Bài giảng mạch điện tử chương 1 diode bán dẫn

11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM MẠCH ĐIỆN TỬ Chương Diode bán dẫn 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Nội dung • Diode bán dẫn thông thường • Chỉnh lưu • Mạch xén (clippers) mạch ghim điện áp (Clampers) • Diode zener 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Ký hiệu • Giá trị điểm tĩnh Q (quiescent-point): IEQ, VCEQ • Giá trị chiều: IE, VCE • Giá trị tức thời: iE, vCE • Giá trị tức thời thành phần thay đổi theo thời gian: ie, vce 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Giới thiệu • Diode linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản • Các loại diode: • Diode chân không, • Diode khí, • Diode chỉnh lưu kim loại, • Diode bán dẫn, vv… • Các vật liệu bán dẫn thường dùng: • Silicon (Si) • Phổ biến • Germanium (Ge) • Gallium Arsenide (GaAs) • Mạch siêu cao tần, phát quang ứng dụng tần số cao 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Cấu trúc nguyên tử 11/2/2012 Cấu trúc tinh thể Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Các mức lượng 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Sự dẫn điện chất bán dẫn • Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có thay đổi mật độ electron (hole) • Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Phân loại bán dẫn • “Doping” • Là trình đưa vào chất bán dẫn chất khác cần thiết • Bán dẫn loại p • Chất đưa vào: chất nhận (acceptor material) Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể sơ đồ mức lượng (xem trang sau) • Phần tử mạng điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material • Bán dẫn loại n • Chất đưa vào: chất cho (donor material) Ví dụ: Phosphorus (V) • Cấu trúc tinh thể sơ đồ mức lượng (xem trang sau) • Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Bán dẫn loại p • Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material) Ví dụ: Boron (III) • Cấu trúc tinh thể sơ đồ mức lượng • Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material 10 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 31 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp bán kỳ: C1 D2 D1 C2 • Bán kỳ âm vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Bán kỳ dương vS: Điện áp chồng chập C1 vS nạp điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 32 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp hai bán kỳ: D1 D2 RL vS + C2 + C1 • Bán kỳ dương vS: • C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS VSmax C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D1 • Bán kỳ âm vS: • C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS VSmax C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D2 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 33 Mạch xén • Dùng để loại bỏ tín hiệu nằm (hay trên) mức chuẩn (reference level) • Xén trên: R vo vi VB • Xén dưới: • Xén biên: Mạch xén • Xén biên: • Giả sử D1, D2 tắt =>Vo=Vi • uD1-Vγ - Vo Vi > -Vγ • uD2Vo – Vγ Vi < Vγ • Vậy –Vγ < Vi < Vγ Vo=Vi • Giả sử D1 dẫn, D2 tắt =>Vo=-Vγ • iD1>0 =>-(Vi+Vγ )/R>0 =>Vi < -Vγ • uD2Vo – Vγ < =>-2Vγ < • Vậy Vi < -Vγ Vo=-Vγ • Giả sử D1 tắt, D2 dẫn =>Vo=Vγ • uD1-Vγ - Vo -2Vγ0 =>(Vi – Vγ)/R >0 =>Vi > Vγ • Vậy Vi > Vγ Vo=Vγ 11/2/2012 Mạch ghim đỉnh Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 35 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11/2/2012 Mạch ghim điện áp • Thực việc di chuyển tín hiệu (shifting operation) theo trục Y với độ dịch chuyển phụ thuộc vào dạng sóng ngõ vào cho tín hiệu ngõ ghim (clamped) giá trị cố định • Ví dụ: Giả sử Diode lý tưởng, RC >> T Vm > VB C VC = Vm -VB R vi vo VB 36 MẠCH LOGIC SỐ • Cổng OR • Giả sử D1, D2, D3 Diode lý tưởng:  Khi V1 (hoặc V2, V3) >0  D1 dẫn (hoặc D2, D3 dẫn)  Vout>0 – Ta có mức HIGH  Khi V1 V2 V3 [...]... Tp.HCM 30 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 31 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp một bán kỳ: C1 1 D2 5 D1 4 C2 8 • Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 32 Mạch nhân đôi điện áp • Mạch nhân đôi điện áp hai bán kỳ: D1 1 D2 5 RL... tích mạch • Đối với mạch tín hiệu bé  Xem diode như một điện trở động 22 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 23 Phân tích mạch diode Ri Ví dụ: Xét mạch dùng diode (Vγ=0.7V): Tìm ngõ ra VL với ngõ vào Vi • Giả sử diode tắt: VL< Vγ Vi 4 RL 1 VL  Vi  Vi RL  Ri 2 1. 