Chương 3 - Phần 2

• Mối nối P- N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mặt 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) chiế[r]

3.2: CHẤT BÁN DẪN (Semiconductor)

3.2.1: Khái niệm chung 3.2.2: Bán dẫn thuần

3.2.3: Bán dẫn tạp chất 3.2.4: Tiếp giáp P-N

C1: Đặc tính dẫn điện chất phụ thuộc vào yếu tố nào?

d

dm b kl

     Chất bán dẫn Chất dẫn điện (kim loại) Chất cách điện (điện môi) 10

10 10 m 104 104 m 106 104m 3.2.1 Khái niệm chung

a) Chất bán dẫn gì?

 Chất bán dẫn nguyên liệu để sản xuất loại linh kiện bán dẫn như: Diode,Transistor, IC (Integrated Circuit) thiết bị điện tử ngày

 Hai chất bán dẫn thơng dụng Silicium Germanium có điện trở suất là:

ρSi = 1014 Ωmm2/m

b) Đặc tính chất bán dẫn

+ Ảnh hưởng nhiệt độ

Điện trở chất bán dẫn thay đổi lớn theo nhiệt độ, nhiệt độ tăng cao điện trở chất bán dẫn giảm xuống

+ Ảnh hưởng ánh sáng

Chất bán dẫn có trị số điện trở lớn bị che tối, có ánh sáng chiếu vào điện trở giảm xuống

+ Ảnh hưởng độ tinh khiết

3.2.2 Bán dẫn thuần

Bán dẫn hay bán dẫn tinh khiết có cấu trúc mạng tinh thể, liên kết nguyên tử thực nhờ electron hóa trị nằm lớp vỏ ngồi nguyên tử,

+ Quá trình tạo cặp electron lỗ trống

Trong chất bán dẫn thuần, chuyển động nhiệt dẫn tới làm đứt gãy liên kết hóa trị số nút mạng tinh thể, tạo điện tử tự (hạt tải điện âm) Tại nơi electron giải phóng xuất lỗ trống (hạt tải điện dương)

+ Nhiệt độ cao cặp electron – lỗ trống tạo nhiều

3.2.3 Bán dẫn tạp chất

• Bán dẫn tạp chất bán dẫn mà mạng tinh thể số nút mạng thay nguyên tử số nguyên tố khác

3.2.3.1 Bán dẫn loại N (Negative)

Hình thành pha tạp chất nguyên tố nhóm V vào bán dẫn

• Mỗi nguyên tử tạp chất thêm vào làm xuất thêm electron tự tương ứng, trình không kèm theo xuất lỗ trống Kết hạt tải điện electron chiếm đa số, bán dẫn loại gọi bán dẫn loại N (negative)

• Tạp chất nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn nên gọi tạp chất cho (donor)

• Lưu ý: Đối với chất bán dẫn N, trình tạo cặp

3.2.3.2 Bán dẫn loại P ( Positive)

Hình thành pha tạp nguyên tố nhóm III vào bán dẫn

 Mỗi nguyên tố tạp chất nhóm III thêm vào làm xuất lỗ trống (+) không kèm theo xuất electron tự do, kết hạt tải điện đa số bán dẫn lỗ trống, bán dẫn gọi bán dẫn P (positive)

 Tạp chất nhóm III nhận điện tử để tạo lỗ trống, nên gọi tạp chất nhận (acceptor)

 Lưu ý: Đối với chất bán dẫn P, trình tạo cặp

3.2.4 Tiếp giáp P-N

+ Sự hình thành tiếp giáp P-N

• Các hạt tải điện đa số bán dẫn P N khuếch tán qua miền tiếp xúc

• Kết quả:

+ Hình thành lớp

nghèo miền

tiếp xúc

+ tạo thành dòng khuếch tán (dòng thuận iF) có chiều từ P sang N

P N

iF +

- Sự hình thành hàng rào

Ei

Ikt

Hình thành lớp điện kép miền biên hai bán

dẫn  tạo điện trường Ei hướng từ N sang P 

3.3 Diode bán dẫn

3.3.1 Cấu tạo, kí hiệu diode bán dẫn

• Cấu tạo: gồm lớp tiếp xúc P-N

3.3.2 Nguyên lý vận chuyển Diode

a Phân cực ngược Diode: VA < VK

• Nối cực âm nguồn điện DC vào chân P cực dương nguồn vào chân N diode

• Hiện tượng:

+ bề dày lớp nghèo tăng, chiều cao hàng rào tăng lên, Diode không dẫn điện (khóa)

+ Qua D có dịng điện rỉ (dòng bão hòa nghịch) Is nhỏ (cỡ nA) hướng từ N sang P

C2: Hãy giải thích tượng xảy phân cực

• Nối cực dương nguồn điện DC vào chân P cực âm nguồn vào chân N diode

b Phân cực thuận Diode: VA > VK

• Hiện tượng:

+ Bề dày miền nghèo giảm, chiều cao hàng rào giảm mạnh Diode dẫn điện (thơng) + Dịng điện thuận If chạy qua D theo chiều từ P sang N

C3: Hãy giải thích tượng xảy phân

Trong đó:

qe = 1,6 10-19 Culơng

VD: điện áp D

K: số Bônzman K = 1,38 10-23 J/K

T: nhiệt độ tuyệt đối

IS: dòng bão hòa nghịch (A)

c Đặc tuyến volt – Ampe diode

Dòng qua Diode tuân theo phương trình

( 1)

e

q V kT

D S

c Đặc tuyến volt – Ampe diode

• Khi VDC = chưa có dịng điện qua D Khi VDC = Vk có dòng điện qua D Vk = 0,7 D làm Si

Vk = 0,3 D làm Ge

• Khi D dẫn điện điện áp cực đại VDmax D: VDmax = 0,8-0,9 D làm Si

• Ở nhiệt độ phịng 270C hay 300K, ta có:

• Khi PCT : VD > Vk >> nên:

• Khi PCN: VD< 0V << nên:

)

.( 26 

 mV V S D D e I I mV V D e 26 mV V S D D e I

I  . 26

mV VD e 26 S D I I 

C4: Ở nhiệt độ phòng 270C hay 300K: 26

Như vậy, diode có thơng số kỹ thuật cần biết sử dụng là:

- Chất bán dẫn chế tạo để có Vk VDmax - Dịng điện thuận cực đại IFmax

- Dòng điện bão hoà nghịch I S - Điện áp nghịch cực đại VRmax

Thí dụ: bảng tra diode nắn điện thông dụng

Mã số Chất IFmax IS VRmax

1N4004 Si 1A 5A 500V

1N4007 Si 1A 5A 1000V

Như vậy, diode có thông số kỹ thuật cần biết sử dụng là:

- Chất bán dẫn chế tạo để có Vk VDmax - Dòng điện thuận cực đại Ifmax

Đây thông số cần quan tâm trước sử dụng diode mạch điện Mỗi diode cho phép dòng điện tối đa qua Nếu mắc diode mạch điện có dịng điện lớn Ifmax diode chết

- Dịng điện bão hồ nghịch I S - Điện áp nghịch cực đại VRmax

Khi phân cực ngược, diode khơng cho dịng điện qua đồng nghĩa phải chịu điện áp ngược dồn vào hai đầu Katot Anot Giả sử bạn có nguồn điện chiều có giá trị điện áp khoảng 60V Bạn cần cho diode 1n4001 đấu

Thông số kỹ thuật: Diode cầu KBU1010

Điện áp ngược cực đại: 1000V Dòng thuận cực đại: 10A

Dòng ngược: 1mA

Dải nhiệt độ hoạt động: -65oC ~ 150oC

DO53 Diode Cầu Pha 50A SQL50A1000V diode chỉnh lưu cầu dòng điện cao, dòng thuận cực đại lên tới 50A

Diode cầu chịu điện áp ngược cực đại lên tới 1000V, dòng điện thuận cực đại qua diode 50A Diode thiết kế với vỏ nhôm, tản nhiệt tốt

Công dụng diode cầu mạch điện chỉnh lưu dịng pha thành dịng chiều

Thơng số kỹ thuật: - Mã sản phẩm: DO53

- Điện áp ngược cực đại: 1000V - Dòng thuận cực đại: 50A

a Điện trở chiều

b Điện trở động

trên thực tế: D D D I V R  D D D I V r    ) ( 26 mA I mV r D D 

Ví dụ 1: Xác định điện trở chiều RD điốt chỉnh lưu với đặc tuyến V-A cho hình vẽ giá trị dịng điện điện áp sau:

Ví dụ 2: Cho mạch điện dùng diode hình vẽ

Xác định ID, V0

Giải

a) Ta có:

0 0

5 VD V V 0, V 4,3V            4,3 1,955 2, D R V

I I mA

R k

   



Ví dụ 3: Cho mạch điện dùng diode hình a) Xác định V0, I1 , ID1 , ID2

Ví dụ 4: Cho mạch điện dùng diode hình a) Xác định điện áp tải R

Giải

Vì D1 D2 , khác loại (D1, - Si; D2 , - Ge) nên cấp điện áp phân cực E điốt D2 , (Ge) ln ln thơng ngưỡng 0,3V, cịn điốt D1 ln ln khố ngưỡng thơng tối thiểu điốt loại Si 0,7V

