Chuong 3 Kỹ thuật điện tử tương tự

CHƢƠNG 3 ĐIỐT Giới thiệu 3 1 Chất bán dẫn 3 2 Điốt lý tưởng 3 3 Đặc tuyến của điốt tiếp giáp 3 4 Mô hình điốt trong vùng đặc tuyến thuận 3 5 Hoạt động trong vùng đánh thủng điốt Zener 3 6 Các mạch chỉ.

CHƢƠNG ĐIỐT Giới thiệu 3.1 Chất bán dẫn 3.2 Điốt lý tưởng 3.3 Đặc tuyến điốt tiếp giáp 3.4 Mơ hình điốt vùng đặc tuyến thuận 3.5 Hoạt động vùng đánh thủng - điốt Zener 3.6 Các mạch chỉnh lưu 3.7 Các mạch hạn chế, mạch ghim 3.8 Các điốt đặc biệt GIỚI THIỆU Trong chương trước xem xét gần toàn mạch tuyến tính Tuy nhiên, có nhiều chức xử lý tín hiệu mà thực mạch phi tuyến Ví dụ nguồn điện áp chiều DC tạo thành từ điện áp cấp xoay chiều AC, máy phát hàm (ví dụ: sóng sin, sóng vuông, dạng xung…) Các mạch logic số nhớ loại mạch phi tuyến đặc biệt Linh kiện đơn giản mạch phi tuyến điốt Cũng giống điện trở, điốt có hai đầu; khác chỗ, điện trở có mối quan hệ dòng điện điện áp tuyến tính, cịn điốt phi tuyến Chương nghiên cứu điốt Để hiểu chất điốt, ta bắt đầu với điốt lý tưởng Sau ta giới thiệu điốt silic, giải thích đặc tính nó, phương pháp để phân tích mạch điốt Phương pháp quan trọng việc mơ hình hóa linh kiện Việc nghiên cứu đặc tính điốt đặt tảng cho việc nghiên cứu hoạt động transistor hai chương Có nhiều ứng dụng điốt, phổ biến dùng chỉnh lưu (chuyển đổi điện áp AC sang DC) Do ta nghiên cứu kỹ mạch chỉnh lưu, ứng dụng khác điốt xem xét ngắn gọn Để hiểu đặc điểm điốt, ta xét hoạt động vật lý Nghiên cứu khái niệm vật liệu bán dẫn hoạt động tiếp giáp pn tảng để hiểu khơng đặc điểm điốt mà cịn transistor trường, nghiên cứu chương sau, transitor bipolar, nghiên cứu chương Mặc dùng hầu hết chương liên quan đến tiếp giáp pn, ta đề cập cách ngắn gọn số loại điốt đặc biệt điốt quang, điốt phát quang 3.1 Khái niệm bán dẫn Tiếp giáp pn: Điốt bán dẫn lớp tiếp giáp pn, sơ đồ hình 3.1, ta thấy, lớp tiếp giáp pn bao gồm vật liệu bán dẫn loại p (ví dụ silic) đặt gần với vật liệu bán dẫn loại n (cũng silic) Trong thực tế, loại p n loại khác tinh thể dẫn silic; có nghĩa lớp pn tạo nên tinh thể silic đơn cách tạo miền “pha tạp” khác (miền p n) Trong hình 3.1, kết nối dây bên vùng p n (hai đầu điốt) làm từ kim loại (nhơm) Ngồi ra, tiếp giáp pn thành phần transistor lưỡng cực (BJT) phần quan trọng hoạt động transistor trường (FET) Như hiểu hoạt động vật lý tiếp giáp pn quan trọng để hiểu hoạt động đặc điểm điốt trasistor Hình 3.1 Cấu trúc vật lý đơn giản điốt tiếp giáp Bản chất silic: Mặc dù silic germanium sử dụng để chế tạo chất bán dẫn, ngày cơng nghệ mạch tích hợp gần dựa silic Vì lý đó, nghiên cứu chủ yếu linh kiện chế tạo từ silic tồn sách Electron hóa tri Liên kết cộng hóa trị Ngun tử silic Hình 3.2 Hình ảnh hai chiều tinh thể silic Một bán dẫn hay silic nguyên chất có cấu tạo mạng tinh thể thơng thường, nguyên tử ràng buộc liên kết, gọi liên kết cộng hóa trị, hình thành electron