chương 1 Câu 1: Có mấy loại chất bán dẫn, đặc điểm của từng loại, nêu đặc tính của chất bán dẫn? Câu 2: Trình bày sự hình thành mặt tiếp giáp p-n? Câu 3: Tiếp xúc p-n chưa được phân cực bằng điện trường ngoài? Câu 4: Mặt ghép n-p phân cực thuận? Câu 5: Mặt ghép n-p phân cực ngược? 12 Chương 2 ĐIỐT BÁN DẪN 2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 2. Cấu tạo Điốt bán dẫn được cấu tạo từ một mặt ghép n-p với mục đích sử dụng nó như một van điện. Tuỳ theo diện tích của phần tiếp xúc giữa hai lớp n và p mà người ta gọi là điốt tiếp điểm hay điốt tiếp mặt.
Ở điốt tiếp điểm, mặt tiếp xúc giữa hai lớp bán dẫn thu nhỏ lại hầu như chỉ còn ở một điểm nhằm mục đích giảm điện dung ký sinh của mặt ghép để điốt có thể làm việc được ở tần số cao. Điốt tiếp điểm được sử dụng ở các mạch để xử lý tín hiệu vô tuyến điện như tách sóng, điều chế, biến tần. Khác với điốt tiếp điểm, điốt tiếp mặt thì mặt tiếp xúc của hai lớp n và p có điện tích đủ lớn nhằm chịu được dòng điện lớn để sử dụng chúng vào mục đích chỉnh lưu. Trong sơ đồ nguyên lý điốt thông thường được ký hiệu như ở hình 2-1.
Trên ký hiệu A - anốt - cực dương ứng với lớp p, K - catốt - cực âm ứng với bán dẫn loại n. Eng A K P N Etx Hình 2-1. Cấu tạo, ký hiệu điốt 2. Nguyên tắc hoạt động Dưới tác động của điện trường ngoài điốt như van một chiều: Khi phân cực thuận (UAK > 0) Ban đầu khi điện áp UAK vẫn còn nhỏ hàm ID tăng theo hàm số mũ của điện áp: ID = I S ( −1) (2.1) Trong đó: Is(T): là dòng ngược bão hòa, phụ thuộc vào nồng độ của hạt dẫn thiểu số tại trạng thái cân bằng, phụ thuộc vào bản chất cấu tạo của chất bán dẫn pha tạp và do đó phụ thuộc vào nhiệt độ.
UT: Thế nhiệt (Thermal Voltage) UT = 26mV; k = J/K 13 Hằng số Boltzman: (C) điện tích của hạt mang điện; K: nhiệt độ được đo bằng đơn vị Kenvil. m: hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế. Nếu UAK>0,1V có thể biểu diễn hàm quan hệ giữa ID và UAK: ID = I S ( ) (2.2) Tuy nhiên với giá trị UAK đủ lớn thì quan hệ giữa dòng ID và điện áp UAK không theo phương trình trên. Khi UAK đạt giá trị bằng điện áp ngưỡng Uth điốt dẫn mạnh, dòng ID tăng mạnh, tiếp giáp p-n được coi là điện trở thuần có giá trị rất nhỏ.
Khi phân cực ngược (UAK < 0) Khi điệp áp phân cực ngược, dòng ID quan hệ với điện áp UAK theo phương trình (3) Khi│UAK│> 0.1V có thể biểu diễn ID = - IS do ( >> 1) Vậy trong trường hợp phân cực thuận dòng ID có giá trị lớn do sự phun hạt dẫn đa, số qua tiếp giáp p-n, ngược lại trong trường hợp phân cực ngược dòng qua điốt chỉ là dòng ngược bão hòa Is có giá trị rất nhỏ. Điều này thể hiện tính chất van một chiều của điốt. Đặc tính von - ampe (V/A) của điốt Đặc tính V/A của điốt là quan hệ giữa dòng điện qua điốt và điện áp một chiều đặt lên nó. Sơ đồ để lấy đặc tính mắc như ở hình 2-2a.