Điện áp tải R tính:

2 12 0, 11,

ra D

1 Mạch chỉnh lưu bán kỳ

Trong nửa bán kì dương điện áp đầu vào < t < T/2

Đối với diode lí tưởng:

Ví dụ 5: a) Cho mạch chỉnh lưu dùng điốt hình Vẽ dạng điện áp tải R xác định giá trị điện áp chiều sau chỉnh lưu VDC với điốt D lý tưởng

b) Làm lại câu a) thay diode lí tưởng diode làm Si

Ví dụ 6: a) Cho mạch chỉnh lưu dùng điốt hình Vẽ dạng điện áp tải R xác định giá trị điện áp chiều sau chỉnh lưu VDC với điốt D lý tưởng

b) Làm lại câu a) thay diode lí tưởng diode làm Si

_ RMS 240 ; 100

Cho V  V R  

VRMS điện áp hiệu dụng Tính cơng suất DC tiêu thụ tải ( bỏ qua VD)

a) Tìm VDC; IL ; Idiode

120 30

4

S

RMS P ac ac

P

N

V V V V

N

    

( ) 1.414 30 42.42

s peak S

V  V   V  V

( ) 42.42 0.7 41.72

out peak

V    V

( )

0.318

dc out peak

V  V

0.318 41.72V 13.26V

   L dc

L V I

R

   132.6mA  Idiode

b) Vẽ dạng sóng ngõ (Vout)

 Ở bán kì dương, van D2 khóa, Van D1 thơng cho dòng chạy qua tải

2 Mạch chỉnh lưu cầu dùng hai diode

 Ở bán kì âm, van D1 khóa, Van D2 thơng cho dịng chạy qua tải

 Khi van dẫn, sụt áp van nhỏ; van khóa, điện áp hạ van hai lần điện áp pha: Vng.max = 2VP

 Đây nhược điểm sơ đồ Khi thực mạch cần ý chon van có điện áp ngược phải lớn hai lần giá trị biên độ điện áp để chỉnh lưu

Ví dụ 9: Vẽ dạng điện áp v0 tính điện áp chiều VDC

 Trong nửa bán kì dương điện áp đầu vào

 Tín hiệu đầu

0, 636 0,636x5 3,18

DC m

Ví dụ 10:

a) Tìm VDC; IL ; Idiode

a) Tìm VDC; IL ; Idiode

1( ) ( )

2 1.414 15 21.21

S

m peak peak

V

V V V

V V

  

  

( ) ( ) 21.21 0.7 20.51

out peak m k

V  V  V    V

( )

0.636

dc out peak

V  V

0.636 20.51V 13.04V

   dc L L V I R

  130.4

65.2 L diode mA I I mA    

3 Mạch chỉnh lưu cầu Diode

• Nửa chu kỳ đầu

Đối với diode lí tưởng

Ví dụ 11:

a) Tìm VDC; IL ; Idiode

2

1, 414 30 42, 42

m

V V

V V



  

( ) , 1, 4 1, V

o m k

V  V  V   

0.636

dc o

V  V  0, 636 41, 02V  26, 08V dc L L V I R

  260.8

130.4 L diode mA I I mA    

3.3.4 Diode Zener

Diode Zener cấu tạo từ chuyển tiếp P-N, khác với diode thông thường bán dẫn P N loại pha tạp nhiều; loại hạt tải điện chúng cao nhiều lần điều dẫn tới bề dày miền chuyển tiếp mỏng so với diode thường

Được sử dụng ứng dụng điều chỉnh điện áp đơn giản Chức cung cấp điện áp đầu không đổi cho tải kết nối song song với

Diode Zenner dung để ổn áp phân cực nghịch Khi phân cực thuận diode Zener giống diode thường

48

Đặc tính I-V(Zener Diode)

Diode Zener sử dụng chế độ phân cực ngược (cực dương điốt kết nối với nguồn cung cấp âm)

Mạch điều chỉnh điốt Zener

Điện áp đầu ổn định chọn giống điện áp đánh thủng VZ diode

VD 12: Cần phải cung cấp nguồn ổn định 5V từ Vin =12V (biết PZ = 2W)

a) Dòng điện cực đại chạy qua diode zener

b) Giá trị tối thiểu điện trở nối tiếp Rs là:

c) IL ? RL= 1K nối vào diode

2

0, 4A 400

5 Z Z Z P I mA V     12 R 17,5 0, in Z s s V V I       400 Z s

1.3.4 Diode Zener

Cho mạch điện hình

Ví dụ 13:

2 ; ;

D C Z

V V R k

V V

  

 I Z ?

