Khảo sát các đặc tính của diode, tranzito và một vài ứng dụng

ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trởsuất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các loại sai hỏng củamạng tinh thể bán dẫn.. Chất dẫn điện Chúng ta đã biết, muốn tạo r

Lời cảm ơn

Trong quá trình học tập tại Trờng ĐH Vinh, tôi đã nhận

đ-ợc những kiến thức quí báu và cần thiết từ các thầy , cô giáo- Điều

đó đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn

Luận văn này đợc thực hiện và hoàn thành tại khoa Công nghệ Trờng ĐH- Vinh với sự hớng dẫn của thầy giáo, TS Nguyễn Hoa L Với tình cảm trân trọng, tôi xin cảm ơn tới các thầy, cô giáo khoa Vật lí, Khoa công nghệ và các học viên đã tạo

điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất của mình tới thầy giáo, TS Nguyễn Hoa L và các thầy giáo Khoa công nghệ đã tận tình đặt đề tài và hớng dẫn, chỉ bảo và giúp tôi v-

ợt qua khó khăn để hoàn thành tốt công việc đợc giao

Vinh, ngày tháng năm 2005

Tác giả

Chơng I Cơ sở vật lý dụng cụ bán dẫn

Dụng cụ bán dẫn đợc chế tạo từ vật liệu bán dẫn, là loại vật liệu ở điềukiện nhất định nó trở thành dẫn điện, ở những điều kiện khác lại là cách điện.Trong vật liệu bán dẫn thì điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng và mỗi loại đều

có một nhiệt độ giới hạn ở những nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này, điện trởsuất của bán dẫn phụ thuộc vào nồng độ tạp chất và các loại sai hỏng củamạng tinh thể bán dẫn Vật liệu bán dẫn có thể là đơn chất hoặc cũng có thể làhợp chất của hai hay nhiều nguyên tố Để hiểu nguyên lý làm việc của dụng

cụ bán dẫn cần biết đợc các hiệu ứng vật lý xảy ra trong bán dẫn khi có dòng

điện chạy qua dới các điều kiện khác nhau thì các hiệu ứng xảy ra rất khácnhau ứng dụng các hiệu ứng này ngời ta đã và đang chế tạo ra nhiều dụng cụbán dẫn

Tuỳ theo vị trí tơng đối giữa 3 loại vùng kể trên, xét theo tính chất dẫn

điện của mình, các chất rắn cấu trúc tinh thể đợc chia thành 3 loại (xét ở 00 K)thể hiện trên hình 1.1

Hình 1.1: Phân loại vật rắn theo cấu trúc vùng năng lợng

a Chất cách điện E g > 2eV; b Chất bán dẫn nhiệt E g  2eV; c Chất dẫn

điện

Chúng ta đã biết, muốn tạo ra dòng điện trong vật rắn cần hai quá trình

đồng thời: quá trình tạo ra hạt dẫn tự do nhờ đợc kích thích năng lợng và quátrình chuyển động có hớng của các hạt dẫn điện này dới tác dụng của trờng Dới

đây ta xét tới cách dẫn điện của chất bán dẫn nguyên chất (bán dẫn thuần) vàchất bán dẫn tạp chất mà điểm khác nhau chủ yếu liên quan tới quá trình sinh(tạo) các hạt tự do trong mạng tinh thể

1.2 Bán dẫn thuần và bán dẫn pha tạp:

1.2.1 Bán dẫn thuần:

Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si)thuộc nhóm bốn bảng tuần hoàn Mendeleep, nó có cấu trúc vùng năng lợngdạng hình 1.1b với Eg = 1,12eV Mô hình cấu trúc mạng tinh thể (1 chiều) củachúng có dạng hình 1.2a với bản chất là các liên kết ghép đôi điện tử hoá trịvành ngoài ở 00K chúng là các chất cách điện Khi đợc một nguồn năng lợngngoài kích thích thì trong bán dẫn xảy ra hiện tợng ion hoá các nguyên tử ởnút mạng và sinh ra các cặp hạt dẫn tự do: điện tử bứt khỏi liên kết ghép đôitrở thành hạt tự do và để lại 1 liên kết bị khuyết (lỗ trống).Điều này tơng ứngvới sự chuyển điện tử từ 1 mức năng lợng trong vùng hoá trị lên mức trongvùng dẫn để lại 1 mức tự do (trống) trong vùng hoá trị Các cặp hạt dẫn tự donày, dới tác dụng của trờng ngoài hay một Gradien nồng độ có khả năng dịchchuyển có hớng trong mạng tinh thể tạo nên dòng điện trong chất bán dẫnthuần

1.2.2 Bán dẫn pha tạp:

Trong mạng tinh thể của bán dẫn pha tạp xuất hiện những sai hỏng ởmột số nút mạng của tinh thể bán dẫn Để làm rõ vấn đề này ta lấy trờng hợp

bán dẫn Gecmani thuần và Gecmani pha tạp có thể mô tả cấu tạo của chúng

nh sau:

+ Cấu tạo của bán dẫn Gecmani thuần

Mỗi nguyên tử có 4 điện tử hoá trị góp chung với 4 nguyên tử bên cạnh

để tạo thành mối liên kết đồng hoá trị Lực liên kết tác dụng lên các điện tửhoá trị tơng đối lớn, vì vậy năng lợng cần thiết để đa điện tử từ vùng hoá trịlên vùng dẫn cũng tơng đối lớn Trong trờng hợp này, nếu các điện tử hoá trịnhận đợc năng lợng từ bên ngoài (nhiệt độ hoặc ánh sáng) đủ để có thể táchkhỏi mối liên kết trở thành điện tử tự do nhảy lên vùng dẫn đồng thời tạo ra tại

đây lỗ trống (nằm trong vùng hoá trị ) quá trình này đợc gọi là quá trình phátxạ cặp điện tử lỗ trống Nh vậy trong bán dẫn thuần các hạt dẫn đợc tạo ra chủyếu bởi quá trình hình thành cặp điện tử lỗ trống

+ Cấu tạo của bán dẫn Gecmani pha tạp

Nếu nh ở một vị trí đó của nút mạng tinh thể Ge đợc thay bằng mộtnguyên tử nguyên tố nhóm V, ví dụ P, As, Sb thì khi ấy 4 điện tử hoá trị củanguyên tử này đã đủ điều vào các mối liên kết với mạng Ge còn điện tử hoá trịthứ 5 thì không tham gia vào liên kết mạng tinh thể

Nó trở thành điện tử tự do, hiện tợng này đợc biểu diễn nh hình 1.2 a,b

Những tạp chất nhóm V kể trên đợc gọi là tạp chất đono (tạp chất cho

điện tử) khi pha các tạp chất này vào bán dẫn thuần chúng bị ion hóa trở thànhnhững ion dơng và cho những điện tử tự do Bán dẫn đợc pha tạp chất đonogọi là bán dẫn loại n Số lợng điện tử tự do trong nhóm bán dẫn loại n nhiềuhơn hẳn số lỗ trống bởi vậy trong trờng hợp này gọi điện tử là hạt dẫn đa số lỗ







+ 4



 

+ 4



  +

4 1

+ 4





 

+ 4



 

+ 4







+ 5





+ 4

Hình 1.2a Mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần.

1 Điện tử và lỗ trống trong vùng hoá trị

2 Điện tử trong vùng hoá trị

b Mạng tinh thể Ge có pha tạp chất nhóm 1

1 Đono bị ion hoá

2 Điện tử trong vùng dẫn

Hình 1.3 Vùng năng l ợng bán

dẫn n với mức đọ đono

trống là hạt dẫn thiểu số Tính dẫn điện trong bán dẫn loại n do điện tử quyết

định việc làm sai hỏng mạng tinh thể bán dẫn Ge thuần bằng tạp chất đono

t-ơng ứng với việc làm xuất hiện trong vùng cấm của bán dẫn này những mứcnăng lợng nằm sát đáy vùng dẫn nh hình 1.3 và 1.4:

Nếu pha vào bán dẫn Ge thuần những tạp chất thuộc nhóm III, ví dụ

nh In, Ga, B, Al Khi ấy do các tạp chất này chỉ có hoá trị III cho nên để tạothành mối liên kết với mạng Ge chúng phải lấy một điện tử hoá trị của mốiliên kết khác trong mạng để điền vào cho đủ Kết quả là dẫn tới trong mạngtinh thể xuất hiện những điểm tích điện dơng

Những điểm tích điện dơng này có thể thay đổi vị trí tơng đối của chúng, đóchính là những lỗ trống Các tạp chất thuộc nhóm III này gọi là các acxepto(tạp chất bắt điện tử) khi pha các tạp chất acxepto vào bán dẫn, chúng bị ionhoá trở thành những ion âm và làm xuất

hiện trong tinh thể bán dẫn những lỗ

trống Bán dẫn đợc pha tạp chất acxepto

gọi là bán dẫn loại p, trong bán dẫn loại p

số lợng lỗ trống nhiều hơn rất nhiều so

với điện tử, cho nên trong bán dẫn này lỗ

sẽ khuếch tán từ bán dẫn p sang bán dẫn n ngợc lại điện tử khuếch tán từ bán n



+ 4





 

+ 4





 

+ 4





 

+ 3





 

+ 4





 

+ 4





 

+ 4

p nTiếp xúc p - n

sang bán dẫn p Kết quả dẫn tới là phía bán dẫn p tại gần bề mặt tiếp xúc sẽcòn lại những ion âm của các nguyên tử acxeptot đã bị ion hoá và phía bándẫn n tại gần bề mặt tiếp xúc còn lại là các ion dơng của các dono đã bị ionhoá Nh vậy do sự khuếch tán các hạt đa số mà tại miền lân cận mặt tiếp xúcmất đặc tính trung hoà điện tích, phía bán dẫn n tích điện dơng, phía bán dẫn ptích điện âm, cho nên ở đây hình thành một lớp điện trờng Et gọi đó là nội tr-ờng có chiều hớng từ n sang p Cho nên điện trờng này chống lại sự di chuyểncủa các hạt dẫn đa số Nhng trờng này lại cuốn điện tử từ p sang n và lỗ trống

từ n sang p nghĩa là làm tăng cờng sự di chuyển của hạt dẫn thiểu số

Sự khuếch tán các hạt đa số xẩy ra càng mạnh, vùng điện tích âm, dơng

ở hai phía bán dẫn p, n càng rộng ra (số điện tích tăng lên) do đó cờng độ nộitrờng Et cũng tăng lên, kết quả đa tới làm cho dòng khuếch tán các hạt đa sốgiảm đi còn dòng cuốn các hạt thiểu số tăng lên, cuối cùng sẽ tới một lúc màdòng khuếch tán các hạt đa số bằng dòng cuốn các hạt thiểu số Khi ấychuyển tiếp pn đạt tới trạng thái cân bằng Trạng thái cân bằng ở đây là trạngthái cân bằng động ở trạng thái cân bằng, số ion âm nằm bên bờ mặt tiếp xúc

về phía p và số ion dơng nằm bên bờ mặt tiếp xúc về phía n bằng nhau vàkhông đổi, do đó cờng độ nội trờng Et cũng đạt tới giá trị xác định, miền chứacác ion âm và dơng vừa kể trên hầu nh không có hạt dẫn cho nên gọi đó làmiền điện tích không gian

ở trạng thái cân bằng động độ rộng miền điện tích không gian xm xác

+ + + +

- - -

++

- - -

-+ + + +

+ + + +

+ + + +

+-+

-nX

m

E

t

p

Chuyển tiếp pn khi có dạng nh hình 1.7:

Hình 1.7a ta thấy chiều của điện trờng bên ngoài và nội trờng ngợcnhau, cho nên trạng thái ban đầu cân bằng bị phá vỡ Điện trờng của miền

điện tích không gian hẹp lại.Cho nên Thành phần dòng khuếch tán qua lớpchuyển tiếp pn lớn hơn thành phần dòng cuốn (dòng khuếch tán ở đây là dòngcác hạt đa số, điện tử từ n  p và lỗ trống từ p  n)

Nếu xét về độ rộng của miền điện tích không gian, một cách định tính

Do điện cực của điện áp bên ngoài nên lỗ trống trong bán dẫn p và điện tửtrong bán dẫn n bị đẩy về phía miền điện tích không gian, trung hoà bớt cácion âm và dơng của miền này và do đó làm cho độ rộng của miền này hẹp lại

