Bài giảng Điện tử 1: Phần 1 - Trường ĐH Công nghệ Sài Gòn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng môn "Điện tử 1" trang bị cho sinh viên các kiến thức về nguyên tắc hoạt động và mạch áp dụng các linh kiện bán dẫn như: Diode, Transistor, FET, UJT, PUT SCR TRIAC. Phần 1 của bài giảng có nội dung trình bày về: diode và các mạch ứng dụng; transistor – các phương pháp phân cực. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Điện tử 1: Phần 1 - Trường ĐH Công nghệ Sài Gòn

LỜI NÓI ĐẦU Bài giảng môn Điện Tử 1 trang bị cho sinh viên các kiến thức về nguyên tắc hoạt động và mạch áp dụng các linh kiện bán dẫn như: Diode, Transistor, FET, UJT, PUT SCR TRIAC. . . Mỗi linh kiện được giới thiệu trong môn học bao gồm hai mục chính: Đặc tính của mỗi chân ra trên linh kiện. Các nội dung lý thuyết khác nhằm giải thích đặc tính của mỗi chân ra của linh kiện. Các nội dung trình bày trong môn học dưới dạng: tóm lược các phương trình và các định luật mô tả nguyên tắc hoạt động của linh kiện, kèm theo là các thí dụ làm sáng tỏ và thuyết minh các qui luật áp dụng trong quá trình khảo sát linh kiện. Với thời gian 45 tiết, môn học được trình bày trong 5 chương: Chương 1 bao gồm hai nội dung chinh. Nội dung thứ nhứt trình bày các kiến thức cơ bản về vật liêu bán dẫn n và p. Trong nội dung này tóm lược lại các kiến thức vật lý cơ lượng tử cũng như hóa học có liên quan đến chất bán dẫn. Khảo sát tính chất của mối nối pn là cấu trúc cơ bản để tạo thành các linh kiện bán dẫn. Nội dung thứ hai trình bày nguyên tắc hoạt động đặc tính của các loại diode. Trong chương này các mạch ứng dụng của diode được đề cập đến là mạch chỉnh lưu bán kỳ, toàn kỳ và mạch ổn áp dùng diode Zener. Các thông số của mạch chỉnh lưu, phương pháp san phẳng áp trên ngõ ra mạch chỉnh lưu dùng tụ. Phương thức xác định dảy thông số làm việc của mạch ổn áp dùng diode Zener khi tải thay đổi hay nguồn áp DC cấp vào mạch thay đổi. Cấu trúc của bộ nguồn biến đổi áp xoay chiều (AC) thành một chiều (DC). Chương 2 trình bày nguyên tắc hoạt động và các phương pháp phân cực định điểm làm việc tỉnh (DC) cho transistor (BJT) loại pnp hay npn. Sơ lược về công dụng, các chế độ hoạt động và các đặc tuyến của Transistor. Các phương trình cân bằng dòng và áp sử dụng trong mỗi phương pháp phân cực. Phân tích ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp phân cực khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Tính ổn định của điểm làm việc tỉnh khi nhiệt độ thay đổi. Chương 3 trình bày nguyên tắc hoạt động dùng hiệu ứng trường của Transistor: JFET và MOSFET. Các thông số và đặc tuyến đặc trưng tính chất của mỗi loại FET. Phương pháp phân cực FET và MOSFET. Phương pháp áp dụng các tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất để định thông số cho FET. Các bài toán đặc biệt áp dụng để khảo sát mạch phân cực FET. Chương 4 trình bày nguyên tắc hoạt động, đặc tuyến volt ampere và các mạch áp dụng cho họ thyristor (linh kiện có 4 lớp bán dẫn) . Các linh kiện được khảo sát bao gồm: SUS, DIAC, TRIAC, SCR... Một loại linh kiện khác dùng tạo mạch phát xung kích khởi cho các linh kiện SCRvà TRIAC là UJT và PUT cũng được khảo sát đến trong chương 4. Mạch áp dụng UJT hay PUT được khảo sát đến là dao động tích thoát và các điều kiện để duy trì dao động. Chương 5 trình bày nguyên tắc chung của mạch khuyếch đại biên độ nhỏ dùng transistor. Các dạng mạch khuếch đại được khào sát đến bao gồm các dạng: CE; CC và CB. Trong từng dạng mạch khuếch đại trình bày: phương pháp giải tích, mạch tương đương AC và các độ lợi khuếch đại áp, dòng và công suất. Sau mỗi chương từ 1 đến 5 sinh viên nên giải các bài tập để lý luận và áp dụng các nội dung lý thuyết đã được giới thiệu và khảo sát. Người Biên soạn NGUYỄN-THÊ-KIỆT
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 1 CHƯƠNG 01 DIODE VÀ CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 1.1.TỔNG QUAN VỀ CHẤT BÁN DẪN: 1.1.1.TÓM TẮT VỀ CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ Theo lý thuyết cổ điển, nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của phần tử còn duy trì được đặc tính của phần tử đó. Mẫu nguyên tử theo Borh bao gồm: nhân chứa các hạt mang điện tích dương được gọi là proton và các hạt mang điện tích âm là electron chuyển động trên các quỉ đạo bao quanh nhân. Với các nguyên tử khác loại số lượng electron và proton trên mỗi nguyên tử có giá trị khác nhau, xem hình H1.1. Các nguyên tử được sắp xếp thứ tự trên bảng phân loại tuần hoàn tương ứng với “nguyên tử số” (atomic number). Nguyên tử số được xác định theo số lượng proton chứa trong nhân. Trong điều kiện bình thường các nguyên tử ở trạng thái trung hòa, mỗi nguyên tử có số lượng electron HÌNH H 1.1 và proton bằng nhau. Các điện tử chuyển động trên các tầng quỉ đạo quanh nhân với các khoảng cách khác nhau. Mỗi tầng quỉ đạo điện tử tương ứng với mức năng lượng khác nhau. Quỉ đạo điện tử càng gần nhân điện tử có mức năng lượng thấp và khi quỉ đạo càng xa nhân mức năng lượng điện tử cao hơn. Trong nguyên tử những quỉ đạo được ghép thành nhóm trong các băng năng lượng (energy bands) được gọi là shell. Tương ứng với nguyên tử chọn trước số lượng shells cố định. Mỗi shell có số điện tử tối đa cố định tại các mức năng lượng cho phép. Mức năng lượng chênh lệch giữa các quỉ đạo trong cùng một shell phải nhỏ hơn mức năng lượng chênh lệch giữa hai shell kế cận nhau. Các shell được đánh số thứ tự 1, 2 , 3 ..từ trong nhân ra ngoài , xem hình H 1.2. Các điện tử càng xa nhân có mức năng lượng càng cao nhưng kém liên kết chặt với nguyên tử so với các điện tử nằm gần nhân. Lớp shell nằm ngoài cùng được gọi là valence shell (lớp vỏ hóa trị) và các điện tử trong tầng này được gọi là điện tử hóa trị. Các điện tử hóa trị tham gia vào các phản ứng hóa học, kết nối trong cấu trúc vật liệu cũng như các tính chất về điện của vật liệu. Khi nguyên tử hấp thu nhiệt năng hay quang năng, HÌNH H 1.2 năng lượng của các điện tử gia tăng. Các điện tử hóa trị có khả năng nhảy đến tầng quỉ đạo có mức năng lượng cao hơn trong shell hóa trị. Khi các điện tử hóa trị hấp thụ năng lượng ngoài đủ để thoát khỏi lớp shell ngoài cùng của nguyên tử, bây giờ nguyên tử mang điện tích dương do số lượng proton bây giờ nhiều hơn lượng electron. Quá trình mất các điện tử hóa trị được gọi là sự ion hóa và nguyên tử bây giờ được gọi là ion dương. Các điện tử hóa trị thoát ra khỏi nguyên tử được gọi là electron tự do. Khi các electron hóa trị mất năng lượng và trở về tầng quỉ đạo trên shell ngoài cùng của nguyên tử trung hòa cho ta ion âm. Tổng số lượng điện tử tối đa trên một shell của nguyên tử được xác định theo quan hệ: Ne  2n2 (1.1) Trong đó, là số thứ tự của shell tính từ trong nhân ra phía ngoài. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
2 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 1.1.2.CHẤT DẪN ĐIỆN, CHẤT CÁCH ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Tất cả vật liệu được tạo thành từ các nguyên tử. Những nguyên tử này có liên quan đến đặc tính điện bao gồm cả tính dẫn điện của vật liệu. Với mục tiêu khảo sát các tính chất điện của vật liệu, nguyên tử được biểu diễn bởi các điện tử hóa trị và phần lỏi bao gồm nhân và các shell bên trong. Carbon là loại vật liệu được dùng làm điện trở có nguyên tử bao gồm 4 electrons hóa trị trên shell hóa trị và 2 electron trên tầng trong cùng, nhân bao gồm 6 protons và 6 neutrons. Ta nói phần lỏi (core) của nguyên tử có tổng điện tích là +4 (do 6 protons và 2 electrons HÌNH H 1.3 tạo nên, xem hình H1.3. 1.1.2.1.CHẤT DẪN ĐIỆN (CONDUCTOR) Chất dẫn điện là vật liệu cho phép dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Các chất dẫn điện rất tốt là vật liệu đơn nguyên tử như : đồng, bạc, vàng , nhôm. Nguyên tử hình thành các vật liệu này là loại nguyên tử chỉ có một electron hóa trị và electron này dễ dàng thoát khỏi nguyên từ để thành electron tự do. Như vậy vật dẫn là vật liệu có khả năng chứa nhiều electrons tự do. 1.1.2.2.CHẤT CÁCH ĐIỆN (INSULATOR) Chất cách điện là vật liệu không cho dòng điện đi qua trong điều kiện bình thường của môi trường. Hầu hết chất cách điện là hợp chất không thuộc dạng vật liệu đơn nguyên tử. Các điện tử hóa trị liên kết chặt với phần lỏi của nguyên tử. Trong chất cách điện rất hiếm các điện tử tự do. 1.1.2.3.CHẤT BÁN ĐIỆN (SEMICONDUCTOR) Chất cách điện là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Chất bán dẫn thuần không phải là chất dẫn điện tốt cũng không phải là chất cách điện tốt. Chất bán dẫn đơn nguyên tử thông thường bao gồm: Si (Silicon) ; Ge (germanium); C (Carbon). Hợp chất bán dẫn như là: Gallinium Asernide. Với các chất bán dẫn đơn nguyên tử ta có được 4 điện tử hóa trị trên shell hóa trị . 1.1.3.DÃY NĂNG LƯỢNG (ENERGY BANDS): Với shell hóa trị của nguyên tử biểu diễn mức của dãy năng lượng dùng kềm giữ các điện tử hóa trị trên shell hóa trị. Mức năng lượng này được gọi là dãy hóa trị (valence band). Khi các điện tử hấp thu được đủ năng lượng để thóat khỏi shell hóa trị trở thành điện tử tự do và tiếp tục duy trì trạng thái này trong dãy năng lượng khác được gọi là dãy dẫn (conduction band) xem hình H1.4. Khoảng chênh lệch năng HÌNH H 1.4 lượng giữa dãy hóa trị và dãy dẫn được gọi là khe năng lượng (energy gap). Khi điện tử hấp thu đủ năng lượng bằng mức khe năng lượng để đến dãy dẫn, điện tử di chuyển tự do trong vật liệu và không liên kết với bất kỳ nguyên tử nào khác. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 3 Trong hình H1.4 trình bày giản đồ phân bố năng lượng của vật liệu cho thấy kết quả sau: Với chất cách điện: khe năng lượng rất rộng, các điện tử hóa trị không thể nhảy đến dãy dẫn trừ khi có thêm các điều kiện phá hủy trạng thái như trường hợp đặt điện áp có giá trị rất cao (cao áp) ngang qua lớp vật liệu. Với chất bán dẫn khe năng lượng hẹp hơn so với trường hợp chất cách điện. Khi khe năng lượng hẹp lại vài điện tử hóa trị có thể nhảy sang dãy dẫn trở thành các điện tử tự do. Với chất dẫn điện các dãy hóa trị và dãy dẫn phủ chồng lên nhau, như vậy trong vật dẫn có rất nhiều điện tử tụ do. 1.1.4.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT DẪN ĐIỆN VÀ CHẤT BÁN DẪN: Trong hình H1.5 trình bày nguyên tử của đồng là chất dẫn điện và nguyên tử Silicon của chất bán dẫn. Phần lõi của nguyên tử Silicon có điện tích tổng là +4 (14 ptotons và 10 electrons). Phần lõi của nguyên tử đồng có điện tích tổng là +1 (29 protons và 28 HÌNH H 1.5 electrons). 4 điện tử hóa trị trên Phần lõi là vật lớp shell ngoài cùng thể đã loại trừ các điện tử hóa trị. Điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng “cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +1 của phần lõi nguyên tử, trong khi điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon “cảm nhận” lực hấp dẫn do điện tích +4 từ phần lõi nguyên tử. Ta nói lực hấp dẫn lên điện tử HÌNH H 1.6 hóa trị trong nguyên tử Silicon gấp 4 lần lực hấp dẫn lên điện tử hóa trị trong nguyên tử đồng. Hơn nữa điện tử hóa trị của đồng trên lớp shell thứ 4 và điện tử hóa trị của Silicon trên lớp shell thứ 3, điện tử hóa trị của đồng xa nhân hơn so với điện tử hóa trị của Silicon nên năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử đồng cao hơn so với năng lượng của điện tử hóa trị của nguyên tử silicon.Từ các nhận xét trên cho thấy điện tử hóa trị của đồng dễ dàng hấp thu năng lượng để nhảy đến dãy dẫn thành điện tử tự do khi so sánh với điện tử hóa trị của nguyên tử Silicon. Thực tế tại điều kiện nhiệt độ môi trường bình thường bêntrong đồng có chứa rất nhiều điện tử tự do. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
