II. Diode
2. Nguyên tắc làm việc, đặc tuyến Von-ampe của diode
+ Nguyên tắc làm việc của diode
Dựa trên tính chất dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P - N. Hình bên là sơ đồ cấp nguồn cho diode.
Khi đ−a điện áp ngoài có cực d−ơng nối vào anốt, cực âm nối vào catốt (UAK > 0) thì diode sẽ dẫn điện và trong mạch có dòng điện chạy qua (coi nh− ngắn mạch). Khi electron dịch chuyển từ bên N (catot) sang bên P (anot) do sự chênh lệch nồng độ thì sự thiếu hụt này sẽ đ−ợc cực âm
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
của nguồn pin cung cấp. Đồng thời, cực d−ơng của nguồn cũng thu lại các electron này từ bên P. Khi này ng−ời ta nói chuyển tiếp P - N đ−ợc phân cực thuận và diode nh− một khoá đóng làm ngắn mạch.
Khi điện áp ngoài có cực âm nối vào anốt, d−ơng nối vào catốt (UAK < 0) diode sẽ bị khoá (coi nh− làm hở mạch). Sở dĩ vậy là do các điện cực hút electron bên N về phía cực d−ơng còn lỗ trống bên P lại bị hút về phía cực âm, nghĩa là các hạt dẫn điện bị kéo về hai đầu cực. Điều này làm cho số hạt dẫn trong vùng nghèo giảm đi rõ rệt và hoạt động nh− một chất cách điện. Ta
nói chuyển tiếp P - N phân cực ng−ợc và diode nh− một khoá mở làm ngắt mạch (thực chất là chỉ có dòng điện ng−ợc rất nhỏ chạy qua)
+ Đặc tuyến Von-ampe của diode
Đặc tuyến Von-ampe của diode biểu thị mối quan hệ giữa dòng điện qua diode và điện áp đặt giữa 2 chân cực anốt và catốt (UAK). Đây chính là đặc tuyến Von-ampe của lớp chuyển tiếp P - N vì bộ phận chính của diode là lớp chuyển tiếp P - N.
I = f (UAK)
Dòng điện chạy qua diode đ−ợc tính theo công thức tính dòng điện qua chuyển tiếp P - N. Trong biểu thức này ta chỉ việc thay UAK vào vị trí của Vngoài và ta sẽ có: I = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −1 ) . exp( . T AK S V V I η
η = 2 với dòng điện nhỏ (Si) và η = 1 với dòng điện lớn (Ge)
Phần thuận của đặc tuyến (khi UAK > 0)
+ Khi UAK < UD: dòng điện tăng chậm theo quy luật hàm mũ là: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −1 ) . 2 exp( T AK V V
(thông th−ờng khi này Ith < 1% Ithmax)
+ Khi UAK > UD: dòng điện tăng nhanh hơn theo quy luật hàm mũ là:
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ −1 ) exp( T AK V V
(tăng gần nh− tuyến tính với điện áp)
Trong đó UD đ−ợc gọi là điện áp ng−ỡng của diode. Khi UAK = UD thì diode mới bắt đầu đ−ợc tính là phân cực thuận, lúc này dòng điện thuận mới đủ lớn và bằng 0,1Ithmax
Ithmax là dòng điện thuận cực đại cho phép của diode, diode không đ−ợc làm việc
với dòng điện cao hơn trị số này. Điện áp ứng với giá trị Ithmax đ−ợc gọi là Ubh, nó có giá trị khoảng 0,8V đối với diode Ge và khoảng 1,2V đối với diode Si.
Với diode Ge giá trị UD≈ 0,3V và với diode Si giá trị UD≈ 0,7V
Vùng phân cực thuận có đặc tr−ng là dòng lớn (mA), điện áp nhỏ và điện trở nhỏ (Ω)
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
Phần ng−ợc của đặc tuyến Von-ampe
Vùng phân cực ng−ợc (hay còn gọi là vùng khoá của diode) với đặc tr−ng là dòng nhỏ có giá trị IS0 (àA)gần nh− không đổi, áp lớn (hàng chục cho tới hàng trăm V tuỳ từng loại diode) và điện trở lớn (hàng chục nghìn Ω)
Khi UAK tăng tới một giá trị Udt thì dòng điện ng−ợc tăng vọt, ng−ời ta gọi đó là
hiện t−ợng đánh thủng chuyển tiếp P - N. Hiện t−ợng này làm mất khả năng chỉnh l−u của diode (trừ diode Zene là diode sử dụng đoạn đánh thủng của đặc tuyến để ổn định điện áp). Điện áp tại điểm đánh thủng gọi là điện áp đánh thủng và ký hiệu là Udt.
Udt có giá trị khoảng 12V đối với diode tách sóng và khoảng 100V đối với diode nắn điện.
Có 2 hiện t−ợng đánh thủng: đánh thủng vì điện và đánh thủng vì nhiệt
+ Đánh thủng vì nhiệt th−ờng xảy ra với Ge khi nhiệt l−ợng thoát ra nhỏ hơn nhiệt l−ợng sinh ra trong chuyển tiếp. Nói cách khác, có sự tích luỹ nhiệt trong quá trình hoạt động của diode. Khi đó dòng ng−ợc tăng nhanh, dòng ng−ợc tăng lại làm nhiệt độ tăng …. Qúa trình liên tục theo một chu trình và tới một giới hạn nào đó thì dòng ng−ợc lớn sẽ đánh thủng chuyển tiếp (đánh thủng vĩnh viễn).
Nguyên nhân: nhiệt năng đ−ợc cung cấp trực tiếp cho nguyên tử bán dẫn nền và làm bật ra các điện tử, ng−ời ta gọi đây là hiện t−ợng phát xạ cặp điện tử - lỗ trống do nhiệt. Khi này số điện tử và lỗ trống trội hơn hẳn so với hạt dẫn sinh ra do quá trình ion hoá tạp chất.
+ Đánh thủng vì điện th−ờng xảy ra với diode Si. Có 2 cơ chế là đánh thủng xuyên hầm và đánh thủng thác lũ
Đánh thủng xuyên hầm (đánh thủng Zene) là hiện t−ợng đánh thủng lớp chuyển tiếp P - N theo cơ chế xuyên hầm. Sự đánh thủng sẽ xảy ra khi điện tr−ờng đặt lên chuyển tiếp đạt giá trị tới hạn nào đó. Khi này điện tr−ờng ion hoá chính những nguyên tử chất bán dẫn nền và làm số hạt dẫn tăng đột ngột, kéo theo dòng ng−ợc tăng đột ngột.
Thông th−ờng giá trị tới hạn của c−ờng độ điện tr−ờng đặt lên chuyển tiếp P - N là 3.107V/m với diode Ge và 8.107 V/m với diode Si.
Đánh thủng thác lũ là hiện t−ợng đánh thủng lớp chuyển tiếp P - N theo có chế thác lũ, nghĩa là sự ion hoá các nguyên tử của mạng tinh thể bởi sự va chạm với các hạt tải điện mạng năng l−ợng lớn. Khi này điện tr−ờng gia tốc cho điện tử và lỗ trống làm cho chúng chuyển động nhanh và va chạm với các nguyên tử trong mạng gây ra hiện t−ợng ion hoá do va chạm. Nh− vậy số cặp điện tử và lỗ trống tăng lên và kết quả là dòng điện qua chuyển tiếp tăng mạnh.
Chú ý:
+ Điện áp đánh thủng tỉ lệ nghịch với nồng độ pha tạp chất trong chất bán dẫn. Chất bán dẫn pha tạp càng nhiều thì điện áp đánh thủng càng nhỏ. Tuỳ theo vật liệu mà điện áp đánh thủng có thể từ vài V tới vài chục ngàn V.
+ Đánh thủng xuyên hầm là quá trình xảy ra tức thời. Đánh thủng thác lũ cần có một thời gian để gia tốc cho hạt dẫn.
+ Độ rộng miền điện tích không gian càng rộng thì đánh thủng thác lũ càng xảy ra mãnh liệt (do đoạn tăng tốc cho hạt dẫn dài nên tốc độ hạt dẫn lớn) còn đánh thủng zene không bị ảnh h−ởng.
Ch−ơng III: Linh kiện tích cực
ph−ơng pháp bên ngoài nào đó (chiếu sáng hoặc bắn phá ion…) nh−ng điều này không làm ảnh h−ởng tới đánh thủng zene.