2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
E
tx
Diode là một linh kiện bán dẫn 2 cực, cấu tạo cơ bản
dựa trên chuyển tiếp PN. Điện cực nối với bán dẫn P
gọi là Anode (A), điện cực nối với bán dẫn N gọi là
Cathode (K).
28 trang |
Chia sẻ: nyanko | Lượt xem: 2816 | Lượt tải: 1
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Bài giảng Chương 2: Diode bán dẫn, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chương 2 Diode bán dẫn
2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Etx
Diode là một linh kiện bán dẫn 2 cực, cấu tạo cơ bản
dựa trên chuyển tiếp PN. Điện cực nối với bán dẫn P
gọi là Anode (A), điện cực nối với bán dẫn N gọi là
Cathode (K).
Ký hiệu
Mt sô hình dáng ca các loi diode
Ký hiu ca diode bán dn
+ -vD
iD→A K
2.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Vùng nghèo
Trong đó:
I0: dòng điện ngược bão hòa
q: điện tích electron, q=1.6×10-19C
k: hằng số Boltzmann, k=1.38×10-23J/K
T: nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (K)
η: hằng số có giá trị trong khoảng từ 1 đến 2
−=
−= 11 00
TV
Dv
kT
Dqv
D
eIeIi
ηη
Ở nhiệt độ phòng
(T=300K), VT≈26mV
2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode
q
kT
V
T
= : điện thế nhiệt
V
Dv
eI
η
0
TV
Dv
eI
η
0
2.2 Đặc tuyến Volt-Ampe (V-A) của diode
V2.3 Các mô hình mạch diode tương đương
Mô hình tương đương của diode ở chế độ DC
γV
γV
γV
γV
Mô hình lý tưởng:
Mô hình sụt áp hằng:
Mô hình sụt áp hằng
với điện trở Rf:
2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn
1. Đin tr" mt chi$u (đin tr" tĩnh):
-Theo chiều thuận:
(Có giá vài Ω đ+n vài ch,c Ω)
-Theo chiều ngược:
(Có giá tr. r/t l0n, hàng trăm KΩ)
th
th
fth
I
V
RR ==
ng
ng
rng
I
V
RR ==
2. Đin tr" xoay chi$u :
I
V
r
d ∆
∆
=
- Khi diode làm việc trên điểm gián đoạn: )(Ω+= B
T
d rI
V
r
- Khi diode làm việc với dòng cao thì có thể bỏ qua rB .
)(
.
Ω+= Bd rI
0260
r- Ở nhiệt đô^ phòng:
3. Đin dung t5ơng đ5ơng:
C0 = C hàng rào + C khu+ch tán
4. Mt vài tham sô gi0i hn khác:
- Điện áp ngược cực đại cho phép V ngược max.
- Dòng điện thuận cực đại cho phép Imax.
- Công suất tiêu hao cực đại cho phép Pmax.
- Tần sôZ cực đại cho phép của tín hiệu xoay chiều fmax.
2.4 Các tham sôZ của diode bán dẫn
2.5 Phân tích mạch DC chứa diode
Trong thực tế, để dễ dàng trong việc phân tích mạch,
đặc tuyến của diode được xem như thẳng đứng.
Vγ = 0.6V ÷0.7V đối với diode Silicon
Vγ = 0.2V÷0.3V đối với diode Germanium
Diode lý tưởng: Vγ = 0V
E
VD
ID Vo
ID = (E – Vγ)/R
Vo = ID.R
Có thể xem diode hở mạch trong
trường hợp E < Vγ và ngắn mạch
trong trường hợp ngược lại => hoạt
động như một khóa đóng ngắt.
V(V)
I(mA)
Vγ
Diode dẫn
Diode tắt
0
Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có Vγ
=0.7V như hình vẽ. Tìm dòng điện I1, I2 và ID2
ĐS:
I1=0.212mA
I2=3.32mA
ID2=3.108mA
V(V)
I(mA)
0.70
2.5 Phân tích mạch DC chứa diode
2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
tsinAE)t(v ω+=
Chế độ tín hiệu nhỏ được xem là chế độ mà dòng và áp
của linh kiện thay đổi trên một đoạn đủ nhỏ của đặc
tuyến để có thể xem linh kiện như phần tử tuyến tính.
Tìm dòng và áp trên diode?
→ Dùng nguyên lý x+p ch?ng (ch@ dùng cho phAn tB tuy+n tính).
2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
( ) ( )At
rR
A
R
VE
iIti
d
dDD
sinωγ
+
+
−
=+=
( ) ( )Vt
rR
rA
VvVtv
d
d
dDD
sin
.
ωγ +
+=+=
- Đối với nguồn DC:
I = (E – 0.7) / R (A)
- Đối với nguồn AC:
)(
026.0
Ω=
D
d
I
r (Giả sử bỏ qua điện trở rB)
Ví dụ: Cho mạch điện dùng diode loại Si có
Vγ=0.7 như hình vẽ. Cho vs(t)=0.1cosωt (V),
Vb=2V. Tìm vD và iD
ĐS:
iD(t)=6+0.92cosωt (mA)
vD(t)= 0.7+0.004cosωt (V)
2.6 Phân tích mạch tín hiệu nhỏ cho diode
2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)
Phân tích tín hiệu nhỏ có thể sử dụng phương pháp
đôv thị: đường tải DC biểu diễn mối quan hê^ của I,V
trên diode khi có phân cực của điện áp DC.
2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)
- Điểm làm việc của diode chính là giao điểm của
đường tải và đặc tuyến.
- Giao điểm này được gọi là điểm làm việc tĩnh, ký hiệu
là Q.
