Chương 2 VẬT LIỆU BÁN DẪN - DIODEVẬT LIỆU BÁN DẪN - DIODE
2.2.1. Cấu tạo, ký hiệu và phân loại diode bán dẫn
Diode bán dẫn được tạo ra từ một tiếp giáp P-N. cấu tạo, ký hiệu quy ước và hình dạng cùa diode chì ra trên hình vẽ 2.17.
Đầu dây nối từ bán dần p ra gọi là Anode (viết tắt là A), còn đầu dây nối từ bán dẫn N ra gọi là Cathode (viết tắt là K). Khi đóng vỏ thường dùng vạch dâu trăng chì K.
p N
A
A (Anode)
Hình 2.17. Câu tạo, kỷ hiệu quy ước và hình dạng cùa diode
86 Linh kiện điện tử Diode bán dẫn có thồ được phân loại theo các tiêu chí khác nhau:
theo cấu tạo, theo chức năng, theo công suất, theo dải tần.
Theo cấu tạo có 2 loại diode tiếp mặt và diode tiếp điểm.
Theo chức năng có các loại diode sau: diode chinh lưu, diode ổn áp (Zener), diode bien dung (varicap), diode đường hầm (tunnel), diode phat quang (LED), diode quang (photo diode), diode hồng ngoại, diode laser...
Hình dạng thực te cùa một số loại diode như trên hình 2.18.
Diode công suất cầu chinh lưu Diode dường hầm SMD diodes
Diode Schottky LED hồng ngoại Diode quang Diode Laser
Hình 2.18.Hình dạng cùa một số loại diode thòng dụng
Hình 2.19. Ký hiệu các loại diodes
a - diode thường, b - Zener, c - LED, d - photo diode, e - varicap, f - tunnel diodes, g — Schottky diode,
h - breakdown diode,
Linh kiện điện từ ' 87 Các diode tiếp mặt có diện tích lớp tiếp giáp bề mặt P-N lớn được tạo ra bằng các phương pháp công nghệ khác nhau: phương pháp nóng chây (hợp kim), phương pháp khuếch tán, phương pháp mạ epitaxi, ...
cho dòng điện định mức khá lớn (khoáng vài trăm miliampe đến vài trăm ampc), điện áp ngược đạt đến vài trăm volt, thường dùng để chinh lưu.
Các diode tiếp diem được tạo ra bằng phương pháp cho một xung dòng lớn chạy qua tiếp xúc giữa một mũi nhọn kim loại gắn trên bề mặt cùa một tấm Ge hoặc Si loại N. Nhiệt lượng lớn tỏa ra tại tiếp xúc làm nóng chày mũi kim loại làm cho các nguyên tử kim loại khuếch tán vào bán dẫn tạo ra một vi miền bán cầu có đặc tính dẫn điện loại p.
Do tiết diện tiếp xúc rất bé nên dòng điện định mức cho phép nhò (cỡ vài chục miliampe), điện áp ngược không vượt quá vài chục volt.
Điện dung tiếp xúc bé nên thích hợp cho tần số cao, tách sóng.
2.2.2. Dặctuyến V-A và các thông đặc tính của diode
Dặc tuyến V-A của diode chính là đặc tuyến V-A cùa tiếp giáp P-N
Hình 2.20. Đặc tuyến V-A của diode 2.2.2. ỉ. Điện trở DC (với dỏng một chiều)
Là điện trở tĩnh của diode. Tại mồi điểm phân cực trên đặc tuyến của diode ta có:
- Điện trờ thuận Rị; rất nhỏ từ vài Q đến vài chục Q.
^=7^ (2.11)
q
- Điện trờ nghịch có giá trị rât lớn ~ MQ
88 Linh kiện điện tử
R*=-zr <2I2)
D
2.2.2.2. Điện trở AC (với dòng xoay chiều)
Là điện trở động hay điện trở vi phân khi có sự biến thiên các giá trị dộng và áp quanh điểm phân cực. Độ lớn cùa điện trở động r<j có giá trị bằng độ dốc đặc tuyến tại diem phân cực tĩnh:
r (Q) = ^Kũ (2.13)
di I^ỌnA) 2.2.2.3. Hệ số chính lưu k
Hệ số chình lựu là thông số đặc trưng cho độ phi tuyến cùa diode và xác định bằng biểu thức sau:
*=Ị = ệằ>Wt/x([=±lr (2.14)
hat hr
2.2.2.4. Điện dung của diode (điện dung tiếp giáp P-N):
Sự phân bố lớp điện tích trái dấu trên tiếp giáp P-N giống như sự tích điện trên hai bàn của một tụ điện có một điện dung tương dương Co- Giá trị có thê tính theo công thức điện dung cùa tụ điện phăng:
„ ££nSn_„
(2.15)
dp-n
Trong đó Sp.n và dp.n lần lượt là diện tích và bề rộng miền tiếp giáp P-N.
