Chương 1: CHẤT BÁN DẪN - DIODE MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Trong chương này, chúng ta khảo sát tính chất của Diode, Diode zener, LED và hoạt động của chúng. Ngoài ra, ứng dụng của các linh kiện này cũng được trình bày trong chương này. Chương này còn cung cấp các kiến thức cơ bản phục vụ cho các chương sau. Cho nên, sinh viên phải thực hiện lại được các ví dụ và bài tập.
Từ đó, tự cho mình các ví dụ, bài tập tương tự và giải chúng để tự khám phá tri thức. CHẤT BÁN DẪN VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA DIODE 1. Khái niệm chất bán dẫn và phân loại 1. Xét về điện học, vật chất được chia thành 3 loại Các chất hoặc môi trường có chứa các hạt mang điện tự do (electron, Ion+, Ion-) có khả năng dẫn điện được và gọi là chất dẫn điện.
Các chất hoặc môi trường không chứa hạt mang điện tự do thì không thể dẫn điện được, chúng là các chất cách điện. Có những vật chất trung gian giữa 2 loại trên, bình thường chúng không có các hạt mang điện tự do nên không dẫn điện nhưng khi nhận năng lượng kích thích từ bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng thì một số hạt mang điện như electron bị bứt khỏi ràng buộc nguyên tử trở thành tự do và sẳn sàng tham gia dẫn điện. Những chất như vậy gọi là chất bán dẫn, có thể gọi chúng là những chất dẫn điện có điều kiện. Bán dẫn loại P và bán dẫn loại N Chất bán dẫn có chứa những hạt mang điện tự do có điện tích (+) gọi là bán dẫn loại P (Positive: dương).
Các hạt mang điện (+) tự do trong bán dẫn loại P thường là các lỗ trống (lỗ trống là một nguyên tử trung hoà bị mất electron nên trở thành Ion+). Chất bán dẫn có chứa các hạt mang điện tự do có điện tích (–) (thường là hạt electron) được gọi là bán dẫn loại N. 9 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự 1. Nguyên lý cấu tạo chung của Diode Các linh kiện: Diode chỉnh lưu, Diode Zener, các Diode khác nói chung và các loại LED đều có nguyên lý cấu tạo chung là một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N (xem hình 1-1).
Anode + Cathode P - - N + + - Hình 1-1 Cấu tạo Diode Khối bán dẫn loại P chứa nhiều lỗ trống mang điện (+) nên khi ghép với khối N thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sáng khối N gây thiếu hụt điện tích (+) bên khối P, trong khi đó khối P lại nhận thêm các e (-) từ khối N chuyển sang nên kết quả là khối P tích điện âm (-). Khối N chứa nhiều e tự do nên khi ghép với khối P, các e tự do có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối P gây thiếu hụt điện tích (–) bên khối N, đồng thời khối N lại nhận thêm các lỗ trống mang điện (+) nên kết quả là khối N tích điện (+). Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số e (-) bị lỗ trống (+) thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà, quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng và tuỳ theo mức năng lượng giải phóng là cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng khác nhau tức màu sắc khác nhau. Sự tích điện (-) bên khối P và (+) bên khối N hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc.
Điện trường sinh ra bởi điện áp này có hướng từ N P nên cản trở chuyển động khuếch tán và như vậy sau một thời gian kể từ lúc ghép 2 khối bán dẫn với nhau thì quá trình chuyển động khuếch tán chấm dứt và tồn tại điện áp tiếp xúc, lúc này ta nói tiếp xúc P-N ở trạng thái cân bằng. Điện áp tiếp xúc ở trạng thái cân bằng khoảng 0,6V đối với Diode làm bằng bán dẫn Si và khoảng 0,3V đối với Diode làm bằng bán dẫn Ge. 10 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Hai bên mặt tiếp giáp là vùng các e (-) và lỗ trống (+) dễ gặp nhau nhất nên quá trình tái hợp thường xảy ra ở vùng này hình thành các nguyên tử trung hoà. Vì vậy vùng biên giới ở hai bên mặt tiếp giáp rất hiếm các hạt dẫn tự do nên được gọi là vùng nghèo.
Maët gheùp Ñieän tröôøn g tieáp xuùc P Anode Cathode P N coù höôùng töø N Vuøng ngheøo Hình 1-2 Lớp tiếp giáp Diode 1. DIODE CHỈNH LƯU Diode chỉnh lưu có cấu tạo là một mối nối P-N được chế tạo chịu được điện áp ngược cao và dòng điện thuận lớn. Những đặc điểm chế tạo này cho phép Diode làm việc trong các hệ thống chỉnh lưu điện xoay chiều (AC) thành điện một chiều (DC) hiệu quả và tin cậy. Ký hiệu và dạng thực tế Anode (A) Cathode (K) Hình 1-3 Ký hiệu Diode 1.
Tính chất của Diode Diode chỉ dẫn điện theo một chiều từ A K. Theo nguyên lý dòng điện chỉ chảy từ nơi có điện thế cao đến nơi có điện thế thấp thì muốn có dòng điện qua Diode theo chiều này, ta phải đặt ở A một điện thế cao hơn ở K. Khi đó ta có UAK > 0 và ngược chiều với điện áp tiếp xúc. Như vậy muốn có dòng qua Diode thì điện trường do UAK sinh ra phải mạnh hơn điện trường tiếp xúc, tức là UAK phải lớn hơn Utx.
Khi đó một phần của điện áp UAK dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc (khoảng 0,6V); phần còn lại dùng để tạo dòng điện thuận qua Diode. 11 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Khi UAK > 0, ta nói rằng Diode phân cực thuận và dòng điện qua Diode lúc đó gọi là dòng điện thuận (thường được ký hiệu là IF tức IForward hoặc ID tức IDiode). Dòng điện thuận có chiều từ A K. Khi UAK đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì Diode trở nên dẫn điện rất tốt nghĩa là điện trở của Diode lúc đó rất thấp (khoảng vài chục ).
