Bài giảng Kỹ thuật điện tử: Bài 3 - Lưu Đức Trung cung cấp cho học viên các kiến thức về lớp tiếp giáp p-n; đặc tuyến i-v; mô hình toán học cho điốt; phân cực điốt: thuận-ngược; điốt phân cực ngược; điện dung lớp tiếp giáp p-n; điốt cản schottky; phân tích mạch điốt; các mạch chỉnh lưu điốt; các điốt quang, phát quang, pin mặt trời;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!
BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN 3.1 Lớp tiếp giáp pn 3.2 Đặc tuyến iv 3.3 Mơ hình tốn học cho điốt 3.4 Phân cực điốt: thuậnngược 3.5 Điốt phân cực ngược 3.6 Điện dung lớp tiếp giáp pn 3.7 Điốt cản schottky 3.8 Phân tích mạch điốt 3.9 Các mạch chỉnh lưu điốt 3.10 Các điốt quang, phát quang, pin mặt trời BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 1 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN Phần tử mạch điện tử đầu tiên được tìm hiểu là điốt lớp tiếp giáp pn trạng thái rắn Điốt là loại thiết bị cực kỳ quan trọng có nhiều ứng dụng quan trọng bao gồm biến đổi AC – DC (chỉnh lưu) Ngồi ra, điốt lớp tiếp giáp pn cịn là khối xây dựng cơ bản cho các thiết bị trạng thái rắn khác Nắm được đặc tính điốt là điều kiện tiên quyết để hiểu được hoạt động của các tranzito lưỡng cực và trường mà BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT chúng được sử dụng để tạo mạch lơgic số và khuếch đại tương tự 3.1 Lớp tiếp giáp pn Điốt được tạo bằng cách bắt đầu từ kiểu n với tạp chất pha ND và biến đổi một phần sang kiểu p bằng cách thêm các tạp chất nhận với NA > ND Điểm mà tại đó vật chất biến đổi từ kiểu n sang p được gọi là lớp tiếp giáp luyện kim (junction) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 3 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIÔT Vùng kiểu p được gọi là cực anốt của điốt, vùng kiểu n được gọi là catốt của điốt Hình 3.1.1 điốt tiếp xúc pn Hình 3.1.2 Ký hiệu cơ bản điốt BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 4 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.1.3 Sự hình thành vùng tích điện khơng gian gần lớp tiếp giáp luyện kim BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 5 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Vùng tích điện khơng gian (SCR – Space Charge Region), bị hết các hạt mang điện tự do, phát triển trong vùng quanh lớp tiếp xúc luyện kim. Do vậy vùng này cịn được gọi là vùng cạn kiệt, hay lớp cạn kiệt 3.2 Đặc tuyến iv Điốt là một đương lượng điện tử của một van cơ học – nó cho phép dịng điện đi theo một hướng trong mạch và ngăn dịng điện theo hướng ngược lại BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 6 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Chúng ta sẽ thấy được tính phi tuyến này có rất nhiều ứng dụng trong thiết kế mạch điện tử Để hiểu được hiện tượng này, chúng ta sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa dịng điện qua điốt và điện áp đặt trên nó Thơng tin này được gọi là đặc tuyến iv của điốt Điện áp vD đặt trên các cực điốt, iD là dịng qua điốt BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 7 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.2.1 Điốt và điện áp đặt lên nó Các chi tiết quan trọng nhất của đặc tính iv được thể hiện trong hình 3.2.2 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 8 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 9 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.2.2 Đồ thị đặc tuyến iv của điốt lớp tiếp giáp pn Rõ ràng là nó khơng tuyến tính Với điện áp nhỏ hơn khơng, điốt hồn tồn khơng dẫn điện Với iD ≅ , khi điện áp tăng hơn khơng, dịng điện vẫn gần bằng khơng cho đến khi điện áp vD vượt q xấp xỉ 0.5 đến 0.7V Ở điểm này, dịng điện tăng lên rất nhanh BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 10 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Diod Schottky mở ở một điện áp thấp hơn điện áp mở lớp pn, như trong hình 3.7.2. Nó làm giảm đáng kể lượng điện tích trong theo điện áp thuận Ứng dụng quan trọng của diod Schottky là mạch lơgíc lưỡng cực (trong chương 10 giáo trình). Diod Schottky cũng có các ứng dụng quan trọng mạch chỉnh lưu công suất lớn và chuyển mạch nhanh 3.8 Phân tích mạch điốt Bây giờ sẽ bắt đầu phân tích các mạch có chứa diod là giới thiệu các mơ hình mạch đơn giản hố cho diod. Hình BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 46 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT 3.8.1 là mạch nối tiếp gồm một nguồn áp, một điện trở và một diod. Chú ý là V R có thể biểu diễn mạch tương đương Thévenin của một mạch hai cửa phức tạp hơn. Cũng cần ý thay đổi quy ước hình 3.8.1 Trong các mạch phân tích phần tiếp theo, điện áp nguồn, điện áp trên diod và dịng qua diod là các đại lượng một chiều. (Nhắc lại là các thành phần một chiều của tổng các iD và vD tương ứng là ID và VD) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 47 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.8.1 Mạch diod chứa nguồn áp và điện trở Một mục đích thơng thường của việc phân tích mạch diod là để tìm điểm hoạt động thụ động, hay điểm Q của diod. Điểm Q này bao gồm dịng điện và điện áp một chiều BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 48 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT (ID và VD) mà nó xác định điểm hoạt động của đặc tuyến iv của diod. Chúng ta bắt đầu phân tích bằng việc viết vịng lặp cho mạch của hình 3.8.1: V = IDR + VD (3.8.1) Phương trình 3.8.1 biểu diễn mối quan hệ ở điểm hoạt động của diod với các phần tử của mạch điện. Đặc tuyến iv của diod trong hình 3.8 biểu diễn các giá trị cho phép của ID VD được xác định bằng bản thân diod trạng thái BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 49 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT rắn. Giải pháp đồng thời của hai tập quan hệ này sẽ xác định điểm Q Phân tích tải Trong một số trường hợp, đặc tuyến iv của thiết bị trạng thái rắn chỉ có thể có dạng đồ thị, như trong hình 3.8.2. Do vậy cần dùng cách tiếp cận đồ thị (phân tích tải) để tìm giải pháp đồng thời cho phương trình 3.8.2 với đặc tuyến đồ thị. Phương trình 3.8.1 xác định đường tải của diod BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 50 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.8.2 Đặc tuyến iv và đường tải của diod BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 51 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Mơ hình diod lý tưởng Là mơ hình diod đơn giản nhất. Đặc tuyến iv của diod lý tưởng trong hình 3.8.3 bao gồm hai phần đường thẳng. Nếu diod là dẫn điện (điện thế thuận), thì điện áp trên diod là bằng khơng. Nếu diod là điện thế ngược, với vD 0 iD = 0 với vD ≤ 0 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 52 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Ký hiệu đặc biệt trong hình 3.8.3 được dùng để biểu diễn diod lý tưởng trong sơ đồ mạch Bây giờ chúng ta có thể thấy diod có hai trạng thái. Diod hoặc là dẫn điện hay là ở trạng thái mở, hoặc là khơng dẫn điện hay là trạng thái đóng. Để phân tích mạch, chúng ta dùng các mơ hình trong hình 3.8.4 với hai trạng thái. Nếu diod là mở, thì nó là mơ hình ngắn mạch, có dây. Với trạng thái đóng, diod có mơ hình là mạch hở, hay khơng kết nối BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 53 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.8.3 Đặc tuyến iv và ký hiệu mạch của diod lý tưởng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 54 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.8.4 Các mơ hình cho trạng thái đóng và mở của diod lý tưởng 3.9 Các mạch chỉnh lưu điốt Chỉnh lưu nửa chu kỳ với điện trở BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 55 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình 3.9.1 Mạch chỉnh Hình 3.9.2 Các mơ hình diod cho hai lưu nửa chu kỳ trạng thái chỉnh lưu nửa chu kỳ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 56 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT CHỈNH LƯU CẦU CẢ CHU KỲ Hình 3.9.3 Mạch chỉnh lưu cầu cả chu kỳ với điện áp ra dương 3.10 Các điốt quang, phát quang, pin mặt trời BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 57 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Diod quang, pin mặt trời Nếu vùng cạn kiệt của một diod lớp pn được chiếu sáng với ánh sáng có tần số đủ lớn, thì các hạt ánh sáng có thể cung cấp đủ năng lượng để làm electron nhảy qua cách dải bán dẫn, tạo thành các cặp electron lỗ trống. Khi q trình hấp thụ ánh sáng xảy ra, các hạt ánh sáng tới phải có một năng lượng Ep lớn hơn cách dải của bán dẫn: Ep h hc (3.10.1) EG BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 58 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Trong đó h = hằng số Plăng (6.626 × 1034 Js) υ = tần số ánh sáng λ = bước sóng ánh sáng c = vận tốc ánh sáng (3 × 108 m/s) Các diod phát quang (LED – Light Emitting diode) Các diod phát quang, hay LED dựa việc các electron và lỗ trống qua sự kết hợp lại chứ không phải tạo hạt mang điện, trường hợp diod quang. Khi một lỗ trống và electron kết hợp lại, một năng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 59 BÀI 3 ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT lượng bằng cách dải của bán dẫn có thể được giải phóng dưới dạng hạt ánh sáng. Q trình kết hợp này có trong diod lớp tiếp xúc pn mắc thuận. Trong silic, thực tế q trình kết hợp liên quan đến sự tương tác giữa các hạt ánh sáng và các dao động lưới tinh thể được gọi là phonon. Q trình phát quang trong silic khơng hiệu quả như trong bán dẫn hợp chất IIIV GaAs hay các hợp chất ba ngun tố GaIn1xAsx và GaIn1xPx. Các LED trong các bán dẫn tạp chất này cho ánh sáng nhìn thấy và màu có thể điều khiển được bằng cấu tạo hợp chất bằng cách thay đổi tỉ lệ x của asen hay phốtpho trong tạp chất BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 60 ... logarithm như trong hình? ?3. 4.1 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 22 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình? ?3. 4.1 Đặc tuyến iv của điốt theo thang chia logarithm BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 23 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT... nhưng ở giá trị giới hạn là IS khi? ?điện? ?áp nhỏ hơn – 0.1V BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 13 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT IS được gọi là dịng? ?điện? ?bão hồ ngược, hay dịng bão hồ của điốt BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 14 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT... tạp chất càng nhiều thì? ?điện? ?áp đánh thủng càng nhỏ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 28 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 29 BÀI? ?3? ?ĐIỐT TRẠNG THÁI RẮN VÀ CÁC MẠCH ĐIƠT Hình? ?3. 5.1 Đặc tuyến iv của điốt có vùng đánh thủng.