Be rộng của lớp tiếp giáp phụ thuộc vào chiều và độ lớn điện áp phân cực VAK, trong mạch phân cực diode có điện dung tương đương Cd
là:
(2I6>
V ’ B ' AK
Trong đó V[ị - thế hiệu tiếp xúc (~0,3V - Ge; 0,7V - Si).
Chu ý!
Thực tế diện dung của diode gồm 2 thành phần: Cd = Cpn + Ckt yới
Cpn là điện dung tích điện của chuyên tiếp P-N; Ckt là điện dung khuếch tán của chuyển tiếp P-N.
+ Điện dung chuyến tiêp Cpn
Linh kiện điện tử 89 Khi phân cực ngược tiếp giáp P-N, các hạt dẫn đa số sẽ di chuyển ra xa mặt tiếp xúc và ở đó chỉ còn lại các ion cố định. Neu biến đổi điện áp phân cực ngược thì lượng điện tích trong miền điện tích không gian cũng biên đôi, kéo theo sự biên đôi của điện áp rơi trên hai bờ miên điện tích không gian. Như vậy, chuyển tiếp P-N khi phân cực ngược có hiệu ứng điện dung và người ta gọi đó là điện dung chuyển tiếp Cpn.
Giá trị Cpn phụ thuộc vào điện áp ngược đặt lên chuyển tiếp và được xác định theo công thức:
C=COI * I ĩc (2.17)
1 B r AK
+ Điện dung khuếch tản Cki
Khi phân cực thuận, qua chuyến tiếp P-N có dòng thuận If chảy.
Neu đảo cực tính phân cực dòng thuận sẽ ngừng chày, tại thời diem đó các hạt dẫn do dòng thuận mang tới chưa kịp ra khỏi vùng này, do vậy tạo ra sự tích tụ điện tích. Các điện tích này sẽ phóng ra theo chiều ngược với dòng thuận đưa chúng tới, thời gian phóng hết các hạt dẫn này chính là bằng thời gian thiết lập lại trạng thái cân bằng ban đầu trước khi chuyến sang phân cực ngược T.
Như vậy, dòng ngược ban đầu bằng dòng thuận sau giảm xuống bằng Is. Giá trị điện dung khuếch tán tỷ lệ thuận với dòng thuận If.. Dòng này càng lớn, số điện tích lưu trong chuyển tiep P-N càng lớn và do đó giá trị Ckt càng lớn. Một cách gần đúng:
-^-exp e kT
eV
kT (2.18)
Chủ ý!
- Cà hai đại lượng Cpn và Ckt đều gây ảnh hưởng lớn tới đặc tính tần số và đặc tính quá độ cùa diode, đặc biệt là ở miền tần số cao.
- Ớ tần thấp điện dung có thê coi như không đáng ke nhưng ở miền tần số cao dung kháng giảm nên diode sẽ bị nối tắt.
- Người ta giảm điện dung bằng cách giảm diện tích tiếp xúc, do vậy diode cao tần dùng diode tiếp điểm, còn diode chỉnh lưu cần có mặt tiếp xúc lớn để tăng khả năng chịu tài nên phải dùng diode tiếp mặt.
90 Linh kiện điện tử 2.2.2.5. Các thông số giới hạn
Đảm bào cho diode làm việc bình thường trong giới hạn cho phép, vượt quá giá trị này diode sẽ bị hòng.
