Lý thuyết bán dẫn - Diode và ứng dụng

[r]

Bài 5: DIODE VÀ NG D NGỨ Ụ I Diode ch nh l u:ỉ ư

Diode ch nh l u m t d ng diode bán d n Công d ng ch y u c a lo i ch ộ ẫ ụ ủ ế ủ ỉ l u, đư ượ ục s d ng nhi u ng d ng khác.ề ứ ụ

Ký hi u:ệ

Đ c n c a diode:ặ ế ủ

Diode d n dòng n áp phân c c thu n vẫ ệ ự ậ ượt qua n áp rào th diode không d nệ ế ẫ dịng b phân c c ngị ự ược T hình v ta th y r ng nhánh nhánh phân c c thu n vàừ ẽ ấ ằ ự ậ nhánh nhánh phân c c ngh ch ự ị

 Khi n áp phân c c thu n nh h n n áp rào th (0.3V đ n 0.7V) dịngệ ự ậ ỏ ệ ế ế n qua diode có giá tr r t nh g i dòng n ngệ ị ấ ỏ ọ ệ ược

 Khi n áp phân c c thu n l n h n n áp rào th dịng n qua diode tăngệ ự ậ ệ ế ệ r t nhanh th c n ph i m c n tr n i ti p đ h n dòng.ấ ế ầ ả ắ ệ ố ế ể

Đi n áp phân c c thu n diode x p x v i n áp rào th g i V có giá tr trongệ ự ậ ấ ỉ ệ ế ọ ị kho ng t 0.3 đ n 0.7V.ả ế

nhánh phân c c ng c n áp ng c tăng lên v bên trái, dòng n g n b ng

Ở ự ượ ệ ượ ề ệ ầ ằ

cho đ n Vế R = VBR (đi n áp đánh th ng) Khi đánh th ng x y ra, dòng ngệ ủ ủ ả ược có giá tr r tị ấ

l n, n u khơng gi i h n có th phá h ng diode Giá tr n áp đánh th ng n hình l ế ể ỏ ị ệ ủ ể h n 50V cho h u h t lo i diode H u h t lo i diode đ u không ầ ế ầ ế ề ược ho t đ ng vùngạ ộ đánh th ng ngủ ược

Khi n th c c Anode dệ ế ự ương h n so v i Cathode, diode phân c c thu n dòng n điơ ự ậ ệ t Anode đ n Cathode L u ý r ng diode đừ ế ằ ược phân c c thu n, n áp rào th luônự ậ ệ ế xu t hi n gi a hai c c Anode Cathode.ấ ệ ữ ự

Khi n th c c Anode âm h n so v i Cathode, diode b phân c c ngệ ế ự ị ự ược, dòng n quaệ diode g n b ng 0.ầ ằ

35 IF

IR

VF VR VBR

Vtx V

IF, VF: điện áp thuận dòng điện thuận IR, VR: điện áp nghịch dòng điện nghịch VBR: điện áp đánh

thủng ngược Vtx hay V: điện áp

rào Phân cực thuận Phân cực nghịch Anode Cathod e

Ki m tra diode:ể

Dùng ngu n pin bên VOM đ phân c c thu n hay phân c c ngh ch cho diode, choồ ể ự ậ ự ị phép ki m tra nhanh đ n gi n.ể ả

Đ ki m tra diode theo hể ể ướng thu n, đ u dậ ầ ương c a VOM n i v i Anode đ u âm c aủ ố ầ ủ n i v i Cathode Khi diode b phân c c thu n, n tr n i c a nh (kho ng 100) Đ iố ị ự ậ ệ ộ ủ ỏ ả ổ hai đ u que đo, ngu n pin bên VOM làm cho diode b phân c c ngh ch, n tr n i c aầ ị ự ị ệ ộ ủ có giá tr r t l n (kho ng vài M).ị ấ ả

Các mơ hình x p x c a Diode:ấ ỉ ủ

Cách đ n gi n đ th y ả ể ấ ược ho t đ ng c a Diode xem Diode nh m t khóaạ ộ ủ ộ chuy n m ch (switch) Khi diode d n, diode đóng vai trị nh khóa đóng phân c cể ẫ ự ngược diode đóng vai trị nh khóa m L u ý r ng n áp thu n dòng n ngư ằ ệ ậ ệ ược luôn b ng Đây mơ hình lý tằ ưởng, b qua n áp rào th , n tr n i thông sỏ ệ ế ệ ộ ố khác Trong nhi u trề ường h p đ xác.ợ ủ

Đ c n lý tặ ế ưởng có d ng nh sau:ạ

Ti p theo mơ hình có tính xác cao h n Khi phân c c thu n diode có th xem nhế ự ậ ể khóa đóng n i ti p v i ngu n pin V (có n th kho ng 0.3V đ n 0.7V), c c dố ế ệ ế ả ế ự ương c a pinủ hướng v anode Khi phân c c ngh ch xem nh h m ch gi ng nh trề ự ị ố ường h p lý tợ ưởng, b i n áp rào th khơng nh hở ệ ế ả ưởng đ n phân c c ngế ự ược

