Bài giảng Kĩ thuật điện tử - Chương 2: Diode và ứng dụng

Nội dung text: Bài giảng Kĩ thuật điện tử - Chương 2: Diode và ứng dụng

1. Kỹ thuật điện tử Nguyễn Duy Nhật Viễn
2. Chương 2 Diode và ứng dụng
3. Nội dung ◼ Chất bán dẫn ◼ Diode ◼ Đặc tuyến tĩnh và các tham số của diode ◼ Bộ nguồn 1 chiều
4. Chất bán dẫn
5. Chất bán dẫn ◼ Khái niệm ◼ Vật chất được chia thành 3 loại dựa trên điện trở suất : Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện ◼ Tính dẫn điện của vật chất có thể thay đổi theo một số thông số của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, áp suất
6. Chất bán dẫn Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện 10-4104cm 1051022cm Điện trở suất 10-610-4cm T0     ◼ Dòng điện là dòng dịch chuyển của các hạt mang điện ◼ Vật chất được cấu thành bởi các hạt mang điện:  Hạt nhân (điện tích dương)  Điện tử (điện tích âm)
7. Chất bán dẫn ◼ Gồm các lớp: K: 2; L:8; M: 8, 18; N: 8, 18, 32 Ge Si H 18 2 8 +1 +14 +32
8. Chất bán dẫn ◼ Giãn đồ năng lượng của vật chất  Vùng hóa trị: Liên kết hóa trị giữa điện tử và hạt nhân.  Vùng tự do: Điện tử liên kết yếu với hạt nhân, có thể di chuyển.  Vùng cấm: Là vùng trung gian, hàng rào năng lượng để chuyển điện tử từ vùng hóa trị sang vùng tự do W W W Vùng tự Vùng tự Vùng tự do do do Vùng cấm W nhỏ Vùng cấm W lớn Vùng hóa Vùng hóa trị Vùng hóa trị trị Chất dẫn điện Chất bán dẫn Chất cách điện
9. Chất bán dẫn thuần ◼ Hai chất bán dẫn điển hình  Ge: Germanium  Si: Silicium ◼ Là các chất thuộc nhóm IV trong bảng tuần hoàn Mendeleev. ◼ Có 4 điện tử ở lớp ngoài cùng ◼ Các nguyên tử liên kết với nhau thành mạng tinh thể bằng các điện tử lớp ngoài cùng. ◼ Số điện tử lớp ngoài cùng là 8 electron dùng chung
10. Chất bán dẫn thuần W Si Si Si Vùng tự do Vùng cấm W>1.12eV Si Si Si Vùng hóa trị Giãn đồ năng lượng Si Si Si Si Gọi n: mật độ điện tử, p: mật độ lỗ trống Cấu trúc tinh thể của Si Chất bán dẫn thuần: n=p.
11. Chất bán dẫn tạp ◼ Chất bán dẫn tạp loại N:  Pha thêm chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn Mendeleev vao chất bán dẫn thuần, ví dụ Phospho vào Si.  Nguyên tử tạp chất thừa 1 e lớp ngoài cùng liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một năng lượng yếu  n>p Si Si Si Si P Si Si Si Si
12. Chất bán dẫn tạp ◼ Chất bán dẫn tạp loại P:  Pha thêm chất thuộc nhóm III trong bảng tuần hoàn Mendeleev vao chất bán dẫn thuần, ví dụ Bo vào Si.  Nguyên tử tạp chất thiếu 1 e lớp ngoài cùng nên xuất hiện một lỗ trống liên kết yếu với hạt nhân, dễ dàng bị ion hóa nhờ một năng lượng yếu  p>n Si Si Si Si Bo Si Si Si Si
13. Cấu tạo ◼ Cho hai lớp bán dẫn loại P và N tiếp xúc công nghệ với nhau, ta được một diode. P N D1 ANODE CATHODE DIODE
14. Chưa phân cực cho diode ◼ Hiện tượng khuếch tán các e- từ N vào các lỗ trống trong P → vùng rỗng khoảng 100m. ◼ Điện trường ngược từ N E sang P tạo ra một hàng rào điện thế là Utx.  Ge: Utx=V~0.3V  Si: Utx=V~0.6V
