Điện tư cơ bản DIODE VÀ MẠCH ỨNG DỤNG.

CHƯƠNG DIODE VÀ MẠCH ỨNG DỤNG 2.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE 2.1.1 Cấu tạo Diode dụng cụ bán dẫn có cấu tạo từ tiếp xúc P-N kết nối với bên ngồi thơng qua hai điện cực kim loại Anode Cathod - Cathode N + + - - - - - - - - - - - - + - + - + - - - + + + + + + + P Anode + - - + VD + ID Hình 2.1 Cấu trúc kí hiệu diode chỉnh lưu 2.1.2 Đặc tuyến vôn - ampe Diode: Do cấu trúc diode chuyển tiếp P-N, nên phương trình dịng điện qua diode phương trình dịng điện chạy qua tiếp xúc P-N: ( ) I D = I S eVD VT − (2.1) Trong đó: Is: dịng điện bảo hòa : hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào vật liệu 1≤≤2 kT VT: hiệu điện nhiệt VT = k q Tk: nhiệt độ Kelvin Tk = TC +273 q: điện tích điện tử q = 1,6 x 10-19 C k: số Boltzman k = 1,38 x 10-23 J/0K V(Ge) V(Si) Hình 2.2 Đặc tuyến Vôn – Ampe diode Ge Si Diode Silicon có giá trị điện áp ngược cực đại (PIV), dòng điện dãy điện áp hoạt động lớn diode Germanium Điện áp PIV Silicon vào khoảng 1000V giá trị PIV lớn Germanium 400V Silicon sử dụng ứng dụng mà nhiệt độ lên đến 200C nhiệt độ chịu đựng lớn Germanium 100C Điện áp thời điểm bắt đầu dẫn xem điện áp ngưỡng (threshold) kí hiệu Vγ Vγ = 0.7V (Silicon); Vγ = 0.3V (Germanium) 2.1.3 Các tham số diode: a Điện trở tĩnh (hay điện trở RD): Điện trở tĩnh diode điểm hoạt động tính cách đơn giản cách tìm mức điện áp VD dịng điện ID tương ứng với điện áp nguồn cung cấp DC trình bày hình 2.3 áp dụng phương trình sau: V (2.2) RD = D ID Các mức điện trở tĩnh vị trí điểm uốn phía điểm uốn có giá trị lớn điện trở DC từ điểm uốn trở lên Các mức điện trở DC vùng phân cực nghịch có giá trị lớn Hình 2.3 Xác định điện trở RD diode điểm làm việc b Điện trở động (điện trở r D): Trong phương trình (2.2) điện trở DC diode khơng phụ thuộc vào hình dạng đặc tính vùng xung quanh điểm tĩnh Q Nếu xếp chồng nguồn tín hiệu sin lên nguồn điện áp DC tín hiệu vào thay đổi làm điểm hoạt động thay đổi lên xuống hình 2.4 Nếu tín hiệu biến thiên đưa đến 0, điểm hoạt động điểm Q xuất hình 2.4 xác định mức điện áp DC Điểm gán chữ Q rút từ chữ quiscent có nghĩa mức khơng thay đổi hay cịn gọi điểm tĩnh hay điểm làm việc mạch điện tử Hình 2.4 Dạng sóng diode có tín hiệu nhỏ AC Phương trình tính điện trở động diode là: VD rD = I D (2.3) Hình 2.5 Xác định điện trở AC điểm Q Nếu vùng làm việc diode xem tuyến tính điện trở động diode phương trình (2.3) viết lại sau: dv rD = D di D Từ phương trình (2.1) ta có: I D + I S = I S eVD VT ID + IS = eVD VT IS hay VD = VT ln Vậy rD = ID + IS IS dv D VT = diD ID + IS Khi phân cực thuận dịng I D  I S nên rD tính gần sau: V rD  T ID (2.4) (2.5) Trường hợp η = xét nhiệt độ phịng TC = 25 C VT = 26mV: 26mV rD  (2.6) ID Đến ta tính điện trở AC mà khơng cần phải vẽ đường tiếp tuyến Phương trình (2.6) xác vùng hoạt động diode xem tuyến tính giá trị ID nằm vùng thẳng đứng đường cong Khi ID nằm từ điểm uốn trở xuống giá trị  = (Silicon) làm dòng ID giảm xuống phân nửa kết điện trở r D nhân thêm hệ số Tất điện trở xác định chưa tính đến điện trở vật liệu bán dẫn điện trở đầu nối vật liệu bán dẫn dây dẫn kim loại bên ngồi Các điện trở