4 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 1.1.5.SO SÁNH CẤU TRÚC NGUYÊN TỬ CỦA CHẤT BÁN DẪN SILICON VÀ GERMANIUM: Trong hình H1.6. trình bày cấu trúc nguyên tử của các chất bán dẫn Silicon và Germanium. Silicon là chất bán dẫn được sử dụng rộng rãi để chế tạo các linh kiện: diode, transistor, mạch tích hợp (IC – intergrated circuit) . Các nguyên tữ Silicon và Germanium có cùng số lượng điện tử hóa trị ( 4 điện tử hóa trị). Tuy nhiên các điện tử hóa trị của Germanium ở lớp shell thứ 4 trong khi các điện tử hóa trị của Silicon ở lớp shell thứ 3 gần nhân hơn. Điều này cho thấy khả năng hấp thu năng lượng để trở thành điện tử tự do của các điện tử hóa trị trong nguyên tử Germanium dễ dàng hơn các điện tử hóa trị trong nguyên tử Silicon. Do tính chất này Germanium thường không ổn định tại nhiệt độ cao , đây là lý do cơ bản khiến Silicon được dùng rộng rãi hơn . 1.1.6.NỐI CỘNG HÓA TRỊ (COVALENT BONDS): Khi các nguyên tử tổ hợp tạo thành vật rắn, tinh thể vật liệu, chúng tự sắp xếp theo mô hình đối xứng. Các nguyên tử trong cấu trúc tinh thể nối kết với nhau bằng nối cộng hóa trị, kết nối này được hình thành do sự tương tác giữa các điện tử hóa trị trong các nguyên tử. Silicon là loại vật liệu tinh thể (crystalline material). Trong hình H1.7 trình bày cấu trúc của tinh thể Silicon tạo bởi các HÌNH H 1.7 nguyên tử Silicon. Một nguyên tử Silicon sẽ chia xẻ các điện tử hóa trị với 4 nguyên tử Silicon khác lân cận hình thành 4 nối cộng hóa trị. Sau cùng trên tầng ngoài cùng của các nguyên tử có đủ 8 điện tử, đạt trạng thái cân bằng hóa học. Sự chia xẻ các điện tử hóa trị tạo thành 4 nối cộng hóa trị có tính chất liên kết các nguyên tử với nhau, tinh thể thuần nhất (intrinsic crystal) không tạp chất (no impurities) của silicon tạo bởi nối cộng hóa trị trình bày trong hình H.1.8. Tinh thể Germanium cũng có kết cấu tương tự vì có 4 điện tử hóa trị trên lớp shell ngoài cùng. HÌNH H1.8 1.1.8.TÍNH DẪN ĐIỆN TRONG VẬT LIỆU BÁN DẪN: Phương thức dẫn dòng điện qua vật liệu là kiến thức quan trọng dùng giải thích nguyên lý hoạt động của linh kiện điện tử. Như đã trình bày, các điện tử trong nguyên tử chỉ có thể thoát ra trong và ổn định trong các dãy năng lượng định trước. Mỗi shell quanh nhân tương ứng với dãy năng lượng nào đó và cách biệt với các shell khác lân cận bằng các khe năng lượng. Trong hình H1.9 trình bày giản đồ của các dãy năng lượng của các nguyên tử trong tinh thể silicon thuần khiết không được kích thích (không có năng lượng bên ngoài như ánh sáng tác động vào nguyên tử). STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 5 Điều kiện này chỉ xãy ra tại nhiệt độ tuyệt đối 0o Kelvin. 1.1.8.1.TÍNH DẪN CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: Một tinh thể silicon thuần khiết tại nhiệt độ môi trường có đủ nhiệt năng để vài điện tử hóa trị nhảy qua khe năng lượng từ dãy hóa trị đến dãy dẫn để trở thành điện tử tự do. Các điện tử tự do được gọi là các điện tử dẫn (conduction electrons). Sự kiện này được trình bày trong giản đồ năng lượng (energy diagram) và giản đồ nối cộng hóa trị (bonding diagram) trong hình H1.10. Khi điện tử nhảy sang dãy dẫn tạo sự khiếm khuyết trong dãy hóa trị của tinh thể. Vị trí khiếm khuyết này gọi là lỗ trống (hole). Với mỗi điện tử hấp thu năng lượng ngoài và nhảy đến dãy dẫn sẽ hình thành lổ trống trong dãy hóa trị, tại lúc này ta có một cặp điện tử và lỗ trống, xem hình H1.10. HÌNH H1.9 HÌNH H1.10 Tại nhiệt độ bình thường của môi trường, trong một tinh thể Silicon quá trình hình thành cặp điện tử tự do và lổ trống tạo ra một cách ngẩu nhiên, xem hình H1.11. 1.1.8.2.DÒNG ĐIỆN TẠO BỞI CỦA ELECTRONS VÀ LỔ TRỐNG: Khi cấp điện áp một chiều ngang qua hai đầu của của một tấm tinh thể Silicon, xem hình H.1.12. , các điện tử tự do trong dãy dẫn sẽ di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể và dễ dàng đi về phía cực dương (+) của nguồn áp cung cấp. HÌNH H1.11 STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