15. Phân cực ngược cho diode E ◼ Âm nguồn thu hút hạt mang điện tích dương (lỗ trống) ◼ Dương nguồn thu hút các hạt mang điện tích âm (điện tử) ◼ Vùng trống càng lớn hơn. ◼ Gần đúng: Không có dòng Ing điện qua diode khi phân cực ngược. -e ◼ Nguồn 1 chiều tạo điện trường ◼ Dòng điện này là dòng điện E như hình vẽ. của các hạt thiểu số gọi là ◼ Điện trường này hút các điện dòng trôi. tử từ âm nguồn qua P, qua N ◼ Giá trị dòng điện rất bé. về dương nguồn sinh dòng điện theo hướng ngược lại
16. Phân cực thuận cho diode E ◼ Âm nguồn thu hút hạt mang điện tích dương (lỗ trống) ◼ Dương nguồn thu hút các hạt mang điện tích âm (điện tử) ◼ Vùng trống biến mất. -e Ith ◼ Nguồn 1 chiều tạo điện trường ◼ Dòng điện này là dòng điện E như hình vẽ. của các hạt đa số gọi là dòng ◼ Điện trường này hút các điện khuếch tán. tử từ âm nguồn qua P, qua N ◼ Giá trị dòng điện lớn. về dương nguồn sinh dòng điện theo hướng ngược lại
17. Dòng điện qua diode ◼ Dòng của các hạt mang điện đa số là dòng khuếch tán Id, có giá trị lớn. qU/kT  Id=Ise .  Với D I ◼ Điện tích: q=1,6.10-19C. ◼ Hằng số Bolzmal: k=1,38.10-23J/K. 0 U ◼ Nhiệt độ tuyệt đối: T ( K). ◼ Điện áp trên diode: U. ◼ Dòng điện ngược bão hòa: IS chỉ phụ thuộc nồng độ tạp chất, cấu tạo các lớp bán dẫn mà không phụ thuộc U (xem như hằng số).
18. Dòng điện qua diode ◼ Dòng của các hạt mang điện thiểu số là dòng trôi, dòng rò Ig, có giá trị bé. ◼ Vậy:  Gọi điện áp trên 2 cực của diode là U.  Dòng điện tổng cộng qua diode là: ◼ I=Id+Ig. ◼ Khi chưa phân cực cho diode (I=0, U=0): q0/kT  ISe +Ig=0.  => Ig=-IS.
19. Dòng điện qua diode ◼ Khi phân cực cho diode (I,U 0): qU/kT I=Is(e -1). (*) 0 ◼ Gọi UT=kT/q là thế nhiệt thì ở 300 K, ta có UT~25.5mV. U/U I=Is(e T-1). ( ) (*) hay ( ) gọi là phương trình đặc tuyến của diode.
20. Đặc tuyến tĩnh và các tham số của diode
21. Đặc tuyến tĩnh của diode Ith(mA) B’ B ◼ Phương trình đặc tuyến Volt-Ampe của diode: A’ A qU/kT 5  I=Is(e -1) Ung(V) Uth (V) Đoạn AB (A’B’): phân cực thuận, 0.5 U gần như không đổi khi I thay C C’ đổi. Ge: U~0.3V D D’ Si: U~0.6V. Ing(A) Đoạn làm việc của diode chỉnh Đoạn CD (C’D’): phân cực ngược, lưu U gần như không đổi khi I thay đổi. Đoạn làm việc của diode zener
22. Các tham số của diode ◼ Điện trở một chiều: Ro=U/I.  Rth~100-500.  Rng~10k-3M. ◼ Điện trở xoay chiều: rd=U/I.  rdng>>rdth ◼ Tần số giới hạn: fmax.  Diode tần số cao, diode tần số thấp. ◼ Dòng điện tối đa: IAcf  Diode công suất cao, trung bình, thấp. ◼ Hệ số chỉnh lưu: Kcl=Ith/Ing=Rng/Rth.  Kcl càng lớn thì diode chỉnh lưu càng tốt.
23. Bộ nguồn 1 chiều
24. Sơ đồ khối 220V (rms)
25. Chỉnh lưu bán kỳ ◼ V0=0, vs<VD0. ◼ V0=(vs-VD0)R/(R+rD).
26. Chỉnh lưu toàn kỳ
27. Chỉnh lưu cầu
28. Mạch lọc tụ C
29. Ổn áp bằng diode zener