DIOT bán dẫn

PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN 1.1 Diode bán dẫn 1.1.1 Trạng thái dẫn : Phân cực thuận Hình 1.1 Mô hình Diode phân cực thuận Khi ñiốt ñược phân cức thuận dòng ñiện thuận tăng nhanh Ta phải ý ñến giá trị dòng ñiện thuận cực ñại I max,ñiôt không ñược làm việc với dòng ñiện cao trị số Khi UAK >0 trị số nhỏ dòng ñiện thuận nhỏ nên ñiốt chưa ñược coi phân cực thuận Chỉ ñiện áp thuận UAK≥ UD ñi ốt ñược tính phân cực thuận ñiốt dẫn ñiện ðiện áp UD ñược gọi ñiện áp thuận ngưỡng ñiôt Khi UAK = UD dòng ñiện thuận có trị số khoảng 0,1Ith.max UAK > UD dòng ñiện thuận tăng nhanh tăng gần tuyến tính với ñiện áp UD có giá trị (0,1 ÷ 0,3)V ñối với ñiốt gecmani (0,4 ÷ 0,8)V ñối với ñiốt silic SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 12 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN 1.1.2 Trạng thái tắt : Phân cực nghịch Hình 1.2 Mô hình Diode phân cực nghịch Phần ngược ñặc tuyến Vôn-Ampe: Khi ⎜UAK⎜lớn vài lần VT dòng ñiện ngược có giá trị I0 giữ nguyên giá trị Khi UAK < tăng lên ñến trị số Uñ.t dòng ñiện tăng vọt, ta gọi ñây tượng ñánh thủng tiếp xúc P-N Hiện tượng ñánh thủng tiếp xúc P-N làm khả chỉnh lưu ñiôt thông thường làm hỏng ñiốt, trừ ñiôt Zener ñiôt sử dụng tượng ñánh thủng ñể ổn ñịnh ñiện áp ðiện áp ñiểm ñánh thủng ta gọi ñiện áp ñánh thủng ký hiệu Uñ.t Có hai tượng ñánh thủng: - ðánh thủng ñiện (ñường 1) - ðánh thủng nhiệt (ñường 2) + ðánh thủng nhiệt xảy tác ñộng nhiệt Hiện tượng ñánh thủng nhiệt thường xảy ñối với ñiôt gecmani Lúc ñôi ñiện tử lỗ trống ñược sinh tác dụng nhiệt làm cho dòng ñiện tăng lên sụt áp ñiôt giảm + ðánh thủng ñiện hay xảy ñối với ñiôt silic có ý nghĩa thực tế Hiện tượng ñánh thủng ñiện thường xảy theo chế sau: - ðánh thủng ñường hầm: ñánh thủng xảy giá trị ñiện trường ñó gọi giá trị tới hạn Et.h ñặt lên tiếp xúc P-N ðiều kiện ñể xảy tượng ñánh thủng ñường hầm là: ⎜E⎜max = Et.h 7 Thông thường Et.h = 3.10 V/m ñối với ñiôt gecmani Et.h = 8.10 V/m ñối với ñiôt silic - ðánh thủng thác lũ: ion hóa nguyên tử mạng tinh thể va chạm với hạt tải ñiện mang lượng lớn ðiện áp ñánh thủng: Tuỳ theo vật liệu mà ñiện áp ñánh thủng từ vài vôn ñến hàng chục ngàn vôn SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 13 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ • CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN ðặc tuyến Volt – Ampere (VA) Diode Hình 1.3 ðặc tuyến volt – ampere diode ðặc tuyến vôn- ampe ñiốt biểu thị mối quan hệ dòng ñiện qua ñiốt với ñiện áp ñặt hai chân cực anốt catốt (UAK) ðây ñặc tuyến vôn-ampe lớp tiếp xúc P-N, dòng ñiện chạy qua ñiôt ñược tính theo công thức sau: (1.1) I0: dòng phân cực nghịch bão hòa ( reverse saturation current) (A) q = 1.6*10 −19 (C) K =1.38*10 −23 (J/K) : Hằng số boltzman T: nhiệt ñộ tuyệt ñối (K) m: 1>mVT : iD = I0expVD/mVT Phân cực nghịch (VD>mVT: iD ≈ -I0 SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 14 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN Diode thực tế xấp xỉ tuyến tính hóa ñoạn (piecewise – linear approximation) Hình 1.4 ðặc tuyến Diode thực tế Hình 1.5 Tuyến tính hóa ñoạn Ngoài thông số diode thông số khác như: ñiện trở chiều RD = SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình VD ID Page 15 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ ðiện trở xoay chiều: i D = I S (exp (VT = rD = CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN dvD diD qVD V − 1) = I S (exp D − 1) mKT mVT KT ) q di D V I i i + IS = I S exp D = S ( D + 1) = D dv D mVT mVT I S mVT ⇒ rD = mVT iD + I S ⇒ rD = 26mV ID Thực tế ñiện trở ñộng thường ñược tính theo công thức : 1.2 Diode Zener rD = 26mV ID (1.2) Hình 1.6 Diode zener ♦ Ký hiệu diode Zener hình 1-4 ♦ Là diode Si ñược chế tạo ñặc biệt có ñặc tính : - Khi ñược phân cực thuận diode Zener hoạt ñộng giống diode bình thường - Khi ñược phân cực nghịch, lúc ñầu có dòng ñiện thật nhỏ qua diode Nhưng ñiện áp nghịch tăng ñến giá trị thích ứng: Vngược = Vz (Vz : ñiện áp Zener) dòng qua diode tăng mạnh, hiệu ñiện hai ñầu diode không thay ñổi, gọi hiệu Zener ðặc tính khiến diode Zener thông dụng mạch ổn ñịnh ñiện áp SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 16 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN Hình 1.7 ðặc tuyến Volt-ampere diode zener VZ :ðiện áp diode Zener IZmax dòng phân cực nghịch tối ña diode Zener IZmin dòng phân cực nghịch tối thiểu ñể vZ = VZ, thường IZmin = 0.1 IZmax - Ứng dụng thường ñược dùng ñể tạo ñiện áp chuẩn (reference voltage) 1.3 Diode Phát Quang (Led) Hình 1.8 Diode phát quang ♦ Ký hiệu LED ñược vẽ hình 1-8 ♦ Là diode Si ñược chế tạo ñặc biệt có ñặc tính: Diode hoạt ñộng chế ñộ dẫn phân cực thuận (VD ≥ 0,7V), có dòng ID ñủ lớn LED phát sáng, lúc ñó ñiện áp hai ñầu LED (VLED) = 1,4 - 2V LED có màu thông dụng: ñỏ, xanh, vàng 1.4 Chỉnh lưu dùng Diode bán dẫn: Vì nối P-N dẫn ñiện phân cực thuận nên ñược dùng ñể chỉnh lưu, nghĩa ñổi dòng ñiện xoay chiều AC thành dòng chiều DC SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 17 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1.4.1 CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN Chỉnh lưu bán kỳ (Haft wave rectifier) : Vi = 2V2 sinωt Hình 1.9 Mạch chỉnh lưu bán kỳ ðiện áp tải VL (chỉnh lưu bán kỳ) : Hình 1.10 Dạng sóng mạch chỉnh lưu bán kỳ ðiện chiều (hay ñiện trung bình) tải : VODC = 2π π ∫ 2V2 sin ωtdωt = Khai triển Fourier: v L (t ) 2V2 | cos ωt |π0 = 2π 2V2 π (1.3) 1 2 cos 2ω0t − = VLm ( + cos ω0t + cos 4ω0t + ) 3π 15π π 1.4.2 Chỉnh lưu toàn kỳ (Full wave rectifier) : SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 18 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN 1.4.2.1 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode : (sử dụng biến có ñiểm giữa) Hình 2.11 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dung Diode ðiện áp tải VL: Hình 2.11 Dạng sóng mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến có ñiểm * Hoạt ñộng : V56 = 2V2 sin ωt V86 = − 2V2 sin ωt - Bán kỳ ñầu: V56>0>V86 D1 dẫn D2 tắt, dòng chạy mạch: V56 - D1 - RL- V86 Áp tải V0 = V56 - Bán kỳ sau: V86>0>V56 D2 dẫn D1 tắt, dòng chạy mạchV86 - D2 -R2 -V56 Áp tải V0 = V86 SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 19 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN ðiện chiều (hay ñiện trung bình) tải: VODC = π π ∫ 2V2 sin ωtdωt = Khai triển Fourier: v L (t ) = VLm ( π + 2V2 π (1.4) 4 cos 4ω0t + ) cos 2ω0t − 3π 15π 1.4.2.2 Chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode: (Chỉnh lưu cầu) Công thức tính VODC tương tự mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode Hình 1.12 Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng diode Dạng sóng tải VL : Hình1.13 Dạng sóng mạch chỉnh lưu toàn SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàngkỳ Tuấn dùngBình cầu diode Page 20 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ * Hoạt ñộng ; Ta có vi = CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN 2V2 sin ω t - Bán kỳ ñầu : VA>VB D1 D3 dẫn, D2 D4 tắt dòng chạy mạch V A − D1 − RL − D3 − VB VOUT = VA - VB - Bán kỳ sau : VB>VA D2 D4 dẫn, D1 D3 tắt Dòng chạy mạch VB – D2 – RL – D4 - VB V0=VB – VA 1.4.2.3 Mạch chỉnh lưu có tụ lọc : Sau chỉnh lưu, tín hiệu DC nhấp nhô nên người ta thường gắn tụ lọc ñể lọc thành phần nhấp nhô Người ta thường chọn tụ C lớn ñể tạo tín hiệu DC phẳng Hình 1.14 Mạch chỉnh lưu có tụ lọc SVTH: Trần Lê Hoàng Anh & Hoàng Tuấn Bình Page 21 PHẦN LÝ THUYẾT CƠ SỞ CHƯƠNG DIODE BÁN DẪN Hình 1.15 Dạng sóng mạch chỉnh lưu có tụ lọc Qnạp = Vrpp.C Qxả = IDC.T2 ≈ IDC.T/2 (T1V56 D2 dẫn D1 tắt, dòng chạy mạchV86 - D2 -R2