Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 4: Chất bán dẫn điện Diode bán dẫn

Nội dung text: Bài giảng Điện tử cơ bản - Chương 4: Chất bán dẫn điện Diode bán dẫn

1. CHƯƠNG IV: CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN DIODE BÁN DẪN MỤC TIÊU THỰC HIỆN: Học xong bài này học viên có khả năng: - Hiểu được cấu trúc vật lý của các chất bán dẫn. - Nắm vững bản chất vật lý sự hình thành và đặc trưng của tiếp giáp p-n – phần tử cơ bản của các linh kiện bán dẫn. - Biết sử dụng các loại diode trong các mạch điện tử chức năng.
2. I. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN 1. Đặc tính của chất bán dẫn a. Điện trở suất Hai chất bán dẫn thông dụng là Silicium và Germanium có điện trở suất là: 14 2 ρSi = 10 Ωmm /m 12 2 ρGe = 8,9.10 Ωmm /m b. Ảnh hưởng của nhiệt độ Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng cao thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống.
3. c. Ảnh hưởng của ánh sáng Chất bán dẫn có trị số điện trở rất lớn khi bị che tối, khi có ánh sáng chiếu vào thì điện trở giảm xuống. d. Ảnh hưởng của độ tinh khiết Một khối chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn, nhưng nếu pha thêm vào một tỉ lệ rất thấp các chất thích hợp thì điện trở của chất bán dẫn giảm xuống rõ rệt. Tỉ lệ pha càng cao thì điện trở giảm càng nhỏ.
4. 2. Chất bán dẫn thuần Tinh thể silicon là một bán dẫn thuần nếu như mọi nguyên tử trong tinh thể đều là nguyên tử Silicon. Trong chất bán dẫn thuần, năng lượng nhiệt tạo ra một cặp điện tử tự do và lỗ trống bằng nhau. Điện tử tự do và lỗ trống thường được gọi là hạt tải điện.
5. 3. Chất bán dẫn loại N (Negative) • Khi pha thêm vào chất bán dẫn nguyên chất một lượng rất ít tạp chất nguyên tố nhóm 5 chẳng hạn pha arsenic (As) vào Ge, phosphorus (P) vào Si thì trong số 5 điện tử của vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất P thì có 4 điện tử tham gia liên kết hóa trị với các nguyên tử lân cận. Điện tử thứ 5 liên kết yếu hơn với hạt nhân và các nguyên tử xung quanh, chỉ một năng lượng nhỏ cũng giúp điện tử này thoát khỏi ràng buộc và trở thành electron tự do, nguyên tử tạp chất trở thành ion dương.
6. ◼ Như vậy tạp chất nhóm V cung cấp điện tử cho chất bán dẫn nguyên chất nên gọi là tạp chất cho (donor). ◼ Vì điện tử là hạt dẫn đa số, lỗ trống là hạt dẫn thiểu số nên chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn điện tử - loại n
7. 4. Chất bán dẫn loại P ( Positive) • Nếu pha thêm vào chất bán dẫn nguyên chất 1 lượng rất ít tạp chất nguyên tố nhóm III [Indium (In) vào Ge, boron (B) vào Si], do lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử tạp chất chỉ có 3 điện tử, khi tham gia vào mạng tinh thể chỉ có 3 mối liên kết hoàn chỉnh còn liên kết thứ 4 bị hở. Chỉ cần một năng lượng nhỏ, một trong những điện tử của mối liên kết hoàn chỉnh bên cạnh sẽ đến thế vào liên kết bỏ hở này. Nguyên tử tạp chất trở thành ion âm tức là xuất hiện 1 lỗ trống.
8. ◼ Như vậy tạp chất nhóm III nhận điện tử từ chất cơ bản để sản sinh các lỗ trống, nên được gọi là tạp chất nhận (acceptor) ◼ Vì lỗ trống là hạt dẫn đa số, điện tử là hạt dẫn thiểu số nên chất bán dẫn loại này gọi là bán dẫn lỗ trống – loại p
9. II. DIODE BÁN DẪN 1. Cấu tạo • Diode bán dẫn có cấu tạo gồm hai lớp bán dẫn loại P và loại N ghép nối tiếp nhau tạo thành một mối nối P- N. Mối nối này nhạy cảm với tác động của điện, quang, nhiệt. • Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, vùng loại N có nhiều e tự do. Khi hai vùng tiếp xúc với nhau sẽ có một số e từ vùng N qua mối nối sang vùng P tái hợp với lỗ trống.