6 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG Sự chuyển động của các điện tử tự do trong tinh thể bán dẫn hình thành một loại dòng điện qua chất bán dẫn được gọi là dòng điện tạo bởi các điện tử (electron current). Một loại dòng điện khác xuất hiện trong dãy hóa trị khi lỗ trống được sinh ra . Các điện tử HÌNH H1.12 còn lại trong dãy hóa trị vẫn còn liên kết với các nguyên tử của chúng và không thể di chuyển tự do một cách ngẩu nhiên trong cấu trúc tinh thể như các điện tử tụ do. Tuy nhiên, điện tử hóa trị có thể di chuyển đến các lổ trống lân cận với sự thay đổi rất ít năng lượng của nó và tạo thành lổ trống khác khi điện tử hóa trị này di chuyển. Như vậy lỗ trống xem như di chuyển một cách thực sự từ vị trí này sang vị trí khác trong tinh thể chất bán dẫn. Sự di chuyển của các lổ trống hình thành dòng điện lỗ trống ( holes current), xem hình H..1.13. Điện tử hóa trị di Điện tử tự chuyển đến lổ Điện tử hóa trị di chuyển do rời lổ trống thứ 4 và đến lổ trống thứ 2 và tạo trống trong tạo lổ trống thứ 5 lổ trống thứ 3 shell hóa trị Điện tử hóa trị di Điện tử hóa trị di Điện tử hóa trị di chuyển đến lổ chuyển đến lổ trống thứ chuyển đến lổ trống thứ trống thứ 1 và 5 và tạo lổ trống thứ 6 3 và tạo lổ trống thứ 4 tạo lổ trống thứ 2 Khi điện tử hóa trị di chuyển từ trái sang phải lắp đầy lổ trống và tạo ra lổ trống khác, thì lổ trống xem như di chuyển ngược lại từ phải sang trái. Mủi tên màu xám chỉ hướng chuyển động thực sự của các lổ trống. HÌNH H1.13 1.1.9.BÁN DẪN LOẠI N VÀ BÁN DẪN LOẠI P: Các vật liệu bán dẫn không dẫn điện tốt và có giới hạn tại trạng thái thuần khiết, do số lượng rất ít các điện tử tự do trong dãy dẫn và lỗ trống trong dãy hóa trị. Silicon thuần khiết (hay germanium) phải được cải thiện bằng cách gia tăng lượng điện tử tự do hay lổ trống để gia tăng tính dẫn tạo thành các linh kiện điện tử hữu ích. Công việc này được thực hiện bằng cách thêm tạp chất vào vật liệu thuần khiết. Có hai loại vật liệu bán dẫn không thuần khiết (extrinsic semiconductor) là bán dẫn loại n và bán dẫn loại p. Tính dẫn của silicon và germanium có thể được gia tăng một cách mạnh mẽ bằng cách kiểm soát tạp chất thêm vào vật liệu bán dẫn thuần khiết. Phương thức này gọi là phụ gia làm tăng các hạt tải : điện tử hay lổ trống. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 7 1.1.9.1.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng điện tử trong dãy dẫn của silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 5 được thêm vào. Các nguyên tử có 5 điện tử hóa trị chẳng hạn như : As (arsenic); P (phosphorus) ; Bi (bismuth) và Sb (antimony). Trong hình H1.14 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử Sb với 4 nguyên tử Si lân cận. Bốn điện tử hóa trị của Sb dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên từ Si và một điện tử thừa tách ly thành điện tử tụ do không liên kết với các nguyên tử. Nguyên tử có hóa trị 5 dùng làm tăng điện tử tự do được gọi là nguyên tử cho (donor atom). HÌNH H1.14 Số lượng điện tử tự do được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào. HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Phương pháp tạo ra các điện tử tự do theo phương thức này không hình thành lổ trống trong dãy hóa trị. Bán dẫn tạo nên từ Silicon (hay Germanium) liên kết với nguyên tử hóa trị 5 được gọi là bán dẫn loại n và dòng tải được tạo nên do các điện tử. Trong trường hợp này các điện tử được gọi là hạt tải đa (majority carriers) trong bán dẫn loại n. Mặc dù dòng tải chủ yếu là do các điện tử nhưng cũng có một số lổ trống được tạo ra khi có điện tử thóa khỏi tầng hóa trị do tác dụng nhiệt. Các lổ trống này không được tạo thành do sự thêm vào cấu trúc nguyên tử tạp chất hóa trị 5. Lổ trống trong chất bán dẫn n được gọi là hạt tải thiểu (minority carriers). 1.1.9.2.BÁN DẪN LOẠI N: Để gia tăng lượng lổ trống trong bán dẫn silicon thuần khiết, một nguyên tử có hóa trị 3 được thêm vào. Các nguyên tử có 3 điện tử hóa trị chẳng hạn như : B (boron); In (indium) và Ga (gallium). Trong hình H1.15 trình bày liên kết cộng hóa trị của một nguyên tử B với 4 nguyên tử Si lân cận. Ba điện tử hóa trị của B dùng tạo nối cộng hóa trị với 4 nguyên tử Si và thiếu một điện tử nên tạo thành lỗ trống. Nguyên tử có hóa trị 3 có thể lấy thêm một điện tử nên được gọi là nguyên tử nhận (acceptor atom). Số lượng lỗ trống được kiểm soát bởi số lượng nguyên tử tạp chất thêm vào và các lỗ trống được tạo HÌNH H1.15 bởi phương thức trên không đi cùng với điện tử tụ do. HẠT TẢI ĐA (MAJORITY CARRIERS) VÀ HẠT TẢI THIỂU (MINORITY CARRIERS) Dòng điện tải trong trường hợp này là do các lỗ trống, chất bán dẫn silicon (hay germanium) liên kết với nguyên tử hóa tri 3 cho bán dẫn loại p. Lỗ trống có thể hiểu là điện tích dương; vì khi nguyên tử thiếu đi một điện tử, điện tích toàn phần của nguyên tử mang giá trị dương. Lổ trống xem là hạt tải đa trong bán dẫn loại p. Mặc dù dòng dẫn trong bán dẫn p chủ yếu là do các lỗ trống, nhưng cũng vẫn có một số điện tử tự do sinh ra khi có sự tác động nguồn nhiệt bên ngoài. Các điện tử tự do này không được tạo do sự thêm vào tạp chất là nguyên tử hóa trị 3. Điện tử trong chất bán dẫn p là hạt tải thiểu. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
8 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 1.2.DIODE: Tiếp giáp pn 1.2.1.ĐỊNH NGHĨA VÀ CẤU TẠO: Bán dẫn p Bán dẫn n Khi tạo thành mối nối pn giữa khối bán dẫn loại n và khối bán dẫn p ta có diode cơ bản. Diode là linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện qua nó theo một hướng định trước. Trong hình H1.16 trình bày cấu tạo cơ bản của mối nối pn, trong vùng p có nhiều lổ trống (hạt tải đa) và có vài điện tử tử do (hạt tải thiểu) Lổ trống Điện tử tự do sinh ra do tác dụng nhiệt. Trong vùng n chứa nhiều điện tử tự do HÌNH H1.16 (hạt tải đa) và một số rất ít lỗ trống (hat tải thiểu). Như đã trình bày trong các mục trên, bán dẫn loại p tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 3 như boron. Các lỗ trống hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa nguyên tử boron và nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. Tương tự , bán dẫn loại n tạo nên từ nguyên tử silicon kết hợp với tạp chất là nguyên tử có hóa trị 5 như