Nếu nguồn được mắc có cực tính như trên hình 2-2a thì điốt được phân cực thuận, vonkế đo điện áp thuận trên điốt, ampe kế đo dòng thuận qua điốt. Đặc tính có dạng như trên hình 2-2b. Khi điện áp phân cực thuận tăng thì dòng thuận tăng nhanh. Người ta chứng minh được rằng dòng thuận tăng theo quy luật hàm mũ: U I I0 (e m.Ut 1) Trong đó: U điện áp thuận; Ut 0,25mV gọi là điện thế nhiệt, m = 12 hệ số hiệu chỉnh giữa lý thuyết và thực tế; I0 dòng bão hoà ngược (gần như không phụ thuộc U, phụ thuộc vào hạt dẫn phụ lúc cân bằng vào bản chất của bán dẫn tạp và vào nhịêt độ môi trường).
a) Sơ đồ đặc tính b) Đặc tính von – ampe Nếu đổi chiều nguồn ngoài thì điốt phân cực ngược. Trong đoạn 0A khi phân cực ngược, dòng qua điốt là dòng ngược bão hoà I0 khá nhỏ (có mật độ là 10-12A/cm2 14 đối với điốt Silic và 10-6A/cm2 với điốt Gecmani) và phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường. Ở đoạn AB dòng điện tăng vọt vì điện áp phân cực ngược đủ lớn để phá vỡ các liên kết hoá trị. Lúc này các điện tử hoá trị nhảy từ mức hoá trị lên mức dẫn, điốt mất tính chất van điện.
Người ta nói mặt ghép lúc này bị đánh thủng về điện. Hiện tượng đánh thủng này xảy ra do hai hiệu ứng. - Ion hoá do va chạm: Do các hạt thiểu số được gia tốc trong điện trường mạnh nên chúng va chạm với các nút mạng tinh thể, làm cho các mối liên kết giữa các nguyên tử biến dạng hoặc bị ion hoá tạo thành các cặp điện tử và lỗ trống mới. Các cặp này lại tiếp tục va chạm gây nên hiện tượng ion hoá mới.
Kết quả là các điện tử và lỗ trống tăng lên theo kiểu “thác lũ”, nên đánh thủng này gọi là đánh thủng thác lũ. - Hiệu ứng xuyên hầm (hiệu ứng tunen): Khi điện trường ngược lớn có thể phá vỡ các mối liên kết nguyên tử trong vùng hoá trị tạo thành các điện tử và lỗ trống tham gia dẫn điện. Điều này tương ứng với các điện tử từ vùng hoá trị vượt lên vùng dẫn xuyên qua vùng cấm, gọi là sự xuyên hầm. Khi đánh thủng về điện, dòng điện ngược tăng lên đáng kể trong khi điện áp hầu như không tăng.
Ở đoạn BC, mặt ghép bị đánh thủng về nhiệt do bị nung nóng bởi dòng ngược quá lớn và mặt ghép bị phá huỷ hoàn toàn, không thể khôi phục lại tính van điện. Các tham số của điốt Khi sử dụng điốt người ta quan tâm đến các thông số sau của điốt: 1. Dòng thuận cực đại Imax, đó là dòng thuận mà điốt còn chịu được khi nó chưa bị thủng (về nhiệt). Công suất cực đại Pmax trên điốt khi điốt chưa bị thủng.
Điện áp ngược cực đại Ung max điện áp phân cực ngược cực đại của điốt khi điốt chưa bị đánh thủng. Tần số giới hạn fmax của điốt là tần số lớn nhất mà tại đó điốt chưa mất tính chất van (do điện dung ký sinh). Điện dung mặt ghép: Lớp điện tích l0 tương đương với một tụ điện gọi là điện dung mặt ghép n-p. Ở tần số cao lớp điện dung này quyết định tốc độ đóng mở của điốt khi nó làm việc như một khoá điện, tức là điện dung mặt ghép n-p quyết định fmax.
Điện trở một chiều R0 được xác định tại một điểm trên đặc tuyến (tại điểm M). Điện trở xoay chiều R của điốt được xác định tại một điểm trên đặc tuyến dU R= (2. Điện áp mở của điốt: Là điện áp UD để dòng thuận qua điốt đạt 0,1Imax I IM M UM U Hình 2-3. Xác định tham số trên đặc tính Von - ampe 15 2.