hóa trị liên kết với nguyên tử silic Hình 3.2 minh họa hình ảnh hai chiều cấu trúc Quan sát thấy nguyên tử góp chung electron hóa trị với nguyên tử bên cạnh, cặp electron hình thành liên kết cộng hóa trị Tại nhiệt độ đủ thấp, tất liên kết cộng hóa trị giữ ngun khơng có (hoặc có ít) electron tự để dẫn dòng điện Tuy nhiên, nhiệt độ thường, số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ ion hóa nhiệt tạo nên số electron tự Như hình 3.3, liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ, electron rời khỏi nguyên tử mẹ; tạo nên điện tích dương, có điện tích điện tích electron, lại nguyên tử mẹ Một electron từ ngun tử lân cận hút điện tích dương này, rời khỏi nguyên tử mẹ Hoạt động lấp đầy “lỗ trống” tồn nguyên tử bị ion hóa lại tạo lỗ trống nguyên tử khác Quá trình lặp lặp lại, kết ta có hạt dẫn mang điện tích dương, hay cịn gọi lỗ trống, di chuyển cấu trúc nguyên tử silic cho phép dẫn dịng điện Điện tích lỗ trống độ lớn điện tích electron Hiện tượng ion hóa nhiệt tạo số lượng electron tự số lượng lỗ trống chúng có mật độ Các electron tự lỗ trống di chuyển hỗn độn bên cấu trúc bán dẫn silic, vài electron lấp vào lỗ trống Q trình gọi tái hợp, làm biến electron tự lỗ trống Tốc độ tái hợp tỷ lệ với số electron tự lỗ trống, xác định tốc độ ion hóa Electron hóa trị Electron tự Liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ Lỗ trống Liên kết cộng hóa trị Ngun tử silic Hình 3.3 Tại nhiệt độ phịng, số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ ion hóa nhiệt Mỗi liên kết bị phá vỡ cho ta electron tự lỗ trống, hai cho phép dẫn dòng Tốc độ ion hóa phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Khi có cân nhiệt, tốc độ tái hợp với tốc độ ion hóa ta tính tốn mật độ electron tự n, đồng thời mật độ lỗ trống p n = p = ni Ở ni mật độ electron tự lỗ trống bên silic nhiệt độ xác định Nghiên cứu vật liệu bán dẫn cho thấy nhiệt độ tuyệt đối T (Kelvins), nồng độ ni (ví dụ, số electron tự lỗ trống cm3) tính phương trình: ni2  BT 3e EG / kT (3.1) Trong B tham số phụ thuộc nhiệt độ vật liệu, 5.4x1031 với silic, EG lượng vùng cấm (giá trị lượng nhỏ để phá vỡ liên kết cộng hóa trị tạo cặp electron – lỗ trống), 1.12 eV với silic, k số Boltzman, 8.62x10-5 eV/K Thế vào phương trình (3.1) với giá trị thông số cho với silic nhiệt độ phịng (T = 300K ), ta có ni = 1.5x1010 hạt/cm3 Để thay xác, ý bán dẫn silic có khoảng 5x1022 nguyên tử/cm3 Như vậy, nhiệt độ phịng có lượng nhỏ nguyên tử bị ion hóa Nồng độ lỗ trống p Hình 3.3 Thanh silic (a) mật độ lỗ trống mặt dọc theo trục x (b) Sự khuếch tán trôi: Electron lỗ trống di chuyển bán dẫn silic theo hai cách, khuếch tán trơi Khuếch tán liên quan tới chuyển động hỗn độn nhiệt Trong phần silic mà electron tự lỗ trống có mật độ di chuyển hỗn độn khơng thể tạo dịng điện tích (ví dụ: dịng điện) Mặt khác, phần có mật độ electron tự lớn phần khác, electron