›
›

Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 3: Diode

pdf 72 trang ngocly 3420
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 3: Diode", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_cau_kien_dien_tu_lession_3_diode.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cấu kiện điện tử - Lession 3: Diode

  1. Lession 3 : Diode ☺ 1/72
  2. Ni dung • Cấu tạo v nguyên lý lm việc của Điot bán dẫn • Các tham số chính của Điot bán dẫn • Sơ đồ t−ơng đ−ơng của Điot bán dẫn • Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn 2/72
  3. Ti p giỏp PN 3/72
  4. Dũng khu ch tỏn I kt • Do chênh lệch nồng độ hạt dẫn giữa hai phía của khu vực mặt ghép PN: p p >> p n v nn >> n p nên xảy ra quá trình khuyếch tán lỗ trống từ bán dẫn P sang bán dẫn N v điện tử từ N sang P tạo thnh dòng khuyếch tán I kt •Ikt = I pkt + I nkt : dòng của hạt dẫn đa số 5/72
  5. ðin th ti p xỳc U tx 6/72
  6. Utx • Do tồn tại lớp điện tích kép Q, hình thnh một điện thế tiếp xúc U tx tại vùng tiếp giáp. Giá trị U tx tính theo công thức sau: KT  P  KT  n   p   n  U tx = ln   = ln   q  Pn  q  np  • Với chất bán dẫn Ge: Utx ≅ 0,3V Si: Utx ≅ 0,7V •Itrôi = I n trôi + I p trôi : dòng của hạt dẫn thiểu số •IΣ = I kt I trôi = 0 : ? 8/72
  7. Phõn c c cho diode 9/72
  8. Figure 1: Closeup of a diode, showing the square shaped semiconductor crystal Figure 2: Various Figure 3: Structure of a semiconductor vacuum tube diode diodes. Bottom: A bridge rectifier 11/72
  9. Light Emitting Diode 12/72
  10. Phân loại diode 14/72
  11. ðc tuy n V-A 15/72
  12. ðc tuy n V-A U D • I=I s[exp( ) -1] mU T •UD : ủin ỏp ủt vào ủit D •UT : th nhi t (=KT/q) •Is : dũng ủin ng ưc bóo hũa • m : h s t l (1ữ2) • K=1,38.10 -23 J/ oK • q= 1,6.10 -19 C • rD =m.U T/I D 16/72
  13. ðc tuy n V-A 17/72
  14. • Điện áp mở của Điot Ge nhỏ hơn so với Điot Si: UD0 = 0,3V (Ge) UD0 = 0,7V (Si) • Điot Si có điện áp ng−ợc đánh thủng lớn hơn Điot Ge, (Điot Si giá trị ny có thể đạt tới 1000V còn Điot Ge chỉ cỡ khoảng 400V.) • Điot Si có dải nhiệt độ lm việc lớn hơn Điot Ge (nhiệt độ cực đại của Điot Si có thể đạt tới 200 0C còn đối với Điot Ge l không quá 100 0C). • Dòng ng−ợc của Điot Si nhỏ hơn nhiều so với Điot Ge << IS (Si) IS (Ge). 18/72
  15. ảảảnh h−ởng của nhiệt độ lên đặc tuyến của Điot ID(mA) 20 100 oC 25 oC -75 oC 15 10 5 UD(V) 0 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0,3 0,5 0,7 0,1 àA 100 oC 25 oC -75 oC 19/72
  16. • Đối với Điot bán dẫn, cứ tăng nhiệt độ thêm 10 0C dòng IS sẽ tăng gấp đôi (điều ny sẽ không tốt, đặc biệt đối với Điot loại Ge). 0 ≈ à 0 Ví dụ ở 25 C, I S 1 A thì ở 100 C, I S > 0,1mA • Nhiệt độ tăng, điện áp ng−ợc đánh thủng tăng • Nếu giữ dòng I D thuận không đổi thì điện áp trên Điot sẽ phải giảm đi khi nhiệt độ tăng (ng−ời ta nói hệ số nhiệt điện áp l âm) v bằng khoảng: δ U D = - 2 mV 0 K δ T I =const D 21/72
  17. Các tham số chính của Điot bán dẫn • Các tham số giới hạn • Các tham số điện • Các tham số cơ khí • Các họ đ−ờng cong đặc tuyến của tham số điện • www.datasheetcatalog.com 22/72
  18. Các tham số giới hạn 23/72
  19. Các tham số điện 24/72
  20. Các họ đ−ờng cong đặc tuyến của tham số điện 25/72
  21. Ví dụ 0 ϒ Ví dụ 21: PDmax = 500mW ở nhiệt độ 25 C. PDmax = 4mW/ 0C 0 Hy xác định P Dmax ở nhiệt độ 100 C. Giải: Theo công thức (263) sẽ có: 0 0 0 0 •PDmax (100 C) = 500mW 4mW/ C x (100 C 25 C) = 500mW 300mW = 200mW. • Nh− vậy khi nhiệt độ tăng từ 25 0C lên 100 0C công suất tiêu tán cực đại của Điot giảm đi chỉ còn 200mW (giảm đi 2,5 lần). 26/72
  22. Điện trở của Điot • Điện trở một chiều : U = D RD I D • Điện trở xoay chiều rD : hay còn gọi l điện trở động, đ−ợc xác định bởi đạo hm tại điểm Q: dU D UD rD = ≡ dI D ID  UD  UD 1 dI d  mU  mU  I  1 = D = I (e T -1) = I 1 e T = I 1  D +1 = ()I I+  S  S S mU I D S r dU dU   mU T  S  mU D D D   T T 27/72
  23. Sơ đồ t−ơng đ−ơng của điot • Điot lý t−ởng ID A K DLT 0 UD →→→ • D DLT nếu: Umth >> U D0 Rt + R th >>r D fmax của Điot >> f th 28/72
  24. Sơ đồ t−ơng đ−ơng ở tần số thấp 31/72
  25. Diode Zener 33/72
  26. Các tham số chính của Điot Zener • UZ: Điện áp danh định l điện áp trung bình tiêu biểu của Điot Zener ở vùng lm việc. Thông th−ờng đối với các loại Điot Zener UZ nằm trong khoảng từ 1,8V đến 200V, công suất tiêu tán ở chế độ Zener từ 0,25W đến 50W • IZ min : Dòng điện tối thiểu l dòng đủ để Điot duy trì đ−ợc ở chế độ Zener. • IZ max: Dòng điện tối đa cho phép nếu I > I Z max Điot sẽ chuyển sang vùng đánh thủng về nhiệt, tiếp giáp bị nóng cục bộ v Điot bị phá huỷ không hồi phục đ−ợc. • IZ 0 : Dòng danh định l dòng ứng với 1/4 công suất cực đại v đ−ợc tính bằng công thức I + I I = z max z min zo 2 34/72
  27. •RZ: Điện trở tĩnh • rZ: Điện trở xoay chiều (điện trở động) •Z: Hệ số ổn định dI dU R Z = z : z = z I z U z rz ϒ • TZ : Hệ số nhiệt đ−ợc xác định bằng sự thay đổi t−ơng đối 0 của điện áp U Z tính bằng % khi nhiệt độ thay đổi 1 C. U γ = Z x 100% %/ 0C TZ () UZ T - T0 •PZ max : Công suất tiêu tán cực đại trên Điot Zener PZ max = I Z max UZ •IS: Dòng ng−ợc bo ho cực đại 35/72
  28. Sơ ủ tương ủương 36/72
  29. Ví dụ 26: Cho Điot Zener 1N961 có các tham số sau (ở nhiệt độ 250C): UZ = 10V ; I Z min = 0,25mA ; I Z max = 32mA; Ω à ϒ rZ = 8,5 ; I S = 10 A ; TZ = + 0,072%/0C; a/ Tính điện áp trên Điot tại giá trị I Z max b/ Tính điện áp trên Điot ở nhiệt độ 65 0C G : a/ Với dòng I Z max = 32mA sẽ gây nên một gia tăng điện áp trên r Z l: Ω IZ max x r Z = 32mA x 8,5 = 272mV Vậy điện áp trên Điot Zener tại giá trị dòng I Z max sẽ bằng: U’Z = U Z + I Z max rZ = 10V + 272mV = 10,272V ϒ 0 b/ TZ ở nhiệt độ T = 65 C: ϒ UZ (T) = U Z (T 0) [1 + TZ (T T0)] 0 0 ở đây: T 0 = 25 C, T = 65 C Vậy UZ (65 0C) = 10V [1+ 0,072%/0C x (650C 250C)] = 10,288V 37/72
  30. Điot biến dung (Varicap hoặc Varactor) 38/72
  31. = ε A Cv d tx Trong đó: Cv l điện dung của Varicap ε l hằng số điện môi của chất bán dẫn A l diện tích mặt cắt ngang của lớp xúc PN dtx l độ rộng của lớp tiếp xúc Giá trị của C V th−ờng rất nhỏ, khoảng từ 2pF đến 100pF 39/72
  32. 1 f = 0 π 2 LC tủ 40/72
  33. Một số ứng dụng phổ biến của Điot bán dẫn • Chỉnh l−u • Hạn chế • ổn áp 41/72
  34. Chỉnh l−u nửa chu kỳ •U = 0,318U 0 m U0 = 0,318 (Um - UD0 ) U = o I o Rt 42/72
  35. Ví dụ 28: Cho mạch chỉnh l−u nh− hình 274a. UV = 220V; Rt = 1K Ω. Điot l loại Si Tính điện áp chỉnh l−u U0, dòng chỉnh l−u I0, điện áp ng−ợc đặt trên Điot ở nửa chu kỳ âm, chọn Điot thích hợp mạch ny. UVm = 220V x 2 = 310,2V U0 = 0,318 x 310,2V = 98,64V U0 98,64V I 0 = = = 98,64m Rt 1K Ung D = 310,2V 43/72
  36. •UngD <=2U m 44/72
  37. Ripple Full-wave ripple frequency is twice AC frequency 46/72
  38. Diode Bridge 47/72
  39. Diode Bridge 48/72
  40. • Điện áp chỉnh l−u: U0 = 0,636U m • Nếu tính đ−ợc hạ áp trên Điot U0 = 0,636 (U m - 2U D0 ) U = o • Dòng chỉnh l−u: Io Rt • Điện áp ng−ợc đặt trên Điot ở mức nửa chu kỳ âm: UngD = U m 49/72
  41. Cú t lc ≈ U0 Um 50/72
  42. Chỉnh l−u cả chu kỳ có điểm giữa • Các tham số cần chọn Điot nh− sau: I0(Điot) > I 0(tính toán) Không có tụ lọc Ungmax (Điot) > Um Ungmax (Điot) > 2U m Có tụ lọc 51/72
  43. Chỉnh l−u nhân điện áp • ở nửa chu kỳ d−ơng tụ C 1 nạp đến giá trị đỉnh U m qua D 1 (nếu coi D 1 l lý t−ởng) • ở nửa chu kỳ âm D 2 dẫn, D 1 khoá, nh− vậy C 2 đ−ợc nạp đến giá trị bằng tổng giá trị điện áp trên tụ C 1 v trên thứ cấp của biến áp52/72
  44. Voltage Doubler On negative half-cycle, D1 charges C1 to Vp. On positive half-cycle D2 adds AC peak to Vp on C1 and transfers it all to C2. 53/72
  45. Mạch nhân điện áp n lần 54/72
  46. Mạch hạn mức dùng Điot bán dẫn • Các kiểu hạn mức: – Hạn chế mức d−ới – Hạn chế mức trên – Hạn chế mức trên v d−ới • Hai cách mắc Điot trong mạch: mạch nối tiếp v mạch song song 55/72
  47. Mắc nối tiếp 56/72
  48. Mắc song song 59/72
  49. Mch h n ch 63/72
  50. Mạch dịch mức (Clamper) • Điều kiện : 65/72
  51. • Ví dụ 29: Vẽ tín hiệu ra đối với mạch dịch mức biết R = 100K Ω, C = 1 àF, ftín hiệu = 1000Hz. 66/72
  52. Mạch ổn áp dùng Điot Zener 67/72
  53. Mạch không tải • Ví dụ 210: Cho mạch ổn áp dùng Điot Zener không tải với các Ω thông số sau: R 0 = 1K , I Zmin = 0,5mA, I Zmax = 11,5mA, U Z = 10V. Coi Điot Zener l lý t−ởng, hy tìm điểm lm việc Q ứng với điểm giữa của vùng Zener. Hy tính điện áp đặt vo cực đại Emax , v cực tiểu E min ? Tính công suất tiêu tán trên Điot Zener tại điểm lm việc Q . • Nếu tính từ điểm Q thì sự thay đổi điện áp vo về 2 phía sẽ đ−ợc tính bằng một nửa ton bộ l−ợng thay đổi trên tức l bằng = 5,5V v th−ờng đ−ợc viết ∆E = ±5,5V 68/72
  54. Mạch có tải U Z + I Z r Z E = I Z R 0 + R 0 + U Z + I Z r Z R t ()r Z r Z ( R o ) E = IZ R 0 1 + + + U Z 1 + Ro R t R t ( R o ) E = I Z R 0 + U Z 1 + R t 69/72
  55. • Ví dụ 211: Xác định giá trị cực tiểu v cực đại của điện áp vo: E min , E max nếu biết I Zmin = 1mA, I Zmax = Ω Ω Ω 15mA, U Z = 5V, r Z = 10 , R 0 = 1K , R t = 1K . 70/72
  56. Tóm tắt ðIT BÁN D N 1. Khỏi ni m và phõn lo i 2. ðiot chnh l ưu t n s th p 5.2.1. C u t o, tham s và ủc tuy n 5.2.2. Mụ hỡnh t ươ ng ủươ ng 5.2.3. Vớ d ng d ng 3. ðit Zener 3.1. C u t o, tham s và ủc tuy n 3.2. Vớ d ng d ng 4. ðit bi n dung (Varicap) 4.1. C u t o, tham s , ủc tuy n 4.2. Vớ d ng d ng 5. M t s ủit ủc bi t 5.1. Nguyờn lý c u t o c a ủit Tunen, Schottky , ủit PIN, ủit thỏc, ủit Gunn 5.2. Tớnh ch t và ng d ng c a chỳng 71/72