Bài giảng kỹ thuật điện chương 1 chất bán dẫn, đại cương về diode và các mạch ứng dụng

Mục tiêu chương 1: • Biết nguyên lý của chất bán dẫn • Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp phân cực thuận, nghịch cho diode.. • Nắm được nguyên tắc hoạt động

Chương 1: CHẤT BÁN DẪN- ĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE và CÁC MẠCH ỨNG DỤNG

1.1 Chất bán dẫn 1.2 Đại cương về Diode 1.3 Các mạch ứng dụng của Diode 1.4 Bài tập

Mục tiêu chương 1:

• Biết nguyên lý của chất bán dẫn

• Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp phân cực thuận, nghịch cho diode

• Nắm được nguyên tắc hoạt động các mạch ứng dụng của diode : Mạch chỉnh lưu, Mạch xén, Mạch kẹp, Mạch cổng logic, Mạch

ổn áp dùng Zener

• Áp dụng kiến thức đã học giải tích mạch diode

1.1 Chất bán dẫn

Chất bán dẫn là những chất có đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện: Cách điện ở nhiệt độ thấp (0°K) và dẫn điện ở nhiệt độ phòng

• Ngoài ra, tính dẫn điện của chất bán dẫn cũng có thể thay đổi theo các nguồn năng lượng khác (quang bán dẫn)

4

• Chất bán dẫn là nguyên liệu để sản xuất ra các loại linh kiện

điện tử như Diode, Transistor, IC

1.1 Chất bán dẫn

1.1.1 Chất bán dẫn thuần

• Chất bán dẫn thuần là chất có 4 điện tử ở

lớp ngoài cùng của nguyên tử như

Germanium ( Ge) và Silicium (Si) 

Liên kết cộng hoá trị

1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất

a Chất bán dẫn loại N.

• Khi pha một lượng nhỏ chất có hoá trị 5 như Phospho (P)

• Nguyên tử Phospho chỉ có 4 điện tử tham gia liên kết và

1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất (tt)

b Chất bán dẫn loại P.

Khi ta pha thêm một lượng nhỏ chất có hoá trị 3 như Indium (In) vào chất bán dẫn Si thì 1 nguyên tử In sẽ liên kết với 4

một điện tử trở thành lỗ trống ( mang điện dương)

1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn

a Thời gian sống của hạt mang điện

• Khi một electron được cung cấp đủ năng lượng thì nó sẽ

nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn và để lại một lổ trống trên lớp hóa trị

• Sau thời gian tồn tại ở trạng thái điện tử tự do, electron

gian này được gọi là thời gian sống của hạt mang điện

1.1.3 Quá trình động trong chất bán dẫn

b Chuyển động của hạt mang điện

 Chuyển động trôi: là chuyển động của hạt mang điện

 Chuyển động khuếch tán: đối với chất bán dẫn, khi

nồng độ điện tử hoặc lỗ trống phân bố không đều thì

nồng độ thấp

c Ảnh hưởng của nhiệt độ

1.2 Đại cương về Diode

1.2.1 Cấu tạo

Diode gồm 2 lớp bán dẫn P và N nối với nhau

Ký hiệu:

Hình dạng thực tế:

1.2.2 Phân cực Diode.

 Điện thế tiếp giáp:

• Khi ghép 2 lớp bán dẫn P-N với nhau, do có sự chênh lệch mật độ nên điện tử và lỗ trống sẽ di chuyển qua lớp tiếp giáp làm cho vùng tiếp giáp phía N tích điện dương (do mất electron) và vùng tiếp giáp phía P tích điện âm

và 0,7 đối với Si)

1.2.2 Phân cực Diode.(tt)

a Phân cực thuận

Điều kiện:

• 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

tiếp giáp (*)

a Phân cực thuận (tt)

vùng n sang vùng p Dưới tác động của đầu (+) nguồn áp

chuyển về cực (+) của nguồn

• Sự di chuyển này của điện tử làm thu hẹp vùng tiếp giáp

b Phân cực ngược (tt)

• Đầu (+) của nguồn áp phân cực “kéo” các điện tử tự do trong

ion dương trong vùng nghèo mở rộng vùng tiếp giáp

• Các điện tử từ đầu (–) của nguồn áp đi vào vùng p và di chuyển từ lổ trống này đến lổ trống khác để đến vùng tiếp giáp tạo thành các ion âm Hiện tượng này làm mở rộng vùng tiếp giáp

1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe

1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe. (tt)

gia tăng nhanh

ngang qua hai đầu diode hơi gia tăng trong phạm vi 0,7V(Si)

1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe. (tt)

1.2.3 Đặc tuyến Vol –Ampe. (tt)