khuếch tán từ vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp Sự khuếch tán tạo dòng điện tích, hay dịng khuếch tán Ví dụ, xét silic biểu diễn hình 3.3(a), mật độ lỗ trống biểu diễn hình 3.3 (b) Sự tồn mật độ tạo dòng khuếch tán lỗ trống theo hướng x, với độ lớn điểm tỷ lệ với độ dốc đường cong mật độ, hay gradien mật độ điểm này: J p  qDp dp dx (3.2) Trong Jp mật độ dịng điện (dịng điện đơn vị diện tích mặt vng góc với trục x) đơn vị A/cm2, q độ lớn điện tích =1.6x10 -19 C, Dp số gọi số khuếch tán độ khuếch tán lỗ trống Chú ý gradien (dp/dx) âm nên dòng điện dương theo chiều dương trục x Trong trường hợp khuếch tán electron, tương tự ta có mật độ dịng electron: J n  qDn dn dx (3.3) Ở Dn độ khuếch tán electron Quan sát thấy, tỷ số âm (dn/dx) làm dịng điện âm tăng lên, quy ước dấu, chiều dương dòng điện chiều chuyển động điện tích dương (ngược lại dịng điện tích âm) Với mật độ lỗ trống electron silic, giá trị số khuếch tán Dp=12cm2/s Dn = 34 cm2/s Một kiểu khác chuyển động hạt dẫn vật liệu bán dẫn trôi Sự trơi xuất có điện trường đặt vào Các electron tự lỗ trống tăng tốc điện trường có vận tốc (xếp chồng lên vận tốc chuyển động nhiệt) gọi vận tốc trôi Nếu độ lớn điện trường ký hiệu E (V/cm), lỗ trống mang điện dương trơi theo chiều E đạt vận tốc vdrift (cm/s) tính bởi: vdrift   p E (3.4) Trong  p số gọi độ linh động lỗ trống, có đơn vị cm2/V.s Với silic,  p 480cm2/V.s Electron mang điện tích âm trơi phía ngược lại điện trường, tốc độ chúng tính phương trình (3.4),  p thay n : độ linh động điện tử Với silic, n thường 1350cm2/V.s, lớn khoảng 2.5 lần độ linh động lỗ trống Bây xét tinh thể silic có mật độ lỗ trống p mật độ electron tự n, điện trường đặt vào E Các lỗ trống trôi hướng với E (gọi phương x) với vận tốc  p E Như vậy, có mật độ điện tích dương qp (Culơng/cm3) di chuyển theo phương x với vận tốc  p E (cm/s) Nghĩa giây, lượng điện tích qp p EA (Culông) qua tiết diện A (cm2) vng góc với trục x Đó thành phần dịng điện gây trôi lỗ trống Chia cho tiết diện A ta thu mật độ dịng trơi: J p  drift  qp p E (3.5a) Các electron tự trôi theo hướng ngược chiều với điện trường E Do ta có mật độ điện tích (-qn) di chuyển ngược chiều phương x, nên chúng có tốc độ âm (- n E ), tạo thành thành phần dòng dương với mật độ tính: J n  drift  qnn E (3.5b) Tổng mật độ dịng điện trơi thu cách kết hợp phương trình (3.5a) (3.5b) J drift  q( p p  nn ) E (3.5c) Ta ý dạng định luật Ôm với điện trở suất ( đơn vị cm ) tính bởi:   1/ q( p p  nn ) (3.6) Cuối cùng, ta có mối quan hệ đơn giản hữu ích, biết quan hệ Einstein, độ khuếch tán độ linh động: Dp p  Dn n  VT (3.7) VT điện áp nhiệt hay nhiệt, nhiệt độ phòng, VT = 25mV Vật liệu bán dẫn tạp: Bản thân bán dẫn Silic giới thiệu có mật độ lỗ trống electron tự sinh ion hóa nhiệt Mật độ này, ký hiệu ni, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ Bán dẫn tạp vật