Kĩ thuật điện tử-Diode

N ộ i dung• Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Điot bán dẫn • Các tham số chính của Điot bán dẫn • Sơ đồ tương đương của Điot bán dẫn • Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn... Dũng k

Lession 3 : Diode

☺

N ộ i dung

• Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Điot bán dẫn

• Các tham số chính của Điot bán dẫn

• Sơ đồ tương đương của Điot bán dẫn

• Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn

Ti ế p giáp PN

Dũng khu ế ch tỏn Ikt

• Do chênh lệch nồng độ hạt dẫn giữa hai phía của khu vực mặt ghép PN: pp >> pn và nn >> np nên xảy ra quátrình khuyếch tán lỗ trống từ bán dẫn P sang bán dẫn N

và điện tử từ N sang P tạo thành dòng khuyếch tán Ikt

• Ikt = Ipkt + Inkt : dòng của hạt dẫn đa số

ð i ệ n th ế ti ế p xúc Utx

7/72

• Do tån t¹i líp ®iÖn tÝch kÐp Q, h×nh thµnh mét ®iÖn thÕ tiÕp xóc Utx t¹i vïng tiÕp gi¸p Gi¸ trÞ Utx tÝnh theo c«ng thøc sau:

• Víi chÊt b¸n dÉn

Ge: Utx ≅ 0,3V Si: Utx ≅ 0,7V

• Itr«i = In tr«i + I p tr«i : dßng cña h¹t dÉn thiÓu sè

n

n ln q

KT

= P

P ln

q

KT

= U

Phân c ự c cho diode

Figure 3: Structure of a vacuum tube diode

Figure 2: Various semiconductor diodes Bottom: A

Light Emitting Diode

13/72

Ph©n lo¹i diode

ðặ c tuy ế n V-A

ðặ c tuy ế n V-A

• Điện áp mở của Điot Ge nhỏ hơn so với Điot Si:

UD0 = 0,3V (Ge)

UD0 = 0,7V (Si)

• Điot Si có điện áp ng−ợc đánh thủng lớn hơn Điot Ge, (Điot Si

giá trị này có thể đạt tới 1000V còn Điot Ge chỉ cỡ khoảng 400V.)

• Điot Si có dải nhiệt độ làm việc lớn hơn Điot Ge (nhiệt độ cực đại

của Điot Si có thể đạt tới 200 0 C còn đối với Điot Ge là không quá

100 0 C).

• Dòng ng−ợc của Điot Si nhỏ hơn nhiều so với Điot Ge

I S (Si) << I S (Ge).

10 15 20

0,5 0,7 0,3

0,1 µ A

0 -10

-20 -30

-40 -50

-60

100 o C 25 o C -75 o C

100 o C 25 o C -75 o C

• Đối với Điot bán dẫn, cứ tăng nhiệt độ thêm 100C dòng

IS sẽ tăng gấp đôi (điều này sẽ không tốt, đặc biệt đối với Điot loại Ge)

Ví dụ ở 250C, IS ≈ 1àA thì ở 1000C, IS > 0,1mA

• Nhiệt độ tăng, điện áp ngược đánh thủng tăng

• Nếu giữ dòng ID thuận không đổi thì điện áp trên Điot

sẽ phải giảm đi khi nhiệt độ tăng (người ta nói hệ sốnhiệt - điện áp là âm) và bằng khoảng:

K

mV 2

= T

U

0 D

const

= D I

-δ δ

C¸c tham sè chÝnh cña §iot b¸n dÉn

C¸c tham sè giíi h¹n

C¸c tham sè ®iÖn

Các họ đường cong đặc tuyến của tham số điện

• Nh− vậy khi nhiệt độ tăng từ 250C lên 1000C công suất tiêu tán cực đại của Điot giảm đi chỉ còn 200mW (giảm

đi 2,5 lần)

Điện trở của Điot

• - Điện trở một chiều:

• - Điện trở xoay chiều rD: hay còn gọi là điện trở động,

đ−ợc xác định bởi đạo hàm tại điểm Q:

D

D D

I

U dI

T D

S T

D

S D D

D

D

I + I

= 1 + I

= e

mU

1 I

= 1) - (e

I dU

d

= dU

1

S

D I

I mU 1 mU

U

T mU

29/72

Sơ đồ tương đương ở tần số thấp

Diode Zener

Các tham số chính của Điot Zener

• - UZ: Điện áp danh định - là điện áp trung bình tiêu biểu của Điot

Zener ở vùng làm việc Thông thường đối với các loại Điot Zener

UZ nằm trong khoảng từ 1,8V đến 200V, công suất tiêu tán ở chế

bị phá huỷ không hồi phục được.

• - IZ 0: Dòng danh định - là dòng ứng với 1/4 công suất cực đại và

được tính bằng công thức

I

I +

• RZ: Điện trở tĩnh

• rZ: Điện trở xoay chiều (điện trở động)

• Z: Hệ số ổn định

• ϒTZ: Hệ số nhiệt - được xác định bằng sự thay đổi tương đối

của điện áp UZ tính bằng % khi nhiệt độ thay đổi 1 0 C.

• PZ max: Công suất tiêu tán cực đại trên Điot Zener

Z TZ

∆ γ

z

z z

z z

z

r

R U

dU I

dI

S ơ ñồ tương ñương

Ví dụ 2-6: Cho Điot Zener 1N961 có các tham số sau (ở nhiệt độ 250 C):

UZ = 10V ; IZ min = 0,25mA ; IZ max = 32mA;

rZ = 8,5 Ω ; IS = 10 à A ; ϒTZ = + 0,072%/0C;

a/ Tính điện áp trên Điot tại giá trị IZ max

b/ Tính điện áp trên Điot ở nhiệt độ 65 0 C

G : a/ Với dòng IZ max = 32mA sẽ gây nên một gia tăng điện áp trên rZ là:

IZ max x rZ = 32mA x 8,5 Ω = 272mV Vậy điện áp trên Điot Zener tại giá trị dòng IZ max sẽ bằng:

U’Z = UZ + IZ max rZ = 10V + 272mV = 10,272V

b/ ϒTZ ở nhiệt độ T = 65 0 C:

UZ (T) = UZ (T0) [1 + ϒTZ (T - T0)]

ở đây: T0 = 25 0 C, T = 65 0 C Vậy UZ (65 0 C) = 10V [1+ 0,072%/0C x (650C - 250C)] = 10,288V

§iot biÕn dung (Varicap hoÆc Varactor)

Trong đó: Cv là điện dung của Varicap

ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn

A là diện tích mặt cắt ngang của lớp xúc PN

C = ε

1

ChØnh lưu nöa chu kú

Ví dụ 2-8: Cho mạch chỉnh lưu như hình 2-74a.

UV = 220V; Rt = 1K Ω Điot là loại Si

Tính điện áp chỉnh lưu U0, dòng chỉnh lưu I0, điện áp ngược đặt trên Điot ở

nửa chu kỳ âm, chọn Điot thích hợp mạch này.

310,2V

= U

98,64m

= 1K

98,64V

= R

U

= I

98,64V

= 310,2V

x 0,318

= U

310,2V

= 2 220V x

= U

D ng t

0 0

0 Vm

Ω

• UngD <=2Um

45/72

Full-wave ripple frequency is twice AC frequency

Diode Bridge

Diode Bridge

R U

I =

Có t ụ l ọ c

U0 ≈ Um

ChØnh lưu c¶ chu kú cã ®iÓm gi÷a

• C¸c tham sè cÇn chän §iot như sau:

I0(§iot) > I0(tÝnh to¸n) Kh«ng cã tô läc

Ungmax(§iot) > Um

Ungmax(§iot) > 2Um Cã tô läc

Chỉnh lưu nhân điện áp

• ở nửa chu kỳ dương tụ C1 nạp đến giá trị đỉnh Um qua D1

(nếu coi D1 là lý tưởng)

Voltage Doubler

On negative half-cycle, D1 charges C1 to Vp

On positive half-cycle D2 adds AC peak to Vp on C1

and transfers it all to C2.

M¹ch nh©n ®iÖn ¸p n lÇn

M¾c nèi tiÕp

57/72

M¾c song song

M ạ ch h ạ n ch ế

M¹ch dÞch møc (Clamper)

• §iÒu kiÖn :

• Ví dụ 2-9: Vẽ tín hiệu ra đối với mạch dịch mức biết R

= 100KΩ, C = 1àF, ftín hiệu = 1000Hz

M¹ch æn ¸p dïng §iot Zener

Mạch không tải

• Ví dụ 2-10: Cho mạch ổn áp dùng Điot Zener không tải với các

thông số sau: R0 = 1K Ω , IZmin = 0,5mA, IZmax = 11,5mA, UZ = 10V Coi Điot Zener là lý tưởng, hhy tìm điểm làm việc Q ứng với điểm giữa của vùng Zener Hhy tính điện áp đặt vào cực đại

Emax, và cực tiểu Emin? Tính công suất tiêu tán trên Điot Zener tại

điểm làm việc Q

• Nếu tính từ điểm Q thì sự thay đổi điện áp vào về 2 phía

sẽ được tính bằng một nửa toàn bộ lượng thay đổi trên tức là bằng = 5,5V và thường được viết ∆E = ±5,5V

M¹ch cã t¶i

Z Z Z

0 t

Z Z Z

0

R

r I +

U + R

= E

t

R

R r

R

Ro t Z 0

Z

Z Z

0 Z

• Ví dụ 2-11: Xác định giá trị cực tiểu và cực đại của

điện áp vào: Emin, Emax nếu biết IZmin = 1mA, IZmax = 15mA, UZ = 5V, rZ = 10Ω, R0 = 1KΩ, Rt = 1KΩ

5.2.2 Mô hình tương ñương