cộng lại kí hiệu r B tính thêm vào điện trở AC, kết điện trở r D’ gồm có điện trở động rD điện trở rB: 26mV rD' = + rB (2.7) ID o Điện trở rB nằm khoảng từ 0,1 linh kiện công suất lớn 2 linh kiện công suất thấp c Mạch điện tương đương diode: Một mạch điện tương đương tổ hợp phần tử lựa chọn cách hợp lý để biểu diễn đặc tính linh kiện thật, hệ thống vùng hoạt động đặc biệt cách tốt Mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn: Một phương pháp để thành lập mạch điện tương đương cho diode cách kẽ đường thẳng gần giống đường đặc tính hình 2.6a Mạch điện tương đương gọi mạch điện tương đương tuyến tính phân đoạn Đối với phần độ dốc đường cong tương đương điện trở AC trung bình điện trở có mạch điện tương đương hình 2.6b Do diode silicon dẫn điện áp phân cực thuận V D 0,7V (như hình 2.6a), nguồn pin Vγ thay tương đương, kết ta có mạch điện tương đương hình 2.6b Vγ Vγ (a) (b) Hình 2.6 a Mạch tương đương dùng đường thẳng gần với đường đặc tính; b Mạch điện tương đương diode Mạch điện tương đương đơn giản: Trong hầu hết ứng dụng, điện trở trung bình r av nhỏ nên bỏ qua so sánh với phần tử khác mạch Khi bỏ điện trở r av khỏi mạch điện tương đương mạch điện đường đặc tính có dạng hình 2.7 Vγ Vγ Hình 2.7 Mạch điện tương đương đơn giản diode Mạch điện tương đương lý tưởng: Sau bỏ qua giá trị điện trở trung bình r av khỏi mạch điện tương đương, ta thực thêm bước điện áp 0,7V bỏ qua so sánh với mức điện áp tín hiệu cung cấp lớn Trong trường hợp mạch điện tương đương lại diode lý tưởng đặc tính hình 2.8 Hình 2.8 Diode lý tưởng đặc tính d Điện dung diode: Các linh kiện điện tử nhạy với tần số cao Hầu hết ảnh hưởng điện dung nối tiếp bị bỏ qua làm việc tần số thấp X C = có giá trị lớn (tương đương 2fC hở mạch) Tuy nhiên bỏ qua làm việc tần số cao Vì giá trị Xc giảm nhỏ ngắn mạch tín hiệu có tần số cao Trong diode bán dẫn P-N, có ảnh hưởng điện dung cần phải xem xét điện dung chuyển tiếp điện dung khuếch tán C O = CT + C D CT điện dung chuyển tiếp (transistion) CD điện dung khuếch tán (diffusion) Trong chuyển tiếp P-N, vùng tiếp xúc mang tính chất chất cách điện lớp điện tích đối ngược tương đương tụ điện có điện dung gọi điện dung chuyển tiếp Độ rộng vùng nghèo tăng tỉ lệ với điện áp phân cực nghịch, điện dung chuyển tiếp bị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp phân cực nghịch cung cấp A CT =  (2.8) d Trong  số điện mơi chất cách điện cực A diện tích tiếp xúc hai chất bán dẫn n p d: bề dày vùng tiếp xúc Các ảnh hưởng xảy vùng phân cực thuận giá trị tụ điện phụ thuộc vào tốc độ điện tích phun vào vùng nằm ngồi vùng nghèo Dòng điện tăng làm tăng điện dung khuếch tán Khi tăng dòng điện làm giảm điện trở kết thời  = RC giảm tổng thể vùng phân cực thuận dQ CD = (2.9) dV Q: điện tích miền diode C(pF) 15 10 Phân cực ngược (CT) Phân cực thuận (CD) (V) -25 -20 -15 -10 -5 0,25 0,5 Hình 2.9 Điện dung chuyển tiếp khuếch tán tỉ lệ với điện áp phân cực Các ảnh hưởng vừa diễn tả minh họa tụ điện mắc song song với diode lý tưởng hình 2.10 Trong ứng dụng tần số từ trung bình trở xuống bỏ qua ảnh hưởng tụ CT or CD Hình 2.10 Diode điện dung diode e Thời gian khôi phục ngược: Một