liệu có loại hạt dẫn (electron lỗ trống) chiếm đa số Silic pha tạp mà có đa số hạt dẫn điện electron tự mang điện tích âm gọi loại n, silic pha tạp có đa số hạt dẫn điện lỗ trống mang điện tích dương gọi loại p Sự pha tạp bán dẫn silic làm cho chúng trở thành loại p loại n đạt cách thêm lượng nhỏ nguyên tử tạp chất Ví dụ, tạp chất hóa trị V phốt tạo bán dẫn loại n, nguyên tử phốt thay số nguyên tử silic cấu trúc tinh thể có electron hóa trị, số tham gia liên kết với nguyên tử silic lân cận, electron hóa trị thứ trở thành electron tự (Hình 3.4) Electron hóa trị Liên kết cộng hóa trị Electron tự tạo thành nguyên tử tạp chất Nguyên tử tạp chất hóa trị V (donor) Ngun tử silic Hình 3.4 Bán dẫn loại n Vì nguyên tử phốt cho electron tự với tinh thể silic, tạp chất phốt gọi chất donor Mặc dù khơng có lỗ trống sinh trình này, đa số hạt mang điện tạp chất silic pha phốtpho electron Nếu nồng độ nguyên tử donor (phốt pho) ND, cân nhiệt, mật độ electron tự silic loại n, nn0, là: nn0  ND (3.8) Ở thêm số ký hiệu cân nhiệt Từ tính chất vật lý bán dẫn, ta thấy trạng thái cân nhiệt, tích số nồng độ electron lỗ trống số nghĩa là: nn pn  ni2 (3.9) Do mật độ lỗ trống, pn0, sinh ion hóa nhiệt ni2 pn  ND (3.10) Do ni hàm nhiệt độ (phương trình 3.1), nên mật độ lỗ trống thiểu số hàm nhiệt độ nồng độ electron đa số không phụ thuộc vào nhiệt độ Để tạo bán dẫn loại p, silic pha tạp với chất với hóa trị III ví dụ nguyên tử Boron (Bo) Mỗi nguyên tử tạp chất Bo nhận electron từ tinh thể silic để tạo thành liên kết cộng hóa trị cấu trúc mạng tinh thể Do vậy, minh họa hình 3.5, nguyên tử Bo tạo lỗ trống mật độ lỗ trống đa số silic loại p, điều kiện cân nhiệt, gần nồng độ NA tạp chất acceptor (Bo) pp0 = NA Electron hóa trị (3.11) Liên kết cộng hóa trị Liên kết cộng hóa trị Nguyên tử silic Nguyên tử tạp chất hóa trị III Lỗ trống Hình 3.5: Một bán dẫn Silic pha tạp chất hóa trị III Mỗi nguyên tử tạp chất tạo lỗ trống chất bán dẫn trở thành bán dẫn loại p Ở bán dẫn loại p, mật độ electron thiểu số, sinh ion hóa nhiệt tính tốn nhờ cơng thức tích mật độ hạt mang điện số, np0  ni2 NA (3.12) Chú ý rằng, bán dẫn loại n loại p trung hòa điện, hạt dẫn tự đa số (electron loại n lỗ trống loại p) trung hịa điện tích liên kết với nguyên tử tạp chất 3.1.2 Tiếp giáp pn điều kiện hở mạch Hình 3.6 minh họa lớp tiếp giáp pn điều kiện hở mạch Dấu “+” ký hiệu vật liệu loại p với đa số lỗ trống Điện tích lỗ trống trung hịa với lượng điện tích âm mà liên kết với nguyên tử acceptor Để đơn giản hóa, điện tích liên kết khơng biểu diễn hình Ta khơng biểu diễn electron thiểu số sinh vật liệu loại p ion hóa nhiệt Điện tích liên kết Lỗ trống Vùng nghèo Điện Thế rào cản V0 Hình 3.6 (a) Tiếp giáp pn khơng có điện áp ngồi(các cực hở mạch) (b) Phân bố điện áp theo trục vng góc với mặt tiếp xúc Với vật liệu bán dẫn loại n, electron đa số ký hiệu “-” Ở đây, điện tích