- Điện áp ngược cực đại: VRmax - Dòng thuận cực đại: Il-max - Công suất tiêu tán cực đại: Pmax - Dòng điện ngược bão hòa: Is - Tần số cực đại: fmax
Bảng 2.5. Báng một vài thông sổ giới hạn cùa diode /16]
Loại
diode Vật liệu ỈFmax V Rtnax Is Công
dụng
1N4001 Si 1A 50V 5pA chỉnh lưu
1N4002 Si 1A 100V 5pA chỉnh lưu
1N4004 Si 1A 400V 5pA chỉnh lưu
1N5404 Si 3A 400V 5pA chinh lưu
1N5408 Si 3A 1000V 5pA chỉnh lưu
2.2.3. Mô hình diode
2.2.3.1. Sơ đồ tưong đương khi diode phản cực thuận
Khi điện ỏp trong mạch lớn hơn nhiều điện ỏp ngưỡng: Vak ằ Vy (Vy ~ 0,6V với Si và 0,2V với Ge). Lúc này coi diode như một khoá diện tử lý tưởng ở trạng thái đóng và đặc tuyên V-A coi như trường hợp ngăn mạch (hình 2.21).
Khi điện áp VAK đúng bằng thế ngưỡng Vỵ. Đặc tuyến V-A là một đường thăng song song với trục tung ỉ tại K/và diode được coi như một nguồn điện áp lý tưởng. Sụt áp hai đầu diode đúng bằng thế ngưỡng Vỵ (hình 2.22).
Linh kiện điện tử 91
Hình 2.21. Mô hình diode lý tưởng khi Vak>> Vỵ
Vak=0.6V
___
0 0.6V
1 ,
Hình 2.22. Mô hình diode lý tướng khi Vak^ Vỵ
Thực tế diode có một điện trờ thuận Rĩ. Lúc này diode được coi như một nguôn điện áp thực. Điện áp thuận trên diode lúc này băng :
Lak - Ly +
Vak=V,
I(mA)
Hình 2.23. Diode như một nguồn điện áp thực 2.2.3.2. Sơ đồ tương đương khi diode phản cực ngược
Khi bi phân cực ngược (L.4X<O) diode ngắt không cho dòng đi qua, do đó có thê coi như một khóa điện tử ngăt (hình 2.24).
/
Hình 2.24. Diode như một khóa ngát khi
92 Linh kiện điện tử Khi đặt một điện áp ngược nằm trong khoảng cho phép (nhỏ hơn điện áp đánh thùng) lên diode, dòng qua diode lúc này là dòng ngược bão hoà có giá trị gần như không đổi Is nên có thể coi nó như một nguồn dòng lý tưởng (hình 2.25).
~‘Osa!
Hình 2.25. Diode như một nguôn dòng lý tưởng 2.2.3.3. Sơ đồ tương đương ở che độ tín hiệu nhỏ tần số thấp
Khi làm việc ở chế độ tín hiệu nhò tần thấp, ở chế độ tĩnh diode làm việc với nẹuồn một chiều E, còn chế độ động diode làm việc với nguồn xoay chiều v~ (hình 2.26).
Hình 2.26. Diode trong mạch tín hiệu-nhỏ tần thấp
Trong chế độ tĩnh diode là một phần tử phi tuyến vì điểm làm việc Ọ có the di chuyển theo các giá trị khác nhau trên đặc tuyến vôn-ampe.
Trong chế độ động với sự biến thiên cùa tín hiệu nhỏ tần thấp, điểm làm việc Q chỉ dịch chuyển trên đoạn nhỏ Q1Q2 có thế xem như tuyến tính.
Do đó, diode được coi là một phần tử tuyến tính và điện trở động cùa diode được tính:
^0)^0ô
J dl ỉọỌnA) (2.19)
Linh kiện điện tử 93 Trong chế độ phân cực ngược, lớp chuyên tiếp P-N của diode có thê coi như một tụ điện với giá trị điện dung tiếp giáp Cpn (hình 2.27).
Vak<0
Hình 2.27. Diode tương đương như một tụ điện khi VAK<0
Điện dung Cpn có trị số biến thiên theo điện áp ngược đặt lên diode theo quy luật:
C = c<d„ với Co = -7-^ (2.20)
pn °Vb-^k dpn
Tuy nhiên, khi điện áp thuận đảo cực thì cũng làm xuất hiện điện dung khuếch tán Ckt. So với điện dung khuếch tán Ckt thì Cpn nhỏ hơn từ
100 tới 1000 lần.