Bài giảng mạch điện tử chương 1 diode bán dẫn

Phân loại bán dẫn • “Doping” • Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết.. Ví dụ: Boron III • Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng xem trang sau • Phần tử mạng đi

MẠCH ĐIỆN TỬ

Chương 1

Diode bán dẫn

• Gallium Arsenide (GaAs)

• Mạch siêu cao tần, phát quang và ứng dụng tần số cao

Cấu trúc nguyên tử

Cấu trúc tinh thể

Các mức năng lượng

Phân loại bán dẫn

• “Doping”

• Là quá trình đưa vào chất bán dẫn các chất khác cần thiết

• Bán dẫn loại p

• Chất đưa vào: chất nhận ( acceptor material ) Ví dụ: Boron (III)

• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau)

• Phần tử mạng điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

• Bán dẫn loại n

• Chất đưa vào: chất cho (donor material) Ví dụ: Phosphorus (V)

• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng (xem trang sau)

• Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type material

Bán dẫn loại p

• Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material) Ví dụ: Boron (III)

• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type material

Bán dẫn loại n

• Chất đưa vào: Chất cho (donor material) Ví dụ: Phosphorus (V)

• Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng

• Phần tử mang điện chủ yếu: Electron(negative): n-type material

• LED (light-emitting diode): tạo ánh sáng

• Tunnel diode: bộ tạo dao động điện trở âm

• Photo diode: cảm biến ánh sáng

Diode bán dẫn thông thường

• Cấu trúc và ký hiệu

• Lớp tiếp xúc pn (pn junction)

Phân cực của diode

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

• Diode lý tưởng

• v i > 0: i D > 0 và v D = 0 (Diode ngắn mạch: short circuit)

• v i < 0: v D < 0 và i D = 0 (Diode hở mạch: open circuit)

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

Ví dụ: Cho mạch như hình vẽ, tìm dòng qua diode

a Giả sử diode ON => V D =0 với I D >0

I D >0 (đúng với giả thiết)

b Giả sử diode OFF => I D =0 với V D <0

10=10 4 I D - V D

=>V D =-10V

I D =0 (đúng với giả thiết)

Quan hệ giữa dòng điện & điện áp

Ví dụ: Cho Diode lý tưởng, tìm V?

Đặc tuyến Volt Ampere (VA)

) 1

D D

mV v o mkT

qv o

Diode thực tế và xấp xỉ

• V  : điện áp ngưỡng

• R f : điện trở thuận của diode= điện trở động rd+điện trở tiếp xúc

Đặc tuyến Volt Ampere (VA)

Ví dụ:

I 01 =10 -16 A, I 02 =10 -14 A

Tính I D1 , I D2 , V D1 , V D2 ?

D

nV

e I

dv

D

) (

0



D D

T

D

T D

i

mV n

i

nV i

Phương pháp phân tích mạch diode

• Đối với mạch tín hiệu lớn

 Xem như diode lý tưởng

 giải tích mạch

• Đối với mạch tín hiệu bé

 Xem diode như một điện trở động

0 -2 0.7

1.4

t

V i 4

-4 0 1.4

Chỉnh lưu

• Chỉnh lưu là quá trình chuyển đổi tín hiệu xoay

chiều (ac) thành tín hiệu một chiều (dc)

• Có 2 loại chỉnh lưu:

• Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification)

• Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification)

• Lưu ý: Các ví dụ trong phần này sử dụng đặc tuyến diode lý tưởng

Chỉnh lưu bán kỳ

• Chỉnh lưu bán sóng (Half-wave rectification)

• Định luật Kirchhoff về điện áp (KVL):

D

i D

R r

v

v i







L i

i D

R r

v i





L i

L

i D

L L

R r

R

v i

R v

V dt

t

v T

V ,  1  ( ) 

Ri 1

9 D1

D2 D3

D4

Mạch lọc

• Hoạt động:

• Tụ C được nạp nhanh đến giá trị V max của điện áp v 0 (t)

• Khi v 0 (t) giảm, tụ C phóng điện qua R L với quy luật:

• Quá trình tuần hoàn với tần số chỉnh lưu f p :

V C



3 2

Mạch nhân đôi điện áp

• Mạch nhân đôi điện áp một bán kỳ:

• Bán kỳ âm của v S : C 1 nạp điện qua D 1 đến điện áp V Smax

• Bán kỳ dương của v S : Điện áp chồng chập của C 1 và v S nạp điện cho C 2 qua D 2 đến điện áp 2V Smax

1 5

4 8

C1

C2 D1

D2

Mạch nhân đôi điện áp

• Mạch nhân đôi điện áp hai bán kỳ:

• Bán kỳ dương của v S :

• C2 nạp điện qua D1 đến điện áp VSmax

• Tổng điện áp vS và VSmax trên C1 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL

thông qua D1

• Bán kỳ âm của v S :

• C1 nạp điện qua D2 đến điện áp VSmax

• Tổng điện áp vS và VSmax trên C2 (được nạp từ bán kỳ trước) đặt lên tải RL

thông qua D2

C1 C2

Mạch ghim đỉnh

Diode Zener

• Diode Zener:

• Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch

• Ký hiệu và đặc tuyến VA

• Phân cực thuận: như Diode thông thường

• Phân cực nghịch: , v I Z max  i Z  I Z min Z = VZ = constant

 V Z : Điện áp Zener

 I Zmax : Dòng phân cực nghịch tối đa của Diode Zener

 I Zmin : Dòng phân cực nghịch tối thiểu để v Z = V Z , thường

I Zmin = 0.1I Zmax

 P Zmax = V Z I Zmax : Công suất tối

đa tiêu tán trên Diode Zener

• Để I Zmax  i Z  I Zmin với mọi giá trị của v S và i L :

min(i Z )  I Zmin và max(i Z )  I Zmax

Z S

R

Z

S i

i i

V v

i

V

v R

max

min max

min

) max(

) min(

Z L

i

Z S

Z

Z L

i

Z S

Z

I I

R

V V

i

I I

R

V V

i

Diode Zener



• Với yêu cầu về nguồn (v S ) và tải (i L ) cho trước

• Thường chọn I Zmin = 0.1 I Zmax

max min

max

min

Z L

Z

S i

Z L

Z S

I I

V

V R

I I

max min

max

min

Z L

Z S

Z L

Z S

I I

V V

I I

min min

max max

max

1 0 9

0

) (

) (

S Z

S

Z S

L Z

S L

Z

V V

V

V V

I V

V I

I  I Z min  0 1 I Z max  I L min  I Z max  10 I L min

Cần xét đến công suất tiêu tán cực đại trên R i và Diode Zener:

• Trên R i : P Rimax = (V Smax – V Z )2 / R i = 6.33 W

• Trên Diode Zener: P Diode = I zmax V Z = 5.33 W

v S : 10.2  14 V và i L : 20  200 mA

Không thiết kế được !!!

A V

V V

V V

I V

V I

I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

I Z max  L max  0 2 I Z max  10 I L min  1 A

A V

V V

V V

I V

V I

I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

V V

V V

I V

V

I I

S Z

S

Z S

L Z

S L

1 0 9

0

) (

) (

max min

min min

max max

Diode Zener

• Đặc tuyến VA

Bài tập

• Bài 1.3, 1.20, 1.23, 1.24, 1.40