liên kết dương, trung hịa electron đa số, không biểu diễn hình để đơn giản hóa hình minh họa Vật liệu loại n bao gồm số lỗ trống sinh ion hóa nhiệt, khơng biểu diễn hình Dịng điện khuếch tán ID: Vì mật độ lỗ trống lớn vùng p nhỏ vùng n, nên lỗ trống khuếch tán qua tiếp giáp từ phía p sang n; tương tự, electron khuếch tán từ phía n sang phía p Có hai thành phần dịng tạo thành dịng khuếch tán ID, có chiều hướng từ phía p sang phía n, hình 3.6 Vùng nghèo: Các lỗ trống khuếch tán qua vùng tiếp giáp tới miền n nhanh chóng tái hợp với electron đa số Sự tái hợp gây biến số electron tự vật liệu loại n Do số điện tích liên kết dương khơng bị trung hòa electron tự do, điện tích gọi uncover (khơng bị trung hịa) Do tái hợp xảy gần với lớp tiếp giáp, nên có vùng gần với lớp tiếp giáp nghèo electron tự bao gồm điện tích liên kết khơng bị trung hịa, hình 3.6 Các electron khuếch tán qua vùng tiếp xúc tới miền p nhanh chóng tái hợp với số lỗ trống Sự tái hợp làm biến số lỗ trống khiến cho số điện tích liên kết âm khơng bị trung hịa Do chất bán dẫn loại p, gần với lớp tiếp giáp có vùng nghèo lỗ trống bao gồm điện tích âm liên kết khơng bị trung hịa, hình 3.6 Từ phân tích trên, ta thấy vùng nghèo tồn hai phía lớp tiếp giáp, với phía n vùng điện tích dương phía p điện tích âm Vùng nghèo gọi vùng điện tích khơng gian Các điện tích hai phía vùng nghèo tạo điện trường, xuất chênh lệch điện áp, với phía n điện áp dương hình 3.6b Điện trường ngược với khuếch tán lỗ trống sang vùng n electron sang vùng p Thực tế, sụt áp vùng nghèo đóng vai trị rào cản ngăn cho lỗ trống khuếch tán sang miền n electron khuếch tán sang miền p Điện áp rào cản lớn số hạt mạng điện vượt qua nhỏ dịng khuếch tán nhỏ Như vậy, dòng khuếch tán ID phụ thuộc lớn vào sụt áp V0 vùng nghèo Dịng điện trơi IS trạng thái cân bằng: Ngồi thành phần dịng điện ID khuếch tán hạt đa số, có thành phần trơi hạt mang điện thiểu số Rõ ràng, phần lỗ trống sinh nhiệt bán dẫn loại n khuếch tán qua lớp n tới rìa vùng nghèo Ở đây, chúng chịu ảnh hưởng điện trường vùng nghèo, điện trường quét chúng tới lớp p Tương tự, số electron sinh nhiệt vùng p khuếch tán tới rìa vùng nghèo quét điện trường vùng nghèo tới phía n Hai thành phần dịng điện – electron di chuyển trôi từ vùng p sang n lỗ trống di chuyển từ n sang p tạo thành dịng trơi IS hình 3.6 Vì dịng điện IS tạo thành hạt thiểu số sinh nhiệt, nên phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, nhiên, chúng không phụ thuộc với giá trị điện áp vùng nghèo V0 Trong điều kiện hở mạch (hình 3.6), hai dịng điện ngược nhau, độ lớn: I D = IS Điều kiện cân trì điện áp rào cản V0 Do đó, vài lý ID lớn IS nhiều điện tích liên kết khơng bị trung hịa hai phía lớp tiếp giáp, vùng nghèo mở rộng ra, điện áp (V0) tăng lên Điều làm cho dòng điện ID giảm đến đạt cân ID = IS Mặt khác, IS lớn ID, lượng điện tích khơng bị trung hòa