Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 7: Chất bán dẫn và Diode - Trường Đại học Công nghệ thông tin ĐHQG TPHCM

Tp. HCM - 2012 Trường Đại Học Cụng Nghệ Thụng Tin ĐHQG TPHCM Mụn học: Nhập Mụn Điện Tử CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Khỏi niệm cơ bản về chất bỏn dẫn Chất bỏn dẫn là gỡ? Chất bỏn dẫn tinh khiết  Là những chất cú đặc điểm trung gian giữa chất dẫn điện và chất cỏch điện.  Về phương diện húa học thỡ chất bỏn dẫn cú 4 điện tử ở lớp ngoài cựng. (Ge) và (Si)  Từ cỏc chất bỏn dẫn tinh khiết ban đầu, người ta tạo ra hai loại bỏn dẫn: bỏn dẫn loại N và bỏn dẫn loại P. Sau đú ghộp chỳng lại với nhau để tạo ra cỏc linh kiện transistor hay diode CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Vựng dẫn Vựng húa trị Chất cỏch điện Chất bỏn dẫn Chất dẫn điện Cấu trỳc nguyờn tử của germanium ; silicon. Vựng cấm Wg Wg Chất bỏn dẫn và Diode Khỏi niệm cơ bản về chất bỏn dẫn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Bỏn dẫn pha tạp Chất bỏn dẫn loại N Khi ta pha một lượng nhỏ chất cú hoỏ trị 5 như Phospho (P) vào chất bỏn dẫn Si thỡ một nguyờn tử P liờn kết với 4 nguyờn tử Si theo liờn kết cộng hoỏ trị, nguyờn tử Phospho chỉ cú 4 điện tử tham gia liờn kết và cũn dư một điện tử và trở thành điện tử tự do => Chất bỏn dẫn lỳc này trở thành thừa điện tử ( mang điện õm) và được gọi là bỏn dẫn N EF EV EC EFi Phõn bố mức Fermi của bỏn dẫn loại N e e e e e h Chỳ ý: • Trong bỏn dẫn loại N thỡ nồng độ electron nhiều hơn nồng độ lỗ trống. • Trong bỏn dẫn loại N, electron gọi là hạt tải đa số, cũn lỗ trống gọi là hạt tải thiểu số. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Chất bỏn dẫn loại P Ngược lại khi ta pha thờm một lượng nhỏ chất cú hoỏ trị 3 như Indium (In) hoặc Boron (B) vào chất bỏn dẫn Si thỡ 1 nguyờn tử Indium sẽ liờn kết với 4 nguyờn tử Si theo liờn kết cộng hoỏ trị và liờn kết bị thiếu một điện tử => trở thành lỗ trống ( mang điện dương) và được gọi là chất bỏn dẫn P EF EV EC EFi Phõn bố mức Fermi của bỏn dẫn loại P e h h hhh Bỏn dẫn pha tạp Chỳ ý: • Trong bỏn dẫn loại P thỡ nồng độ lỗ trống nhiều hơn nồng độ electron. • Trong bỏn dẫn loại P, lỗ trống gọi là hạt tải đa số, cũn electron gọi là hạt tải thiểu số. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Trước khi tiếp xỳc Mỗi khối bỏn dẫn ở trạng thỏi cõn bằng (tổng điện tớch dương cõn bằng với tổng điện tớch õm) và nồng độ tạp chất trong hai loại bỏn dẫn phõn bố đều. EF EV EC EFi EF EV EC EFi Loại N Loại P CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Sau khi tiếp xỳc Do chờnh lệch nồng độ (pp>>pn ; nn>>np), sinh ra hiện tượng khuếch tỏn. Lỗ trống khuếch tỏn từ P sang N, cũn điện tử (electron) sẽ khuếch tỏn từ N sang P dũng khuếch tỏn từ P sang N. Đồng thời, cỏc hạt tải thiểu số của hai bỏn dẫn sẽ di chuyển qua lai lẫn nhau  dũng trụi. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chuyển tiếp P-N P N 8 Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Trạng thỏi cõn bằng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 8/2010 9 P N Chuyển tiếp cỏch điện Miền nghốo Etx : Điện trường tiếp xỳc +- Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Trạng thỏi cõn bằng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Cực dương nối với cực P cũn cực õm nối với cực N (UAK >0)  Cực dương của nguồn điện ỏp ngoài sẽ đẩy lỗ trống phớa bờn P di chuyển sang bờn N và ngược lại, cực õm của nguồn ngoài sẽ đẩy điện tử bờn N di chuyển sang P làm kớn mạch.  Kết quả là trong mạch cú dũng điện chạy. Dũng điện này gọi là dũng điện thuận và cú giỏ trị tăng theo hàm mũ với điện ỏp ngoài đặt vào 10 Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Phõn cực thuận CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 11 P N Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Phõn cực thuận CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Cực dương nguồn điện ỏp ngoài nối với N cũn cực õm nối với P  Cực õm nguồn sẽ hỳt lỗ trống phớa bờn P cũn cực dương lại hỳt điện tử của bờn N.  Kết quả là miền nghốo mở rộng hơn, khụng cú dũng điện qua chuyển tiếp và khụng cú dũng điện ở mạch ngoài. 12 Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Phõn cực nghịch CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 13 P N Chất bỏn dẫn và Diode Chuyển tiếp P-N Phõn cực nghịch CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Cấu tạo và ký hiệu  Nguyờn tắc làm việc của diode  Đặc tuyến Vụn-Ampe của diode  Phõn loại và ứng dụng 14 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Diode bỏn dẫn là linh kiện điện tử gồm 1 chuyển tiếp P-N  Cực nối với bỏn dẫn P gọi là cực Catot cũn cực nối với bỏn dẫn N gọi là cực anot.  Ký hiệu 15 A K Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Cấu tạo và ký hiệu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Diode làm việc dựa trờn tớnh chất dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P-N.  