Điện áp thuận càng lớn, số hạt dẫn đa số bị đẩy về phía miền điện tích khônggian càng nhiều và độ rộng của nó hẹp lại Cho nên độ rộng miền điện tíchkhông gian giảm nhỏ tơng ứng với số điện tích tại vùng này giảm và do đó

điện trờng của nó cũng giảm so với lúc cân bằng

1.3.3 Chuyển tiếp pn khi có điện áp phân cực ngợc:

Chuyển tiếp pn phân cực ngợc đợc biểu diễn nh hình 1.8a Cực âm của điện áp

ngoài đặt vào bán dẫn p, còn cực dơng đặt vào bán dẫn n chiều của nội trờngtrùng với chiều điện trờng ngoài Nếu so sánh với chuyển tiếp pn ở trạng tháicân bằng thì độ rộng của miền điện tích không gian lúc này rộng hơn Miền

điện tích không gian trong trờng hợp phân cực ngợc rộng ra đó là do cực tínhcủa điện áp ngoài đặt vào chuyển tiếp pn, điện tử trong bán dẫn n và lỗ trốngtrong bán dẫn p bị “hút” lại phía điện cực, khiến cho tại bờ miền điện tíchkhông gian xuất hiện những ion mới lấn sâu vào bán dẫn n và p do đó miền

điện tích không gian rộng hơn lúc cân bằng Khi phân cực ngợc trạng thái cânbằng ban đầu của chuyển tiếp pn cũng bị phá vỡ Nhng trờng hợp này khác vớiphân cực thuận, nó làm cho dòng các hạt thiểu số cuốn bởi điện trờng đợctăng cờng làm giảm các dòng khuếch tán hạt đa số Do tác dụng cuốn mạnhcủa điện trờng miền điện tích không gian mà nồng độ của hạt dẫn thiểu số ởhai bờ miền này (Xm và Xp) nhỏ hơn so với lúc cân bằng

(E

F ) p

q ( U

tx + U

u )

E c

(E

F ) n E v x’

E Fp

a) Chuyển tiếp PN phân

cực ng ợc

Hình 1.8 b) Giản đồ vùng năng l ợng chuyển tiếp PN phân cực ng ợc

Chơng II Diode bán dẫn và ứng dụng

2.1 Cấu trúc và đặc trng vôn - ampe của Diode bán dẫn.

Trong Diode bán dẫn ta chỉ xét tới nguyên lý làm việc của nó dựa trêncác hiệu ứng vật lý của chuyển tiếp pn Điện cực nối với bán dẫn p gọi là anốt,

điện cực đợc nối với bán dẫn n gọi là catốt

Dựa vào hiệu ứng chỉnh lu của chuyển tiếp pn (dẫn điện tốt theo mộtchiều) ngời ta chế tạo ra các diode chỉnh lu Bằng cách thay đổi cấu trúc diodecũng nh thay đổi quá trình công nghệ, các diode làm việc ở những khoảng tần

số và công suất khác nhau Điốt công suất nhỏ, trung bình và lớn, diode có tần

số thấp trung bình và cao Các diode kể trên đều làm từ các chuyển tiếp pn

nh-ng dựa trên các hiệu ứnh-ng vật lý khác nhau cho nên nh-nguyên lý làm việc, đặctuyến vôn - ampe cũng nh ứng dụng của chúng rất khác nhau:

Đặc trng Vôn – Ampe của diode bán dẫn

Hình 2.1 Đặc trng Vôn - ampe của diode bán dẫn

Từ đờng đặc tuyến Vôn -Ampe của diode bán dẫn trên thì ta thấy dòngthuận của diode Ith có giá trị nhỏ cho tới khi điện áp thuận tăng lên giá trị 0,7(V) (đối với Ge) còn 0,3 (V) (đối với Si) Sau khi điện áp thuận vợt qua giátrị kể trên dòng thuận tăng lên khi điện áp thuận tăng

Dòng ngợc thờng rất nhỏ so với dòng thuận Mà dòng ngợc đợc tạo bởicác hạt dẫn thiểu số sau khi mau chóng đạt tới giá trị bão hoà, dòng ng ợc giữnguyên giá trị không tăng cho dù điện áp ngợc tăng Nếu tăng điện áp ngợc v-

ợt quá một giá trị nhất định thì dòng ngợc sẽ tăng đột ngột gọi hiện tợng này

là hiện tợng đánh thủng diode

Đây là 1 đờng cong có dạng phức tạp, chia làm 3 vùng rõ rệt

Vùng 1 ứng với trờng hợp phân cực thuận

[mA]

I th

60 40 20 0

3

2

1

Vùng 2 ứng với trờng hợp phân cực ngợcVùng 3 ứng với trờng hợp vùng đánh thủng tiếp xúc p-nTrong vùng (1) và (2) dòng điện ngợc bão hoà có giá trị gần nh không phụthuộc vào Uđk, chỉ phụ thuộc vào nồng độ hạt thiểu số lúc cân bằng, vào độ dài

và hệ số khuếch tán tức là vào bản chất cấu tạo chất bán dẫn tạp chất loại n và

p và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ:

Nếu dòng điện thuận  03, (A) thì diode có công suất nhỏ

Nếu dòng điện thuận 0,3 < Ith 10 (A) gọi là công suất trung bìnhNếu dòng điện thuận Ith  10(A) gọi là công suất lớn

Khi thiết kế chế tạo diode chỉnh lu ngời ta dùng chuyển tiếp mặt đểthiết kế và chế tạo diode thì một điều sẽ xẩy ra, đó là điện dung lớp chuyểntiếp sẽ lớn, bởi vậy các diode chỉnh lu dòng chuyển tiếp mặt Chỉ làm việt tốt

ở tần số thấp, còn ở vùng tần số cao thì phần lớn dòng điện chạy qua điệndung và khi đó hiệu ứng chỉnh lu không còn nữa

+ Đặc điểm cấu trúc của Diode:

Mạch của Diode có dạng chiều của mũi tên chỉ hớng dòng điện quadiode khi phân cực thuận

Nh vậy dòng thuận có hớng chảy từ anốt đến catốt Nếu dùng mũi tênthì chiều của nó bao giờ cũng hớng từ bán dẫn p sang bán dẫn n Có thể thấyrằng chiều của mũi tên trùng với chiều của lỗ trống khi phân cực thuận

Ngày trớc các phơng pháp chế tạo ra chuyển tiếp pn cũng chính là

ph-ơng pháp chế tạo ra diode Những diode trớc đây thờng là bằng phph-ơng pháphợp kim trong phơng pháp này chuyển tiếp pn đợc hình thành bằng cách nóngchảy viên bi kim loại VD: Al hoặc vật liệu loại p khác vào bán dẫn n hoặc ng-

ợc lại cho viên bi kim loại n nóng chảy vào bán dẫn loại p Sau quá trình nóngchảy vật liệu kết tinh trở lại và chuyển tiếp pn đợc hình thành Những diodechế tạo bằng phơng pháp này gọi là những diode hợp kim

Hiện nay các diode đợc chế tạo chủ yếu bằng phơng pháp khuếch tán Quátrình chế tạo diode khuếch tán có thể trình bày nh sau:

exp

T

Ak

U m U

Một phiến bán dẫn loại n đợc phủ một lớp Si02 bằng kỹ thuật quangkhắc, ngời ta khoét một cửa sổ với kích thớc định trớc qua lớp Si02 xuống bềmặt bán dẫn loại n Phiến bán dẫn này đợc đa vào lò khuếch tán, trong lòkhuếch tán ở nhiệt độ và nồng độ tạp chất acxeptro thích hợp, các nguyên tửtạp chất acxeptro khuếch tán qua cửa sổ đi sâu vào bán dẫn n, biến vùng bándẫn mới có cửa số thành bán dẫn loại p và chuyển tiếp pn đợc hình thành Ph-

ơng pháp này còn đợc dùng để chế tạo tranzito và các dụng cụ bán dẫn khác.Diode chế tạo bằng phơng pháp này gọi là diode khuếch tán

Trong quá trình chế tạo thì chúng ta cũng phải chú ý đến việc chọn dạng hìnhhọc của chuyển tiếp pn, hàn cực cũng nh vỏ diode cũng rất quan trọng

Cấu trúc bên trong và hình dạng vỏ bọc bên ngoài của các diode thờng căn cứvào ba yêu cầu sau đây:

+ Đảm bảo sự tản nhiệt tốt khi diode làm việc ở chế độ dòng lớn

+ Đảm bảo hạn chế các yếu tố ký sinh khi diode làm việc ở tần số cao+ Đảm bảo cho diode có kích thớc nhỏ nhất trong điều kiện có thể rútnhỏ đợc

Cấu trúc bên trong và hình dạng bên ngoài của một số diode điển hình

biệt với điện trở) Để phân

biệt giữa anốt và catốt ngời ta

Những diode dòng trung bình có kích thớc lớn hơn diode dòng nhỏ, trên

vỏ diode thờng ghi ký hiệu diode, từ đó có thể xác định dễ dàng cực củadiode Dòng thuận của loại diode này vào cỡ 400mA, điện áp đánh thủng ngợcnhỏ hơn 200 (V) Đối với các diode dòng nhỏ và dòng trung bình, phơng pháp

toả nhiệt chủ yếu dựa vào sự đối lu không khí và sự dẫn nhiệt qua chân diode.

Đối với các diode công suất lớn khi làm việc chúng toả ra một nhiệt lợng rấtlớn không thể dùng phơng thức đối lu để toả nhiệt Do vậy các loại diode nàythờng lắp thêm vào vỏ diode cách toả nhiệt Hình dạng và kích thớc cách toảnhiệt tuỳ thuộc vào công suất của diode Diode công suất lớn thờng có dòngthuận cỡ vài ampe trở lên và điện áp đánh thủng ngợc cỡ vài trăm vôn

Diode đợc thiết kế để thực hiện những nhiệm vụ riêng Các diode cókích thớc hạt bán dẫn to và lớp vỏ bọc đợc làm lớn hơn để cho phép dòng điệncao đi qua Vỏ bọc diode đợc làm bằng nhựa, thuỷ tinh, hoặc là hỗn hợp củakim loại và thuỷ tinh hoặc gốm Tất cả vỏ của diode đợc hàn chặt để ngănchặn nhiễm bán, chất bán dẫn do khí bụi và hơi nớc

2.2 ứng dụng của diode chỉnh lu:

U2U

A 1

B 1



(a)

U 2

(b)

t

t

Hình 2.2.1Sơ đồ chỉnh l u nửa chu kỳ

Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra dạng sóng của bộ chỉnh lu nửa chukỳ:

Điện áp chỉnh lu trung bình đặt lên tải là:

Điện áp ngợc cực đại đặt lên diode là:

Ung max = Umax (khi sin t = 1)Các mối quan hệ dòng điện:

It = Uctb/Rt

Trong nhiều ứng dụng của diode đòi hỏi đóng ngay lập tức khi diode

đang từ phân cực thuận chuyển sang phân cực ngợc và thông ngay lập tức khidiode đang từ phân cực ngợc chuyển sang phân cực thuận Khi phân cực thuậnthì các diode mở ngay Nhng khi phân cực ngợc thì các diode thờng không

đóng ngay mà kéo dài một khoảng thời gian nhất định gọi là thời gian hồiphục tnf Thời gian này ảnh hởng tới tần số công tác của diode Nếu ở tần sốcao thì thời gian hồi phục giảm xuống cho nên diode đóng ngay Nhng ở tần

số thấp thì thời gian khôi phục tăng làm cho diode không đóng ngay Từ hai

điều kiện của tần số trên mà ta có một khoảng tần số thích hợp để cho diodelàm việc tốt Vậy ở tần số cao thì sự chỉnh lu của diode càng tốt

Điện áp rơi thuận là điểm bắt đầu làm việc của diode Khi đã vợt qua

điểm đó, diode bắt đầu dẫn và điện áp bắt đầu xuất hiện trên điện trở tải Khi

đó dòng thuận tăng lên một cách rõ rệt khi điện áp thuận tăng, điện áp thôngthuận phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu bán dẫn chế tạo diode

2.2.2 Chỉnh lu cả chu kỳ:

Mạch điện nguyên lý của bộ chỉnh lu cầu cho trên hình 2.2.2



 U

Trong nửa chu kỳ của điện áp thứ cấp U2 một cặp van có anốt dơng nhất

và catốt âm nhất mở, cho dòng một chiều ra Rt, cặp van còn lại khoá và chịumột điện áp ngợc cực đại bằng biện độ U2m

Ví dụ ứng với nửa chu kỳ dơng của U2, cặp van D1 D3 mở, D2 D4 khoá cáctham số chỉnh của mạch

Điện áp một chiều lúc hở mạch Rt.

D

R  2 2 2 ,(UDlà điện áp thuận trên các van mở)

Điện áp một chiều lúc có tải

) 2 / 1

rao

trong đó: R i - là điện trở nội tơng đơng của nguồn xoay chiều

Điện áp ngợc chiều cực đại trên van khoá

Ungc(max) = 2U2=    2 Urao

Công suất danh định của biến áp nguồn

Pba = 1,2 Ira (Ura + 2 UD) Trong bộ chỉnh lu của cả chu kỳ, vì có hai xung cho một chu kỳ củadạng sóng đầu vào nên tần số xung đầu ra của bộ chỉnh lu toàn sóng bằng hailần tần số đầu vào Vì vậy tần số gợn sóng của đầu ra bằng hai lần tần số đầuvào

Nhận xét: ứng với nửa chu kỳ dơng của của tín hiệu vào u2, các van D1

D3 mở, trong khi đó các van D2 D4 khoá Với nửa chu kỳ âm của tín hiệu vào

u2 thì các van D2 D4 mở, các van D1 D3 khoá

Để mạch chỉnh lu hoạt động thì biên độ tín hiệu đầu vào phải lớn hơnbiên độ tín hiệu đầu ra 0.7mV hay nói cách khác ur = uv - 0.7

Vậy chỉnh lu toàn sóng có thể thực hiện việc chỉnh lu trong cả hai nửachu kỳ của tín hiệu đầu vào

Trong chỉnh lu toàn sóng thì đầu ra của mạch chỉnh lu ta nhận đợc dạngsóng không đợc nh mong muốn, Để đợc nh mong muốn tức là tín hiệu ra đợcbằng phẳng hơn, ngời ta ghép vào mạch chỉng lu các mạch lọc Có thể hiểumạch lọc nh sau: Ta đi sâu vào quá trình vật lý xẩy ra trong mạch lọc RC.Thực chất quá trình lọc là quá trình tích điện và phóng điện của tụ điện C, tụ

điện C đợc tích điện bằng những xung điện Khoảng giữa các xung, tụ Cphóng điện qua điện trở R (nó không phóng đợc qua bộ tách sóng qua diode vì

điện trở ngợc qua nó rất lớn) Đặc tính quá trình tích và phòng điện tức là quyluật biến đổi của điện áp trên tụ điện (Cũng là trên tải) Do quan hệ hằng sốthời gian  =RC và các chu kỳ T , T quyết định

Nh vậy: Khi tụ phóng điện, điện áp trên nó biến đổi theo quy luật

thành phần cao tần Điện áp trên tụ lúc này có dạng xoay tức là gồm cả thànhphần cao tần và thành phần âm tần, không tách đợc thành phần hữu ích ra.Mục đích lọc không đạt đợc

Trờng hợp 2: T<< = 2 << T

Tăng tụ C trên sao cho hằng số thời gian lớn hơn nhiều so với chu kỳcủa dao động cao tần, nhng vẫn còn rất bé so với chu kỳ của dao động âm tần.Bây giờ tụ không kịp phóng điện trong khoảng thời gian giữa các xung Bộ lọcquán tính với thành phần cao tần Tụ điện đợc tích điện đều Rõ ràng giá trịgiới hạn của điện áp trên tụ sẽ tăng cùng với biên độ của xung (đờng gãy đậmnét trên hình vẽ) mà biên độ này lại biến thiên theo quy luật của dao độnghiểu ích Mặt khác << nếu đối với thành phần tần số  mạch có tính chất

nh đã xét ở trên Tức là mạch không quán tính với thành phần hữu ích Kếtquả trên tụ (tức trên tải) ta thu đợc điện áp hữu ích tần số 