antimony. Các điện tử hình thành khi có các nối cộng hóa trị giữa một nguyên tử tạp chất với bốn nguyên tử silicon. Tuy nhiên tổng số proton và tổng số điện tử (bao gồm các điện tử tự do) bằng nhau trong vật liệu; nên vật liệu có tính trung hòa về điện. 1.2.2.VÙNG NGHÈO (DEPLETION REGION): Với cấu tạo của mối nối pn trong hình H1.16, các điện tử tự do trong vùng n di chuyển một cách ngẫu nhiên theo mọi hướng. Khi đã tạo thành mối nối pn, các điện tử tự do gần mối nối trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang vùng p, tại dây chúng tái hợp với các lỗ trống gần mối nối, xem hình H.1.17. Tiếp giáp pn Vùng nghèo (deplete region) Điện thế rào cản (Barrier Voltage) a./ Tại lúc hình thành mối nối pn, các điện tử tự b./ Với mỗi điện tử tự đo khuếch tán sáng mối nối và tái hợp do trong vùng n bắt đầu khuếch tán sang mối nối với lổ trống, điện tích dương để lại trong vùng n và điện tích và tái hợp với các lỗ trống năm gần mối nối trong âm hình thành trong vùng p. Các điện tích này tạo thành vùng p điện thế rào cản. Tác động này diển tiến tiếp tục cho đến khi điện thế rào cản ngăn được quá trình khuếch tán HÌNH H1.17 HÌNH H1.18 STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 9 Khi hình thành mối nối pn, vùng n mất đi điện tử khi khuếch tán sang mối nối. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích dương gần mối nối. Khi điện tử di chuyển sang mối nối, vùng p sẽ mất đi các lổ trống do sự tái hợp. Sự kiện này sinh ra lớp điện tích âm gần mối nối. Hai lớp điện tích dương và âm tạo thành vùng nghèo (depletion region), xem hình H1.17. Danh từ “nghèo” được sử dụng cho vùnbg gần tiếp giáp pn do sự thiết hụt các hạt tải tùy thuộc vào quá trình khuếch tán tại mối nối. Cần nhớ rằng, vùng nghèo hình thành rất nhanh và có độ dầy rất mỏng so với độ dầy của các lớp bán dẫn p và n. Quá trình khuếch tán chấm dứt khi vùng nghèo tạo thành rào cản ngăn cản các điện tử đi qua mối nối. 1.2.3.ĐIỆN THẾ RÀO CẢN (BARRIER POTENTIAL): Tại bất kỳ lúc nào có điện tích dương và điện tích âm đặt gần nhau thì có lực tương tác giữa các điện tích theo luật Coulomb. Trong vùng nghèo có nhiều điện tích dương và điện tích âm xếp đối diện nhau tại tiếp giáp pn. Lực tương tác giữa các điện tích trái dấu hình thành điện trường, xem hình H1.18 . Điện trường này có khuynh hướng ngăn cản các điện tử tự do trong vùng n vượt qua tiếp giáp pn và mức năng lượng phải được dùng đến để di chuyển điện tử qua khỏi vùng nghèo. Như vậy cần cấp năng lượng ngoài để điện tử di chuyển ngang qua vùng có điện trường rào cản trong vùng nghèo. Điện thế chênh lệch tạo bởi điện trường ngang qua vùng nghèo là lượng điện áp cần thiết để di chuyển điện tử tự do qua khỏ điện trường rào cản. Điện thế chênh lệch này gọi là điện thế rào cản được tính bằng Volt. Nói một cách khác,cần một lượng điện áp nào đó bằng điện thế rào cản vàcó cực tính tương ứng được đặt ngang qua tiếp giáp pn trước khi các điện tữ tụ do hình thành dòng ngang qua mối nối. Quá trình này được gọi là phân cực. Điện thế rảo cản phụ thuộc vào một số các hệ số bao gồm lạoi vật liệu bán dẫn, hàm lượng tạp chất và nhiệt độ. Với Silicon điện thế rảo cản có giá trị khoảng 0,7 V và với Germanium điện thế rào cản có giá trị khoảng 0,3 V tại nhiệt độ môi trường 25oC. 1.2.4.GIẢN ĐỔ NĂNG LƯỢNG TẠI MỐI NỐI PN VÀ VÙNG NGHÈO 2 Hạt tải thiểu Hạt tải đa Dãy dẫn Dãy dẫn Dãy Dãy hoá trị hoá trị Hạt tải đa Hạt tải thiểu Vùng nghèo a./ Tại lúc hình thành tiếp giáp pn b./ Tại trạng thái cân bằng HÌNH H1.19 Các dãy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu n có các mức năng lượng hơi thấp hơn so với mức năng lượng của các dảy hóa trị và dãy dẫn trong vật liệu p. Điều này là do sự khác biệt tính chất nguyên tử giữa các nguyên tử tạp chất hóa trị 3 và hóa trị 5 tạo nên. Giản đồ phân bố năng lượng của mối nối pn trình bày trong hình H1.19. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
10 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG Các điện tử tự do trong chất n choán đầy vùng trên của dãy dẫn tại mức năng lượng đủ để khuếch tán dễ dàng qua mối nối, các điện tử này không cần tích lủy thêm năng lượng. Sau khi khuếch tán qua mối nối, các điện tử này thải ra nhanh chóng năng lượng và rơi vào các lỗ trống trong vùng p trên dãy hóa trị (xem hình H1.19 a). Khi sự khuếch tán diển tiến tiếp tục bắt đầu tạo thành vùng nghèo, mức năng lượng của dãy dẫn trong vật liệu n giảm dần. Sự giảm thấp mức năng lượng trong dãy dẫn trong vật liệu n tùy thuộc năng lượng thải ra của các điện tử tự do khi thực hiện quá trình tái hợp khi chúng khuếch tán sang vật liệu p. Khi không còn các điện tử tự do rời khởi dãy dẫn trong vùng n sang mối nối pn mực trên của dãy dẫn vùng n và mực dưới của dãy dẫn vùng p thẳng hàng với nhau. Tại lúc này mối nối đạt trạng thái cân bằng và vùng nghèo được hình thành. Ngang qua vùng nghèo có một mức chênh lệch năng lượng tác động một đồi năng lượng ( “energy hill”) ngăn cản các điện tử tự do từng vùng n leo sang vùng p. Cần chú ý khi mức năng lượng của dãy dẫn trong vùng n hạ thấp thì mức năng lượng của dãy hóa trị cũng giảm thấp. 1.2.5.PHÂN CỰC DIODE: 1.2.5.1.PHÂN CỰC THUẬN: Phân cực diode là cấp điện áp một chiều (DC) ngang qua hai đầu diode. Phân cực thuận là sự phân cực tạo điều kiện thuận lợi cho dòng đi ngang qua mối nối pn. Điện áp phân cực ngoài được ký hiệu là VBIAS , cần nối tiếp diode với điện trở ngoài để giới hạn dòng có giá trị quá lớn qua diode, có thể làm