Khi được phõn cực thuận (UAK > 0): diode dẫn điện, trong mạch cú dũng điện chạy qua. Khi này cú thể coi diode như một khúa điện tử đúng (ngắn mạch) nếu UAK > UD 16 UAK < UD UAK > UD Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Nguyờn tắc hoạt động CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Diode làm việc dựa trờn tớnh chất dẫn điện một chiều của chuyển tiếp P-N.  Khi phõn cực ngược (UAK < 0): diode khụng dẫn điện, trong mạch chỉ cú dũng điện ngược rất nhỏ chạy qua. Khi này cú thể coi diode như một khúa điện tử mở (hở mạch). 17 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Nguyờn tắc hoạt động CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Phần thuận của đặc tuyến (UAK > 0)  UD : điện ỏp ngưỡng của diode. UD 0,3V (Ge) UD 0,7V (Si)  Ithmax là dũng điện thuận cực đại cho phộp của diode  Điện ỏp ứng với giỏ trị Ithmax được gọi là Ubh, cú giỏ trị 0,8V ( Ge), 1,2V (Si).  Vựng phõn cực thuận cú đặc trưng là dũng lớn (mA), điện ỏp nhỏ và điện trở nhỏ Phần ngược của đặc tuyến (UAK < 0)  Dũng ngược bóo hũa cú giỏ trị rất nhỏ IS cỡ nA  Khi UAK = Udt (điện ỏp đỏnh thủng) thỡ dũng điện ngược tăng vọt, gọi là hiện tượng đỏnh thủng chuyển tiếp P - N  Udt 12V đối với diode tỏch súng và khoảng vài chục V tới 1kV với diode nắn điện. UBR UD 1V UAK(V) ID(mA) Vùng phân cực ngựơc Vùng phân cực thuận 18 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Đặc tuyến V-A: CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Diode chỉnh lưu  Diode ổn ỏp (Zener)  Diode biến dung (Varicap)  Diode phỏt quang (LED), thu quang (Photo diode)  Diode xuyờn hầm (tunnel), cao tần, xung 19 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Phõn loại CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Ký hiệu và hỡnh dỏng thực tế  Cỏch xỏc định cực của diode: theo ký hiệu hoặc dựng Vụn kế.  Ứng dụng  Mạch chỉnh lưu  Mạch hạn biờn  Mạch dịch mức 20 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Diode chỉnh lưu (nắn điện) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ  Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ 21 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Mạch chỉnh lưu CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Mạch hạn biờn trờn  Mạch hạn biờn dưới 22 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Mạch hạn biờn CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Diode Zener cú cấu tạo tương đối đặc biệt ở chỗ nú cú nồng độ pha tạp chất rất cao, cú vỏ bằng thủy tinh trong suốt và kớch thước khỏ nhỏ. 23  Diode Zener làm việc trờn đoạn đặc tuyến ngược, lợi dụng chế độ đỏnh thủng về điện của chuyển tiếp P-N để ổn định điện ỏp. Nghĩa là khi bị phõn cực ngược và làm việc trong vựng đỏnh thủng thỡ nú khụng bị hỏng như cỏc diode khỏc.  Điện ỏp đảnh thủng của diode Zener thường khỏ nhỏ (vài chục Vụn trở xuống) . Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Diode Zener CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 0246 20 40 60 80 100 120 140 Đoạn đặc tuyến ngược của diode Zene Dũng điện ngược(mA) I V V Điện ỏp sụt trờn diode gần như khụng đổi CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt  Điện ỏp ổn định UZ  Điện trở trong Ri  Cụng suất định mức PZ, nú là cụng suất tiờu tỏn trờn diode khi cú dũng IZ chảy qua PZ = UZ . IZ  Imin là trị số dũng điện nhỏ nhấ tại điểm mà hiện tượng đỏnh thủng ổn định  Imax là trị số dũng điện cực đại qua diode được xỏc định bởi cụng suất tiờu tỏn cực đại diode (nếu I > Imax diode sẽ bị chỏy) 25 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Một số tham số của diode zener CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Diode biến dung (Varicap) 26 Giỏ trị điện dung của diode được tớnh bằng cụng thức: Trong đú: : hằng số điện mụi của chất bỏn dẫn S: diện tớch mặt cắt ngang của chuyển tiếp P – N dtx: bề dày của chuyển tiếp P-N Giỏ trị của Cv thường rất nhỏ, khoảng từ 2pF đến 100pF. Để điều chỉnh giỏ trị này người ta thay đổi giỏ trị của dtx bằng cỏch điều khiển điện ỏp ngược đặt vào diode tx v d S C CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt LED Khi được phõn cực thuận sẽ phỏt ra ỏnh sỏng 27 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Diode phỏt quang (LED) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Power supply VS RS Photodiode được phõn cực ngược và dẫn điện khi cú ỏnh sỏng chiếu vào Photodiode 28 Chất bỏn dẫn và Diode DIODE Diode thu quang (photodiode) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chất bỏn dẫn và Diode Phương phỏp đo kiểm tra Diode • Đặt đồng hồ ở thang x 1Ω , đặt hai que đo vào hai đầu Diode, nếu : • Đo chiều thuận que đen vào Anụt, que đỏ vào Katụt => kim lờn, đảo chiều đo kim khụng lờn là => Diode tốt • Nếu đo cả hai chiều kim lờn = 0Ω => là Diode bị chập. • Nếu đo thuận chiều mà kim khụng lờn => là Diode bị đứt. CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt