Lý thuyết bán dẫn - Diode và ứng dụng

[r]

Bài 5: DIODE VÀ NG D NG Ứ Ụ

I Diode ch nh l u: ỉ ư

Diode ch nh l u là m t d ng diode bán d n Công d ng ch y u c a lo i này là ch nhỉ ư ộ ạ ẫ ụ ủ ế ủ ạ ỉ

l u, ngoài ra còn đư ượ ử ục s d ng trong nhi u ng d ng khác.ề ứ ụ

Ký hi u:ệ

Đ c tuy n c a diode: ặ ế ủ

Diode d n dòng khi đi n áp phân c c thu n vẫ ệ ự ậ ượt qua đi n áp rào th và diode không d nệ ế ẫ dòng khi nó b phân c c ngị ự ược T hình v ta th y r ng nhánh trên là nhánh phân c c thu n vàừ ẽ ấ ằ ự ậ nhánh dưới là nhánh phân c c ngh ch ự ị

 Khi đi n áp phân c c thu n nh h n đi n áp rào th (0.3V đ n 0.7V) thì dòngệ ự ậ ỏ ơ ệ ế ế

đi n qua diode có giá tr r t nh g i là dòng đi n ngệ ị ấ ỏ ọ ệ ược

 Khi đi n áp phân c c thu n l n h n đi n áp rào th thì dòng đi n qua diode tăngệ ự ậ ớ ơ ệ ế ệ

r t nhanh vì th c n ph i m c đi n tr n i ti p đ h n dòng.ấ ế ầ ả ắ ệ ở ố ế ể ạ

Đi n áp phân c c thu n trên diode x p x v i đi n áp rào th g i là V có giá tr trongệ ự ậ ấ ỉ ớ ệ ế ọ ị kho ng t 0.3 đ n 0.7V.ả ừ ế

nhánh phân c c ng c khi đi n áp ng c tăng lên v bên trái, dòng đi n g n b ng 0

cho đ n khi Vế R = VBR (đi n áp đánh th ng) Khi đánh th ng x y ra, dòng ngệ ủ ủ ả ược có giá tr r tị ấ

l n, n u không gi i h n thì nó có th phá h ng diode Giá tr đi n áp đánh th ng đi n hình l nớ ế ớ ạ ể ỏ ị ệ ủ ể ớ

h n 50V cho h u h t lo i diode H u h t các lo i diode đ u không đơ ầ ế ạ ầ ế ạ ề ược ho t đ ng trong vùngạ ộ đánh th ng ngủ ược

Khi đi n th c c Anode dệ ế ự ương h n so v i Cathode, diode phân c c thu n và dòng đi n điơ ớ ự ậ ệ

t Anode đ n Cathode L u ý r ng khi diode đừ ế ư ằ ược phân c c thu n, đi n áp rào th luôn luônự ậ ệ ế

xu t hi n gi a hai c c Anode và Cathode.ấ ệ ữ ự

Khi đi n th c c Anode âm h n so v i Cathode, diode b phân c c ngệ ế ự ơ ớ ị ự ược, dòng đi n quaệ diode g n b ng 0.ầ ằ

35

IF

IR

VF

VR VBR

Vtx hoặc V

IF, VF: điện áp thuận

và dòng điện thuận

IR, VR: điện áp nghịch

và dòng điện nghịch

VBR: điện áp đánh thủng ngược

Vtx hay V: điện áp rào thế

Phân cực thuận

Phân cực nghịch

e

I ≈ 0A +

+

-R

VBB

V

IF +

+

-R

VBB V

Ki m tra diode: ể

Dùng ngu n pin bên trong VOM đ phân c c thu n hay phân c c ngh ch cho diode, choồ ể ự ậ ự ị phép chúng ta ki m tra nhanh và đ n gi n.ể ơ ả

