Cấu tạo Điốt bán dẫn Điốt (diode

Lý thuy¿t1.1 Cấu tạo điốt bán dẫn: Điốt Diode bán dẫn hay còn gọi là Điốt, là một linh kißn đißn tā bán dẫn chß cho phép dòng đißn đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ng°ợc l

TRƯỜNG ĐẠI HÞC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGH Ệ ĐIỆN TỬ

K¾T THÚC HÞC Kþ 2 NM HÞC 2020-2021

ĐÀ TÀI SỐ: 5

Tên lớp học phần : LKDT16A

Mã lớp học phần : 420300324104

Email liên hß : trithuc2001stvn@gmail.com

Số đißn thoại : 0338494041

Giáo viên giảng dạy : TRàNH THà SÁNG

Thành ph H Chí Minh, tháng 6 ố ồ năm 2021

KHOA CÔNG NGHÞ ĐIÞN TĀ

BÞ MÔN CƠ SỞ

PHI¾U CHẤM ĐIÞM TI U LUÞ ¾N Môn h c: ß LINH KIỆN ĐIỆN T Ử Hßc kÿ 2 nm hßc 2020 2021 –

Giáo

viên

Lý thuy t ¿

(4 đißm)

Bài t p ¿ (6 đißm)

Đißm

tổng cßng (10

đißm)

Nßi dung

(3,0)

Trình bày

(1,0)

Câu 1

(2,0)

Câu 2

(2,0)

Câu 3

(2,0)

1

2

Giáo viên ch m 1: ấ ………

Giáo viên chấm 2: ………

1

1 Lý thuy¿t

1.1 ……… ……….… 2

1.2 ……….……… 3

1.3 ……… ……… 5

1.4 ……….6

2 Bài t¿p Câu 1 ……… … 8

Câu 2 ……… ………….9

Câu 3 ……… 10

Phần 1 Lý thuy¿t

1.1 Cấu tạo điốt bán dẫn:

Điốt (Diode) bán dẫn hay còn gọi là Điốt, là một linh kißn đißn tā bán dẫn chß cho phép dòng đißn đi qua nó theo một chiều duy nhất mà không chạy ng°ợc lại Điốt bán dẫn th°ßng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N và đ°ợc nối với 2 chân ra là anode (viết tắt là A) nối với P và cathode (viết tắt là K) nối với N

Kí hißu:

Phân loại :

Có 2 cách phân loại : theo cấu tạo và theo công dụng, chāc năng

- Theo cấu tạo :

+ Diode tiếp mặt: Có dißn tích lớp tiếp giáp bề mặt P-N lớn, tạo ra bằng các ph°¡ng pháp: nóng chảy (hợp kim), ph°¡ng pháp khuếch tán, ph°¡ng pháp mạ epitaxi, cho dòng đißn đánh māc khá lớn (khoảng vài trăm miliampe đến vài trăm ampe), đißn áp ng°ợc đạt đến vài trăm volt, th°ßng dùng đß chßnh l°u

+ Diode tiếp đißm: Tạo ra bằng ph°¡ng pháp khuếch tán xung Một xung dòng lớn chạy qua tiếp xúc giữa một mũi nhọn kim loại gắn trên bề mặt cÿa một tấm Ge hoặc Si loại

N Nhißt l°ợng lớn tỏa ra tại tiếp xúc làm nóng chảy mũi kim loại làm cho các nguyên

tā kim loại khuếch tán vào bán dẫn tạo ra một vi miền bán cầu có đặc tính dẫn đißn loại

P

- Theo công dụng chāc năng:

+ Diode chßnh l°u

3

+ Diode tách sóng (cao tần),

+ Diode ổn áp (Zener)

+ Diode Schottky

+ Diode biến dung (varicap)

+ Diode phát quang (LED)

+ Photo Diode

+ Diode hồng ngoại

+ Diode LASER, …

Kí hißu một số loại điốt

1.2 Mô hình điốt

Khi cấp nguồn cho diode theo mạch: Chân d°¡ng cấp vào chân d°¡ng anode cÿa diode, chân âm nguồn cấp vào chân Cathode cÿa diode Khi nguồn cấp lớn h¡n 0.7V với chất bán dẫn loại Si hay 0 V với chất bán dẫn loại Ge, thì diode dẫn hay còn gọi là phân cực 3 thuận Lúc này dòng đißn đ°ợc đi qua diode Ng°ợc lại, khi chân d°¡ng nguồn cấp vào chân Cathode cÿa diode và chân âm nguồn cấp vào chân Anode thì điốt không dẫn tāc

là không cho dòng đißn chạy qua Ng°ßi ta gọi tr°ßng hợp này là phân cực ng°ợc

- Phân cực thuận:

+ Khi đißn áp trong mạch lớn h¡n nhiều đißn áp ng°ỡng: VAK >> þ� (þ� ~ 0,7V với Si

và 0,3V với Ge) Lúc này coi diode nh° một khoá đißn tā á trạng thái đóng và đặc tuyến V-A coi nh° tr°ßng hợp ngắn mạch

+ Khi đißn áp VAKđúng bằng thế ng°ỡng þ� Đặc tuyến V A là một đ°ßng thẳng song -song với trục I tại þ� và diode đ°ợc coi nh° một nguồn đißn áp lý t°áng

+ Sụt áp 2 đầu diode đúng bằng thế ng°ỡng þ�

+ Thực tế diode có một đißn trá thuận R Lúc này diode đ°ợc coi nh° một nguồn đißn F

áp thực Đißn áp thuận trên diode lúc này bằng:

- Chế độ tín hißu nhỏ tần số thấp:

+ à chế độ tĩnh diode làm vißc với nguồn một chiều E, còn chế độ động diode làm vißc với nguồn xoay chiều u~

+ Trong chế độ động với sự biến thiên cÿa tín hißu nhỏ tần thấp, đißm làm vißc Q chß dách chuyßn trên đoạn nhỏ Q1Q2 có thß xem nh° tuyến tính Do đó, diode đ°ợc coi là một phần tā tuyến tính và đißn trá động cÿa diode đ°ợc tính:

+ Trong chế độ tĩnh diode là một phần tā phi tuyến vì đißm làm vißc Q có thß di chuyßn theo các giá trá khác nhau trên đặc tuyến Von-ampe

- Phân cực ng°ợc:

+ Khi bá phân cực ng°ợc (VAK<0) diode ngắt không cho dòng đi qua, do đó có thß coi nh° 1 khóa đißn tā má

5

+ Khi đặt một đißn áp ng°ợc nằm trong khoảng cho phép (nhỏ h¡n đißn áp đánh thÿng) lên diode, dòng qua diode lúc này là dòng ng°ợc bão hoà có giá trá gần nh° không đổi

Is nên có thß coi nó nh° một nguồn dòng lý t°áng

+ S¡ đồ t°¡ng đ°¡ng nh° một tụ đißn á chế độ tín hißu nhỏ Lớp chuyßn tiếp P N cÿa -diode khi bá phân cực ng°ợc có thß coi nh° một tụ đißn với giá trá đißn dung tiếp giáp Cpn Cpn có trá số biến thiên theo đißn áp ng°ợc đặt lên diode theo quy luật:

Tuy nhiên, khi đißn áp thuận đảo cực thì cũng làm xuất hißn đißn dung khuếch tán Ckt So với đißn dung khuếch tán Ckt thì Cpn nhỏ h¡n tÿ 100 tới 1000 lần

1.3 Āng dụng cÿa điốt

- Dùng đß chßnh l°u dòng đißn: Biến dòng đißn xoay chiều thành dòng đißn một chiều:

+ Chßnh l°u nāa chu kỳ

+ Chßnh l°u cả chu kỳ:

a) Mạch dùng hai diode

b) Mạch dùng cầu diode

+ Chßnh l°u tạo 2 nguồn (+)( ) đối xāng

-+ Chßnh l°u bội áp

- Dùng đß giảm áp: Ta biết rằng sau khi dòng đißn đi qua diode thì mỗi một diode sẽ gây

ra một sụt áp trên nó Trong nhiều tr°ßng hợp ng°ßi ta sā dụng đặc tính này đß giảm

áp Ví dụ bạn có một cái đài chạy 3V mà có cục sạc 5V thì bạn có thß đấu nối tiếp 3 con diode với nhau rồi đấu với đầu 5V Tại đầu ra cuối cùng cÿa diode có một đißn áp khoảng gần bằng 3V

- Dùng đß bảo vß chống cắm nhầm cực: Rất nhiều thiết bá đißn tā một chiều không cho phép cấp nguồn ng°ợc cực Nếu ng°ợc cực thì thiết bá sẽ hỏng ngay Đß bảo vß thiết bá đ°ợc an toàn ng°ßi ta đấu thêm vào một diode tr°ớc khi bắt ra cực cÿa thiết bá đß chß cho phép dòng đißn đi theo một chiều duy nhất Khi đó dù bạn có cấp nguồn ng°ợc cực tính thì thiết bá vẫn đ°ợc an toàn

1.4 Diode Zener: Đặc tuyến, āng dụng

Diode Zener còn gọi là diode ổn áp, là một loại diode bán dẫn làm vißc á chế độ phân cực ng°ợc trên vùng đißn áp đánh thÿng (breakdown) Đißn áp này còn gọi là đißn