10. ◼ Trong vùng N ở gần mối nối bị mất e thì sẽ trở thành mang điện tích dương (ion dương), vùng P ở gần mối nối nhận thêm e trở thành mang điện tích âm (ion âm). Hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy không cho e từ vùng N sang nữa
11. Sự chênh lệch về điện tích ở hai bên mối nối như vậy gọi là hàng rào điện áp.
12. KÍ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE
13. 2. Nguyên lý vận chuyển của Diode a. Phân cực ngược Diode • Khi đó điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P, điện tích dương của nguồn sẽ hút e của vùng N làm cho lỗ trống và e ở hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên không xảy ra hiện tượng tái hợp giữa e và lỗ trống.
14. ◼ Tuy nhiên, trong trường hợp này vẫn có 1 dòng điện rất nhỏ chạy qua D với trị số khoảng vài nA. Dòng điện này gọi là dòng bão hòa nghịch (dòng điện rỉ - IS) phát sinh do sự tái hợp giữa các hạt tải thiểu số gây ra.
15. b. Phân cực thuận Diode Khi đó: Điện tích dương của nguồn sẽ đẩy các lỗ trống của vùng P, điện tích âm của nguồn sẽ đẩy e của vùng N làm cho lỗ trống và e lại gần mối nối hơn, và khi lực đẩy tĩnh điện đủ lớn thì e từ vùng N qua mối nối sang vùng P tái hợp với lỗ trống.
16. Như vậy đã có một dòng e chạy liên tục từ cực âm của nguồn, qua vùng N, sang vùng P, về cực dương của nguồn, hay nói cách khác là có dòng điện chạy qua D theo chiều từ P sang N.
17. 3. Đặc tuyến volt – Ampe của diode
18. Khi PCT Diode với nguồn biến đổi được, người ta đo dòng điện ID qua D và điện áp VD trên hai chân A- K thì thấy: • Khi VDC = 0 thì chưa có dòng điện qua Diode. • Khi VDC = Vγ thì mới bắt đầu có dòng điện qua Diode. Vγ = 0,6 - 0,7V với Diode làm bằng Si. Vγ = 0,2 - 0,3V với Diode làm bằng Ge. • Khi D dẫn điện thì điện áp cực đại VDmax trên Diode là: VDmax = 0,8 ÷ 0,9V với Diode làm bằng Si. VDmax = 0,4 ÷ 0,5V với Diode làm bằng Ge.
19. • Sau khi vượt qua điện áp ngưỡng Vγ thì dòng điện qua D sẽ tăng lên theo hàm số mũ và được tính bằng công thức: q.VD K.T I D = I S .(e −1) q = 1,6. 10-19 Culông VD: điện áp trên D (V) K: hằng số Bônzman K = 1,38. 10-23 J/K T: nhiệt độ tuyệt đối (0K) IS: dòng bão hòa nghịch (A) 250C = 2980K
20. • Thế số vào ta được công thức dạng đơn giản: VD 26mV I D = I S .(e −1) VD • Khi PCT : VD > Vγ thì e 26>>mV 1 nên: VD 26mV I D = I S .e • Khi PCN: VD< 0V thì << 1 nên: I D I S
21. Như vậy, một diode có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là: - Chất bán dẫn chế tạo để có V và VDmax - Dòng điện thuận cực đại IFmax - Dòng điện bão hoà nghịch I S - Điện áp nghịch cực đại VRmax Thí dụ: bảng tra các diode nắn điện thông dụng. Mã số Chất IFmax IS VRmax 1N4004 Si 1A 5A 500V 1N4007 Si 1A 5A 1000V 1N5408 Si 3A 5A 1000V
22. 4. Điện trở của Diode a. Điện trở một chiều VD RD = I D b. Điện trở động V 26mV D r rD = trên thực tế: D I D I D (mA)
23. 5. Hình dạng và cách kiểm tra Diode
24. HÌNH DẠNG MỘT SỐ LOẠI DIODE
25. b. Cách kiểm tra Diode Dùng đồng hồ V.O.M thang đo Ω với R×1 để kiểm tra Chất Điệntrở thuận Điện trở nghịch Si Vài KΩ Vô cực Ω Ge Vài trămΩ Vài trăm KΩ
26. III. ỨNG DỤNG CỦA DIODE 1. Mạch chỉnh lưu bán kỳ
27. 2. Mạch chỉnh lưu cầu
28. IV. PHÂN LOẠI DIODE 1. Diode Zener • Diode Zener có cấu tạo giống diode chỉnh lưu nhưng được pha tạp chất với tỷ lệ cao hơn và thường dùng chất bán dẫn chính là Si. • Ở trạng thái PCT: DZ có đặc tính giống như Diode chỉnh lưu thông thường. • Ở trạng thái PCN: do đựơc pha với tỷ lệ tạp chất cao hơn nên điện áp ngược có trị số thấp hơn so với Diode chỉnh lưu gọi là điện áp Zener VZ (VD: 5V; 6v; 8v; 9v; 12v ) • DZ thường được ứng dụng làm linh kiện ổn định điện áp trong mạch có điện áp nguồn thay đổi.