thông số chưa xét đến thời gian khôi phục ngược t rr Trong trạng thái phân cực thuận trình bày trước có số lượng lớn hạt điện tử từ chất bán dẫn N khuếch tán sang chất bán dẫn loại P số lượng lớn lỗ trống từ chất bán dẫn P khuếch tán sang chất bán dẫn N để thực trình dẫn điện Các điện tử chất bán dẫn loại P lỗ trống chất bán dẫn N trở thành hạt tải tiểu số chất bán dẫn số lượng lớn Nếu điện áp cung cấp đổi chiều làm diode chuyển sang trạng thái phân cực nghịch diode lý tưởng chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái ngưng dẫn tức thời Do số lượng lớn hạt tải tiểu số chất bán dẫn nên diode phân cực nghịch hình 2.11 thời gian lưu trữ t s, thời gian để hạt tải tiểu số quay trở trạng thái hạt tải đa số chúng chất bán dẫn đối diện Điều có ý nghĩa diode trạng thái ngắn mạch với dịng Ireverse xác định thơng số mạch Khi thời gian t s hết (các hạt tải trạng thái) dòng điện giảm ứng với trạng thái ngưng dẫn, khoảng thời gian chuyển trạng thái kí hiệu t t Thời gian khôi phục ngược tổng thông số thời gian: trr = ts + tt Vấn đề trở nên quan trọng ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao Hầu hết diode chuyển mạch có thời t rr vào khoảng vài nano giây đến s id Sự thay đổi trạng thái (mở¦ tắt) yêu cầu t = t1 IF Đáp ứng mong muốn t t1 IR tS tt trr Hình 2.11 Xác định thời gian khơi phục nghịch f Ảnh hưởng nhiệt độ: Nhiệt độ làm ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính diode bán dẫn hình 2.12 Qua thí nghiệm người ta tìm mối liên hệ sau: “ Dòng điện bảo hòa nghịch I S tăng gấp nhiệt độ tăng lên 10C ” ID(mA) (392oF) (-103oF) 200oC 100oC 25oC -75oC 12 10 (Điểm sôi nước) (nhiệt độ phòng) (V) 60 50 40 30 20 10 0,7 1 1,5 VD(V) (µA) Hình 2.12 Các đặc tính khác diode nhiệt độ thay đổi Đối với diode Germanium với dòng IS vào khoảng A nhiệt độ 25C đạt đến 100A nhiệt độ 100C Giá trị IS diode silicon thấp so với germanium với công suất mức dịng điện trình bày hình 2.1 Kết nhiệt độ cao mức dịng điện IS diode silicon khơng mức dịng diode germanium – nguyên nhân mà linh kiện silicon sử dụng ứng dụng đòi hỏi dòng lớn 2.1.4 Các thông số giới hạn diode: Bảng thông số linh kiện bán dẫn thường cung cấp nhà chế tạo Hầu hết bảng thông số cung cấp thông số giới hạn cho phép Ngồi ra, cịn có thêm đặc tính kiểm tra thơng qua hình ảnh, bảng biểu… Các thơng số bao gồm: Điện áp phân cực thuận VF dòng nhiệt độ định Dòng phân cực thuận cực đại IF nhiệt độ định Dòng bảo hòa ngược IR điện áp nhiệt độ định Điện áp phân cực ngược đánh thủng PIV nhiệt độ định Mức công suất tiêu tán cực đại nhiệt độ đặc biệt Điện dung diode Thời gian khôi phục phân cực nghịch t rr (reverse recover time) Dãy nhiệt độ cho phép làm việc Tùy thuộc vào loại diode sử dụng, bảng liệu cung cấp thêm thông số khác dãy tần số làm việc, mức nhiễu, thời gian chuyển mạch, mức điện trở ngưỡng giá trị đỉnh Cơng suất cực đại tính sau: PD max = VD I D (2.10) Nếu sử dụng mơ hình đơn giản ứng dụng thay VD = VT = 0,7V diode silicon 2.2 CÁC LOẠI DIODE 2.2.1 Diode chỉnh lưu: Cấu tạo chuyển tiếp P-N, tiếp xúc mặt Do diode chỉnh lưu có khả chịu dòng tải lớn Ứng dụng mạch chỉnh lưu VD + - Hình 2.13 kí hiệu diode chỉnh lưu 2.2.2 