Chương 4: DIODE ThS. Nguyễn Bá Vương

4.1 Chất bán dẫn điện

Cấu trúc vùng năng lượng của chất rắn tinh thể Vùng hóa trị (hay còn gọi là vùng đầy), trong đó tất cả các mức năng lượng đều đã bị chiếm chỗ, không còn trạng thái (mức) năng lượng tự do. Vùng dẫn (vùng trống), trong đó các mức năng lượng đều còn bỏ trống hay chỉ bị chiếm chỗ một phần. Vùng cấm, trong đó không tồn tại các mức năng lượng nào để điện tử có thể chiếm chỗ hay xác suất tìm hạt tại đây bằng 0. a) Chất cách điện b) chất bán dẫn c) chất dẫn điện

Chất bán dẫn thuần Hai chất bán dẫn thuần điển hình là Gemanium (Ge) và Silicium (Si) có cấu trúc vùng năng lượng dạng với Eg = 0,72eV và Eg = 1,12eV

Mẫu nguyên tử Si14 (theo BOHR) electron - +P N n=1 n=2 n=3

Cấu trúc electron a) Silicon-Si b) Germanium-Ge c) Gallium-Ga d) Arsenic-As e) Indium-In

Silicon cấu tạo bền

Tuy nhiên, dưới tác dụng nhiệt (hoặc ánh sáng, điện trường…), một số điện tử nhận được năng lượng đủ lớn hơn năng lượng liên kết cộng hoá trị ( năng lượng ion hoá 1.12 eV đối với Si và 0,6 eV đối với Ge) nên có thể bức khỏi sự ràng buộc nói trên để trở thành điện tử tự do và dễ dàng di chuyển trong mạng tinh thể  Si trở nên dẫn điện. Khi có 1 điện tử rời khỏi vị trí sẽ để lại tại đó một lỗ trống mang điện tích dương các lỗ trống di chuyển ngược chiều với điện tử tự do. Hiện tượng trên được gọi là hiện tượng sinh tạo nhiệt cặp điện tử tự do – lỗ trống.

Chaát baùn daãn pha (dope) 1. Chaát baùn daãn loaïi n Pha nguyeân töû hoaù trò 5 ( P15 )vaøo tinh theå Si: P seõ duøng 4 ñieän töû voøng ngoaøi cuøng ñeå lieân keát coäng hoaù trò vôùi 4 ñieän töû cuûa 4 nguyeân töû keá caän Coøn laïi 1 ñieän töû thöù 5 vì khoâng lieân keát neân deã daøng di chuyeån trong maïng tinh theå ñieän töû töï do  daãn ñieän. 1 nguyeân töû P cho 1 ñieän töû töï do,Pha nhieàu nguyeân töû P cho nhieàu ñieän töû töï do hôn doøng ñieän caøng maïnh .

Chất bán dẫn tạp chất loại n electron dư (e tự do) +4 +4 +4 +4 +5 +4 +4 +4 +4

Ngoaøi ra, trong ñieàu kieän nhieät ñoä trong phoøng, coøn coù sinh taïo nhieät caëp ñieän töû – loã troáng nhöng vôùi noàng ñoä raát beù. Keát luaän : Chaát baùn daãn loaïi n coù: Ñieän töû töï do laø haït taûi ña soá maät ñoä nn, Loã troáng laø haït taûi thieåu soá , maät ñoä pn, Nguyeân töû P laø nguyeân töû cho, maät ñoä ND, Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng cho: nn = ND + pn = ND Vaø: maät ñoä loã troáng thieåu soá trong chaát baùn daãn loaïi n cho bôûi:

Chaát baùn daãn pha 1. Chaát baùn daãn loaïi p Pha nguyeân töû hoaù trò 3( B5 )vaøo tinh theå Si: B seõ duøng heát 3 ñieän töû voøng ngoaøi cuøng ñeå lieân keát coïng hoaù trò vôùi 3 ñieän töû cuûa 3 nguyeân töû keá caän Coøn laïi 1 vò trí thieáu vì ñieän töû neân xem nhö coù ñieän tích döông vaø caùc ñieän töû laân caän deã ñeán taùi keát vôùi loã troáng cuûa B vaø ñeå laïi ôûvò trí ñoù loå troâng môùi vaø hieän töôïng treân cöù tieáp dieãn daãn ñieänbaèng loã troáng. 1 nguyeân töû B cho 1 loã troáng,Pha nhieàu nguyeân töû B cho nhieàu loã troáng hôn doøng ñieän caøng maïnh .

Chất bán dẫn tạp chất loại p Lỗ trống +4 +4 +4 +4 +3 +4 +4 +4 +4

Ngoaøi ra, trong ñieàu kieän nhieät ñoä trong phoøng, coøn coù sinh taïo nhieät caëp ñieän töû – loã troáng nhöng vôùi noàng ñoä raát beù. Keát luaän : Chaát baùn daãn loaïi p coù: Ñieän töû töï do laø haït taûi thieåu soá maät ñoä np, Loã troáng laø haït taûi ña soá , maät ñoä pp, Nguyeân töû P laø nguyeân töû nhaän, maät ñoä NA, Trong ñieàu kieän caân baèng nhieät ñoäng cho: pp = NA + np NA. Vaø: maät ñoä ñieän töû tö ïdo thieåu soá trong chaát baùn daãn loaïi p cho bôûi:

4.2 Mặt ghép p-n và tính chỉnh lưu của diode bán dẫn

II. Noái pn p+ p 1.Caáu taïo n+ 1μm lôùp SiO 2 n+ 5μm maøng moûng 10μm Giaù (substrate)

Vùng tiếp xúc

2.Caân baèng nhieät ñoäng Do caùc haït taûi khueách taùn vaø taùi keát trong vuøng gaàn noái vuøng hieám (vuøng khieám khuyeát) hai beân noái ( vuøng khoâng coøn haït taûi di ñoäng maø chæ coøn caùc ion coá ñònh ). Vuøng hieám J Ei - - - - - - - - - - + + + + + - - - - - - - - - - + + + + + - - - - - - - - - - + + + + + VB Raøo theá

P n Na Nd + + _ _ h+ drift = h+ diffusion e- diffusion = e- drift Mối ghép kim loại Na Nd - - - - - - + + + + + + P n Space Charge Region Nhận ion Cho ion E-Field + + _ _ h+ drift = h+ diffusion e- diffusion = e- drift

Do có sự chênh lệch lớn về nồng độ (nn >>np và pp >>pn) tại vùng tiếp xúc có hiện tượng khuếch tán các hạt đa số qua nơi tiếp giáp, xuất hiện 1 dòng điện khuếch tán Ikt hướng từ p sang n. Tại vùng lân cận hai bên mặt tiếp xúc, xuất hiện một lớp điện tích khối do ion tạp chất tạo ra, trong đó nghèo hạt dẫn đa số và có điện trở lớn (hơn nhiều cấp so với các vùng còn lại), do đó đồng thời xuất hiện 1 điện trường nội bộ hướng từ vùng N (lớp ion dương ND) sang vùng P (lớp ion âm NA) gọi là điện trường tiếp xúc Etx . Người ta nói đã xuất hiện 1 hàng rào điện thế hay một hiệu thế tiếp xúc Utx.

Khi J=Jtr+Jkt = 0  caân baèng nhieät ñoäng Ñieän tröôøng noäi ñaït trò nhaát ñònh Ei vaø raøo ñieän theá cho bôûi: ÔÛ 300oK , VB = 0,7 V (Si) VB = 0,3 V (Ge) Vaäy noái pn khoâng daãn ñieän (I = 0) khi chöa ñöôïc caáp ñieän ( phaân cöïc) Muoán noái pn daãn ñieän phaûi phaân cöïc baèng nguoàn caáp ñieän DC ñeå laøm giaûm raøo ñieän theá hay laøm heïp vuøng hieám.

Mặt ghép p-n khi có điện áp ngoài

Đặc tuyến Von –Ampe

Đường thẳng lấy điện Phương trình này xác định điểm làm việc của diode tức điểm điều hành Q, được gọi là phương trình đường thẳng lấy điện.

Đường thẳng lấy điện 2 điểm ID và VD trên trục tung và trục hoành của Trong trường hợp Trong trường hợp 2 điểm ID và VD trên trục tung và trục hoành của biểu đồ đường đặc tính VA. Nối 2 điểm này và cắt đường đặc tính VA của diode tại điểm Q. Khi đó ta có VDQ và IDQ.

4.3 Diode trong mạch điện một chiều

Khi E < VK, khi đó diode phân cực nghịch ID = IR = 0mA ; VR = R.IR = 0V ; VD = E - VR = E

Khi E > VK, diode phân cực thuận, mạch được xem mạch kín ID = IR = E/R (mA) ; VR = E ; VD = 0

4.4. Diode trong mạch điện xoay chiều – Mạch chỉnh lưu

giá trị trung bình và giá trị hiệu dụng Một cách tổng quát, tổng đại số diện tích trong một chu kỳ T của một sóng tuần hoàn v(t) được tính bằng công thức: Do đó giá trị trung bình được tính bằng công thức:

Dạng sóng Trị trung bình

Dạng sóng Trị trung bình

Giá trị hiệu dụng là trị số đương của dòng điện một chiều IDC mà khi chạy qua một điện trở R trong một chu kì sẽ có năng lượng tỏa nhiệt bằng nhau.

Trị trung bình và hiệu dụng Dạng sóng

Mạch chỉnh lưu nửa sóng (một bán kỳ)

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

Chỉnh lưu toàn kỳ với biến thế có điểm giữa

Chỉnh lưu toàn kỳ dùng cầu diode

Chỉnh lưu với tụ lọc

Do điện thế đỉnh tối đa là VdcMax nên điện thế trung bình tối thiểu là: Vdcmin=VdcMax-Vr(p-p) Khi chưa mắc tụ C vào, giá trị trung bình là: Khi có tụ lọc C: Nên giá trị trung bình ở ngõ ra:

Hệ số sóng dư: (ripple factor)

Mạch cắt (Clippers) Mạch cắt nối tiếp

Dạng sóng đầu vào VIn Dạng sóng đáp ứng (đầu ra VOut)

Mạch cắt (Clippers) Mạch cắt song song

Dạng sóng đầu vào VIn Dạng sóng đáp ứng (đầu ra VOut)

Mạch cắt Mạch có phân cực

Mạch ghim áp (Mạch kẹp - Clampers)

Mạch dùng diode Zener Diode zener với điện thế ngõ vào vi và tải RL cố định Xác định trạng thái của diode zener bằng cách tháo rời diode zener ra khỏi mạch và tính hiệu thế V ở hai đầu của mạch hở.

* Nếu V≥Vz diode zener dẫn điện ⇒ VOut=Vz Khi dẫn điện, dòng điện IZ chạy qua diode zener được xác định bởi: IZ=IR-IL Trong đó: IZ<IZM IZM: dòng điện tối đa qua zener mà không làm hỏng * Nếu V<Vz diode zener không dẫn điện ⇒ VOut=Vz; IZ=0; IR=IL=

Mạch chỉnh lưu bội áp

Mạch chỉnh lưu tăng đôi điện thế 2 bán kỳ

Kiểm tra diode