Bài giảng Điện tử cơ bản Chương 2 Diode Bán Dẫn Và Các Mạch Điện ứng Dụng Của Diode

Trong chương 2 sẽ trình bày về các tính chất dẫn điện của lớp tiếp xúc P-N khi được phân cực thuận và phân cực ngược.. 2.1.3 Chất bán dẫn loại N: Negative: âm Nếu pha vào chất bán dẫn S

CHƯƠNG 2 DIODE BÁN DẪN GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương 2 trình bày về các tính chất vật lý điện của lớp tiếp xúc P-N Lớp tiếp

xúc P-N là bộ phận chính của các cấu kiện bán dẫn Lớp tiếp xúc P-N bao gồm các ion

âm và dương cố định, chúng khơng dẫn điện nên lớp tiếp xúc P-N cịn được gọi là lớp

điện tích khơng gian hay lớp nghèo hạt dẫn Trong chương 2 sẽ trình bày về các tính

chất dẫn điện của lớp tiếp xúc P-N khi được phân cực thuận và phân cực ngược Cũng trong chương này chúng ta sẽ được giới thiệu về một cấu kiện bán dẫn chỉ cĩ một lớp tiếp xúc P-N đĩ là điốt bán dẫn Điốt bán dẫn cĩ nguyên lý dẫn điện một chiều

và ta cũng nghiên cứu về đặc tuyến vơn-ampe của nĩ, các tham số tĩnh của điốt và chế

độ động của nĩ Ngồi ra chương 2 cịn giới thiệu một số loại điơt thơng dụng

2.1 Chất Bán Dẫn:

Trong nghành vật liệu điện người ta chia ra làm bốn nhóm vật liệu: vật dẫn điện, vật cách điện, vật bán dẫn điện và vật dẫn từ Ở đây chúng ta sẽ khảo sát nhóm vật liệu thứ ba là vật liệu bán dẫn điện

Trong tự nhiên có rất nhiều các chất bán dẫn điện, nghành kỹ thuật điện tử chỉ sử dụng hai chất bán dẫn cơ bản là Silic (Si) và Gecmani (Ge)

2.1.1 Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẩn:

Hình 2.1: Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn

Xét cấu tạo nguyên tử của chất bán dẩn Silicium ( Si ) và chất Gecmanium (Ge) Chất Si có 14 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên ba lớp Chất Ge có 32 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên 4 lớp

Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là 4 electron ( hóa trị 4)

Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử, người ta chỉ xét lớp ngoài cùng

Hình 2.2: Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn tinh khiết Silic

Trong khối bán dẫn tinh khiết các nguyên tử gần nhau sẽ liên nhau theo kiểu cộng hóa trị Bốn electron của mỗi nguyên tử sẽ nối với bốn electron của nguyên tử xung quanh tạo thành bốn mối nối làm cho các electron được liên kết chặt chẽ với nhau Sự liên kết này làm cho các electron khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do Như vậy chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn

2.1.2 Đặc tính của chất bán dẫn:

a Điện trở suất:

Hai chất bán dẫn thông dụng là chất Silicium ( Si ) và chất Gecmanium ( Ge ) có điện trở suất là:

Si = 1014mm2/m

Ge = 8,9.1012mm2/m Trị số điện trở suất này rất lớn so với chất dẩn điện như đồng (  = 0,017

mm2/m ) nhưng lại rất nhỏ so với chất cách điện như thuỷ tinh (Si=1018mm2/m )

b Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Điện trở của chất bán dẩn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở của chất bán dẩn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức điện trở chất bán d64n giảm càng lớn

Nhờ vào tính chất này, ngời ta sẽ chế tạo các điện trở có trị số thay đổi theo nhiệt độ gọi là điện trở nhiệt ( Thermistor )

c Ảnh hưởng của ánh sáng:

Điện trở của chất bán dẩn khi đặt trong vỏ kín không có ánh sáng chiếu vào có trị số rất lớn Khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn thì điện trở giảm xuống, độ chiếu sáng càng mạnh thì mức điện trở giảm càng lớn

Nhờ vào tính chất này, người ta chế tạo ra các điện trở có trị số thay đổi theo ánh sáng gọi là điện trở quang ( photo – resistor )

d Ảnh hưởng của độ tinh khiết:

Một khối bán dẩn tinh khiết có điện trở rất lớn nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ

càng cao thì điện trở càng giảm nhỏ Nhờ vào tính chất này người ta chế tạo ra các linh kiện bán dẩn như điốt, transistor

2.1.3 Chất bán dẫn loại N: ( Negative: âm)

Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất lớn các chất có cấu tạo nguyên tử với 5 electron ở lớp ngoài cùng ( hóa trị 5) như chất Acsenic hay Photpho Các nguyên tử của chất Photpho có 5 electron thì bốn electron sẽ liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau, còn lại một electron thừa ra không liên kết với các electron của chất bán dẫn sẽ trở thành electron tự do

Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử Photpho ta sẽ có được một electron tự do, pha thêm càng nhiều nguyên tử Photpho thì sẽ có càng nhiều electron tự do Chất bán dẫn có electron tự do được gọi là chất bán dẫn loại N ( loại âm)

2.1.4 Chất bán dẫn loại p: ( Positive: dương )

Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất ít các chất có cấu tạo nguyên tử với ba electron ở lớp ngoài cùng ( hóa trị 3 ) như chất Indium hay Bo Các nguyên tử của chất Indium có ba electron nên khi liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau sẽ có một mối nối thiếu một electron, chổ thiếu electron này gọi là lỗ trống Lỗ trống của mối nối thiếu electron sẽ dễ dàng nhận một electron tự do

Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử chất Indium sẽ có một lỗ trống, pha thêm càng nhiều nguyên tử chất Indium thì càng có nhiều lỗ trống Chất bán dẫn có lỗ trống gọi là chất bán dẫn loại p ( loại dương )

Chất bán dẫn loại N còn gọi là chất bán dẫn loại âm, chất bán dẫn loại P còn gọi là chất bán dẫn loại dương Tuy nhiên, nói như thế không có nghĩa là chất bàn dẫn N hay P mang điện tích âm hay dương mà cả hai loại này đều ở trạng thái bình thường trung hòa về điện Gọi là chất bán dẫn âm hay dương là ý nói khả năng cho ra electron của N hay là khả năng nhận electron của P

Hình 2.3: Sự hình thành chất bán dẫn loại N và chất bán dẫn loại P

2.2 Diode Bán Dẫn:

2.2.1 Cấu tạo và ký hiệu diode bán dẫn:

Khi đặt hai tinh thể bán dẫn (Si hay Ge) được pha tạp chất để trở thành vùng bán dẫn loại N (pha photpho) và vùng bán dẫn loại P (pha Indium) thì giữa hai tinh thể bán dẩn hình thành mối nối P – N Ở mối nối P-N có sự nhạy cảm đối với tác động của điện quang, nhiệt

Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, trong vùng bán dẫn loại N có nhiều electron thừa Khi hai vùng này tiếp xúc nhau thì có một số electron vùng N qua mối nối và tái hợp với lỗ trống của vùng P

Khi chất bán dẫn đang trung hòa về điện mà vùng bán dẫn loại N bị mất electron (qua mối nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành có điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron (từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích âm ( ion âm ) Hiện tượng này tiếp diển tới khi vùng điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electron từ vùng

N sang nữa

Sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện áp Điốt bán dẩn có cấu tạo và ký hiệu như hình vẽ

Hình 2.4: Cấu tạo và ký hiệu của diode 2.2.2 Nguyên lý vận chuyển của điốt:

a Phân cực ngược điốt:

Hình 2.5: Phân cực ngược cho diode

Dùng một nguồn điện nối cực âm của nguồn vào chân A của điốt và cực dương của nguồn vào chân K của điốt Lúc đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lỗ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống càng khó khăn

Tuy nhiên trong trường hợp này vẫn có một dòng điện rất nhỏ đi qua điốt từ vùng N đi sang vùng P gọi là dòng điện rỉ có trị số khoảng vài nA Hiện tượng này được giải thích là do trong chất P cũng có một số ít electron và trong chất N cũng có một số ít lỗ trống gọi là hạt tải thiểu số Những hạt tải thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo thành dòng điện rỉ

Dòng điện rỉ còn gọi là dòng bảo hòa nghịch IS (Saturate: bảo hòa) Do dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp người ta coi như điốt không dẩn điện khi được phân cực nghịch

b Phân cực thuận điốt:

Dùng một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân P và cực âm của nguồn vào chân N của điốt

Hình 2.5: Phân cực thuận cho diode

Lúc đó cực dương của nguồn sẽ đẩy lỗ trống trong vùng P và cực âm của nguồn sẽ đẩy electron trong vùng N làm cho electron và lỗ trống lại gần mối nối hơn và khi lực đẩy tỉnh điện đủ lớn thì electron từ N sẽ sang mối nối qua P và tái hợp với lỗ trống

Khi vùng N mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo tích âm từ cực âm của nguồn lên thế chỗ, khi vùng P nhận electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện tích âm từ vùng P về Như vậy, đã có một dòng electron chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua điốt từ N sang P về cực dương của nguồn Nói cách khác có dòng điện đi qua điốt theo chiều từ P sang N

2.2.3 Đặc tính kỹ thuật của diode:

Trên mạch điện như hình vẽ, ta tiến hành đo dòng điện ID qua điốt và đo điện áp

VD trên hai chân P và N của điốt

Hình 2.6: Đặc tính kỹ thuật của diode

Đầu tiên khi phân cực thuận điốt rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên và khi trên điốt đạt trị số điện áp là VD = V thì mới bắt đầu có dòng điện qua điốt Điện áp V được gọi là điện áp thềm hay điện áp ngưỡng và có trị số tùy thuộc chất bán dẫn

Thực ngiệm cho biết:

V = 0,5V  0,6V : VDmax = 0,8V  0,9V (chất Si)

V = 0,15V  0,2V : VDmax = 0,4V  0,5V (chất Ge) Một số tài liệu kỹ thuật ghi là: V = 0,6V (Si) và V = 0,2V (Ge) nhưng thực tế thì khi VDnhỏ hơn 0.5V ( Si ) hay 0,15V (Ge) là đã có dòng điện qua đốt

Khi phân cực ngược điốt rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên theo trị số âm, lúc này chỉ có dòng điện rỉ IS có trị số rất nhỏ đi qua điốt Nếu tăng cao mức điện áp nghịch đến một trị số khá cao, lúc này dòng điện qua điốt tăng lên rất lớn sẽ làm hư điốt Khi đó nhiều electron ở vùng chung quanh mối nối bị bức ra, đập vào các electron lân cận tạo hiện tượng thác đổ làm tăng mạnh dòng điện qua điốt

Điện áp ngược đủ để tạo dòng điện ngược qua điốt phải lớn hơn trị số VRmax (Reverse: ngược) Lúc đó điốt sẽ bị đánh thủng nên VRmaxcòn gọi là điện áp đánh thủng của điốt Khi sử dụng điốt phải đặc biệt chú ý đến trị số này

Ngoài ra điốt còn một thông số kỹ thuật quan trọng khác đó là: IFmax(Forward: Thuận) là dòng điện thuận cực đại Khi dẫn điện, điốt bị đốt nóng bởi công thức P=ID.VD Nếu dòng ID lớn hơn trị số IFmax thì điốt sẽ bị hư do quá nhiệt