Diode cao tần Cấu tạo chuyển tiếp P-N, phiến bán dẫn P kim bán dẫn, N bán dẫn Chuyển tiếp P-N có kích thước cực nhỏ diode cao tần có điện dung tiếp xúc bé, hoạt động tần số cao Ứng dụng mạch biến tần, dao động mạch tách sóng cao tần + VD - Hình 2.14 Kí hiệu diode cao tần 2.2.3 Diode zener: Cấu tạo chuyển tiếp P-N, vật liệu chuyển tiếp P-N vật liệu chịu nhiệt tỏa nhiệt tốt, chịu dịng ngược lớn Hoạt động chủ yếu vùng phân cực ngược Ứng dụng mạch ổn áp, tạo điện áp chuẩn Vùng zener vùng có đường cong đặc tính rơi thẳng đứng VZ IZ VZ VZ IZmin + IZ IZT VZ - IZmax a b Hình 2.15.a Kí hiệu diode zener; b Đặc tuyến diode zener Vị trí vùng zener thay đổi công nghệ chế tạo cách thay đổi nồng độ tạp chất chất bán dẫn Diode zener chế tạo với mức điện áp thay đổi từ 1,8V đến 200V với công suất tiêu tán từ ¼ W đến 50W Do hoạt động nhiệt độ cao khả chịu dòng lớn nên silicon chất bán dẫn chủ yếu để chế tạo diode zener Mạch điện tương đương diode zener vùng zener gồm điện trở động nhỏ nguồn pin tương đương với điện áp zener hình 2.16a Tuy nhiên ứng dụng xem điện trở bên lớn điện trở zener nhiều nên mạch điện tương đương đơn giản lại nguồn pin hình 2.16b VZ VZ = rz (a) - - - (b) Hình 2.16 Mạch điện tương đương diode zener Các thông số đặc trưng diode zener: Điện áp VZ Điện trở tương đương (điện trở động) điểm làm việc dV rD = Z dI Z Điện trở tĩnh V RD = Z IZ Hệ số ổn định nhiệt VZ T = I = const VZ T Z (2.11) (2.12) (2.13) Trong VZ thay đổi điện áp zener phụ thuộc vào thay đổi nhiệt độ Hệ số nhiệt dương, âm mức zener khác Với giá trị dương cho biết điện áp VZ vùng tăng theo nhiệt độ, giá trị âm VZ giảm nhiệt độ tăng Diode zener thường sử dụng mạch nguồn, mạch ổn định điện áp, mạch so sánh 2.2.4 Diode biến dung (varicap) Cấu tạo chuyển tiếp P-N, phân cực ngược có điện dung thay đổi theo điện áp ngược đặt vào (Hình 2.18) Ứng dụng mạch tự điều chỉnh tần số cộng hưởng, mạch khuếch đại, biến tần, … CT = f(VR) LS RS RR > 1MΩ (1 – nH) (0.1 - 12Ω ) (a) (b) Hình 2.17 Diode biến dung a Mạch điện tương đương; b Kí hiệu C (pF) 80 60 40 20 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 (VR(V) = phân cực ngược) VR(V) Hình 2.18 Đặc tuyến diode biến dung 2.2.5 Diode tunnel (diode xuyên hầm) Cấu tạo chuyển tiếp P-N có nồng độ tạp chất cao dựa hiệu ứng xuyên hầm Hiệu ứng tạo đặc tính dẫn điện chiều diode Ứng dụng mạch tạo dao động siêu cao tần… C RS 5pF 1.5Ω LS IT + p n VT nH - R(-152Ω ) (b) (a) I R1 P IP IV V O R2 VP VV V (c) Hình 2.19 Diode tunnel: a Mạch điện tương đương; b Kí hiệu; c Đặc tuyến V-A ... phần tử khác mạch Khi bỏ điện trở r av khỏi mạch điện tư? ?ng đương mạch điện đường đặc tính có dạng hình 2.7 Vγ Vγ Hình 2.7 Mạch điện tư? ?ng đương đơn giản diode Mạch điện tư? ?ng đương lý tư? ??ng: Sau... vào mức Ngõ mức ngõ vào mức Ví dụ 2.8: Hãy xác định điện áp Vo mạch điện hình 2.47 Giải: Trong mạch điện hình 2.47: điện áp ngõ vào 10V, điện áp ngõ vào 0V xem nối mass, mạch điện vẽ lại hình 2.48... Vγ Vγ (a) (b) Hình 2.6 a Mạch tư? ?ng đương dùng đường thẳng gần với đường đặc tính; b Mạch điện tư? ?ng đương diode Mạch điện tư? ?ng đương đơn giản: Trong hầu hết ứng dụng, điện trở trung bình r av