CHƯƠNG 08 DIODE VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 257 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 CHƯƠNG 08 DIODEVÀCÁCMẠCHỨNGDỤNG 8.1.TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN: 8.1.1.TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần tử đó. Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân chứa các hạt mang điện tích dương được gọi là proton và các hạt mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo bao quanh nhân. Với các nguyên tử khác loại số lượng electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau, xem hình H8.1. Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên bảng phân loại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic number). Nguyên tử số được xác định theo số lượng proton chứa trong nhân. Trong điều kiện bình thường các nguyên tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron và proton bằng nhau. Các điện tử chuyển động trên các tầng quỉ đạo quanh nhân với các khoảng cách khác nhau. Mỗi tầng quỉ đạo điện tử tương ứng với mức năng lượng khác nhau. Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn. Trong nguyên tử những quỉ đạo được ghép thành nhóm trong các băng năng lượng (energy bands) được gọi là shell. Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố định. Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng lượng cho phép. Mức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ đạo trong cùng một shell phải nhỏ hơn mức năng lượng chênh lệch giữa hai shell kế cận nhau. Các shell được đánh số thứ tự 1, 2 , 3 từ trong nhân ra ngoài , xem hình H 8.2. Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng cao nhưng kém liên kết chặt với nguyên tử so với các điện tử nằm gần nhân. Lớp shell nằm ngoài cùng được gọi là valence shell (lớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử hóa trị tham gia vào các phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các tính chất về điện của vật liệu. Khi nguyên tử hấp thu nhiệt năng hay quang năng, năng lượng của các điện tử gia tăng. Các điện tử hóa trị có khả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị. Khi các điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron. Quá trình mất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là i on dương. Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do. Khi các electron hóa trị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên tử trung hòa cho ta ion âm. Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ: e Nn 2 2 (8.1) Trong đó, là số thứ tự của shell tính từ trong nhân ra phía ngoài. HÌNH H 8.1 HÌNH H 8.2 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 258 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.1.2.CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử. Những nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính dẫn điện của vật liệu. Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu, nguyên tử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và phần lỏi bao gồm nhân và các shell bên trong. Carbon là loại vật liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons hóa trị trên shell hóa trị và 2 electron trên tầng trong cùng, nhân bao gồm 6 protons và 6 neutrons. Ta nói phần lỏi (core) của nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và 2 electrons tạo nên, xem hình H8.3. 8.1.2.1.CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR) Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Các chất dẫn điện rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng , nhôm. Nguyên tử hình thành các vật liệu này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron tự do. Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng chứa nhiều electrons tự do. 8.1.2.2.CHẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR) Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi trường. Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử. Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử. Trong chất cách điện rất hiếm các điện tử tự do. 8.1.2.3.CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR) Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt. Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon). Hợp chất bán dẫn như là: Gallinium Asernide. Với các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shell hóa trị . 8.1.3.DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS): Với shell hóa trị của nguyên tử biểu diễn mức của dãy năng lượng dùng kềm giữ các điện tử hóa trị trên shell hóa trị. Mức năng lượng này được gọi là dãy hóa trị (valence band). Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat khỏi shell hóa trị trở thành điện tử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy dẫn (conduction band) xem hình H8.4. Khoảng chênh lệch năng lượng giữa dãy hóa trị và dãy dẫn được gọi là khe năng lượng (energy gap). Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượng để đến dãy dẫn, điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác. HÌNH H 8.3 HÌNH H 8.4 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 259 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Trong hình H8.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau: Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu. Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện. Khi khe năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do. Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn có rất nhiều điện tử tụ do. 8.1.4.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Trong hình H8.5 trình bày nguyên tử của đồng là chất dẫn điện và nguyên tử Silicon của chất bán dẫn. Phần lõi của nguyên tử Silicon có điện tích tổng là +4 (14 ptotons và 10 electrons). Phần lõi của nguyên tử đồng có điện tích tổng là +1 (29 protons và 28 electrons). Phần lõi là vật thể đã loại trừ các điện tử hóa trị. Điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng “cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +1 của phần lõi nguyên tử, trong khi điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon “cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +4 từ phần lõi nguyên tử. Ta nói lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon gấp 4 lần lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng. Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn so với năng lượng của điện tử hó a trị của nguyên tử silicon.Từ các nhận xét trên cho thấy điện tử hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon. Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều điện tử tự do. HÌNH H 8.5 HÌNH H 8.6 4 điện tử hóa trị trên lớ p shell n g oài cùn g Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 260 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.1.5.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM: Trong hình H8.6. trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium. Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC – intergrated circuit) . Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa trị ( 4 điện tử hóa trị). Tuy nhiên các điện tử hóa trị của Germanium ở lớp shell thứ 4 trong khi các điện tử hóa trị của Silicon ở lớp shell thứ 3 gần nhân hơn. Điều này cho thấy khả năng hấp thu năng lượng để trở thành điện tử tự do của các điện tử hóa trị trong nguyên tử Germanium dễ dàng hơn các điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon. Do tính chất này Germanium thường không ổn định tại nhiệt độ cao , đây là lý do cơ bản khiến Silicon được dùng rộng rãi hơn . 8.1.6.NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS): Khi các nguyên tử tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự sắp xếp theo mô hình đối xứng. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối kết với nhau bằng nối cộng hóa trị, kết nối này được hình thành do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các nguyên tử. Silicon là loại vật liệu tinh thể (crystalline material). Trong hình H8.7 trình bày cấu trúc của tinh thể Silicon tạo bởi các nguyên tử Silicon. Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận hình thành 4 nối cộng hóa trị. Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng hóa học. Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4 nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal) không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.8.8. Tinh thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng. 8.1.8.TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN: Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử. Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng. Trong hình H8.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử). HÌNH H 8.7 HÌNH H8.8 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 261 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0 o Kelvin. 8.1.8.1.TÍNH DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do. Các điện tử tự do được gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons). Sự kiện này được trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram) và giản đồ nối cộng h óa trị (bonding diagram) trong hình H8.10. Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể. Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole). Với mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H8.10. Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách ngẩu nhiên, xem hình H8.11. 8.1.8.2.DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG : Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem hình H.8.12. , các điện tử tự do trong dãy dẫn sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực dương ( +) của nguồn áp cung cấp. HÌNH H8.9 HÌNH H8.10 HÌNH H8.11 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 262 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Sự chuyển động của các điện tử tự do trong tinh thể bán dẫn hình thành một loại dòng điện qua chất bán dẫn được gọi là dòng điện tạo bởi các điện tử (electron current). Một loại dòng điện khác xuất hiện trong dãy hóa trị khi lỗ trống được sinh ra . Các điện tử còn lại trong dãy hóa trị vẫn còn liên kết với các nguyên tử của chúng và không thể di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể như các điện tử tụ do. Tuy nhiên, điện tử hóa trị có thể di chuyển đến các lổ trống lân cận với sự thay đổi rất ít năng lượng của nó và tạo thành lổ trống khác khi điện tử h óa trị này di chuyển. Như vậy lỗ trống xem như di chuyển một cách thực sự từ vị trí này sang vị trí khác trong tinh thể chất bán dẫn. Sự di chuyển của các lổ trống hình thành dòng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H 8.13. 8.1.9.BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P: Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số lượng rất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị. Silicon thuần khiết (hay germanium) phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích. Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết. Có hai loại vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách kiểm soát tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn thuần khiết. Phương thức này gọi là phụ gia làm tăng các hạt tải : điện tử hay lổ trống. HÌNH H8.12 HÌNH H8.13 Điện tử tự do rời lổ trống trong shell hóa trị Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 1 và tạo lổ trống thứ 2 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 2 và tạo lổ trống thứ 3 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 3 và tạo lổ trống thứ 4 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 4 và tạo lổ trống thứ 5 Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ trống thứ 5 và tạo lổ trống thứ 6 Khi điện tử hóa trị di chuyển từ trái sang phải lắp đầy lổ trống và tạo ra lổ trống khác, thì lổ trống xem như di chuyển ngược lại từ phải sang trái. Mủi tên màu xám chỉ hướng chuyển động thực sự của các lổ trống. Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 263 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.1.9.1.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 5 được thêm vào. Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) và Sb (antimony). Trong hình H8.14 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận. Bốn điện tử hóa trị của Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên từ S i và một điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ do không liên kết với các nguyên tử. Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi là nguyên tử cho (donor atom). Số lượng điện tử tự do được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào. HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lổ trống trong dãy hóa trị. Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫn loại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử. Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải đa (majority carriers) trong bán dẫn loại n. Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng có một số lổ trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt. Các lổ trốn g này không được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5. Lổ trống trong chất bán dẫn n được gọi là hạt tải thiểu (minority carriers). 8.1.9.2.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 được thêm vào. Các nguyên tử có 3 điện tử hóa trị chẳng hạn như : B (boron); In (indium) và Ga (gallium). Trong hình H8.15 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử B với 4 nguyên tử Si lân cận. Ba điện tử hóa trị của B dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ trống. Nguyên tử có hóa trị 3 có thể lấy thêm một điện tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom). Số lượng lỗ trống được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo bởi phương thức trên không đi cùng với điện tử tụ do. HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p. Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi một điện tử, điện tích toàn phần của nguyên tử mang giá trị dương. Lổ trống xem là hạt tải đa trong bán dẫn loại p. Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một số điện tử tự do sinh ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài. Các điện tử tự do này không được tạo do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3. Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu. HÌNH H8.14 HÌNH H8.15 Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 264 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.2.DIODE: 8.2.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CẤU TẠO: Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản. Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một hướng định trước. Trong hình H8.16 trình bày cấu tạo cơ bản của mối nối pn, trong vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) và có vài điện tử tử do (hạt tải thiểu) sinh ra do tác dụng nhiệt. Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do (hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu). Như đã trình bày trong các mục trên, bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3 như boron. Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 5 như antimony. Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. 8.2.2.VÙNG NGHÈO (DEPLETION REGION): Với cấu tạo của mối nối pn trong hình H8.16, các điện tử tự do trong vùng n di chuyển một cách ngẫu nhiên theo mọi hướng. Khi đã tạo thành mối nối pn, các điện tử tự do gần mối nối trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang vùng p, tại dây chúng tái hợp với các lỗ trống gần mối nối, xem hình H.8.17. HÌNH H8.17 HÌNH H8.18 Tiếp giáp pn Vùng nghèo (deplete region) a./ Tại lúc hình thành mối nối pn, các điện tử tự do trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang mối nối và tái hợp với các lỗ trống năm gần mối nối trong vùn g p b./ Với mỗi điện tử tự đo khuếch tán sáng mối nối và tái hợp với lổ trống, điện tích dương để lại trong vùng n và điện tích âm hình thành trong vùng p. Các điện tích này tạo thành điện thế rào cản. Tác động này diển tiến tiếp tục cho đến khi điện thế rào cản ngăn được quá trình khuếch tán HÌNH H8.16 Bán dẫn p Bán dẫn n Tiếp giáp pn Lổ trống Điện tử tự do Điện thế rào cản (Barrier Voltage) Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 265 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Khi hình thành mối nối pn, vùng n mất đi điện tử khi khuếch tán sang mối nối. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích dương gần mối nối. Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p sẽ mất đi các lổ trống do sự tái hợp. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích âm gần mối nối. Hai lớp điện tích dương và âm tạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình H8.17. Danh từ “nghèo” được sử dụng cho vùnbg gần tiếp giá p pn do sự thiết hụt các hạt tải tùy thuộc vào quá trình khuếch tán tại mối nối. Cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành rất nhanh và có độ dầy rất mỏng so với độ dầy của các lớp bán dẫn p và n. Quá trình khuếch tán chấm dứt khi vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản các điện tử đi qua mối nối. 8.2.3.ĐIỆN THẾ RÀO CẢN (BARRIER POTENTIAL): Tại bất kỳ lúc nào có điện tích dương và điện tích âm đặt gần nhau thì có lực tương tác giữa các điện tích theo luật Coulomb. Trong vùng nghèo có nhiều điện tích dương và điện tích âm xếp đối diện nhau tại tiếp giáp pn. Lực tương tác giữa các điện tích trái dấu hình thành điện trường, xem hình H8.18 . Điện trường này có khuynh hướng ngăn cản các điện tử tự do trong vùng n vượt qua tiếp giáp pn và mức năng lượng phải được dùng đến để di chuyển điện tử qua khỏi vùng nghèo. Như vậy cần cấp năng lượng ngoài để điện tử di chuyển ngang qua vùng có điện trường rào cản trong vùng nghèo. Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo là lượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự do qua khỏ điện trường rào cản. Điện thế chênh lệch nà y gọi là điện thế rào cản được tính bằng Volt. Nói một cách khác,cần một lượng điện áp nào đó bằng điện thế rào cản vàcó cực tính tương ứng được đặt ngang qua tiếp giáp pn trước khi các điện tữ tụ do hình thành dòng ngang qua mối nối. Quá trình này được gọi là phân cực. Điện thế rảo cản phụ thuộc vào một số các hệ số bao gồm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng tạp chất và nhiệt độ. Với Silicon điện thế rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V và với Germanium điện thế rào cản có giá trị khoảng 0,3 V tại nhiệt độ môi trường 25 o C. 8.2.4.GIẢN ĐỔ NĂNG LƯỢNG TẠI MỐI NỐI PN VÀ VÙNG NGHÈO 2 Các dãy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu n có các mức năng lượng hơi thấp hơn so với mức năng lượng của các dảy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu p. Điều này là do sự khác biệt tính chất nguyên tử giữa các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 và hóa trị 5 tạo nên. Giản đồ phân bố năng lượng của mối nối pn trình bày trong hình H8.19. HÌNH H8.19 Vùng nghèo Dãy dẫn Dãy dẫn Dãy hoá trị Dãy hoá trị a./ Tại lúc hình thành tiếp giáp pn b./ Tại trạng thái cân bằng Hạt tải đa Hạt tải đa Hạt tải thiểu Hạt tải thiểu Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 266 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 Các điện tử tự do trong chất n choán đầy vùng trên của dãy dẫn tại mức năng lượng đủ để khuếch tán dễ dàng qua mối nối, các điện tử này không cần tích lủy thêm năng lượng. Sau khi khuếch tán qua mối nối, các điện tử này thải ra nhanh chóng năng lượng và rơi vào các lỗ trống trong vùng p trên dãy hóa trị (xem hình H8.19 a). Khi sự khuếch tán diển tiến tiếp tục bắt đầu tạo thành vùng nghèo, mức năng lượng của dãy dẫn trong vật liệu n giảm dần. Sự giảm thấp mức năng lượng trong dãy dẫn trong vật liệu n tùy thuộc năng lượng thải ra của các điện tử tự do khi thực hiện quá trình tái hợp khi chúng khuếch tán sang vật liệu p. Khi không còn các điện tử tự do rời khởi dãy dẫn trong vùng n sang mối nối pn mực trên của dãy dẫn vùng n và mực dưới của dãy dẫn vùng p thẳng hàng với nh au. Tại lúc này mối nối đạt trạng thái cân bằng và vùng nghèo được hình thành. Ngang qua vùng nghèo có một mức chênh lệch năng lượng tác động một đồi năng lượng ( “energy hill”) ngăn cản các điện tử tự do từng vùng n leo sang vùng p. Cần chú ý khi mức năng lượng của dãy dẫn trong vùng n hạ thấp thì mức năng lượng của dãy hóa trị cũng giảm thấp. 8.2.5.PHÂN CỰC DIODE: 8.2.5.1. PHÂN CỰC THUẬN: Phân cực diode là cấp điện áp một chiều (DC) ngang qua hai đầu diode. Phân cực thuận là sự phân cực tạo điều kiện thuận lợi cho dòng đi ngang qua mối nối pn. Điện áp phân cực ngoài được ký hiệu là V BIAS , cần nối tiếp diode với điện trở ngoài để giới hạn dòng có giá trị quá lớn qua diode, có thể làm hỏng mối nối pn. Khi phân cực thuận, cần nhớ: Đầu () của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode . Đầu (+) của nguồn áp V BIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode . Giá trị của điện áp V BIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế rào cản. Hình H8.21 trình bày quá trình hình thành dòng qua diode lúc phân cực