29. KÝ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE ZENER
30. ĐẶC TUYẾN CỦA ZENER DIODE
31. CÁCH MẮC ZENER DIODE
32. 2. Diode quang (photo diode) • Photo diode có cấu tạo giống D chỉnh lưu nhưng vỏ bọc cách điện có một phần là kính hay thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối P-N. • Mối nối P- N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mặt tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó. Khi bị che tối: Rnghịch = vô cực Ω ; Rthuận = rất lớn. Khi chiếu sáng: Rnghịch 10 kΩ ÷100 kΩ ; Rthuận = vài trăm Ω.
33. KÝ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE QUANG Diode quang thường được dùng trong các hệ thống tự động điều khiển bằng ánh sáng, báo cháy
34. 3. Diode phát quang (Led: Light Emitting Diode) Diode phát quang có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc P-N, Diode phát quang được làm từ các chất Ga – As, Ga – P, Ga As – P, Si – C. Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Do đó ở môt số chất bán dẫn đặc biệt này khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng).
35. • Diode Ga – As: cho ra ánh sáng hồng ngoại mà mắt nhìn không thấy được. • Diode Ga As – P: cho ra ánh sáng khả kiến, khi thay đổi hàm lượng photpho sẽ cho ra ánh sáng khác nhau như đỏ, cam, vàng. • Diode Ga – p pha thêm tạp chất sẽ bức xạ cho ánh sáng. Tùy loại tạp chất mà diode có thể cho ra các màu từ đỏ, cam, vàng, xanh lá cây. • Diode Si – C khi pha thêm tạp chất sẽ cho ra ánh sáng màu xanh da trời.
36. KÝ HIỆU VÀ HÌNH DẠNG CỦA DIODE PHÁT QUANG
37. ◼ Khi phân cực thuận: - Led đỏ: VD = 1,4V ÷ 1,8V - Led vàng: VD = 2V ÷ 2,5V - Led xanh lá: VD = 2V ÷ 2,8V Dòng điện qua led: ID = 5mA ÷ 20mA (thường chọn 10 mA). ◼ Led thường được dùng trong các mạch báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch
38. 4. Diode tách sóng ◼ Diode tách sóng là loại diode làm việc với dòng điện xoay chiều có tần số cao, có dòng điện chịu đựng nhỏ (IDmax= vài chục mA) và điện áp ngược cực đại thấp (VRmax = vài chục v). Diode tách sóng thường là loại Ge. ◼ Diode tách sóng ký hiệu như diode thường nhưng vỏ cách điện bên ngoài thường là thuỷ tinh trong suốt.
39. 5. Diode biến dung Diode biến dung là loại diode có điện dung ký sinh thay đổi theo điện áp phân cực. Điện dung CD có trị số được tính theo công thức: S d là bề dày điện môi CD =   : hằng số điện môi d S: tiết diện mối nối
40. ĐẶC TÍNH CỦA DIODE BIẾN DUNG ID CD VRmax V VD VRmax V VD