2 MƠ HÌNH CỔ ĐIỂN CHO MẠCH CHỈNH LƯU SỬ DỤNG ĐIÔT BÁN DẪN
2.1.3 Nguyên tắc hoạt động của Điốt
Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn N (chứa các điện tử tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối N. Cùng lúc khối P lại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang. Kết quả là khối P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích
điện dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống).
Hình 2.9: Điện áp tiếp xúc hình thành.
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các ngun tử trung hịa. Q trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Sự tích điện âm bên khối P và dương bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UT X). Điện trường sinh ra bởi điện áp có hướng từ
khối N đến khối P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc. Lúc này ta nói tiếp xúc
P−N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng
0.7V đối với điôt làm bằng bán dẫn Si và khoảng0.3V đối với điôt làm bằng bán dẫn Ge.
Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các điện tử và lỗ trống dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hịa. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn điện tự do nên được gọi là vùng nghèo (depletion region). Vùng này không dẫn điện tốt, trừ phi điện áp tiếp xúc được cân bằng bởi điện áp bên ngoài. Đây là cốt lõi hoạt động của điốt.
Nếu đặt điện áp bên ngoài ngược với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống không bị ngăn trở bởi điện áp tiếp xúc nữa và vùng tiếp giáp dẫn điện tốt.
Luận văn Thạc sĩ Chun ngành Tốn ứng dụng
Hình 2.10: Điệp áp ngồi ngược chiều điện áp tiếp xúc, tạo ra dòng điện.
Nếu đặt điện áp bên ngoài cùng chiều với điện áp tiếp xúc, sự khuếch tán của các điện tử và lỗ trống càng bị ngăn lại và vùng nghèo càng trở nên nghèo hạt điện tự do. Nói cách khác điơt chỉ cho phép dịng điện qua nó khi đặt điện áp theo một hướng nhất định.
Hình 2.11: Điệp áp ngồi cùng chiều điện áp tiếp xúc, ngăn dịng điện.
Điơt chỉ dẫn điện theo một chiều từ anode sang cathode.
Hình 2.12: Ký hiệu và hình dáng của Điơt bán dẫn.
Theo ngun lý dịng điện chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, muốn có dịng điện qua điơt theo chiều từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp, cần phải đặt ở anode một điện thế cao hơn ở cathode. Khi đó ta cóUAK >0và ngược chiều với điện áp tiếp xúcUT X ( U tiếp xúc). Như vậy muốn có dịng điện qua điơt thì điện trường doUAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là:UAK >UT X. Khi đó một phần của
điện ápUAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng0.6V), phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua điốt.
KhiUAK >0, ta nói điơt phân cực thuận và dịng điện qua điơt lúc đó gọi
là dịng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức I-FORWARD hoặc ID tức I-DIODE). Dịng điện thuận có chiều từ anode sang cathode.
KhiUAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì điơt trở nên dẫn điện rất tốt, tức là điện trở của điơt lúc đó rất thấp (tầm khoảng vài chục Ohm). Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng vớiUT X. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng vớiUT X cần khoảng0.6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0.1V đến 0.5V tùy theo dòng thuận vài chục m A hay lớn đến vài
Amper e. Như vậy giá trị củaUAK đủ để có dịng qua điơt khoảng 0.6V đến
1.1V. Ngưỡng 0.6V là ngưỡng điôt bắt đầu dẫn và khiUAK =0.7V thì dịng qua Điơt khoảng vài chụcm A.
Nếu Điơt cịn tốt thì nó khơng dẫn điện theo chiều ngược cathode sang anode. Thực tế là vẫn tồn tại dịng ngược, nếu điơt bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dịng điện ngược rất nhỏ (cỡ µA) và thường
không cần quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi điôt chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn (V B R là ngưỡng chịu đựng của Điơt) thì điơt bị đánh thủng, dịng điện qua điơt tăng nhanh và đốt cháy điốt. Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ hai điều kiện sau đây:
• Dịng điện thuận qua điơt khơng được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, có thể tra cứu trong các tài liệu của hãng sản xuất để xác định).
• Điện áp phân cực ngược (tứcUK A) không được lớn hơnV B R (ngưỡng đánh thủng của điốt, do nhà sản xuất cung cấp).
Ví dụ:Điơt1N4007có thơng số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau
V B R=1000V,I F max=1A,V F =1.1V khiI F =I F max. Những thơng số trên
cho biết:
- Dịng điện thuận qua điôt không được lớn hơnI F max=1A.
- Điện áp ngược cực đại đặt lên điôt không được lớn hơnV B R=1000V. - Điện áp thuận (tứcUAK) có thể tăng đếnI F max=1Anếu dòng điện thuận
bằngV F =1.1V. Cũng cần lưu ý rằng đối với các điơt chỉnh lưu nói chung thì khiUAK =0.6V thì điơt đã bắt đầu dẫn điện và khiUAK =0.7V thì dịng qua điơt đã đạt đến vài chụcm A.
Luận văn Thạc sĩ Chuyên ngành Toán ứng dụng