4 0 VL  0.7  Vi  1. 4V -4 • Khi Vi 1. 4V: Diode dẫn VL  0.7V + 1K 0.7 0 -2 D RL 1K VL _ Vi t VL t 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử. .. Schottkky diode: • tụ điện bán dẫn thay đổi được • dùng trong các mạch cộng hưởng • LED (light-emitting diode) : tạo ánh sáng • Tunnel diode: bộ tạo dao động điện trở âm • Photo diode: cảm biến ánh sáng 12 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Diode bán dẫn thông thường • Cấu trúc và ký hiệu • Lớp tiếp xúc pn (pn junction) 13 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Phân cực của diode 14 Khoa Điện. . .11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Bán dẫn loại n • Chất đưa vào: Chất cho (donor material) Ví dụ: Phosphorus (V) • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng • Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material 11 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Diode bán dẫn • Diode bán dẫn thông thường: • mạch chỉnh lưu và tách sóng • Zenner diode: • tạo điện áp chuẩn... dụ: I 01= 10 -16 A, I02 =10 -14 A Tính ID1, ID2, VD1, VD2? 20 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 Diode • Điện trở tĩnh của diode: RD = VD/ID • Điện trở động vD nVT I (e ) diD  0 dvD nVT • Ảnh hưởng nhiệt độ • Mạch tương đương  nVT nVT n.25mV rD    I 0  iD iD iD 21 11/ 2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Phương pháp phân tích mạch diode • Đối với mạch tín hiệu lớn  Xem như diode lý tưởng... = 1, 6E -19 C • k = 1, 38E-23 J/ 0K: Hằng số Boltzmann • T [0K]: Nhiệt độ tuyệt đối • m: 1 m  2: Hằng số thực nghiệm • VT=kT/q 25 mV, tại nhiệt độ phòng (27 0C) 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Diode thực tế và xấp xỉ • V: điện áp ngưỡng • Rf: điện trở thuận của diode =điện trở động rd +điện trở tiếp xúc 19 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Đặc tuyến Volt Ampere (VA) Ví dụ: I 01= 10 -16 ... của diode 14 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 Quan hệ giữa dòng điện & điện áp • Diode lý tưởng _ + iD ri + vi vD _ • vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit) • vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open circuit) 15 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Quan hệ giữa dòng điện & điện áp Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ, tìm dòng qua diode a Giả sử diode ON => VD=0 với ID>0... với giả thiết) b Giả sử diode OFF => ID=0 với VDVD= -10 V ID=0 (đúng với giả thiết) 16 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Quan hệ giữa dòng điện & điện áp Ví dụ: Cho Diode lý tưởng, tìm V? 17 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 18 Đặc tuyến Volt Ampere (VA) • Phân cực thuận (vD>0): vD  mVT i D  I o (e qvD mkT  1)  I o (e vD mVT iD  I o e  1) vD mVT • Phân cực... Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 27 Chỉnh lưu toàn sóng Ri D1 6 vi 9 4 Ri 8 1 D2 RL + vL _ D1 D4 vi 4 - + 2 D3 3 1 1 _ 1 5 D2 Hoạt động và điện áp ra trên tải vL (chỉnh lưu toàn sóng) RL vL + Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 11 /2/2 012 Mạch lọc D1 5 + 1 vi C 6 RL 4 vo _ D2 8 • Hoạt động: • Tụ C được nạp nhanh đến giá trị Vmax của điện áp v0(t) • Khi v0(t) giảm, tụ C phóng điện qua RL với... 1 D2 5 RL vS 4 8 + C2 + C1 • Bán kỳ dương của vS: • C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D1 • Bán kỳ âm của vS: • C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax • Tổng điện áp vS và VSmax trên C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL thông qua D2 11 /2/2 012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM 33 Mạch xén • Dùng để loại bỏ ...11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Nội dung • Diode bán dẫn thông thường • Chỉnh lưu • Mạch xén (clippers) mạch ghim điện áp (Clampers) • Diode zener 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM... Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material 11 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Diode bán dẫn • Diode bán dẫn thông thường: • mạch chỉnh lưu tách sóng • Zenner diode: ... Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Diode bán dẫn thông thường • Cấu trúc ký hiệu • Lớp tiếp xúc pn (pn junction) 13 11/2/2012 Khoa Điện – Điện tử - ĐHBK Tp.HCM Phân cực diode 14 Khoa Điện – Điện tử