Như vậy, một điốt có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là:

- Chất bán dẫn chế tạo để có V và VD max

- Dòng điện thuận cực đại IF max

- Dòng điện bảo hòa nghịch IS

- Điện áp nghịch cực đại VR max

Ví dụ: Ta có bảng tra các điốt nắn điện thông dụng như sau

2.2.4 Điện trở của diode:

Trong các sách tra cứu đặc tính kỹ thuật của điốt, người ta không cho trị số điện trở của điốt vì trị số này thay đổi theo điện áp phân cực Người ta phân biệt hai loại điện trở của điốt là điện trở một chiều và điện trở động ( điện trở đối với dòng điện xoay chiều)

a Điện trở một chiều:

Điện trở một chiều ở một điểm phân cực của điốtlà tỉ số của VIDD Ta có:

R D = V I D

D

Theo đặc tuyến Vôn_Ampe của điốt thì ở trạng thái thuận những điểm phân cực càng cao thì điện trở càng nhỏ vì điện áp VD thay đổi rất ít nhưng dòng điện thay đổi rất lớn

b Điện trở động:

Khi có sự biến thiên điện áp và dòng điện chung quanh điểm phân cực thì ta có thể tính điện trở động theo công thức:

R D = V I D

D

Trong thực tế điện trở động được tính theo công thức:

R D  26mV

I D (mA)

2.2.5 Hình dạng thực tế và cách kiểm tra diode:

a Hình dáng:

- Ký hiệu và hình dáng điốt đơn:

Hình 2.7: Ký hiệu và hình dáng thực tế của diode đơn

- Ký hiệu và hình dáng điốt đôi:

Hình 2.8: Ký hiệu và hình dáng thực tế của diode đôi

b Cách thử điốt:

Có thể dùng ôm kế để xác định điốt còn tốt hay đã hư Đặt máy đo và điốt như hai hình trên Do trong Ôm kế có nguồn DC là pin 1,5V hay 3V nên nguồn DC sẽ phân cực thuận hay phân cực nghịch điốt

Lưu ý: Cực dương và âm của pin nối ra ngoài ngược với đầu dây đo của máy đo (như hình vẽ)

Kết quả thử điốt theo bảng trên nếu dùng Ôm kế thang đo R x 100

Một điốt có điện trở thuận và điện trở nghịch càng cách xa nhau càng tốt Một điốt khi đo có điện trở thuận và điện trở nghịch đều bằng 0 là điốt bị nối tắt, ngược lại nếu hai trị số đều bằng vô cực là điốt bị đứt

2.2.6 Phân Loại Diode:

Loại điốt thông dụng nhất là điốt nắn điện, hay còn gọi là điốt chỉnh lưu, được dùng trong các mạch chỉnh lưu Ngoài ra còn có các loại điốt khác sau đây:

a Điốt Zener:

- Cấu tạo:

Điốt Zener có cấu tạo giống như điốt thường nhưng các chất bán dẫn được pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn điốt thường Điốt Zener thường là loại Silic

Hình 2.9: Ký hiệu của diode Zener

- Nguyên lý hoạt động của Zener:

Trạng thái phân cực thuận: Điốt Zener có đặc tính giống như điốt nắn điện thông thường

Trạng thái phân cực ngược: Do có tỉ lệ tạp chất cao nên điện áp nghịch Vrmax có trị số thấp hơn so với điốt nắn điện và nó được gọi là điện áp Zener Vz

Khi phân cực ngược đến trị số Vz thì dòng điện tăng mà điện áp không tăng

b Điốt quang ( Photo điốt ):

- Cấu tạo:

Điốt quang có cấu tạo giống như điốt thường nhưng võ bọc cách điện có một phần là kính hay thuỷ tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối

P – N

- Ký hiệu và đặc tuyến của điốt quang:

Hình 2.10: Ký hiệu và đặc tuyến của diode quang

- Đặc tính:

Mối nối P – N sẽ phân cực nghịch khi có ánh sáng chiếu vào, mạch tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó

Trị số điện trở của photođiốt trong trường hợp bị chiếu sáng và bị che tối:

+ Khi bị che tối : Rnghịch = vô cực ôm, Rthuận = rất lớn

+ Khi chiếu sáng: Rnghịch = 10K – 100k, R thuận = vài trăm ôm

Điốt quang được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động điều khiển theo ánh sáng, báo động cháy …

c Điốt phát quang: Led ( Light Emitting Điốt )

Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như GaAs khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang ( phát ra ánh sáng )

Tuỳ theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra sẽ có các màu khác nhau Dựa vào tính chất này mà người ta sẽ chế tạo ra các led có màu sắc khác nhau

Led có điện áp phân cực thuận cao hơn điốt nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao

- Phân cực thuận: VD= 1,4V  1,8V ( Led đỏ)

VD= 2V  2,5V ( Led vàng)

VD= 2V  2,8V ( Led xanh lá)

ID = 5mA  20mA ( thường chọn 10mA) Led thường được dùng trong các mạch báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch như: báo nguồn, trạng thái thuận hay nghịch …

d Điốt biến dung:

Điốt biến dung là loại điốt có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực

Hình 2.11: Ký hiệu và cấu tạo của diode biến dung

Trên hình vẽ nói về cấu tạo và ký hiệu của điốt biến dung, ở tại mối nối P–N có hàng rào điện áp làm cho electron ở vùng N không sang được vùng P Khoảng này coi như một lớp cách điện có tác dụng như điện môi trong tụ điện và hình thành tụ điện ký sinh ký hiệu là CD Trong đó d là bề dày điện môi sẽ thay đổi theo điện áp Vd Điện dung CD có trị số được tính theo công thức:

Khi điốt được phân cực thuận thì lỗ trống và electron ở hai lớp bán dẫn bị đẩy lại gần nhau và làm thu hẹp bề dày cách điện d nên điện dung Cd được tăng lên Khi điốt được phân cực nghịch thì lỗ trống và electron bị kéo xa ra và làm tăng bề dày cách điện d nên điện dung Cd bị giảm xuống

Điốt biến dung được sử dụng như một tụ điện biến đổi ( bằng cách thay đổi điện áp phân cực để thay đổi tần số của mạch cộng hưởng)

2.2.7 Các Mạch Điện Ứng Dụng Của Diode:

a Mạch chỉnh lưu bán kỳ một pha:

- Sơ đồ mạch chỉnh lưu bán kỳ một pha:

0V AC

12V AC

a

b

+ _

Tải 220V AC

A D1 K

V Tải

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu bán kỳ một pha

- Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch:

+ Ở bán kỳ dương, điểm a cĩ điện áp 12V, điểm b cĩ điện áp 0V, diode D1 dẫn

điện, dịng điện chạy từ điểm a qua diode D1 qua tải về điểm b, điện áp trên tải chính

bằng điện áp nguồn

+ Ở bán kỳ âm, điểm a cĩ điện áp 0V, điểm b cĩ điện áp 12V, diode D1 ngưng dẫn

điện, khơng cĩ dịng chạy qua tải, điện áp trên tải bằng 0V

- Vẽ dạng sĩng điện áp trên tải trong trường hợp cĩ tụ lọc C và khơng cĩ tụ lọc C ?

Hình 2.13: Dạng sóng của mạch chỉnh lưu bán kỳ một pha

- Biểu thức tính điện áp một chiều trên tải Vt(dc),và dịng điện một chiều qua tải

It(dc) trong trường hợp khơng cĩ tụ lọc C

Vt(dc) = 0,318.[V2(p) – 0,7V]

It(dc) = Vt(dc)/Rt

b Mạch chỉnh lưu hình tia một pha:

- Sơ đồ mạch chỉnh lưu hình tia một pha: