Bài giảng Linh kiện điện tử - Chương 3: Điốt bán dẫn

Chương 3:Điốt bán dẫnTiếp giáp p-n và điốt bán dẫnCác tham số của điốt bán dẫnSơ đồ tương đương của Điốt bán dẫnPhân loại và một số ứng dụng của điốtTiếp giáp p-nTrên một miếng tinh thể bán dẫn, bằng các phương pháp công nghệ, tạo ra hai vùng bán dẫn loại N và loại P, thì tại ranh giới giữa hai vùng bán dẫn xuất hiện một vùng, gọi là lớp tiếp giáp p-n (p-n junction)Điốt bán dẫnLinh kiện chỉ có một lớp tiếp giáp p-n gọi là điôt (diode) bán dẫn.Hình dạng, ký hiệu, cấu tạo:Sự hình thành tiếp giáp p-nVùng bán dẫn loại N có hạt dẫn đa số là electron tự do (NA=1016cm-3); vùng bán dẫn loại P hạt dẫn đa số là lỗ trống (ND=1017cm-3).Do sự chênh lệch nồng độ electron và lỗ trống giữa hai vùng bán dẫn nên các electron ở gần tiếp giáp p-n khuếch tán từ vùng N sang vùng P và lỗ trống khuếch tán từ vùng P sang N. Kết quả là ở tiếp giáp p-n chỉ còn các ion tạp chất: ion dương ở phía tạp chất n, ion âm ở phía tạp chất p. Vùng giữa các ion này rất nghèo hạt dẫn điện (electron, lỗ trống), nên được gọi là vùng nghèo (depletion region) hay vùng điện tích không gianCác ion này tạo thành một điện trường hướng từ n sang p gọi là điện trường tiếp xúc. Điện thế tạo bởi điện trường này gọi là hàng rào thế năng (barrier potential)Sự hình thành tiếp giáp p-npn junction: tiếp giáp p-ndepletion region: Vùng nghèobarrier potential: Hàng rào thế năngTiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằngĐiện trường tiếp xúc ngăn cản sự khuếch tán của các hạt dẫn đa số (electron ở bán dẫn loại n; lỗ trống ở bán dẫn loại p)→giảm dòng khuếch tán, và tăng cường chuyển động trôi của các hạt dẫn thiểu số→tăng dòng trôi. Khi dòng điện sinh ra bởi các hạt dẫn này bằng nhau (nhưng ngược chiều), thì tiếp giáp ở trạng thái cân bằng động.Ở trạng thái cân bằng động, tiếp giáp p-n có bề dày xác định (10-6m), điện trường tiếp xúc và hàng rào thế năng cũng có các giá trị xác định.Mô hình vùng năng lượng của tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằngCác tham số của tiếp giáp p-n ở trạng thái cân bằngHiệu điện thế tiếp xúcĐiện trường tiếp xúcxp: Độ rộng vùng nghèo về phía pxn: Độ rộng vùng nghèo về phía nε=11,8ε0=11,8.8,85.10-14(F/cm): Hằng số điện môi của chất bán dẫnTiếp giáp p-n phân cực thuậnTiếp giáp p-n được phân cực thuận khi đặt một điện áp một chiều có cực dương nối vào bán dẫn p và cực âm nối vào bán dẫn nĐiện áp phân cực (Vbias) phải lớn hơn hàng rào thế năng.Điện trường ngoài ngược hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm giảm điện trường tiếp xúc. Etx=E0-EngTiếp giáp p-n phân cực thuậnĐiện trường ngoài hướng từ p sang n, làm các electron ở bán dẫn n tiến tới tiếp giáp p-n, đây là hiện tượng “phun” hạt dẫn vào vùng nghèo, làm điện trở vùng nghèo giảm xuống nhanh chóngĐiện trường ngoài làm tăng dòng khuếch tán và giảm dòng trôiĐiện trường ngoài làm giảm độ rộng vùng nghèo, làm giảm điện trường tiếp xúc và làm giảm hàng rào thế năngKhi tiếp giáp p-n được phân cực thuận, có dòng điện từ bán dẫn p sang bán dẫn n, gọi là dòng phân cực thuận.Tiếp giáp p-n phân cực ngượcTiếp giáp p-n được phân cực ngược khi đặt một điện áp một chiều có cực dương vào bán dẫn n và