Đ ki m tra diode theo hể ể ướng thu n, đ u dậ ầ ương c a VOM n i v i Anode và đ u âm c aủ ố ớ ầ ủ

nó n i v i Cathode Khi diode b phân c c thu n, đi n tr n i c a nó nh (kho ng 100) Đ iố ớ ị ự ậ ệ ở ộ ủ ỏ ả ổ hai đ u que đo, ngu n pin bên trong VOM làm cho diode b phân c c ngh ch, đi n tr n i c aầ ồ ị ự ị ệ ở ộ ủ

nó có giá tr r t l n (kho ng vài M).ị ấ ớ ả

Các mô hình x p x c a Diode: ấ ỉ ủ

Cách đ n gi n đ th y đơ ả ể ấ ược ho t đ ng c a Diode là xem Diode nh là m t cái khóaạ ộ ủ ư ộ chuy n m ch (switch) Khi diode d n, diode đóng vai trò nh là khóa đóng và khi phân c cể ạ ẫ ư ự

ngược thì diode đóng vai trò nh là khóa m L u ý r ng đi n áp thu n và dòng đi n ngư ở ư ằ ệ ậ ệ ượ c luôn luôn b ng 0 Đây là mô hình lý tằ ưởng, b qua đi n áp rào th , đi n tr n i và các thông sỏ ệ ế ệ ở ộ ố khác Trong nhi u trề ường h p nó đ chính xác.ợ ủ

Đ c tuy n lý tặ ế ưởng có d ng nh sau:ạ ư

Ti p theo là mô hình có tính chính xác cao h n Khi phân c c thu n diode có th xem nhế ơ ự ậ ể ư

là khóa đóng n i ti p v i ngu n pin V (có đi n th kho ng 0.3V đ n 0.7V), c c dố ế ớ ồ ệ ế ả ế ự ương c a pinủ

hướng v anode Khi phân c c ngh ch thì xem nh h m ch gi ng nh trề ự ị ư ở ạ ố ư ường h p lý tợ ưởng,

b i vì đi n áp rào th không nh hở ệ ế ả ưởng đ n phân c c ngế ự ược

Trường h p này có đ c tuy n nh sau:ợ ặ ế ư

Khi khóa đóng

Khi khóa mở

Khi khóa đóng

Khi khóa mở V

+

-Đặc tuyến lý tưởng

IF

VF 0

IF

VF

N u c n c p đ chính xác l n h n n a thì ta dùng mô hình sau: khi phân c c thu n diodeế ầ ấ ộ ớ ơ ữ ự ậ

được thay th nh là đi n áp rào th và đi n tr thu n c a diode có giá tr nh Khi phân c cế ư ệ ế ệ ở ậ ủ ị ỏ ự ngh ch diode đị ược xem nh là m t đi n tr phân c c ngư ộ ệ ở ự ược có giá tr l n.ị ớ

Đ c tuy n làm vi c theo mô hình này nh sau:ặ ế ệ ư

Đ c tính c b n c a diode là ch d n đi n theo m t chi u nên nó đặ ơ ả ủ ỉ ẫ ệ ộ ề ượ ức ng d ng r ng rãiụ ộ trong các m ch ch nh l u, chuy n đ i tín hi u t AC ạ ỉ ư ể ổ ệ ừ  DC

II Diode Zener:

Diode zener dùng đ n đ nh đi n áp, công d ng gi ng m c đích t ng quát c a diodeể ổ ị ệ ụ ố ụ ổ ủ

ch nh l u, và r t quan tr ng trong nhi u m ch ngu n cung c p.ỉ ư ấ ọ ề ạ ồ ấ

Ký hi u:ệ

Zener là linh ki n dùng ti p xúc P – N nh ng nó khác v i diode ch nh l u là ho t đ ng t iệ ế ư ớ ỉ ư ạ ộ ố

u trong vùng phân c c ng c

Khi phân c c thu n nó ho t đ ng gi ng nh diode thự ậ ạ ộ ố ư ường nh ng khi phân c c ngh ch,ư ự ị

đi n áp ngệ ược VR > VZ thì đánh th ng ngủ ược x y ra và đi n áp ngh ch trên hai đ u diode h uả ệ ị ầ ầ

nh không đ i m c dù dòng đi n ngh ch thay đ i r t l n.ư ổ ặ ệ ị ổ ấ ớ

Có hai lo i đánh th ng ngạ ủ ược trong diode zener M t là lo i đánh th ng thác lũ v i đi nộ ạ ủ ớ ệ

áp ngược cao nh trong diode ch nh l u Hai là lo i đánh th ng zener nh trong diode zener v iư ỉ ư ạ ủ ư ớ

đi n áp ngệ ược th p Tùy theo b dày mi n nghèo khác nhau mà m c đi n áp đánh th ng khácấ ề ề ứ ệ ủ nhau vì v y có nhi u lo i diode zener khác nhau.ậ ề ạ

