Hoạt động của diode

Hoạt động của diode Nguyễn Quốc Cường – 3i Trước khi hình thành tiếp giáp p‐n • Diode được hình thành khi ghép nối hai phần tử bán dẫn loại n và loại p  với nhau tạo nên 1 tiếp  p‐n Æ diode • Trước khi ghép nối: – Điện tử là majority trong kiểu‐n (ND) và là minority trong kiểu‐p (ni2 / NA) – Lỗ trống là majority trong kiểu‐p (NA) và là minority trong kiểu‐n (ni2/ND) ni : nồng độ điện tử và lỗ trống trong bán dẫn tinh khiết – Không có sự khuếch tán qua lại giữa 2 vật liệu Sau khi hình thành tiếp giáp p‐n • Các hạt mang điện sẽ trao đổi qua vùng tiếp giáp p‐n • Có sự chênh lệch lớn về nồng độ các hạt mang điện tại vùng tiếp  giáp  Phân bố điện tích tại t = 0+ • Ngay sau khi hình thành  tiếp giáp p‐n, phân bố  điện tử và lỗ trống là đều  và có sự không liên tục  tại mặt tiếp giáp p‐n • Tồn tại gradient nồng độ  lớn Æ tạo ra dòng các hạt  mang điện Phân bố điện tích tại t sau đó • Tại thời điểm t sau đó có sự phân bố  lại các điện tích tại vùng tiếp giáp • Các lỗ trống chuyển vào bán dẫn n  tạo ra điện tích dương, các điện tử  chuyển vào bán dẫn p tạo ra điện  tích âm • Gradient nồng độ và dòng khuếch  tán giảm khi có sự phân bố lại các  hạt mang điện tại vùng tiếp giáp • Sự phân bố lại điện tích gây ra một  điện trường có xu hướng chống lại  sự khuếch tán của các hạt mang  điện Phân bố điện tích khi tÆ∞ • Sau một thời gian dài, điện tích được  phân bố lại sao cho tác dụng của  gradient nồng độ và điện trường cân  bằng nhau • Các tác động do khuếch tán và điện  trường vẫn còn xảy ra nhưng là cân  bằng với nhau • Chú ý rằng vùng ở xa tiếp giáp p‐n  là không chịu tác động của sự sai  khác về nồng độ và điện trường • Điện thế chênh lệch của vùng nghèo  được gọi là điện thế tiếp xúc hay điện  áp cân bằng Các vùng của diode • Có 2 vùng phân biệt trong  cấu trúc tiếp giáp pn – Vùng trung tính (neutral  region) hầu như không chịu  ảnh hưởng do sự phân bố lại  điện tích gây ra – Vùng nghèo (depletion  region) là vùng chuyển tiếp  tại đó có sự phân bố lại điện  tích Phân cực thuận • Đặt điện áp có tại p lớn hơn thế tại n  (forward bias). Điện trường ngoài làm  giảm tác động của thế tiếp xúc của vùng  nghèo • Các lỗ trống sẽ phun (injection) từ p sang  n còn các điện tử từ n sang p Æ tạo ra  dòng điện tổng từ p sang n • Lỗ trống phun vào n còn điện tử phun  vào p, do đó đây là kiểu phun các hạt  mang điện thiểu số • Chú ý: sự dịch chuyển của các lỗ trống  thực chất là dịch chuyển của các điện  tử trong vùng hoá trị Phân cực thuận – nồng độ các hạt  • • • • Các lỗ trống phun từ p sang n làm tăng nồng độ các lỗ trống (thiểu số) trong n và giảm  nồng độ các lỗ trống (đa số) trong p. Tuy nhiên việc giảm nồng độ trong p là không đáng  kể trong khi làm tăngđáng kể nồng độ lỗ trống trong n Các lỗ trống vượt qua vùng nghèo vào vùng trung tính (quasi‐neutral region, chú ý trong  vùng quasi‐neutral region tác động của điện trường là rất nhỏ do vậy dòng điện chủ yếu  dòng diffusion) ở đây sẽ diễn ra sự tái hợp các lỗ trống và điện tử (np > ni2) Quá trình phun và tái hợp sẽ diễn ra liên tục nhờ năng lượng của nguồn cung cấp Tương tự các điện tử phun từ n sang p làm tăng nồng độ các điện tử trong p và khi đi vào  vùng trung tính trong p các điện tử tái hợp với các lỗ trống tồn gradient nồng độ Ædòng diffusion Phân cực ngược • Diode được phân cực ngược (reverse  bias) khi đặt điện áp tại phần bán  dẫn n lớn hơn điện áp phần p.  Điện  trường ngoài cùng chiều với chiều  của điện trường tiếp giáp p‐n do vậy  có hai thành phần: – Dòng các lỗ trống phun từ n sang p – Dòng các điện tử phun từ p sang n • Các lỗ trống phun vào p còn các điện  tử phun vào n vì vậy ở đây là kiểu  phun các hạt mang điện đa số 10 Các đặc tính của diode lý tưởng • Dòng điện qua tiếp giáp p‐n bằng tổng dòng các lỗ trống  dòng các điện tử, được tính bởi công thức ⎡ ⎛ V ⎡ ⎛ qV ⎞ ⎤ I D = I s ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥ = I s ⎢exp⎜⎜ ⎣ ⎝ nkT ⎠ ⎦ ⎣ ⎝ nVT ⎞ ⎤ ⎟⎟ − 1⎥ ⎠ ⎦ – – – – Is : dòng điện bão hoà ngược q : giá trị điện tích của điện tử (1.6 x 10‐19C) V : điện áp đặt giữa phần p và phần n n : hệ số phát (emission coefficient) , có giá trị trong khoảng 1 và 2,  phụ thuộc vào công nghệ chế tạo. ( Hệ số này sẽ được nhà sản xuất  đưa ra) – k : hằng số Boltzmann (8.62 x 10‐5 eV / K) – T : nhiệt độ của diode tính theo độ Kelvin – VT = kT / e , được gọi thế nhiệt ở 21°C = 294 K thì VT ≈ 25mV 12 Các đặc tính của diode lý tưởng • Nếu V >> VT : điện  áp phân cực thuận  lớn thì: ⎛ V I D ≈ I s exp⎜⎜ ⎝ nVT I ⎞ ⎟⎟ ⎠ • Nếu V > VT ID ≈ -IS V IS 0.6V 13 Phụ thuộc nhiệt độ • Dòng điện qua tiếp giáp p‐n phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ: – Dòng Is phụ thuộc nhiệt độ – ID phụ thuộc Is VT thay đổi theo nhiệt độ • Hình vẽ chỉ ra đặc tính quan hệ I‐V phụ thuộc nhiệt độ: – Khi nhiệt độ tăng nếu giữ cho điện áp trên diode cố định thì dòng điện  qua diode tăng – Khi giữ cho dòng điện qua diode cố định thì khi nhiệt độ tăng điện áp  rơi trên diode sẽ giảm 100o 70o 27o I(mA) V(V) 0.4V 0.5V 0.6V Sự thay đổi theo nhiệt độ của đặc tính của diodde 14 Các tụ điện của diode • Khi phân cực cho diode (ngược và thuận) thì có một lượng điện tích  được cất giữ trong diode Æ diode cũng có tác dụng như tụ điện. Có hai kiểu tụ điện: – CD tụ điện khuếch tán (diffusion capacitance) – CT tụ điện tiếp giáp (junction capacitance hay transition capacitance) • Các giá trị tụ điện phụ thuộc vào điện áp phân cực – Phân cực thuận thì CD >> CT, CD cỡ nF – Phân cực ngược CT >> CD, CT cỡ pF • CD ảnh hưởng đến hoạt động của diode khi làm việc ở chế độ  đóng/cắt – Khi diode đang cắt (dòng ID ≈ 0) diode dẫn hoàn toàn cần có thời gian để nạp tụ CD – Khi diode dẫn dòng (ID >0) muốn diode cắt cần thời gian để điện tích CD phóng hết • CT thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngược, do đó thường được sử dụng trong các ứng dụng vô tuyến làm các tụ có điều khiển  (varactor) 15 Mô hình khoá lý tưởng • Mô hình này được sử dụng trong các tính toán đơn giản không cần  độ chính xác cao: – Khi điện áp V  Von R >> RF – EM RF không quá lớn so với  Von RF 25 EM>>Von R >> RF • Khi đó sử dụng diode với mô hình lý tưởng e(t) 26 [...]... nếu giữ cho điện áp trên diode cố định thì dòng điện  qua diode tăng – Khi giữ cho dòng điện qua diode cố định thì khi nhiệt độ tăng điện áp  rơi trên diode sẽ giảm 100o 70o 27o I(mA) V(V) 0.4V 0.5V 0.6V Sự thay đổi theo nhiệt độ của đặc tính của diodde 14 Các tụ điện của diode • Khi phân cực cho diode (ngược và thuận) thì có một lượng điện tích  được cất giữ trong diode Æ diode cũng có tác dụng như tụ điện. Có... 19 Zener diode • Zener diode:  là diode được dùng trong  các mạch ổn áp sử dụng đặc tính ngược  của diode • Điện áp đánh thủng: – Khi đặt điện áp ngược nên trên diode sẽ tạo ra dòng điện ngược rất nhỏ qua  diode – Nếu tiếp tục tăng điện áp ngược đến một  giá trị thì dòng qua diode sẽ tăng rất  nhanhÆ điện áp đánh thủng  (breakdown voltage).  – Dòng điện này sẽ làm nóng và hỏng tiếp  giáp p‐n • Diode zener được chế... chính xác cao hơn, người ta có thể sử dụng mô hình diode có điện trở: – Khi V  Vcut‐in thì diode được mô hình bởi nguồn áp với điện trở thuận  của diode – Vcut‐in là điện áp mà tại đó dòng điện bằng 1/100 dòng điện tại Von – RF là điện trở thuận của diode khi xấp xỉ đường cong hàm e mũ bằng ... thuộc vào điện áp phân cực – Phân cực thuận thì CD >> CT, CD cỡ nF – Phân cực ngược CT >> CD, CT cỡ pF • CD ảnh hưởng đến hoạt động của diode khi làm việc ở chế độ  đóng/cắt – Khi diode đang cắt (dòng ID ≈ 0) để cho diode dẫn hoàn toàn cần có thời gian để nạp tụ CD – Khi diode đang dẫn dòng (ID >0) muốn diode cắt thì cần một thời gian để các điện tích trong CD phóng hết • CT thay đổi phụ thuộc vào điện áp ngược, do đó thường được sử... 0 nên thời gian để cho diode chuyển từ trạng thái dẫn sang trạng thái cắt là nhanh hơn diode p‐n (cỡ 50ns) • Diode schottky thường được sử dụng trong các mạch điện tử số với điện áp thấp anode cathode metal Anode Cathode n+ n Schottky diode 21 Diode phát sáng • LED (Light‐Emitting Diode) : là một diode tiếp giáp pn  được chế tạo đặc biệt để khi có đủ điện áp phân cực  thuận thì diode có thể phát ra các ánh sáng... tạo đặc biệt khi  đặt điện áp ngược lên diode đến một  điện áp Vz thì dòng điện qua diode cũng  tăng nhưng nếu giữ cho dòng điện  trong một khoảng nhất định thì lớp tiếp  giáp không bị hỏng I VZ V Von Anode Cathode 20 Schottky diode • Schottky diode được hình thành do sự tiếp xúc giữa kim loại và chất bán dẫn kiểu n. Do vậy schottky diode có một số ưu điểm  hơn diode tiếp giáp p‐n ở chỗ: – Điện áp phân cực thuận  nhỏ hơn (cỡ 0.3 đến 0.5V)... Khi điện áp V