hỏng mối nối pn. HÌNH H1.20 Khi phân cực thuận, cần nhớ: Đầu () của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn n của diode . Đầu (+) của nguồn áp VBIAS nối đến lớp bán dẫn p của diode . Giá trị của điện áp VBIAS phải lớn hơn giá trị của điện thế rào cản. Hình H1.21 trình bày quá trình hình thành dòng qua diode lúc phân cực thuận. Quá trình này được hình dung như là quá trình đẩy các điện tử tử do là các hạt tải chính từ vùng n qua mối nối pn đến vùng p. Vì nguồn áp phân cực được cấp liên tục, duy trì dòng điện tử qua mạch ngoài sau khi HÌNH H1.21 qua vùng p. Như đã trình bày trong các mục trên, sau khi các điện tử đến vùng p thải bớt các năng lượng và rơi vào dãy hóa trị vùng p, trong dãy này hiện các lỗ trống là các hạt tải đa. Lúc này quá trình tái hợp sẽ không diễn ra vì tác dụng của cực (+) nguồn áp VBIAS có khuynh hướng tác động kéo các điện tử đi về phía nguồn. Các lổ trống trong vùng p tạo thành môi trường hay đường dẫn (path way) để các điện tử hóa trị đi ngang qua vùng này, điện tử tử lỗ trống này sang lỗ trống kế tiếp để đi đến cực dương cũa nguồn áp phân cực. Chúng ta có thể xem như lổ trống làm thành phương tiện để các điện tử đi ngang qua vùng p. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 11 Khi các điện tử qua khỏi vùng p, các điện tử trờ thành các điện tử dẫn trong vật dẫn. Hơn nữa với vật dẫn điện do dãy hóa trị và dãy dẫn nằm chồng lên nhau nên các điện tử trong vật dẫn trở thành điện tử tự do dễ dàng hơn so với trường hợp bán dẫn. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN VÙNG NGHÈO Khi có nhiều điện tử đi ngang qua vùng nghèo, số lượng ion dương giảm xuống, tương tự khi có nhiều lỗ trống đi ngang qua vùng nghèo số lượng ion âm giảm xuống. Quá trình giảm thấp các ion dương và ion âm trong vùng này làm thu hẹp vùng nghèo. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÂN CỰC THUẬN LÊN ĐIỆN THẾ RÀO CẢN Theo phân tích trên chính các ion dương và ion âm trong vùng nghèo phân bố hai phía mối nối pn tạo thành “đồi năng lượng “ ngăn càn các điện tử tự do khuếch tán sang mối nối tại trạng thái cân bằng. “Đồi năng lượng” này chính là điện thế rào cản. Khi phân cực thuận, các điện tử tự do được cung cấp đủ năng lượng do nguồn áp phân cực ngoài vượt qua điện thế rào cản leo qua “đồi năng lượng” đi ngang qua vùng nghèo. Năng lượng cần cung cấp cho các điện tử bằng với năng lượng của điện thế rào cản. Nói cách khác các điện tử nhận được năng lượng ngoài bằng với điện thế rào cản và đi qua vùng nghèo. 1.2.5.2.PHÂN CỰC NGHỊCH: Phân cực nghịch là điều kiện cần thiết ngăn cản dòng điện đi qua diode. Trong hình H1.22 trình bày nguồn DC cấp vào diode theo trạng thái tạo phân cực nghịch: đầu (+) của áp phân cực VBIAS được nới đến vùng n của diode và đầu (–) được nối đến vùng p của diode. Vùng nghèo sẽ tăng rộng hơn so với trạng thái phân cực thuận hay trạng thái cân bằng. Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử HÌNH H1.22 tự do là các hạt tải đa trong vùng n ra xa khỏi mối nối pn. Khi các điện tử di chuyển về phía đầu (+) của nguồn áp sẽ tạo ra các ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng nghèo làm giảm các hạt tải đa, xem hình H1.23. Trong vùng p, các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào như là các điện tử hóa trị di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác lân cận để đến vùng nghèo tạo thành các ion âm. Hiện tượng này làm mở rộng vùng nghèo. Dòng điện tử hóa trị có thể xem tương đương như dòng lổ trống HÌNH H1.23: được “kéo” về phía đầu () của nguồn áp phân cực. Quá trình quá độ của các hạt tải diễn ra và kết thúc trong khoảng thời gian rất ngắn ngay sau khi cấp điện áp phân cực vào diode. Khi vùng nghèo mở rộng và giảm nhanh các hạt tải đa, điện trường tạo bởi các ion dương và ion âm gia tăng cho đến khi tạo thành điện áp ngang qua vùng nghèo có giá trị bằng điện áp phân cực.Tại lúc này dòng quá độ chấm dứt và cho dòng phân cực ngược có giá trị rất bé. DÒNG PHÂN CỰC NGƯỢC Dòng điện phân cực ngược có giá trị rất bé xuất hiện ngay sau khi dòng qua độ kết thúc, dòng điện này được tạo nên do các hạt tải thiểu trong vùng n và p tạo ra, đây là các cặp điện tử lổ trống tạo ra do ảnh hưởng của nhiệt độ. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
12 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG Một lượng nhỏ của các điện tử tự do trong vùng p được “đẩy” đến mối nối pn do tác dụng của đầu () của nguồn áp phân cực. Đến vùng nghèo các điện tử thải ra năng lượng và kết hợp với các hạt tải thiểu trong vùng n như các điện tử hóa trị và đi đến đầu (+) của nguồn áp phân cực tạo thành dòng lổ trống rất bé. Vì dảy dẫn trong vùng p có mức năng lượng cao hơn dảy dẫn trong vùng n, do đó các điện tử là các hạt tải thiểu dễ dàng đi ngang qua vùng nghèo vi chúng không cần thêm tích lủy thêm năng lượng. Dòng điện ngược trong diode khi phân cực ngược HÌNH H1.24: được trình bày trong hình H1.24. PHÁ VỞ PHÂN CỰC NGƯỢC (REVERSE BREAKDOWN) Dòng điện phân cực nghịch thường có giá trị rất nhỏ và có thể bỏ qua. Mặc dù vậy, khi điện áp ngoài phân cực ngược được gia tăng đến giá trị được gọi là “điện áp phá vở” (breakdown voltage), dòng điện ngược gia tăng một cách mãnh liệt. Với giá trị cao của điện áp phân cực ngược mang đến năng lượng cho các điện tử tải thiểu, làm tăng tốc cho chúng đi qua vùng p va chạm các nguyên tử với mức năng lượng đủ lớn làm bật ra các điện tử hóa trị khỏi quỉ đạo trong dảy dẫn. Các điện tử hóa trị bị đánh bật khỏi quỉ đạo tăng nhanh số lượng, khi các điện tử có mức năng lượng cao qua được vùng nghèo chúng có đủ năng lượng để đến vùng n như các điện tử dẫnvà không thực hiện quá trình tái hợp với lổ trống. Quá trình nhân các điện tử dẫn như vừa trình bày được gọi là hiện tượng “avalanche” và tạo ra dòng điện ngược có giá trị rất lớn có thể phá hủy diode do quá trình nhiệt tiêu tán trong diode tăng quá mức. 1.2.6.