Linh kiện điện tử chương 3 điốt bán dẫn

• Tiếp giáp p-n và điốt bán dẫn• Các tham số của điốt bán dẫn • Sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn • Phân loại và một số ứng dụng của điốt... Tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng• Điện tr

• Tiếp giáp p-n và điốt bán dẫn

• Các tham số của điốt bán dẫn

• Sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫn

• Phân loại và một số ứng dụng của điốt

• Do sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống giữa hai vùng bán dẫn nên các electron ở gần tiếp giáp p-n

khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang N Kết quả là ở tiếp giáp p-n chỉ còn các ion tạp chất: ion dương ở phía tạp chất n, ion âm ở phía tạp chất p Vùng giữa các ion này rất nghèo hạt dẫn điện (electron, lỗ trống), nên được gọi là vùng nghèo

(depletion region) hay vùng điện tích không gian

• Các ion này tạo thành một điện trường hướng từ n sang

p gọi là điện trường tiếp xúc Điện thế tạo bởi điện trường này gọi là hàng rào thế năng (barrier potential)

pn junction: tiếp giáp p-n

depletion region: Vùng nghèo

barrier potential: Hàng rào thế năng

Tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằng

• Điện trường tiếp xúc ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số (electron ở bán dẫn loại n; lỗ trống ở bán dẫn loại p) →giảm dòng khuếch tán , và tăng cường chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số →tăng dòng trôi Khi dòng điện sinh

ra bởi các hạt dẫn này bằng nhau (nhưng ngược chiều), thì tiếp giáp ở trạng thái cân bằng động.

• Ở trạng thái cân bằng động, tiếp giáp p-n có bề dày xác định (10-6m), điện trường tiếp xúc và hàng rào thế năng cũng có các giá trị xác định.

Mô hình vùng năng lượng của tiếp

giáp p-n ở trạng thái cân bằng

N

N V

x N

q Edx

Tiếp giáp p-n phân cực thuận

• Tiếp giáp p-n được phân cực thuận khi đặt một điện áp một chiều có cực dương nối vào bán dẫn p và cực âm nối vào bán dẫn n

• Điện áp phân cực (Vbias) phải lớn hơn hàng rào thế năng

• Điện trường ngoài ngược hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm giảm điện trường tiếp xúc E tx =E 0 -E ng

Tiếp giáp p-n phân cực thuận

• Điện trường ngoài hướng từ p sang n, làm các electron ở bán dẫn n tiến tới tiếp giáp p-n, đây là hiện tượng “phun”

hạt dẫn vào vùng nghèo, làm điện trở vùng nghèo giảm xuống nhanh chóng

• Điện trường ngoài làm tăng dòng khuếch tán và giảm dòng trôi

• Điện trường ngoài làm giảm độ rộng vùng nghèo, làm giảm điện trường tiếp xúc và làm giảm hàng rào thế năng

• Khi tiếp giáp p-n được phân cực thuận, có dòng điện từ bán dẫn p sang bán dẫn n, gọi là dòng phân cực thuận

Tiếp giáp p-n phân cực ngược

• Tiếp giáp p-n được phân cực ngược khi đặt một điện áp một chiều có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫn p

• Điện trường ngoài cùng hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm tăng cường điện trường tiếp xúc E tx =E 0 +E ng

Tiếp giáp p-n phân cực ngược

• Điện trường ngoài hướng từ n sang p làm cho các hạt dẫn điện đa số (electron ở bán dẫn n, lỗ trống ở bán dẫn p) càng rời xa tiếp giáp p-n, làm cho độ rộng của vùng

nghèo tăng lên, điện trở của vùng nghèo cũng tăng lên

• Dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài μA) và nhanh chóng bão hào khi tăng điện áp phân cực ngược

• Nếu tiếp tục tăng điện áp phân cực ngược đến một mức nào đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng, dòng ngược tăng đột biến

p p

V

V L

p

qSD I

p

n N

V

V L

n

qSD I

S: tiết diện tiếp giáp p-n

Dp;Dn: hệ số khuếch tán của lỗ trống, electron

T N

p n P

N

p N

P

V

V L

n

qSD L

p

qSD I

I I

I

n

P n p

N p

L

n

SqD L

n D

p

p

N L

D N

L

D q

N

p ng

L

n

SqD L

p SqD

Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn

Xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm:

- Mắc các đồng hồ đo dòng điện và điện áp như hình vẽ

Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn

• Đặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn chia thành ba phần rõ rệt.