cực âm vào bán dẫn p Điện trường ngoài cùng hướng với điện trường tiếp xúc, nên làm tăng cường điện trường tiếp xúc. Etx=E0+EngTiếp giáp p-n phân cực ngượcĐiện trường ngoài hướng từ n sang p làm cho các hạt dẫn điện đa số (electron ở bán dẫn n, lỗ trống ở bán dẫn p) càng rời xa tiếp giáp p-n, làm cho độ rộng của vùng nghèo tăng lên, điện trở của vùng nghèo cũng tăng lên nhanh chóngĐiện trường ngoài làm giảm dòng khuếch tán và tăng dòng trôi (dòng trôi rất nhỏ so với dòng khuếch tán)Khi tiếp giáp p-n được phân cực ngược, chỉ có dòng điện ngược (rất nhỏ) qua tiếp giáp p-n.Dòng điện ngược và hiện tượng đánh thủng tiếp giáp p-nDòng điện ngược là dòng dịch chuyển có hướng của hạt mang điện thiểu số (electron trong bán dẫn p, lỗ trống trong bán dẫn n) dưới tác dụng của điện trường ngoàiDòng điện ngược rất nhỏ (cỡ vài μA) và nhanh chóng bão hào khi tăng điện áp phân cực ngượcNếu tiếp tục tăng điện áp phân cực ngược đến một mức nào đó tiếp giáp p-n bị đánh thủng, dòng ngược tăng đột biến.Dòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuậnDòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuận là dòng chuyển dời có hướng của các hạt dẫn điện đa số: I=IP+INDòng khuếch tán lỗ trốngDòng khuếch tán điện tửS: tiết diện tiếp giáp p-nDp;Dn: hệ số khuếch tán của lỗ trống, electronpN: nồng độ lỗ trống khuếch tán từ p sang nnP: nồng độ electron khuếch tán từ n sang pLP: độ dài khuếch tán của lỗ trốngLN: độ dài khuếch tán của electronV: điện áp phân cực thuậnVT: thế nhiệtDòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực thuậnVới:Dòng điện ngược bão hòaDòng điện qua tiếp giáp p-n phân cực ngượcDòng điện ngược bão hòa là dòng chuyển dời có hướng của các hạt mang điện thiểu số: Ing=Ingp+IngnĐặc tuyến V-A của Điốt bán dẫnXây dựng bằng phương pháp thực nghiệm: - Mắc các đồng hồ đo dòng điện và điện áp như hình vẽĐặc tuyến V-A của Điốt bán dẫnĐặc tuyến V-A là quan hệ giữa dòng điện qua Điốt và điện áp đặt vào các cực của ĐiốtĐặc tuyến V-A của Điốt bán dẫnĐặc tuyến V-A của Điốt bán dẫn chia thành ba phần rõ rệt.Vùng phân cực thuận: Khi 0<UAK<Uth (0,7V), dòng thuận gần như không có. Khi UAK≥Uth, dòng thuận tăng nhanhVùng phân cực ngược: Khi UAK<0, dòng ngược bão hòa rất nhỏ (cỡ vài chục nA đến vài μA)Vùng đánh thủng: Dòng điện ngược tăng đột biến khi điện áp phân cực ngược đạt đến điện áp đánh thủngTừ đặc tuyến V-A ta thấy Điốt là linh kiện chỉ dẫn điện theo một chiều khi nó được phân cực thuận. Người ta còn nói Điốt có tính chất VanSự phụ thuộc của đặc tuyến V-A vào nhiệt độTừ công thức trên cho thấy dòng điện qua điốt phụ thuộc vào nhiệt độ thông qua VT và phụ thuộc vào dòng bão hòa ngược I0Dòng bão hòa ngược phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ với mức xấp xỉ tăng gấp đôi khi nhiệt độ tăng 10oC; hay -2,1mV/oC (Si); -2,3mV/oC (Ge)Các tham số của Điốt bán dẫnĐiện trở tĩnh: Là điện trở của tiếp giáp p-n khi có điện áp một chiều cố định đặt vào các cực của Điốt.R0th<<R0ngĐiện trở động: Là điện trở của của tiếp giáp p-n khi làm việc với điện áp biến đổi. Hay nói cách khác là điện trở tức thời của tiếp giápCác tham số của Điốt bán dẫnĐiện dung của Điốt: Là điện dung của lớp điện tích không gian ở trạng thái cân bằng hoặc khi phân cực ngược.