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE: 1.2.6.1.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC THUẬN (FORWARD BIAS): a./ Điện áp phân cực thuận thấp VF < 0,7 V b./ Điện áp phân cực thuận đạt đến và duy trì VF = 0,7 V dòng điện phân cực thuận rất bé. Dòng điện phân cực tiếp tục gia tăng khi áp phân cực VBIAS gia tăng. HÌNH H1.25 STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 13 Đặc tuyến Volt Ampere là đồ thị hay đường biểu diễn mô tả quan hệ điện áp giữa hai đầu diode với dòng điện qua diode. Thực hiện mạch thí nghiệm theo hình H1.25 để xác định đặc tuyến Volt Ampere cho diode lúc phân cực thuận, gọi: VF : điện áp đặt ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận. VBIAS : điện áp phân cực cấp vào mạch diode. IF : dòng điện qua diode lúc phân cực thuận. Kết quả thí nghiệm ghi nhận như sau:  Khi VF  0 V không có dòng qua diode IF  0 A . Khi gia tăng điện áp ngoài phân cực VBIAS điện áp VF gia tăng và dòng phân cực thuận IF gia tăng dần.  Khi điện áp VBIAS đến mức để điện áp VF  0,7 V , xấp xỉ bằng điện thế rào cản đặt ngang qua vùng nghèo của mối nối pn, dòng điện IF gia tăng nhanh.  Khi tiếp thục gia tăng điện áp VBIAS , dòng điện IF càng gia tăng nhưng điện áp ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7 V . IF IF VF VF a./ Đặc tuyến Volt Ampere lúc b./ Mở rộng đặc tuyến trong hình a . Điện trở động r’d giảm phân cực thuận diode. dần giá trị khi điểm làm việc di chuyển lên phía trên HÌNH H1.26: Đặc tuyến Volt Ampere phân cực thuận của diode 1.2.6.2.ĐIỆN TRỞ ĐỘNG (DYNAMIC RESISTANCE): Khi mở rộng (hay khuếch đại) đặc tuyến Volt Ampere của diode lúc phân cực thuận như trong hình H1.26 b, điện trở động của diode được định nghĩa như sau: VF r 'd  (1.2) IF Điện trở động lúc phân cực thuận diode không là hằng số và có giá trị thay đổi dọc theo đặc tuyến. Điện trở động còn được gọi là điện trở AC. Chú ý theo lý thuyết của linh kiện bán dẫn các điện trở nội bên trong các linh kiện điện tử được ký hiệu bằng các ký tự thường như là r thay vì dùng ký hiệu R. Giá trị điện trở động bắt đầu giảm trong vùng khuỷu (knee) của đặc tuyến và có giá trị nhõ hơn trên vùng cao hơn điểm khuỷu. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
14 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 1.2.6.3.ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE KHI PHÂN CỰC NGHỊCH (REVERSE BIAS):  Khi cấp điện áp ngoài phân cực nghịch ngang qua hai đầu diode, ta chỉ nhận được dòng điện ngược IR có giá trị rất nhỏ đi ngang qua mối nối pn. Với điện áp ngang qua diode là 0V sẽ không tạo thành dòng điện ngược IR  0 A .  Gia tăng dần điện áp phân cực nghịch, ta nhận được dòng điện ngược rất bé và điện áp ngược VR đặt ngang qua hai đầu diode.  Khi điện áp phân cực nghịch gia tăng đến mức cao hơn, áp ngược VR đặt trên hai đầu diode đạt đến mức bằng áp phá vở phân cực nghịch VBR dòng điện ngược gia tăng rất nhanh.  Nếu tiếp tục gia tăng điện áp phân cực ngược, dòng điện tiếp tục gia tăng rất nhanh, nhưng áp ngược trên diode chỉ hơi gia tăng so với giá trị VBR . Trạng thái phá vở với các trường hợp ngoại lệ không là trạng thái HÌNH H1.27: Đặc tuyến Volt Ampere làm việc bình thường của hầu hết các mối nối bán dẫn phân cực nghịch của diode pn. Đặc tuyến volt Ampere của diode lúc phân cực nghịch trình bày trong hình H1.27 1.2.6.4. ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE: Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp của diode cho các trạng thái phân cực thuận và phân cực nghịch trình bày trong hình H1.28. Cần chú ý thang đo dòng IF tính theo [mA] ; trong khi thang đo của dòng IR Itính theo [µA]. ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ Khi nhiệt độ gia tăng, trên đặc tuyến phân cực thuận dòng IF gia tăng khi xét tại điện áp VF định trước. Ngược lại tươg ứng với giá HÌNH H1.28: Đặc tuyến Volt Ampere tổng hợp các trạng thái trị dòng phân cực thuận IF chọn phân cực thuận và phân cực nghịch của diode trước áp phân cực thuận VF giảm. Điện thế rào cản giảm thấp giá trị khi nhiệt độ gia tăng. Với đặc tuyến phân cực nghịch khi nhiệt độ gia tăng dòng phân cực nghịch IR gia tăng. Sự khác biệt giữa các đặc tuyến Volt Ampere vẽ tại 25oC và tại nhiệt độ cao hơn trình bày trong hình H1.28. Điều quan trọng cần nhớ, dòng phân cực nghịch trước khi xãy ra hiện tượng phá vở phân cực nghịch (breakdown) có giá trị rất thấp không đáng kể có thể bỏ qua. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 15 1.2.6.5. PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TUYẾN VOLT AMPERE CỦA DIODE THEO SCHOCKLEY: Theo lý thuyết Vật Liệu Bán Dẫn, áp dụng hàm xác suất theo Fermi-Dirac để tiên đoán sự trung hòa điện tích ta có được phương trình tỉnh (không thay đổi theo thời gian) của dòng điện qua mối nối pn của diode xác định theo William Bradford Schockley:  v.VD  iD  Io .  e T  1 (1.3)     Trong đó: kT VT  [V] , với hằng số Boltzmann k = 1,38.10-23 [J/oK] và T [oK] là nhiệt độ tuyệt đối q tại mối nối pn của diode . iD [A] : dòng tức thời qua diode. vD [V] : điện áp tức thời đặt ngang qua hai đầu diode. q [C] : điện tích của electron (âm điện tử); q = 1,6.10-19 C.  : hằng số tới hạn (  = 1 cho Ge và  = 2 cho Si ) Io [A] : dòng điện bảo hòa tại trạng thái phân cực nghịch. THÍ DỤ 1.1: Tại nhiệt độ môi trường 27oC xác định giá trị áp VT trong quan hệ (1.3). GIẢI Ta có nhiệt độ tuyệt đối ứng với 27oC xác định theo quan hệ: T  o K   273    o C  (1.4) Nên: T = 273 + 27 = 300oK Suy ra: kT 1,38.10 23.300 VT    258,75.10 4  V  q 1,6.10 19 Như vậy: VT = 25,875 mV Với diode loại Si ta suy ra quan hệ sau” vD vD   19,3237.vD .VT 2.0,025875 Phương trình đặc tuyến Volt Ampere của diode Si tại nhiệt độ 27oC được viết lại như sau: iD  Io .  e19,3237.vD  1 (1.5) Vì e19,3237.vD  1 ta viết lại dạng gần đúng cho quan hệ (1.5) như sau: iD  Io .  e19,3237.vD  (1.6) Tương tự quan hệ (1.3) được viết lại theo dạng gần đúng như sau:  vD     .VT  iD  Io .e (1.7) Từ quan hệ (1.2) định nghĩa cho điện trở động của diode, dựa vào quan hệ (1.7) ta suy ra biểu thức xác định điện trở động của diode lúc phân cực thuận theo quan hệ sau: dvD r 'D  (1.8) diD STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
16 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG Viết lại quan hệ (1.7) theo dạng sau: i  vD  .VT .Ln.  D  (1.9)  Io  Suy ra: dvD .VT r 'D   (1.10) diD iD Tại nhiệt độ môi trường 27oC (tương ứng 300oK) quan hệ (1.10) được viết lại như sau: .0,0258 r 'D  (1.11) iD Với diode thuôc loại Ge hằng số tới hạn  = 1 , điện trở động của diode Ge tại nhiệt độ 27oC được xác định theo quan hệ: 0,026 r 'D Ge  (1.12) iD Tương tự với diode thuôc loại Si hằng số tới hạn  = 2 , điện trở động của diode Si tại nhiệt độ 27oC được xác định theo quan hệ: 0,052 r 'D Si  (1.13) iD 1.3.CÁC MÔ HÌNH CỦA DIODE: Trong hình H1.29 trình bày hình dạng của các diode dùng trong thực tế. Mục tiêu chính của diode dùng thực hiện mạch chỉnh lưu. Vùng n của mối nối pn được gọi là cathod, ký hiệu là K và vùng n A K được gọi là anod, ký hiệu là HÌNH H1.29: Hình dạng của một số mẫu diode thực. A 1.3.1.MÔ HÌNH DIODE LÝ TƯỜNG: Mô hình diode lý tưởng được xem tương đương như khóa điện. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. Điện thế rào cản, điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến. STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG 17 RLIMIT : Điện trở giới hạn dòng trong mạch diode Diode lý tưởng Diode lý tưởng a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng HÌNH H1.30 Trong hình H1.30 trình bày đặc tuyến Volt Ampere của diode lý tưởng. Khi bỏ qua điện thế rào cản và điện trở động của diode khi phân cực thuận diode điện áp đặt ngang qua 2 đầu diode là VF  0 V . Dòng điện phân cực thuận được xác định theo định luật Ohm như sau: VBIAS IF  (1.14) RLIMIT Khi bỏ qua dòng điện ngược, IR  0 A , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp VBIAS. Mô hình diode lý tưởng thường được áp dụng trong trường hợp cần xác định nguyên tắc hoạt động của mạch điện tử (xác định định tính) và chưa cần quan tâm đến các giá trị chính xác của áp và dòng trong mạch (chưa cần thiết xác định định lượng một cách chính xác). 1.3.2.MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM CỦA DIODE: Mô hình thực nghiệm của diode chính là mô hình lý tưởng của diode được thêm vào điện thế rào cản. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản VF  0,7 V . Điện áp này duy trì giá trị trong suốt quá trình phân cực thuận Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện làm hở mạch. Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. Điện trở động và dòng điện ngược được bỏ qua không xét đến. Diode thực nghiệm Diode thực nghiệm a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode thực nghiệm HÌNH H1.31 STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010
18 BÀI GIẢNG ĐIỆN TỬ 1 – CHƯƠNG 1 – DIODE VÀ CÁC MẠCH ÁP DỤNG Dòng phân cực thuận xác định theo điẹnh luật K2 như sau, xem hình H1.31 a: VBIAS  VF  RLIMIT .IF Suy ra: VBIAS  VF IF  (1.15) RLIMIT Dòng điện ngược qua diode là IR  0 A , điện áp phân cực ngược bằng giá trị áp VBIAS. 1.3.3.MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH CỦA DIODE: Diode hoàn chỉnh Độ dốc phụ Diode hoàn chỉnh thuộc vào giá trị điện trở thuận Dòng điện ngược nhỏ tùy thuộc vào điện trở ngược có giá trị lớn a./ Phân cực thuận diode b./ Phân cực nghịch diode c./ Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh HÌNH H1.32 Mô hình hoàn chỉnh của diode bào gồm: mô hình của diode lý tưởng thêm vào điện thế rào cản, điện trở động phân cực thuận có giá trị nhỏ r 'd và điện trở nội phân cực nghịch r 'R có giá trị lớn. Khi diode phân cực thuận, nó tác động như khóa điện đóng kín mạch. Trong trạng thái này mạch tương đương bao gồm khóa điện nối tiếp với nguồn áp rào cản 0,7 V và nối tiếp với điện trở động r 'd . Khi diode phân cực nghịch, nó tác động như khóa điện hở mạch, đấu song song với điện trở nội phân cực nghịch r 'R . Điện thế rào cản không ảnh hưởng trạng thái phân cực nghịch. Đặc tuyến Volt Ampere của diode hoàn chỉnh trình bày trong hình H1.32c. Điện áp xuất hiện ngang qua hai đầu diode lúc phân cực thuận xác định theo quan hệ sau: VF  0,7 V  r 'd .IF (1.16) Dòng qua diode tại trạng thái phân cực thuận xác định theo quan hệ: VBIAS  0,7 V IF  (1.17) RLIMIT  r 'd Dòng điện ngược tại trạng thái diode phân cực nghịch : VBIAS IR  (1.18) RLIMIT  r 'R STU – KHOA CƠ KHÍ – TÀI LIỆU LƯU HÀNH NỘI BỘ – BIÊN SOẠN : NGUYỄN THẾ KIỆT – 2010