Do vậy phần điện áp để tạo ra dòng điện thuận thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp dùng để cân bằng với Utx. Thông thường phần điện áp dùng để cân bằng với Utx cần khoảng 0,6V và phần điện áp tạo dòng thuận khoảng 0,1 đến 0,5V tuỳ theo dòng thuận vài chục mA hay lớn đến vài A. Như vậy giá trị của UAK đủ để có dòng qua Diode khoảng 0,6V đến 1,1V. Ngưỡng 0,6V là ngưỡng Diode bắt đầu dẫn và khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode khoảng vài chục mA (xem đặc tuyến Vôn-Ampe điển hình của Diode).
Nếu Diode còn tốt thì nó không dẫn điện theo chiều ngược từ K A. Thực tế là vẫn tồn tại dòng điện ngược nếu Diode bị phân cực ngược với hiệu điện thế lớn. Tuy nhiên dòng điện ngược rất nhỏ (cỡ A) và thường không quan tâm trong các ứng dụng công nghiệp. Mọi Diode chỉnh lưu đều không dẫn điện theo chiều ngược nhưng nếu điện áp ngược quá lớn ( VBR là ngưỡng chịu đựng của Diode) thì Diode bị đánh thủng, dòng điện qua Diode tăng nhanh và đốt cháy Diode.
Vì vậy khi sử dụng cần tuân thủ 2 điều kiện sau đây: Thứ 1: Dòng điện thuận qua Diode không được lớn hơn giá trị tối đa cho phép (do nhà sản xuất cung cấp, ta phải tra cứu trong các tài liệu của hãng SX để xác định). Thứ 2: Điện áp phân cực ngược (tức UKA) không được lớn hơn VBR (ngưỡng đánh thủng của Diode, cũng do nhà sản xuất cung cấp). Ngoài ra khi cần thiết kế mạch với độ chính xác cao, ta cần tham khảo thêm đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode và tần số hoạt động cho phép từ tài liệu tra cứu. Ví dụ: Diode 1N4007 có thông số kỹ thuật do hãng sản xuất cung cấp như sau: VBR = 1000V; IFmax = 1A; VF = 1,1V khi IF = IFmax.
Những thông số trên cho biết: 12 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự Dòng điện thuận qua Diode không được lớn hơn 1A. Điện áp ngược cực đại đặt lên Diode không được lớn hơn 1000V. Điện áp thuận (tức UAK) có thể tăng đến 1,1V nếu dòng điện thuận bằng 1A. Cũng cần lưu ý rằng đối với các Diode chỉnh lưu nói chung thì khi UAK = 0,6V thì Diode đã bắt đầu dẫn và khi UAK = 0,7V thì dòng qua Diode đã đạt đến vài chục mA.
Đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode Đặc tuyến Vôn-Ampe của Diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua Diode theo điện áp UAK đặt vào Diode. Có thể chia đặc tuyến này thành 2 đoạn: Đoạn ứng với UAK > 0 mô tả quan hệ dòng-áp khi Diode phân cực thuận. Đoạn ứng với UAK 0 mô tả quan hệ dòng-áp khi Diode phân cực nghịch. ID vaøi chuïc mA VBR UAK 0v 0,6v 0,7v Ñieän aùp ñaùnh thuûng 1 2 Ñoaïn phaân cöïc nghòch Ñoaïn phaân cöïc thuaän - + + - A K A K 1 Phaân cöïc thuaän: chöa daãn Ñaëc tuyeán Voân-Ampe 2 Phaân cöïc thuaän: daãn ñieån hình cuûa Diode Hình 1-4 Đặc tuyến Diode Khi Diode được phân cực thuận và dẫn điện thì dòng điện chủ yếu phụ thuộc vào điện trở của mạch ngoài (được mắc nối tiếp với Diode).
Dòng điện phụ thuộc rất ít 13 Sách hướng dẫn học tập Điện tử tương tự vào điện trở thuận của Diode vì điện trở thuận rất nhỏ, thường không đáng kể so với điện trở của mạch điện. Ví dụ : Một thí nghiệm được thực hiện với mạch điện như hình 1-5 Khi khoá K ở vị trí 1. Ampekế chỉ 9,33mA; Vôn kế chỉ 0,67V. Khi chuyển khoá K sang vị trí 2, chỉ số trên Ampekế là 92,8mA, chỉ số trên Vôn kế là 0,72V.
D 1 A K 2 V R1 R2 + 10v 1000 100 - Hình 1-5 Hoạt động Diode Qua thí nghiệm trên ta nhận thấy khi thay đổi khóa K từ vị trí 1 sang vị trí 2, điện trở mắc nối tiếp với Diode giảm 10 lần và dòng điện qua Diode tăng lên gần 10 lần (thực tế là 9,946 lần) trong khi đó điện áp UAK biến tăng rất ít (từ 0,67V 0,72V; tăng 0,05V). Như vậy cho thấy khi Diode đã dẫn điện thì dòng điện qua Diode chủ yếu phụ thuộc vào mạch ngoài còn bản thân Diode ảnh hưởng rất ít. Điện áp trên Diode khi dẫn điện thuận thường lấy trung bình khoảng 0,7V nếu dòng điện qua Diode < 100mA. Nếu giá trị 0,7V là khá nhỏ so với một điện áp đang xét thì có thể bỏ qua và xem như không có sụt áp trên Diode (lúc đó ta nói rằng Diode là lý tưởng).