Trường h p có đ c n nh sau:ợ ặ ế Khi khóa đóng

Khi khóa

mở

Khi khóa đóng

Khi khóa

mở V

+

-Đặc tuyến lý tưởng

IF

VF

IF

VF

N u c n c p đ xác l n h n n a ta dùng mơ hình sau: phân c c thu n diodeế ầ ấ ộ ữ ự ậ thay th nh n áp rào th n tr thu n c a diode có giá tr nh Khi phân c cế ệ ế ệ ậ ủ ị ỏ ự ngh ch diode đị ược xem nh m t n tr phân c c ngư ộ ệ ự ược có giá tr l n.ị

Đ c n làm vi c theo mơ hình nh sau:ặ ế ệ

Đ c tính c b n c a diode ch d n n theo m t chi u nên đặ ả ủ ỉ ẫ ệ ộ ề ượ ức ng d ng r ng rãiụ ộ m ch ch nh l u, chuy n đ i tín hi u t AC ỉ ể ổ ệ  DC

II Diode Zener:

Diode zener dùng đ n đ nh n áp, công d ng gi ng m c đích t ng quát c a diodeể ổ ị ệ ụ ố ụ ổ ủ ch nh l u, r t quan tr ng nhi u m ch ngu n cung c p.ỉ ấ ọ ề ấ

Ký hi u:ệ

Zener linh ki n dùng ti p xúc P – N nh ng khác v i diode ch nh l u ho t đ ng t iệ ế ỉ ộ ố u vùng phân c c ng c

ư ự ượ

Khi phân c c thu n ho t đ ng gi ng nh diode thự ậ ộ ố ường nh ng phân c c ngh ch,ư ự ị n áp ngệ ược VR > VZ đánh th ng ngủ ược x y n áp ngh ch hai đ u diode h uả ệ ị ầ ầ

nh không đ i m c dù dòng n ngh ch thay đ i r t l n.ư ổ ặ ệ ị ổ ấ

Có hai lo i đánh th ng ngạ ủ ược diode zener M t lo i đánh th ng thác lũ v i nộ ủ ệ áp ngược cao nh diode ch nh l u Hai lo i đánh th ng zener nh diode zener v iư ỉ ủ n áp ngệ ược th p Tùy theo b dày mi n nghèo khác mà m c n áp đánh th ng khácấ ề ề ứ ệ ủ v y có nhi u lo i diode zener khác nhau.ậ ề

Khi khóa đóng

Khi khóa

mở V

+

-R có giá trị

rất lớn

V

VF IF

VZ VF

VR

IF

Vùng phân cực thuận

Vùng phân cực nghịc

h

Diode zener v i n áp đánh th ng < 5V ho t đ ng ch đ đánh th ng zener, ệ ủ ộ ế ộ ủ ệ áp đánh th ng > 5V ho t đ ng ch đ đánh th ng thác lũ nh ng c hai lo i v n g i làủ ộ ế ộ ủ ả ẫ ọ diode zener Trong th c t , n áp đánh th ng kho ng t 1.8V đ n 200V.ự ế ệ ủ ả ế

Đ c n đánh th ng:ặ ế ủ

Khi VR < VZ dịng n ngệ ược có giá tr r t nh Vị ấ ỏ R ≥ VZ x y hi n tả ệ ượng đánh th ngủ

dòng n Iệ Z tăng r t nhanh, n áp Vấ ệ Z g n nh không đ i Kh n đ nh n áp làầ ổ ả ổ ị ệ

đ c m c a diode zener Zener trì n áp khơng đ i hai c c c a khiặ ể ủ ệ ổ ự ủ dòng n Iệ Z thay đ i m t kho ng xác đ nh.ổ ộ ả ị

Giá tr t i thi u c a dòng n ngị ố ể ủ ệ ược IZK ph i đả ược trì đ gi diode n đ nh Ta cóể ữ ổ ị

th th y đ c n Iể ấ ặ ế Z < IZK n áp thay đ i r t nhanh khơng cịn ch c n áp.ệ ổ ấ ứ ổ

Giá tr t i đa c a dòng n ngị ố ủ ệ ược IZM, IZ > IZM diode b phá h ng Vì v y diode zenerị ỏ ậ

duy trì n áp khơng đ i hai c c dịng n ngệ ổ ự ệ ược thay đ i kho ng Iổ ả ZK đ n Iế ZM M ch tạ ương đương c a Zener: ủ

Mô hình x p x c a diode zener vùng đánh th ng ngấ ỉ ủ ủ ược có d ng nh sau:

rZ = ∆VZ/∆IZ

ng d ng c a diode zener:

Ứ ụ ủ

 Làm ph n t n đ nh n áp.ầ ổ ị ệ

 Làm m ch xén.ạ

 …

III Diode Schottky:

Ký hi u: ệ

Diode schottky có đáp ng t n s nhanh h n so v i diode thứ ầ ố ường Lo i Diode ch c nạ ỉ ầ phân c c thu n kho ng 0.3V nên chúng thích h p cho nh ng ng d ng t n s cao n ápự ậ ả ợ ữ ứ ụ ầ ố ệ th p.ấ