Trờng hợp 3:  = 3 >> T

Trờng hợp tách sóng Thời gian lớn hơn nhiều so với ngay cả chu kỳ T

thì bộ lọc quán tính ngay cả đối với thành phần hữu ích Lúc đó thực tế điện

áp trên tụ điện giữ giá trị không đổi, ta nói mạch có tác dụng san bằng Bộ lọcnày đợc sử dụng trong các thiết bị chỉnh lu dòng điện xoay chiều, nhng khôngdùng đợc trong trờng hợp tách sóng Nh vậy bộ lọc phải thoả mãn điều kiện

; 2

1 :

Ur

D1

D2

U 2

+ -

+ -



U 1



Mạch nhân đôi điện áp đợc dùng trong những trờng hợp đặc biệt nh khi yêucầu điện áp ra cao mà dòng tiêu thụ lại nhỏ cỡ micrôampe Nếu dùng mạchnhân đôi điện áp hình 2.2.6 thì điện áp một chiều ở đầu ra gấp đôi trị số đỉnhcủa điện áp xoay chiều ở đầu vào, vì C1 và C2 đợc nạp đến giá trị đỉnh của điện

áp vào qua D1 và D2 trong hai nửa chu kỳ âm và dơng

Trong nửa chu kỳ âm của điện áp U2, U1đợc nạp đến giá trị đỉnh U2

thông qua D1 Trong nửa chu kỳ tiếp theo C1 đợc nạp thông qua C2 và D2vớigiá trị:

Để ngăn ngừa sự không bằng nhau này, các điện trở cân bằng thỉnh thoảng đợc

sử dụng những điện trở này R1 và R2 chia điện áp điện tích trong mạch điện

Vậy hoạt động của bộ nhân đôi điện áp toàn sóng cũng giống nh hệchỉnh lu toàn sóng, mạch nhân đôi đã sử dụng cả hai chu kỳ của điện áp đầuvào để nạp điện cho cặp diode/ tụ điện mắc nối tiếp Cho nên điện áp đầu racủa bộ chỉnh lu xấp xỉ hai lần điện áp đầu vào đỉnh

2.2.4 Điều chỉnh dạng sóng của diode:

Một ứng dụng điển hình khác của diode bán dãn là sử dụng trong mạchghim (mạch hạn chế biên độ)

H×nh 2.2.4a: C¸c m¹ch

Xét trong trờng hợp đơn giản khi Uvào là một điện áp hình sin không cóthành phần 1 chiều và giả thiết diode là lí tởng (ngỡng mở khoá xảy ra tại giátrị điện áp giữa 2 cực của nó bằng không Uđ = 0)

Khi Uđ  o diode mở và điện áp ra bằng:

Với Rngc là giá trị trung bình của điện trở ngợc diode

Nếu thực hiện điều kiện Rth + Rng << R << Rngc + Rng thì

do đó: Ura1 = Uvào’ Ura2  E

Điều kiện Uđ = 0 xảy ra khi Uvào = E nên ngỡng hạn chế của mạch bằng

E Tức là với mạch hạn chế trên (a) thực hiện điều kiện:

Khi Uv  E, Uđ < 0 có Ura2 = E Khi Uv < E, Uđ > 0 có Ura1 = Uvào

và với mạch hạn chế dới (c) có:

Khi Uv  E, Uđ < 0 có Ura1 = Uvào Khi Uv < E, Uđ > 0 có Ura2 = E Khi thay đổi giá trị E, ngỡng hạn chế sẽ thay đổi trong một giải rộng từ

- Uvmax < E < Uvmax với Uvmax là biên độ của điện áp vào

Trờng hợp riêng khi chọn E = 0 ta có mạch hạn chế ở mức 0

Cũng có thể mắc diode song song với mạch ra nh hình 2.2.4, lúc đó ta

có mạch hạn chế kiểu song song

Từ điều kiện: Rth  R0  Rt  Rngc có

Với mạch hình 2.2.4a

Khi Uv  E, Uđ > 0 có Ura = E Khi Uv < E, Uđ < 0 có Ura = Uv

Với mạch hình 2.2.4.b Khi Uv  E, Uđ < 0 có Ura = Uv

Khi Uv < E, Uđ > 0 có Ura = E

Lu ý rằng nếu để ý đến ngỡng mở của diode loại Si cỡ + 0,6v và loại Ge

cỡ + 0,3v thì ngỡng hạn chế của các mạch trên bị thay đổi đi một giá trị tơngứng với các mức này

20