Điện áp ngược cực đại Ungmax: Là điện áp ngược tối đa mà Điốt còn làm việc bình thường, thường Ungmax=0,8UdtDòng thuận cực đại Imax: Là dòng điện thuận tối đa mà Điốt còn hoạt động bình thườngKhoảng nhiệt độ làm việc: Là khoảng nhiệt độ mà Điốt còn làm việc bình thường. Đối với Điốt Si là từ -60 đến 150oC; Điốt Ge là -60 đến 85oCCác tham số của Điốt thường được cho ở Datasheet của hãng sản xuấtCác sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫnMô hình Điốt lý tưởng (Ideal model): Điốt tương đương với một công tắc:Công tắc đóng khi Điốt phân cực thuậnCông tắc hở khi phân cực ngượcCác sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫnMô hình Điốt thực tế (Practical model): Giống như mô hình lý tưởng nhưng tính đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng (0,7V đối với Si và 0,2V đối với Ge)Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng) và công tắc đóngKhi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hởCác sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫnMô hình Điốt hoàn chỉnh (Complete model): Là mô hình kể đến ảnh hưởng của hàng rào thế năng VF, điện trở thuận r’d (rất nhỏ) và điện trở ngược r’R (rất lớn)Khi phân cực thuận Điốt tương đương với một nguồn áp (bằng hàng rào thế năng), một công tắc đóng và điện trở thuận r’dKhi phân cực ngược Điốt tương đương với công tắc hở và điện trở ngượcCác sơ đồ tương đương của Điốt bán dẫnMô hình Điốt hoạt động ở tần số cao:Khi điốt hoạt động ở tần số cao, thì phải tính đến ảnh hưởng của các tụ ký sinh (tụ khuếch tán Cd và tụ tiếp giáp p-n Cj)Phân loại và ứng dụng của điốtĐiốt chỉnh lưu (rectifier diode): Dựa trên tính chất dẫn điện theo một chiều của điốt để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành một chiềuỨng dụng của điốtCác mạch ghim (hạn chế điện áp)Phân loại và ứng dụng của điốtĐiốt Zener : Dựa trên hiện tượng đánh thủng về điện của điốt. Dùng để ổn định điện ápKhi được phân cực thuận, điốt Zener cũng giống như điốt bình thường, khi phân cực ngược thì nó chỉ làm việc ở trạng thái đánh thủng.Điốt Zener được chế tạo từ hai lớp bán dẫn được pha tạp rất mạnh (nên điện áp đánh thủng thường nhỏ hơn điốt thông thường)Sơ đồ tương đương của điốt ZenerZZ: Trở kháng (Impedance) của điốt ZenerỨng dụng của điốt ZenerỔn định điện áp một chiều: Khi tải thay đổi: Uod=UzỨng dụng của điốt ZenerỔn định điện áp một chiều: Khi điện áp nguồn vào thay đổi: Uod=UzPhân loại và ứng dụng của điốtĐiốt xung : Điốt làm việc với các xung điện áp (dòng điên), tương tự như một khóa điện tử, đóng mở mạchĐiốt Schottky: Là điốt có thời gian phục hồi trạng thái đóng, ngắt nhanh, điốt schottky sử dụng tiếp xúc bán dẫn-kim loạiPhân loại và ứng dụng của điốtĐiốt biến dung (Varicap): Là điốt làm việc như một tụ điện, với điện dung của phần tiếp giáp p-n thay đổi theo điện áp phân cực cho điốtPhân loại và ứng dụng của điốtĐiốt cao tần (Điốt tách sóng): Nguyên lý làm việc giống như điốt chỉnh lưu, nhưng tần số làm việc rất cao, thường dùng trong mạch tách sóng của máy thu thanhĐiốt xuyên hầm (tunnel): Điốt làm việc dựa trên hiệu ứng xuyên hầm. Có khả năng dẫn điện theo cả chiều thuận và chiều ngược