A D D1 D V 1 D2 2 gen + Vgen + 120vrms RL 120v C R - rms C L - D3 D4 D3 D4 - B + B
  19. Dạng sĩng mạch chỉnh lưu cầu:  + Vin 1 3 2 4 VL D ,D PCT D ,D PCT D ,D PCT D1,D4 PCT Vp 2 3 1 4 2 3 VDC  + 2 4 1 Dạng sĩng vào và ra của mạch chỉnh lưu 3
  20. 4. Mạch lọc RC: Chỉnh lưu A R B Ngõ vào ac R C1 C2 L Mạch lọc RC
  21. Dạng sĩng chưa qua tụ Dạng sóng mạch lọc RC: t T2 Đường xả của tụ Vdc Vr(p-p) t V' dc V'r(p-p) (c) t Dạng sĩng vào, ra của mạch chỉnh lưu cĩ tụ lọc V’’ dc V’’r(p-p) t Dạng sĩng ngõ ra chỉnh lưu sau khi qua mạch lọc RC
  22. Dạng sĩng ra mạch chỉnh lưu cĩ tụ lọc trong trường hợp chỉnh lưu bán kỳ, tồn kỳ: Dạng sĩng chưa Dạng sĩng chưa qua tụ qua tụ t Đường xả của tụ Đường xả của Dạng sĩng đã qua tụ Dạng sĩng đã qua tụ tụ VDC VDC V'r(p- t p) Dạng sĩng vào, ra của mạch chỉnh lưu cĩ tụ
  23. 5.Mạch lọc RL: Từ chỉnh lưu đến L C1 C2 RL Mạch lọc RL .  Ưu điểm của mạch dùng LC Cả hai cuộn cảm và tụ đều làm cho giảm điện áp gợn sĩng ngõ ra. Giảm nhiệt cho mạch chỉnh lưu và biến áp. Khi gia tăng dịng điện tải thì điện áp ngõ ra ít bị ảnh hưởng hơn.  Nhược điểm của mạch dùng LC Cuộn cảm thì nặng, cồng kềnh và đắt tiền. Nếu mạch cơng suất cao thì dùng cuộn cảm sẽ bị hạn chế.
  24. Điện áp gợn sĩng Sự biến đổi của ngõ ra DC sau khi lọc % Gợn sĩng = (Vripple/ VDC) x 100% Vr(p-p) Vdc t
  25. IV. Thơng số kỹ thuật của diode: IN4 IN4 IN4 IN4 IN4 Ký IN40 IN40 0 0 0 0 0 Thơng số hiệ 0 0 Đơn vị 0 0 0 0 0 u 1 7 2 3 4 5 6 Điện áp ngược cực đại VRM 50 100 200 400 600 800 1000 V Điện áp ngược hiệu dụng VR(rms) 35 70 140 280 420 560 700 V Dịng điện thuận trung bình đã chỉnh lưu ( 1 I0 1.0 A pha, tải trở, 60 Hz) Khoảng nhiệt độ mối nối T -65 đến +175 0C hoạt động j
  26. V. Diode zener - Đặc tính: I Ký hiệu Đặc tuyến vol_ampere của diode zenner . Khi phân cực thuận giống như Diode thường. . Khi phân cực nghịch, nếu Vnghịch < VZ thì điện áp trên zener gần như bằng điện áp vào. . Khi phân cực nghịch, nếu Vnghịch VZ thì điện áp trên zener sẽ bằng điện áp danh định của zener VZ.
  27. Một số diode zener thường gặp: Cơng suất tiêu tán Vt Dịng điện ngược danh định Tên gọi cực đại 1N702 0.25 2.6 5 1N703 0.25 3.4 5 1N706 0.25 5.8 5 1N707A 0.25 8 5 1N708 0.25 5.6 25 1N711A 0.25 7.5 25 1N714 0.25 10 12 1N758 0.4 10 20 1NH1525 1 15 13
  28. Ứng dụng Diode zener: .Ví dụ: Cho mạch điện như hình trên với R1 = 300, R2 = 1200. Hãy xác định phạm vi biến thiên cho phép của Vi để điện áp trên • tải ổn định ở mức 10v. Mạch ổn áp dùng diode zener
  29. PHƯƠNG PHÁP ĐO KIỂM TRA DIODE