 Đặc tuyến thực tế - Đặc tuyến lý

tưởng

Lý tưởng: xem Diode như một khóa điện

tử

- Khóa hở khi phân cực ngược

- Khóa đóng khi phân cực thuận

• Khi đóng (nối mạch), có rơi áp qua diode

Với diode Si, rơi áp khoảng 0.7V; với

diode Ge, rơi áp khoảng 0.3V

• Trong một số trường hợp đơn giản, nếu

Vnguồn >> Vdiode , ta có thể xem rơi áp trên

Diode≈0V

18

1.2.4 Các thông số của Diode

• Dòng rò: Leakage current - Dòng điện chạy qua diode

khi phân cực nghịch

• DC Blocking Voltage (VRDC): Là điện áp một chiều

phân cực ngược Diode không làm hỏng diode

• RMS Reverse Voltage (VRMS): Là giá trị hiệu dụng của

điện áp xoay chiều đặt vào diode mà không gây hư hỏng diode do đánh thủng khi phân cực ngược

1.2.5 Các loại Diode

a Diode zener

Được chế tạo từ vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt nên chịu được dòng điện ngược lớn Sử dụng chủ yếu ở vùng phân cực ngược

1.2.5 Các loại Diode.(tt)

b Diode thu quang (photodiode): hoạt động ở chế

độ phân cực nghịch, vỏ diode có một miếng thuỷ tinh để ánh

lệ thuận với cường độ ánh sáng chiếu vào diode

c Diode phát phang (LED) : là Diode phát ra ánh

1.2.5 Các loại Diode.(tt)

e Diode biến dung: Diode biến dung là diode có điện

điện áp ngược đặt vào diode

f Diode xung: là diode làm việc ở tần số cao khoảng vài chục KHz

- Hình dạng thực tế:

các bộ nguồn xung

1.3 Các mạch ứng dụng của diode

1.3.1 Mạch chỉnh lưu và mạch lọc

a Mạch chỉnh lưu bán kỳ

a Mạch chỉnh lưu bán kỳ. (tt)

a Mạch chỉnh lưu bán kỳ. (tt)

Điện áp phân cực ngược PIV

áp PIV cho phép của diode

b Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode

26

b Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode (tt)

c Mạch chỉnh lưu toàn kỳ dùng biến áp đôi

Khi vi dương thì D1 dẫn, D2 ngưng dẫn

Khi vi âm thì D2 dẫn, D1 ngưng dẫn

Dạng sóng vào-ra:

Điện áp phân cực ngược PIV: PIV  2V m

28

1.3.2 Mạch xén (clipping circuit)

• Mạch xén là mạch cắt bỏ một phần của tín hiệu ngõ vào mà

• Có 2 loại : mạch xén nối tiếp và song song

• Mạch xén nối tiếp diode mắc nối tiếp với tải, mạch xén song song là diode mắc song song với tải

1.3.2 Mạch xén. (tt)

a Mạch xén nối tiếp

• Dạng mạch 1:

b Mạch xén song song.

• Dạng mạch 1:

• Giá trị của R và C phải được lựa chọn sao cho thời hằng

không đáng kể trong khoảng thời gian Diode ngưng dẫn

1.3.3 Mạch kẹp.(tt)

 Dạng mạch 1: Mạch ghim đỉnh trên

của tín hiệu ở mức không

• Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu

vào dương diode ở trạng thái dẫn xem như

ngắn mạch – tụ C được nạp qua diode với

thời hằng  =rdC có giá trị rất nhỏ và tụ C

nạp đầy điện áp V một cách nhanh chóng

=> V o =0

• Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu

vào âm , diode phân cực ngược – xem như

hở mạch – thời hằng  = RC có giá trị rất

lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm

điện áp ra =>V o = -2V m

36

1.3.3 Mạch kẹp.(tt)

 Dạng mạch 2: (Vm>V) Mạch ghim đỉnh

trên của tín hiệu ở mức điện áp bất kỳ

• Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu

vào dương diode ở trạng thái dẫn xem như

ngắn mạch – tụ C được nạp qua diode với

thời hằng  =rdC có giá trị rất nhỏ và tụ C

nạp đầy điện áp (Vm-V) một cách nhanh

chóng => V o =V

• Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu

vào âm , diode phân cực ngược – xem như

hở mạch – thời hằng  = RC có giá trị rất

lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm

điện áp ra =>V o = -2V m +V

1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener

• Sơ đồ trên minh họa ứng dụng của

trở hạn dòng

thay đổi

• Lưu ý: khi nguồn Vin thay đổi thì

http://hocnghetructuyen.vn/picture/thi/Defa ult.asp?causo1=%203985

Out (t)

RLZ1

1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener. (tt)

Ví dụ: Cho mạch ổn áp dùng zenner như hình Vs=25V,

1.4 Bài tập (tt)

 BT 1.2: Tính dòng qua các diode

1.4 Bài tập (tt)

1.4 Bài tập (tt)

 BT 1.4: Cho điện áp ngõ vào là sóng vuông, biên độ 8V,