Khi khóa đóng

Khi khóa mở V

+

-R có giá trị rất lớn

V

VF

IF

VR

IF

Vùng phân cực thuận

Vùng phân cực nghịc h Đặc tuyến của Zener

Diode zener v i đi n áp đánh th ng < 5V ho t đ ng trong ch đ đánh th ng zener, đi nớ ệ ủ ạ ộ ế ộ ủ ệ

áp đánh th ng > 5V ho t đ ng trong ch đ đánh th ng thác lũ nh ng c hai lo i v n g i làủ ạ ộ ế ộ ủ ư ả ạ ẫ ọ diode zener Trong th c t , đi n áp đánh th ng trong kho ng t 1.8V đ n 200V.ự ế ệ ủ ả ừ ế

Đ c tuy n đánh th ng: ặ ế ủ

Khi VR < VZ dòng đi n ngệ ược có giá tr r t nh khi Vị ấ ỏ R ≥ VZ x y ra hi n tả ệ ượng đánh th ngủ dòng đi n Iệ Z tăng r t nhanh, đi n áp Vấ ệ Z g n nh không đ i Kh năng n đ nh đi n áp này làầ ư ổ ả ổ ị ệ

đ c đi m chính c a diode zener Zener duy trì đi n áp không đ i trên hai c c c a nó trong khiặ ể ủ ệ ổ ự ủ dòng đi n Iệ Z thay đ i trong m t kho ng xác đ nh.ổ ộ ả ị

Giá tr t i thi u c a dòng đi n ngị ố ể ủ ệ ược là IZK ph i đả ược duy trì đ gi diode n đ nh Ta cóể ữ ổ ị

th th y trên đ c tuy n là Iể ấ ặ ế Z < IZK thì đi n áp thay đ i r t nhanh và không còn ch c năng n áp.ệ ổ ấ ứ ổ Giá tr t i đa c a dòng đi n ngị ố ủ ệ ược là IZM, khi IZ > IZM thì diode b phá h ng Vì v y diode zenerị ỏ ậ duy trì đi n áp không đ i trên hai c c khi dòng đi n ngệ ổ ự ệ ược thay đ i trong kho ng Iổ ả ZK đ n Iế ZM

M ch t ạ ươ ng đ ươ ng c a Zener: ủ

Mô hình x p x c a diode zener trong vùng đánh th ng ngấ ỉ ủ ủ ược có d ng nh sau: ạ ư

rZ = ∆VZ/∆IZ

ng d ng c a diode zener:

 Làm ph n t n đ nh đi n áp.ầ ử ổ ị ệ

 Làm m ch xén.ạ

 …

III Diode Schottky:

Ký hi u: ệ

Diode schottky có đáp ng t n s nhanh h n so v i diode thứ ầ ố ơ ớ ường Lo i Diode này ch c nạ ỉ ầ phân c c thu n kho ng 0.3V nên chúng thích h p cho nh ng ng d ng t n s cao và đi n ápự ậ ả ợ ữ ứ ụ ầ ố ệ

th p.ấ

Đ c đi m c a Diode Schottky:ặ ể ủ

 Đượ ạc t o thành t ti p xúc c a bán d n (pha ít t p ch t) và kim lo i.ừ ế ủ ẫ ạ ấ ạ

 Ho t đ ng nh diode thạ ộ ư ường nh ng đi n áp nh h n.ư ệ ỏ ơ

 Có dòng ngượ ớc l n h n so v i diode thơ ớ ường

 Chuy n m ch t c đ cao.ể ạ ố ộ

IV Diode bi n dung (varactor diode): ế

VR VZ

IR

IZM

IZK

+ _

Mô hình

lý tưởng

VZ

+ _

Mô hình

Z

rZ

Diode bi n dung đế ượ ử ục s d ng nh là diode có đi n dung thay đ i C u t o v c b n làư ệ ổ ấ ạ ề ơ ả

m t m i n i P-N phân c c ngộ ố ố ự ược đ t n d ng đi n dung mi n nghèo Vùng nghèo để ậ ụ ệ ề ượ ạ c t o thành b i phân c c ngở ự ược đóng vai trò nh là đi n môi c a t đi n do đ c tính không d n đi nư ệ ủ ụ ệ ặ ẫ ệ

c a nó Vùng p và n d n đi n và đóng vai trò nh là hai b n c c c a t đi n.ủ ẫ ệ ư ả ự ủ ụ ệ