1 m A

D C Z Z V V I R   

Ví dụ 13:

1 ; 0 ; ;

D C

Z L

V V R

V V R

  

   PZ ?

D C Z

V V

I

R



 L Z

L V I R  Z L

I  I  I PZ  VZ  IZ

3.3.5 Diode quang (photo diode)

• Photo diode có cấu tạo giống D chỉnh lưu vỏ bọc cách điện có phần kính hay thủy tinh

trong suốt để nhận ánh sáng bên chiếu vào mối nối P-N

• Mối nối P- N phân cực nghịch chiếu sáng vào mặt tiếp giáp phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối dịng điện biến đổi cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào

Khi bị che tối: Rnghịch = vô cực Ω ; Rthuận = lớn

KÝ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE QUANG

Diode quang thường dùng hệ thống tự động điều khiển ánh sáng, báo cháy…

Diode phát quang có cấu tạo gồm lớp tiếp xúc P-N, Diode phát quang làm từ chất Ga – As, Ga – P, Ga As – P, Si – C

Thơng thường dịng điện qua vật dẫn điện sinh lượng dạng nhiệt Do mơt số chất bán dẫn đặc biệt có dịng điện qua có

tượng xạ quang (phát ánh sáng)

• Diode Ga – As: cho ánh sáng hồng ngoại mà mắt nhìn khơng thấy

• Diode Ga As – P: cho ánh sáng khả kiến, thay đổi hàm lượng photpho cho ánh sáng khác đỏ, cam, vàng

• Diode Ga – p pha thêm tạp chất xạ cho ánh

sáng Tùy loại tạp chất mà diode cho màu từ đỏ, cam, vàng, xanh

• Khi phân cực thuận:

- Led đỏ: VD = 1,4V ÷ 1,8V - Led vàng: VD = 2V ÷ 2,5V - Led xanh lá: VD = 2V ÷ 2,8V

Dịng điện qua led: ID = 5mA ÷ 20mA (thường chọn 10 mA)

Cấu tạo nguyên lý làm việc

Mỗi đèn led đoạn có chân đưa khỏi hộp hình vng Mỗi chân gán cho chữ từ a đến g tương ứng với led Những chân khác nối lại với thành chân chung

Như cách phân cực thuận (forward biasing) chân led theo thứ tự cụ thể, số đoạn sáng số đoạn khác không sáng cho phép hiển thị ký tự mong muốn Điều cho phép hiển thị số thập phân từ đến led đoạn

Chân chung sử dụng để phân loại led đoạn Vì đèn led có chân, chân anode chân cathode nên có loại led đoạn cathode chung (CC) anode chung (CA)

Sự khác loại thấy tên gọi Loại CC chân cathode nối chung với Còn loại CA chân anode nối chung với Cách chiếu sáng loại sau: Loại CC (common cathode): Tất chân cathode nối với nối đất, hay logic Mỗi phân đoạn chiếu sáng cách sử dụng điện trở đặt tín hiệu logic (hay mức cao) để phân cực thuận

Nói chung loại CA phổ biến loại Loại CA không thay cho loại CC mạch điện, ngược lại cách nối đèn led bị đảo ngược

Tùy vào chữ số thập phân hiển thị mà đèn led cụ thể phân cực thuận Ví dụ để hiển thị chữ số 0, cần phải chiếu sáng đoạn tương ứng a, b, c, d, e f Như số từ đến hiển thị led đoạn hình bên

LED matrix rgb 8x8 đèn LED màu 8X8 Matrix RGB đầy đủ, có 64 Red, 64 Green, 64 đèn LED riêng lẻ Xanh tích hợp mạch anode chung

LED matrix rgb 8x8 có dịng hoạt động thấp, độ tương phản màu sắc tính đồng tốt

LED MATRIX RGB 8X8 2088DEG

• Diode tách sóng loại diode làm việc với dịng điện xoay chiều có tần số cao, có dịng điện chịu đựng nhỏ (IDmax= vài chục mA) điện áp ngược cực đại thấp (VRmax = vài chục v) Diode tách sóng thường loại Ge

• Diode tách sóng ký hiệu diode thường vỏ cách điện bên thường thuỷ tinh suốt

3.3.7 Diode tách sóng

Diode biến dung loại diode có điện dung thay đổi theo điện áp phân cực

Điện dung CD có trị số tính theo cơng thức: d bề dày điện môi

: số điện môi S: tiết diện mối nối

d S

CD  