Sơ đồ thay thế của điốt a. Phân tích sơ đồ nối điốt, tải DC, điểm tĩnh Q Xem mạch hình 2-4. Nguồn điện một chiều E mắc trong mạch làm cho điốt phân cực thuận. Gọi ID là dòng điện thuận chạy qua điốt và UD là hiệu thế 2 đầu điốt, ta có: U I D I 0 exp D 1 (2.
Tải DC, điểm tĩnh Q Trong đó: I0 là dòng điện rỉ nghịch kT UT 0,026V ở nhiệt độ bình thường (3000K) e η = 1 khi ID lớn (với mA trở lên) η = 1 khi ID nhỏ và điốt cấu tạo bằng Ge η = 2 khi ID nhỏ và điốt cấu tạo bằng Si Ngoài ra, từ mạch điện ta còn có: E - UD - UR = 0 Tức E = UD + RID (2.6) Phương trình này xác định điểm làm việc của điốt tức điểm điều hành Q, được gọi là phương trình đường thẳng lấy điện. Giao điểm của đường thẳng này với đặc tuyến của điốt ID = f(UD) là điểm điều hành Q. Đường tải AC Khi điốt được dùng với nguồn tín hiệu xoay chiều AC tín hiệu biên độ lớn, kiểu mẫu tín hiệu nhỏ không thể áp dụng được. Vì vậy người ta dùng kiểu mẫu một chiều tuyến tính.
Kết quả là ở nữa chu kỳ dương của tín hiệu, điốt dẫn và xem như một ngắt điện đóng mạch. Ở nửa chu kỳ âm kế tiếp, điốt bị phân cực nghịch và có vai trò như một ngắt điện hở mạch. Đáp ứng trên chỉ đúng khi tần số của nguồn xoay chiều VS(t) thấp thí dụ như điện 50/60Hz, tức chu kỳ T = 20ms/16,7ms, khi tần số của nguồn tín hiệu lên cao (chu kỳ ở hàng nano giây) thì ta phải quan tâm đến thời gian chuyển tiếp từ bán kỳ dương sang bán kỳ âm của tín hiệu. Khi tần số của tín hiệu cao, điện thế ngõ ra ngoài bán kỳ dương (khi điốt được phân cực thuận), ở bán kỳ âm của tín hiệu cũng qua được một phần và có dạng 16 như hình vẽ.
Chú ý là tần số của nguồn tín hiệu càng cao thì thành phần bán kỳ âm xuất hiện ở ngõ ra càng lớn. Các mạch ứng dụng của điốt chỉnh lưu 2. Chỉnh lưu nửa chu kỳ một pha U2(t) 0 t. a) Chỉnh lưu nửa chu kỳ b) Giản đồ điện áp Hình 2-5a là mạch chỉnh lưu một pha đơn giản (dùng một điốt - chỉnh lưu 1/2 chu kỳ hay nửa sóng).
Để phân tích ta coi biến áp là lý tưởng (không tổn hao) và điốt cũng là lý tưởng (điện trở thuận bằng không, điện trở ngược vô cùng lớn). Nếu điện áp đưa vào có dạng hình sin như ở hình 2-5b thì dễ dàng nhận thấy điện áp ra sẽ là những xung hình sin. Thành phần I0 được xác định theo biểu thức: 1 π Im I0 I m sin ω td(ω t) 0,318 I m 0,45 I (2.7) 2π 0 π Điện áp U0 ra tải có trị số: U0 = I0.8) Trong đó điện Um và U2 là giá trị biên độ và hiệu dụng của điện áp cuộn thứ cấp của biến áp. Để chọn điốt cần biết dòng I0 và điện áp ngược đặt lên điốt.
Trong sơ đồ 2-5 thì: U m U 0 Im 3,14I 0 Rt Rt (2.9) U ng U m 3,14U 0 Sơ đồ 2-5b cho ra điện áp là các xung hình sin, khác xa với dạng điện áp 1 chiều lý tưởng.