Khi đi n áp phân c c ngệ ự ược tăng lên, b dày mi n nghèo tăng lên, tăng b dày l p đi nề ề ề ớ ệ môi và làm gi m đi n dung c a l p bán d n Khi đi n áp phân c c ngả ệ ủ ớ ẫ ệ ự ược gi m, vùng nghèoả thu h p, đi n dung tăng lên.ẹ ệ

Giá tr c a t đi n đị ủ ụ ệ ược xác đ nh b ng công th c sau:ị ằ ứ

S C d

ε

=

Trong đó:

 S là di n tích b n c c.ệ ả ự

 là h ng s đi n môi.ằ ố ệ

 d là b dày l p đi n môi.ề ớ ệ

Vì v y giá tr c a đi n dung đậ ị ủ ệ ược đi u khi n b ng cách thay đ i đ r ng mi n nghèo vàề ể ằ ổ ộ ộ ề

c u trúc c a diode Giá tr c a t t vài pF đ n vài trăm pF.ấ ủ ị ủ ụ ừ ế

ng d ng c a diode bi n dung đ thay đ i t n s trong các m ch công h ng

V Tunnel diode:

Bản cực Lớp điện môi

+

Ký hiệu

RS

CV

Mạch tương đương

VR

Cd

0 Điện thế phân cực

ngược

Điện dung của

tụ điện

- Bán kỳ đ u Vầ A > Vc: D1D3 d n, D2 ẫ

D4 t t => dòng ch y A->D1->R->D3->C.ắ ạ

- Bán kỳ sau VA < Vc : D1 D3 t t, D2 ắ

D4 d n => dòng t C->D2->R->D4->A.ẫ ừ

Công th c tính dòng và áp nh 2 diodeứ ư

4. M ch l c: ạ ọ

Tín hi u ra trong các m ch ch nh l u có đ g n sóng khá l n và Vệ ạ ỉ ư ộ ợ ớ DC th p (toàn kỳ Vấ DC = 0.636

Vm) Do đó đ c i thi n đ g n sóng ngể ả ệ ộ ợ ười ta m c thêm các m ch l c.ắ ạ ọ

ngõ ra, khi D1 d n, dòng qua t i R và n p cho t C đ nh A, đi n th gi m, t l p t c x

đi n qua t i v i th i gian T = Rệ ả ớ ờ L.C Khi t x đ n B, D2 d n và l i n p cho t lên đ nh A, cụ ả ế ẫ ạ ạ ụ ỉ ứ

th ti p t c K t qu là d ng sóng ra nh hình v có Vế ế ụ ế ả ạ ư ẽ DC tăng và đ g n sóng gi m so v i lúcộ ợ ả ớ

ch a có t l c.ư ụ ọ

5. M ch nhân áp: ạ

- VA < VB: D1 d n, D2 ng ng, dòng n p qua t C1 = Vẫ ư ạ ụ m

- VA > VB: D1 ng ng, D2 d n dòng g m th n p trên t C1 n i ti p v i th xoay chi uư ẫ ồ ế ạ ụ ố ế ớ ế ề

c a bán kỳ dủ ương nên đi n áp CA đ t 2Vệ ạ m Vì v y, t C2 n p 1 lậ ụ ạ ượng đi n th = 2 Vệ ế DC

c p cho t i.ấ ả

6. M ch xén ạ : M ch gi i h n biên đ tín hi u.ạ ớ ạ ộ ệ

- Tùy theo diode m c n i ti p hay song song v i t i ngõ ra (Rắ ố ế ớ ả L) ta phân bi t thành m chệ ạ xén n i ti p hay song song.ố ế

- Tùy theo ch c năng mà ta có lo i xén m c trên, m c dứ ạ ứ ứ ưới hay hai m c đ c l p Sau đâyứ ộ ậ

ta s kh o sát m ch xén s d ng diode lý tẽ ả ạ ử ụ ưởng (Vγ =0)

a M ch xén trên: ạ

b M ch xén d ạ ướ i:

t

VL

t

R Vi

D

D

Vi

D

Vo

VS

D

Vo