Đ c m c a Diode Schottky:ặ ể ủ

 Đượ ạc t o thành t ti p xúc c a bán d n (pha t p ch t) kim lo i.ừ ế ủ ẫ ấ

 Ho t đ ng nh diode thạ ộ ường nh ng n áp nh h n.ư ệ ỏ

 Có dịng ngượ ớc l n h n so v i diode thơ ường

 Chuy n m ch t c đ cao.ể ố ộ

IV Diode bi n dung (varactor diode):ế

VR VZ

IR IZM IZK

+ _ Mơ hình lý tưởng

VZ

+ _ Mơ hình

thực tế V

Z

Diode bi n dung đế ượ ục s d ng nh diode có n dung thay đ i C u t o v c b n làư ệ ổ ấ ề ả m t m i n i P-N phân c c ngộ ố ố ự ược đ t n d ng n dung mi n nghèo Vùng nghèo để ậ ụ ệ ề ượ ạc t o thành b i phân c c ngở ự ược đóng vai trị nh n mơi c a t n đ c tính khơng d n nư ệ ủ ụ ệ ặ ẫ ệ c a Vùng p n d n n đóng vai trị nh hai b n c c c a t n.ủ ẫ ệ ả ự ủ ụ ệ

Khi n áp phân c c ngệ ự ược tăng lên, b dày mi n nghèo tăng lên, tăng b dày l p nề ề ề ệ môi làm gi m n dung c a l p bán d n Khi n áp phân c c ngả ệ ủ ẫ ệ ự ược gi m, vùng nghèoả thu h p, n dung tăng lên.ẹ ệ

Giá tr c a t n đị ủ ụ ệ ược xác đ nh b ng công th c sau:ị ằ ứ

S C

d

ε

= Trong đó:

 S di n tích b n c c.ệ ả ự

 h ng s n môi.ằ ố ệ

 d b dày l p n môi.ề ệ

Vì v y giá tr c a n dung đậ ị ủ ệ ược u n b ng cách thay đ i đ r ng mi n nghèo vàề ể ằ ổ ộ ộ ề c u trúc c a diode Giá tr c a t t vài pF đ n vài trăm pF.ấ ủ ị ủ ụ ế

ng d ng c a diode bi n dung đ thay đ i t n s m ch công h ng

Ứ ụ ủ ế ể ổ ầ ố ưở

V Tunnel diode:

p n

Bản cực Lớp điện môi

+

_ _ +

Ký hiệu

RS CV

Mạch tương đương

VR Cd

0 Điện phân cực ngược

Điện dung

- Bán kỳ đ u Vầ A > Vc: D1D3 d n, D2 ẫ

D4 t t => dòng ch y A->D1->R->D3->C.ắ

- Bán kỳ sau VA < Vc : D1 D3 t t, D2 ắ

D4 d n => dịng t C->D2->R->D4->A.ẫ Cơng th c tính dòng áp nh diodeứ

4. M ch l c:ạ ọ

Tín hi u m ch ch nh l u có đ g n sóng l n Vệ ỉ ộ ợ DC th p (toàn kỳ Vấ DC = 0.636

Vm) Do đ c i thi n đ g n sóng ngể ả ệ ộ ợ ười ta m c thêm m ch l c.ắ ọ

ngõ ra, D1 d n, dòng qua t i R n p cho t C đ nh A, n th gi m, t l p t c x

Ở ẫ ả ụ Ở ỉ ệ ế ả ụ ậ ứ ả

đi n qua t i v i th i gian T = Rệ ả L.C Khi t x đ n B, D2 d n l i n p cho t lên đ nh A, cụ ả ế ẫ ạ ụ ỉ ứ

th ti p t c K t qu d ng sóng nh hình v có Vế ế ụ ế ả ẽ DC tăng đ g n sóng gi m so v i lúcộ ợ ả

ch a có t l c.ư ụ ọ

5. M ch nhân áp:ạ

- VA < VB: D1 d n, D2 ng ng, dòng n p qua t C1 = Vẫ ụ m

- VA > VB: D1 ng ng, D2 d n dòng g m th n p t C1 n i ti p v i th xoay chi uư ẫ ế ụ ố ế ế ề

c a bán kỳ dủ ương nên n áp CA đ t 2Vệ m Vì v y, t C2 n p lậ ụ ượng n th = Vệ ế DC

c p cho t i.ấ ả

6. M ch xénạ : M ch gi i h n biên đ tín hi u.ạ ộ ệ

- Tùy theo diode m c n i ti p hay song song v i t i ngõ (Rắ ố ế ả L) ta phân bi t thành m chệ

xén n i ti p hay song song.ố ế

- Tùy theo ch c mà ta có lo i xén m c trên, m c dứ ứ ứ ưới hay hai m c đ c l p Sau đâyứ ộ ậ ta s kh o sát m ch xén s d ng diode lý tẽ ả ụ ưởng (Vγ =0)

a M ch xén trên:ạ

b M ch xén dạ ưới:

t VL

t R Vi

D

D

Vi

D

Vo

Vi

D