2.7 Phương trình đường tải DC (DCLL)
2.8 Phân tích tín hiệu lớn cho diode
Một diode được xem là hoạt động dưới chế độ tín hiệu lớn khi sự
thay đổi của dòng điện và điện áp của diode mở rộng ra trên toàn
bộ đặc tuyến.
Khi điện trở của một diode thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn, nó hoạt
động giống như một công tắc (switch).
Diode có thể được xem như một công tắc được điều khiển bằng
điện áp: đóng khi được phân cực thuận và mở khi phân cực
ngược.
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
- Mạch chỉnh lưu là mạch chỉ cho phép dòng điện chảy
qua nó theo một chiều.
- Biến điện xoay chiều thành điện một chiều.
- Diode sử dụng trong mạch này gọi là diode chỉnh lưu.
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
Ví dụ: Cho mạch điện như hình vẽ, diode Ge có Vγ= 0.2V, điện trở rd
không đáng kê{. Tải RL = 9Ω, nội trở nguồn tín hiệu vào ri = 1Ω.
1. Biết điện áp vào có dạng xung vuông hoặc hình sin, biên đô^ 10V.
Hãy vẽ dạng sóng và xác định điện áp trên tải RL.
2. Làm lại câu 1 với vi(t) là tín hiệu sin có biên đô^ 1V. Xác định giá
trị điện áp trên tải tại thời điểm ωt = pi/2.
1. - Dòng qua tải RL:
Li
i
L Rr
Vv
i
+
−
= γ
- Áp rơi trên tải:
L
Li
i
L
R
Rr
Vv
tv ⋅
+
−
= γ)(
)(9.0)( tvR
Rr
v
tv
iL
Li
i
L
=⋅
+
=
- Vì Vγ << vi, nên có thê8 bỏ qua Vγ :
10
V
t
-10
9
vi
vL
V
t
vi
vL
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
↓iL+
vL
−
2. Khi vi nhỏ, không thê8 bỏ qua Vγ. Diode chỉ dẫn điện trong khoảng
thời gian vi ≥ Vγ, tại ωt = pi/2:
1V
Vγ=0.2V
VL
t
t
V
t
R
Rr
Vv
tv
L
Li
i
L
72.09.
10
)2.0(sin
)( =
−
=⋅
+
−
=
ωγ
vi
0.72V
2.9 Phân tích mạch chỉnh lưu dùng diode
-ChêZ tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt.
-Hoạt động ở chêZ đô^ phân cực ngược.
- Đoạn làm việc trên phần đặc tuyến song song với trục tung.
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)
Dùng trong mạch ổn áp.
a) Nguồn ổn định, tải thay đổi
Để áp ngõ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax
DC Z
S
S
V V
I
R
−
=Ta có
L S ZI I I= −mà
min max
DC Z
L Z
S
V V
I I
R
−
= −
max min
DC Z
L Z
S
V V
I I
R
−
= −
=>
Vậy khi tải RL thay đổi trong khoảng (RLmin ÷ RLmax) thì áp trên
tải vẫn ổn định ở VZ
IS
+
VZ
−
min
max
Z
L
L
V
R
I
= max
min
Z
L
L
V
R
I
==> và
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)
b) Nguồn thay đổi, tải ổn định
Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin ≤ IZ ≤ IZmax
Z
L
L
V
I
R
=Ta có:
S Z LI I I= +mà
min min
Z
S Z
L
V
I I
R
= +
max max
Z
S Z
L
V
I I
R
= +
=>
Vậy khi tải VDC thay đổi trong khoảng (VDCmin ÷ VDCmax) thì áp
trên tải vẫn ổn định ỏ VZ
min min .DC S S ZV I R V= +=>
max max .DC S S ZV I R V= +
IS
+
Vz
−
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)
c) Nguồn và tải đều thay đổi
Để áp ngỏ ra ở tải ổn định ở VZ thì IZmin≤ IZ ≤ IZmax
DC Z
S
S
V V
I
R
−
=
Z S LI I I= −với
DC Z
Z L
S
V V
I I
R
−
= −=>
Điều kiện cực trị:
- IZmin khi VDCmin và ILmax
- IZmax khi VDCmax và ILmin
Vậy với Rs trong khoảng (Rs1 ÷ Rs2) thì áp trên tải vẫn ổn định ở VZ
min
1
min max
DC Z
S
Z L
V V
R
I I
−
=
+
max
2
max min
DC Z
S
Z L
V V
R
I I
−
=
+
=> và
IS
+
Vz
−
2.10 Diode ổn áp (diode Zener)
Ví dụ
Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ.
IS
+
Vz
−
Với Rs=330Ω, RL=1.2KΩ, xác định phạm vi thay đổi cho
phép của VDC sao cho điện áp trên tải ổn định ở mức
10V. Biết diode Zener có Izmin=10mA, Pzmax=0.3W
ĐS:
16.04V≤VDC≤22.64V
Với VDC=50V, Vz=10V, Izmin=3.2mA, Rs=1KΩ. Tìm
RL sao cho mạch vẫn còn ổn áp.
ĐS: 272 Ω ≤ RL ≤ 1.25KΩ
Ví dụ
IS
+
VZ
−
Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ.
Cho mạch điện dùng diode zener như hình vẽ
a. Xác định VL, VR, IZ và PZ
b. Làm lại câu a với RL=3KΩ
ĐS:
a. VL=8.73V, VR=7.27V, IZ=0A và PZ=0W
b. VL=10V, VR=6V, IZ=2.67mA và PZ=26.7mW
(V≥VZ)
Ví dụ