thuận. Quá trình này được hình dung như là quá trình đẩy các điện tử tử do là các hạt tải chính từ vùng n qua mối nối pn đến vùng p. Vì nguồn áp phân cực được cấp liên tục, duy trì dòng điện tử qua mạch ngoài sau khi qua vùng p. Như đã trình bày trong các mục trên, sau khi các điện tử đến vùng p thải bớt các năng lượng và rơi vào dãy hóa trị vùng p, trong dãy này hiện các lỗ trống là các hạt tải đa. Lúc này quá trình tái hợp sẽ không diễn ra vì tác dụng của cực (+) nguồn áp V BIAS có khuynh hướng tác động kéo các điện tử đi về phía nguồn. Các lổ trống trong vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way) để các điện tử hóa trị đi ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống này sang lỗ trống kế tiếp để đi đến cực dương cũa nguồn áp phân cực. Chúng ta có thể xem như lổ trống làm thành phương tiện để các điện tử đi ngang qua vùng p. HÌNH H8.20 HÌNH H8.21 [...]... Trong bán kỳ dương, diode D1 và D2 dẫn, diode D3 và D4 ngưng dẫn a c n b b./ Trong bán kỳ âm, diode D1 và D2 ngưng dẫn, diode D3 và D4 dẫn Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: Va  Vc  Vn  Vb suy ra diode D1 và D2 phân cực thuận, hay các diode D1 và D2 dẫn và các diodeD3 và D4 ngưng dẫn Dòng điện từ nút a thứ cấp qua diode D1 đến c qua tải đến n qua diode D2 đến nút... ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN MỖI DIODE LÚC DIODE NGƯNG DẪN: Tại bán kỳ dương của áp thứ cấp , ta có điện thế tại các nút a và b là: Va  Vc  Vn  Vb Lúc các diodeD3 và D4 ngưng dẫn ta có phương trình cân bằng áp như sau:  (8.39)  (8.40) v an  VR D3  VF D1  vL t vCB  VR D4  VF D2  vL t Và: Với mơ hình diode lý tưởng điện áp trên các diode khi phân cực thuận có giá trị là 0V, từ các quan hệ (8.39) và (8... 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) 8.3.2.MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM CỦA DIODE: Mơ hình thực nghiệm của diode chính là mơ 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... cực thuận và D2 phân cực nghịch thế này lần lượt đặt lên các đầu A và K của các diode D1 và D2 Ta rút ra nhận xét sau: a n v a  vn  D1 dẫn b n b./ Trong suốt bán kỳ âm, D1 phân cực nghịch và D2 phân cực thuận HÌNH H8.43 kỳ dương Nói khác hơn điện thế tại các điểm a, n và b có giá trị tương ứng như sau: vb  vn  v a Các điện vn  vb  D2 ngưng dẫn Như vậy dòng điện từ a qua D1 đến tải RL và theo... dương của áp vào xoay chiều, áp ngõ ra có dạng giống như áp xoay chiều cấp vào Dòng đi qua dioode và quay về nguồn Cần chú ý trong mạch tại các vị trí vẽ theo ký hiệu nối đất là các nút chuẩn đẳng thế với nhau, tại các vị trí này có điện thế là 0V Áp nguồn Vin cấp đến ngõ vào mạch chỉnh lưu có dạng sin, khi Vin  0 V (tương ứng bán b./ Trong suốt bán kỳ âm của áp vào xoay chiều, dòng qua diode bằng 0A... tăng hay giảm điện áp cấp vào mạch chỉnh lưu Nguồn áp xoay chiều được cách ly với mạch chỉnh lưu đảm bảo được các sự cố nguy hiểm trên phía thứ cấp biến áp Các thơng số tính tốn cho mạch chỉnh lưu trong trường hợp này thực hiện theo các nội dung trên, tuy nhiên cần chú ý thêm thơng số tỉ số biến áp để phối hợp các giá trị tính tốn Với các mạch chỉnh lưu có cơng suất thấp, trong các trường hợp tính tốn... ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 8.5.2.CHỈNH LƯU TỒN KỲ DÙNG 2 DIODE VÀ MÁY BIẾN ÁP CĨ ĐIỂM GIỮA: Máy biến áp có điểm giữa là máy biến áp 1 pha cách ly, dây quấn sơ và thứ cấp độc lập nhau; dây quấn thứ cấp có 3 đầu ra dây : a,n và b Số vòng dây quấn tứ a đến n bằng số vàng dây quấn từ n đến b Điểm n là trung điểm của đoạn ab, các bộ dây an và nb có cùng chiều quấn Mạch chỉnh lưu tồn kỳ dùng 2 diode phối hợp... điện làm hở mạch Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua khơng xét đến Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh – Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 273 RLIMIT : Điện trở giới hạn dòng trong mạch diode Diode lý tưởng Diode lý tưởng a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode lý... của áp cấp vào sơ cấp biến áp Ngun lý hoạt động của mạch chỉnh lưu tồn kỳ vừa trình bày đã giả thiết các diode là lý tưởng Trường hợp áp dụng mơ hình thực nghiệm của diode; các diode chỉ bắt đầu dẫn   khi các áp tại thứ cấp: v an t hay vbn t có giá trị lớn hơn điện thế rào cản 0,7V; phương pháp tính tốn được thực hiện tương tự như trường hợp chỉnh lưu bán kỳ ÁP NGƯỢC ĐỈNH TÁC DỤNG LÊN DIODE LÚC... vL t  vin t  VF  0,7 V    Khi diode phâncực thuận VF  0 và áp vào tức thời có dạng v t  5.sin 100.t  V  áp   tức thời trên ngõ ra có dạng:    vL t  5 sin 100.t  0,7 V   Các dạng áp tức thời vin t và vL t được trình bày trong hình H8.38 như sau: Áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu Áp vào mạch chỉnh lưu HÌNH H8.38: Áp tức thời ngõ vào và ngõ ra mạch chỉnh lưu khi xét đến ảnh hường . Khoa Điện Điện Tử – Phòng Thí Nghiệm Máy Điện và Thực Tập Điện- 2009 257 KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ – CHƯƠNG 8 CHƯƠNG 08 DIODE VÀCÁCMẠCH ỨNG DỤNG 8.1.TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN:. nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium. Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC – intergrated circuit) . Các nguyên. trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách biệt với các shell