áp Zener hay "tuyết lá" (avalanche) Khi đó giá trá đißn áp ít thay đổi

Nó đ°ợc chế tạo sao cho khi phân cực ng°ợc thì diode Zener sẽ ghim một māc đißn

áp gần cố đánh bằng giá trá ghi trên diode, làm ổn áp cho mạch đißn

Đặc tuyến Diode Zener có đặc tuyến volt ampe giống diode th°ßng nh°ng : - có thêm vùng làm vißc á vùng đặc tuyến ng°ợc với hißu āng đánh thÿng

Một điốt zener có thß hoạt động á một trong ba vùng: phân cực thuận, rò rß và đánh thÿng

7

Vùng phân cực thuận:

Khi đ°ợc phân cực thuận, diode zener hoạt động giống nh° các diode thông th°ßng và bắt đầu dẫn đißn khi đißn áp phân cực thuận khoảng 0,7V

Vùng rò rỉ:

Vùng rò rß tồn tại giữa dòng đißn bằng 0 (gốc tọa độ) và đánh thÿng

Trong vùng rò rß, có một dòng đißn ng°ợc nhỏ chạy qua diode Dòng đißn ng°ợc này là

do các hạt tải đißn thißu số sinh nhißt

Vùng đánh thủng:

Nếu tiếp tục tăng đißn áp ng°ợc thì cuối cùng sẽ đạt đến một giá trá đ°ợc gọi là đißn áp zener VZ cÿa diode

Tại đißm này, một quá trình gọi là đánh thÿng thác lũ (Avalanche Breakdown) xảy ra trong lớp nghèo chất bán dẫn và diode bắt đầu dẫn đißn theo h°ớng ng°ợc lại

Có thß thấy trên đặc tuyến rằng vùng đánh thÿng có khúc cong rất gấp, theo sau là sự gia tăng gần nh° theo chiều dọc cÿa dòng đißn L°u ý rằng đißn áp trên diode zener gần nh° không đổi và xấp xß bằng V trên hầu hết vùng đánh thÿng.Z

Āng dụng:

Thông th°ßng diode Zener công suất nhỏ đ°ợc dùng đß cấp đißn áp mốc (ổn áp) hoặc hạn chế māc đißn áp cho mạch đißn

Diode Zener công suất lớn đ°ợc dùng trong mạch ổn áp kißu song song, tuy nhiên

vì tổn hao đißn và māc nhißt phát ra nhiều trên diode và đißn trá chặn, nên mạch này ít đ°ợc sā dụng

Cặp diode Zener đấu đối nhau sẽ tạo ra mạch cắt đßnh tín hißu xoay chiều, dùng khi cần tạo dạng (Waveform clipper) hoặc hạn chế māc đißn áp, nh° á ngõ vào các khuếch đại

Phần 2 Bài t¿p ứng dÿng

Câu 1:

a) Tr°ßng hợp a

Ta có hißu đißn thế hai đâu D1, D2bằng nhau UD = 0,3 V ( diode Ge)

Áp dụng đánh luật ohm: I = ā−ĀĀ

10−0,3

2 diode gi ng nhau mố ắc song song suy ra dòng đißn trong m i diode b ng ỗ ằ

�

2 = 15 � �

Tr°ßng h p b ợ

Gọi R = 5,6k , R = 37k 1  2 

Ta có UD1 = 0,7 V (D là Si) 1

UD2 = 0,3V (D là Ge) 2

Dòng đißn chạy trong m ch chính là: ạ

9

� = � − ýĀ1− ýĀ2

� 1

= 20 − 0,7 − 0,3 5,6 103 = 3,39 � �

Suy ra dòng đißn chạy trong diode 1 ID1 = I = 3,39 mA

Dòng đißn chạy trong diode 2 là � Ā2=� − � � 2= 3,39 10 −3− 0,3

37 10 3= 3,38 � � b)

Tr°ßng hợp a đß hạn dòng đi qua diode t chß cần a tăng giá trá cÿa đißn trá mắc nối tiếp nguồn, 2 dòng trên diode sẽ luôn thay đổi bằng nhau

Tr°ßng hợp b đß hạn dòng đi qua diode D1 ta tăng giá trá đißn trá R còn hạn dòng qua 1 diode D ta 2 giảm giá trá đißn trá R2

Câu 2:

a) Dòng đißn đi qua tải là :

IL = V /R = 10V/5k = 2mA Z L 

Theo đề bài dòng IZmaxđi qua điốt là :

IZmax = PZmax/VZ = 30mW/10V = 3mA

Đánh luật ohm:

VDC = (I + IZ L).R+VZ => IZ =āĀÿ−ā�

� − �103 �− 2 10 =16−10−3= 4 10−3=

4 � �

b) Đißn trá R đ°ợc mắc nối tiếp với diode zener đß hạn chế dòng đißn đi qua diode Vì vậy muốn hạn dòng đi qua diode ta điều chßnh giá trá đißn trá R R tăng dòng IZgiảm và ng°ợc lại

Câu 3:

a) Nguyên lý hoạt động

Giai đoạn 1

Khi mới cấp nguồn, thì tất cả các bản tụ cÿa C lẫn C1 2 đều đ°ợc nạp đißn, một trong

2 transistor Q1 hoặc Q2 hoạt động tr°ớc (vì trên thực tế dù 2 transistor cùng một loại nh°ng không hề giống nhau hoàn toàn, sẽ có con transistor này nhạy h¡n con kia) Ta giả sā Q1 nhạy h¡n nên hoạt động tr°ớc, đồng nghĩa Q1 có VBE lớn h¡n hoặc bằng 0.6V

11

(do đißn áp tại cực B cÿa Q tăng tÿ 0 đến 0.6V, tr°ớc khi đißn áp á đây bằng 0.6V thì 1 cực âm tụ C vẫn đang đ°ợc nạp), dòng đißn có thß đi tÿ cực C xuống cực E và xuống 2 mass nên led D1 sáng, đầu cực d°¡ng tụ C1 không đ°ợc nạp đißn do dòng đißn chß đi xuống mass Cùng lúc đó vì Q không dẫn (không hoạt động) nên led D2 2 không sáng, cực d°¡ng tụ C2 sẽ đ°ợc nạp đißn, nh°ng sẽ không nạp đ°ợc bao nhiêu vì dòng đißn lúc này chÿ yếu chạy về mass, cực âm tụ C lẫn âm tụ C cũng vậy, không nạp đ°ợc bao 1 2 nhiêu Khi Q1 hoạt động thì cực B cũng đ°ợc coi nh° đang nối với cực E xuống mass nên dòng đißn á chân B đ°ợc đi qua chân E xuống mass, đồng nghĩa đißn áp tại B giảm

tÿ 0.6 V về 0V (cực âm tụ C xả đißn) Khi đißn áp tại chân B xả hết thì Q ng°ng dẫn, 2 1 đèn led D tắt, tới Giai đoạn 2.1

Giai đoạn 2

Q1 ng°ng dẫn, cực âm C1 đ°ợc nạp đißn áp thông qua dòng đißn đi qua đißn trá RB2, khi giá trá đ°ợc nạp đạt 0.6V thì Q dẫn (do V2 BE>= 0.6V), cực C cÿa Q nối thông với 2 cực E xuống mass, đèn led D sáng, cực d°¡ng tụ C xả đißn, cực d°¡ng tụ C đ°ợc 2 2 1 nạp đißn vì Q1 không dẫn Nguyên lý t°¡ng tự nh° giai đoạn 1, cực âm tụ C xả đißn áp 1 xuống mass do cực B cÿa Q nối thông với cực E, khi đißn áp xả hết tÿ 0.6V về 0V thì 2

Q2 ng°ng dẫn, led D2tắt, sau đó cực âm tụ C2lại đ°ợc nạp đißn làm đißn áp tại cực B cÿa Q1 tăng dần lên 0.6V, đißn áp này bằng 0.6V thì Q1 lại dẫn Các quá trình này lặp đi lặp lại luân phiên sẽ tạo ra một mạch đa hài nh° hình trên

b) Đß thay tần số dao động cần phải thay đổi giá trá tụ đißn bái vì

Công th c tính t n s cā ầ ố ÿa mạch � ÿ= =1 1

ln(2).2 � ÿ≈

0.721

� ÿ Dựa vào công thāc ta thấy tần số tß lß nghách với tụ đißn Nếu tăng trá số C, chu kì sẽ rộng ra, tần số nhấp nháy sẽ chậm lại.Trên thực tế, khi đißn áp cung cấp thay đổi thì Tần số dao động cũng bá thay đổi theo sao cho nếu đißn áp càng tăng thì Tần số càng tăng và ng°ợc lại nếu đißn áp giảm thì tần số dao động cũng giảm đi

13

DANH MþC TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Giáo trình Linh kißn đißn tā, Giáo trình Đại học Công nghißp Tp HCM 2021 [2] Wikipedia bách khoa toàn th°

[3] http://danchoidien.wap.sh/dientucanban/phan-tich-mach-da-hai-su-dung-transistor-pnp.html

[4] https://tktech.vn/diode-zener-la-gi-cau-tao-diot-zener