giảm, lớp nghèo thu hẹp lại, điện áp (V0) giảm Do dòng điện ID tăng lên tới đạt cân ID = IS Điện áp hình thành lớp tiếp giáp: Nếu khơng có điện áp ngồi, điện áp VD qua lớp tiếp giáp pn tính sau: N N  V0  VT ln  A D   ni  (3.13) Trong NA ND tương ứng mật độ tạp chất bán dẫn loại p n Từ đó, ta thấy V0 phụ thuộc vào mật độ tạp chất nhiệt độ Chúng biết đến điện áp hình thành lớp tiếp giáp Cụ thể, với silic nhiệt độ phòng, V0 nằm khoảng 0.6V tới 0.8V Khi cực lớp tiếp giáp pn hở mạch, điện áp chúng Nghĩa điện áp V0 vùng nghèo không xuất cực điốt Đó điện áp tiếp giáp tồn lớp tiếp giáp vật liệu bán dẫn các cực điốt, ngược chiều với điện áp rào cản Nếu không, ta thu lượng từ lớp tiếp giáp pn, điều khơng với định luật bảo toàn lượng Độ rộng vùng nghèo: Từ phân tích trên, rõ ràng vùng nghèo tồn hai phía n p tổng số điện tích hai phía Tuy nhiên, mức độ pha tạp không giống vật liệu loại p n, nên độ rộng vùng nghèo khơng hai phía Hơn nữa, để trung hịa số điện tích giống nhau, lớp nghèo nhiều phần có độ tạp chất nhỏ Đặc biệt, ta ký hiệu độ rộng vùng nghèo phía p xp vùng n xn, điều kiện cân điện tích: qxpANA = qxnAND đó, A diện tích vùng tiếp xúc Phương trình rút gọn lại: xn N A  x p ND (3.14) Trong thực tế, thông thường, phía lớp tiếp giáp có độ tạp chất lớn phía cịn lại, vùng nghèo tồn gần phía Từ tính chất vật lý, ta có độ rộng vùng nghèo lớp tiếp xúc mạch hở tính bởi: Wdep  xn  x p  2 s  1     q  N A N D  (3.15)  s số điện môi silic = 11.7  = 1.04 x 10-12 F/cm Do Wdep nằm khoảng 0.1 µm tới µm 3.1.3 Lớp tiếp giáp pn điều kiện phân cực ngƣợc Xét hoạt động lớp tiếp giáp với nguồn dòng điện số, biểu diễn hình 3.7 Với độ lớn I phải nhỏ IS; I lớn IS xảy đánh thủng Dòng điện I mang electron mạch từ lớp n tới lớp p Điều làm cho electron rời khỏi lớp n lỗ trống rời khỏi lớp p Các electron tự rời khỏi lớp n làm cho điện tích liên kết dƣơng khơng bị trung hịa tăng lên Tương tự, lỗ trống rời khỏi lớp n làm tăng lên điện tích liên kết âm khơng bị trung hịa Do đó, dịng điện I làm tăng độ rộng điện tích vùng nghèo Điều làm cho điện áp vùng nghèo tăng lên, nghĩa điện áp rào cản lớn hơn, hay dòng điện khuếch tán ID giảm Dịng điện trơi IS, không phụ thuộc với điện áp rào cản, số Cuối dùng, trạng thái cân (trạng thái ổn định) đạt IS – ID = I ... electron rời khỏi nguyên tử mẹ; tạo nên điện tích dương, có điện tích điện tích electron, lại nguyên tử mẹ Một electron từ ngun tử lân cận hút điện tích dương này, rời khỏi nguyên tử mẹ Hoạt động lấp... electron tự (Hình 3. 4) Electron hóa trị Liên kết cộng hóa trị Electron tự tạo thành nguyên tử tạp chất Nguyên tử tạp chất hóa trị V (donor) Nguyên tử silic Hình 3. 4 Bán dẫn loại n Vì nguyên tử phốt... p I p (3. 30) Mối quan hệ cho thấy điện tích lỗ trống dư lưu trữ tỉ lệ với thành phần dòng lỗ trống thời gian tồn lỗ trống Tương tự ta có điện tích electron lưu miền p: Qn   n I n (3. 31) Với