– Vùng phân cực thuận: Khi 0<U AK <U th (0,7V), dòng thuận gần như không có Khi U AK ≥U th, dòng thuận tăng nhanh

– Vùng phân cực ngược: Khi U AK <0, dòng ngược bão

hòa rất nhỏ (cỡ vài chục nA đến vài μA)

– Vùng đánh thủng: Dòng điện ngược tăng đột biến khi điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủng

• Từ đặc tuyến V-A ta thấy Điốt là linh kiện chỉ dẫn điện theo một chiều khi nó được phân cực thuận Người ta còn nói Điốt có tính chất Van

Từ công thức trên cho thấy

dòng điện qua điốt phụ

thuộc vào nhiệt độ thông

qua VT và phụ thuộc vào

dòng bão hòa ngược I0

Dòng bão hòa ngược phụ

thuộc mạnh vào nhiệt độ

với mức xấp xỉ tăng gấp đôi

khi nhiệt độ tăng 10oC; hay

-2,1mV/ o C (Si); -2,3mV/oC

Các tham số của Điốt bán dẫn

Điện trở tĩnh: Là điện trở của tiếp giáp p-n khi có điện

áp một chiều cố định đặt vào các cực của Điốt

dI

dU I

Các tham số của Điốt bán dẫn

Điện dung của Điốt: Là điện dung của lớp điện tích

không gian ở trạng thái cân bằng hoặc khi phân cực ngược

Điện áp ngược cực đại Ungmax: Là điện áp ngược tối

đa mà Điốt còn làm việc bình thường, thường U ngmax =0,8U dt

Dòng thuận cực đại Imax: Là dòng điện thuận tối đa mà Điốt còn hoạt động bình thường

Khoảng nhiệt độ làm việc: Là khoảng nhiệt độ mà

Điốt còn làm việc bình thường Đối với Điốt Si là từ -60 đến

150oC; Điốt Ge là -60 đến 85oC

Các tham số của Điốt thường được cho

– Công tắc đóng khi Điốt phân cực thuận

– Công tắc hở khi phân cực ngược

– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng) và công tắc đóng

– Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở

• Mô hình Điốt hoàn chỉnh (Complete model): Là mô hình

kể đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng VF, điện trở thuận r’d (rất nhỏ) và điện trở ngược r’R (rất lớn)

– Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng), một công tắc đóng và điện trở thuận r’d

– Khi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở và điện trở ngược

• Mô hình Điốt hoạt động ở tần số cao:

– Khi điốt hoạt động ở tần số cao, thì phải tính đến ảnh hưởng của các tụ ký sinh (tụ khuếch tán Cd và tụ tiếp giáp p-n Cj)

Phân loại và ứng dụng của điốt

• Điốt chỉnh lưu (rectifier diode): Dựa trên tính chất dẫn điện theo một chiều của điốt để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiều

Phân loại và ứng dụng của điốt

• Điốt Zener : Dựa trên hiện tượng đánh thủng về điện của điốt Dùng để ổn định điện áp

• Khi được phân cực thuận, điốt Zener cũng giống như điốt bình thường, khi phân cực ngược thì nó chỉ làm việc

ở trạng thái đánh thủng

• Điốt Zener được chế tạo từ hai lớp bán dẫn được pha tạp rất mạnh (nên điện áp đánh thủng thường nhỏ hơn điốt thông thường)

Phân loại và ứng dụng của điốt

• Điốt xung : Điốt làm việc với các xung điện áp (dòng điên), tương tự như một khóa điện tử, đóng mở mạch

• Điốt Schottky: Là điốt có thời gian phục hồi trạng thái đóng, ngắt nhanh, điốt schottky sử dụng tiếp xúc bán dẫn-kim loại

Phân loại và ứng dụng của điốt

• Điốt biến dung (Varicap): Là điốt làm việc như một

tụ điện, với điện dung của phần tiếp giáp p-n thay đổi theo điện áp phân cực cho điốt

Phân loại và ứng dụng của điốt

• Điốt cao tần (Điốt tách sóng): Nguyên lý làm việc giống như điốt chỉnh lưu, nhưng tần số làm việc rất cao, thường dùng trong mạch tách sóng của máy thu thanh

• Điốt xuyên hầm (tunnel): Điốt làm việc dựa trên hiệu ứng xuyên hầm Có khả năng dẫn điện theo cả chiều thuận và chiều ngược