Vật liệu và linh kiện điện tử - Chương 4: Chất bán dẫn điện diode bán dẫn

*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Chương 4: CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN DIODE BÁN DẪN*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*I/. CHẤT BÁN DẪN ĐIỆN Trong ngành vật liệu điện người ta chia ra làm bốn nhóm vật liệu là: vật dẫn điện, vật cách điện, vật bán dẫn điện và vật dẫn từ. Ở đây chúng ta chỉ khảo sát chất bán dẫn điện.1/. Đặc tính của chất bán dẫna/. Điện trở suất:Hai chất bán dẫn thông dụng là chất silic và chất germanium có điện trở suất là: Si = 1014mm2/m Ge = 8,9.1012mm2/m*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Trị số điện trở suất này rất lớn so với chất dẫn điện như đồng ( = 0,017mm2/m) nhưng lại rất nhỏ so với chất cách điện như thủy tinh ( = 1018mm2/m).b/. Ảnh hưởng của nhiệt độ: Điện trở của chất bán dẫn thay đổi rất lớn theo nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng lên thì điện trở chất bán dẫn giảm xuống, ở khoảng nhiệt độ càng cao thì mức điện trở giảm càng lớn. Từ tính chất này người ta chế các điện trở thay đổi theo nhiệt độ gọi là nhiệt trở (thermistor).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* c/. Ảnh hưởng của ánh sáng: Điện trở của chất bán dẫn khi đặt trong vỏ kín không có ánh sáng chiếu vào có trị số rất lớn. Khi chiếu ánh sáng vào chất bán dẫn thì điện trở giảm xuống, độ chiếu sáng càng mạnh thì mức điện trở giảm càng lớn. Nhờ vào tính chất này người ta chế tạo ra các điện trở có trị số thay đổi theo ánh sáng gọi là điện trở quang (photo-resistor).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*2/. Cấu tạo nguyên tử của chất bán dẫn Xét cấu tạo nguyên tử của chất silic và chất germanium. Chất Si có 14 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên ba lớp. Chất Ge có 32 electron bao quanh nhân và các electron này xếp trên bốn lớp.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Hai chất Si và Ge có đặc điểm chung là số electron trên lớp ngoài cùng bằng nhau là bốn electron (hóa trị 4). Khi xét sự liên kết giữa các nguyên tử người ta chỉ xét lớp ngoài cùng. Trong khối bán dẫn tinh khiết, các nguyên tử gần nhau sẽ liên kết nhau theo kiểu cộng hóa trị. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Bốn electron của mỗi nguyên tử sẽ nối với bốn electron của nguyên tử xung quanh tạo thành bốn mối nối làm cho các electron được liên kết chặt chẽ với nhau. Sự liên kết này làm cho các electron khó tách rời khỏi nguyên tử để trở thành electron tự do. Như vậy, chất bán dẫn tinh khiết có điện trở rất lớn.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Chất bán dẫn tinh khiết . *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*3. Chất bán dẫn loại N (negative: âm) Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất thấp các chất có cấu tạo nguyên tử với 5 electron ở lớp ngoài cùng (hóa trị 5) như chất Arsenic hay Phosphor. Các nguyên tử của chất Phosphor có 5 electron thì bốn electron sẽ liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau, còn lại một electron thừa ra không liên kết với các electron của chất bán dẫn sẽ trở thành electron tự do.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Chất bán dẫn N Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử phosphor sẽ có một electron tự do, pha thêm càng nhiều nguyên tử phosphor sẽ có càng nhiều electron tự do. Chất bán dẫn có electron tự do gọi là chất bán dẫn loại N (loại âm).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* 4. Chất bán dẫn loại P (positive: dương) Nếu pha vào chất bán dẫn Si tinh khiết một lượng rất ít các chất có cấu tạo nguyên tử với ba electron ở lớp ngoài cùng (hóa trị 3) như chất indium hay bore. Các nguyên tử của chất indium có ba electron nên khi liên kết với bốn electron của bốn nguyên tử Si khác nhau sẽ có một mối nối thiếu một electron, chỗ thiếu electron này gọi là lỗ trống. Lỗ trống của mối nối thiếu electron sẽ dễ dàng nhận một electron tự do.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Chất bán dẫn P Như vậy, khi pha thêm một nguyên tử chất indium sẽ có một lỗ trống, pha thêm càng nhiều nguyên tử chất indium sẽ có càng nhiều lỗ trống. Chất bán dẫn có lỗ trống gọi là chất bán dẫn loại P (loại dương).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*II. DIOD BÁN DẪN 1/. Cấu tạo Khi trong một tinh thể bán dẫn silicium hay germanium được pha để trở thành vùng bán dẫn loại N (pha phosphor) và vùng bán dẫn loại P (pha indium) thì trong tinh thể bán dẫn hình thành mối nối P-N. Ở mối nối P-N có sự nhạy cảm đối với các tác động của điện, quang, nhiệt.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Trong vùng bán dẫn loại P có nhiều lỗ trống, trong vùng bán dẫn loại N có nhiều electron thừa. Khi hai vùng này tiếp xúc nhau sẽ có một số electron vùng N qua mối nối và tái hợp với lỗ trống của vùng P. Khi chất bán dẫn đang trung hòa về điện mà vùng bán dẫn N bị mất electron (qua mặt nối sang vùng P) thì vùng bán dẫn N gần mối nối trở thành có điện tích dương (ion dương), vùng bán dẫn P nhận thêm electron (từ vùng N sang) thì vùng bán dẫn P gần mối nối trở thành có điện tích âm (ion âm). *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Hiện tượng này tiếp diễn tới khi điện tích âm của vùng P đủ lớn đẩy electron không cho electron từ vùng N sang P nữa.Sự chênh lệch điện tích ở hai bên mối nối như trên gọi là hàng rào điện áp.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* 2/. Nguyên lý vận chuyển của diodea/. Phân cực ngược diode Dùng một nguồn điện nối cực âm của nguồn vào chân P của diode và cực dương của nguồn vào chân N của diode. Lúc đó, điện tích âm của nguồn sẽ hút lỗ trống của vùng P và điện tích dương của nguồn sẽ hút electron của vùng N làm cho lỗ trống và electron hai bên mối nối càng xa nhau hơn nên hiện tượng tái hợp giữa electron và lỗ trống càng khó khăn. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Tuy nhiên trường hợp này vẫn có một dòng điện rất nhỏ đi qua diode từ vùng N sang vùng P gọi là dòng điện rỉ trị số khoảng nA. Hiện tượng này được giải thích là do trong chất P cũng có một số ít electron và trong chất N cũng có một số ít lỗ trống gọi là hạt tải thiểu số, những hạt tải thiểu số này sẽ sinh ra hiện tượng tái hợp và tạo thành dòng điện rỉ.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Dòng điện rỉ còn gọi là dòng điện bão hòa nghịch ISAT (saturate: bão hòa). Do dòng điện rỉ có trị số rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp người ta coi như diode không dẫn điện khi được phân cực ngược.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* b/. Phân cực thuận diode: Dùng một nguồn điện DC nối cực dương của nguồn vào chân P và cực âm của nguồn vào chân N của diode. Lúc đó, điện tích dương của nguồn sẽ đẩy lỗ trống trong vùng P và điện tích âm của nguồn sẽ đẩy electron trong vùng N làm cho electron và lỗ trống lại gần mối nối hơn và khi lực đẩy tĩnh điện đủ lớn thì electron từ N sẽ sang mối nối qua P và tái hợp với lỗ trống.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử**402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Khi vùng N mất electron trở thành mang điện tích dương thì vùng N sẽ kéo điện tích âm cực từ cực âm của nguồn lên thế chỗ, khi vùng P nhận electron trở thành mang điện tích âm thì cực dương của nguồn sẽ kéo điện tích âm từ vùng P về. Như vậy, đã có một dòng electron chạy liên tục từ cực âm của nguồn qua diode từ N sang P về cực dương của nguồn, nói cách khác, có dòng điện đi qua diode theo chiều từ P sang N.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*3/. Đặc tính kỹ thuậtTrên mạch thí nghiệm như hình vẽ, người ta đo dòng điện ID qua diode và điện áp VD trên hai chân P và N của diode.Đầu tiên phân cực thuận diode rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên và khi trên diode đạt trị số điện áp là VD = V thì mới bắt đầu có dòng điện qua diode. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Điện áp V gọi là điện áp thềm hay điện áp ngưỡng và có trị số tùy thuộc chất bán dẫn.Thực nghiệm cho biết:V = 0,5V  0,6V; VDmax= 0,8V  0,9V(chất Si)V =0,15V  0,2V;VDmax= 0,4V  0,5V(chất Ge)*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* Một số tài liệu kỹ thuật ghi là: V = 0,6V (Si) và V = 0,2 (Ge) nhưng thực tế thì khi VD nhỏ hơn 0,5V (Si) hay 0,15V (Ge) là đã có dòng điện qua diod. *402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Sau khi vượt qua điện áp thềm V thì dòng điện qua diod sẽ tăng lên theo hàm số mũ và được tính theo công thức:Thay số vào ta có:q = 1,6.10-19 coulomb(C)VD : điện áp trên diod (V)K: hằng số Bônzman vàK = 1,38.10-23J/kT: nhiệt độ tuyệt đối (K)IS: dòng bão hòa nghịch (A)250C = 298K (= 25 + 273)*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử* hay:Công thức trên ta có thể viết dưới dạng đơn giản:Khi phân cực thuận, VD > V thì >> 1 nên Khi phân cực ngược, VD < 0V thì << 1 nên ID  IS (IS : dòng điện bão hòa nghịch)*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Khi phân cực ngược diod rồi tăng điện áp VDC từ 0V lên theo trị số âm chỉ có dòng điện rỉ (hay dòng điện bão hòa nghịch) IS có trị số rất nhỏ đi qua diod. Nếu tăng cao mức điện áp nghịch, đến một trị số khá cao, dòng điện qua diod tăng lên rất lớn sẽ làm hư diod. Lúc đó, nhiều electron ở vùng chung quanh mối nối bị bứt ra, đập vào các electron lân cận tạo hiện tượng thác đổ làm tăng mạnh dòng điện qua diod.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Điện áp ngược đủ để tạo dòng điện ngược lớn qua diode phải lớn hơn trị số VRmax (reverse: ngược). Lúc đó, diode sẽ bị đánh thủng nên VRmax còn gọi là điện áp đánh thủng của diode. Khi sử dụng diode phải đặc biệt chú ý đến trị số này.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Ngoài ra diode còn một thông số kỹ thuật quan trọng khác đó là IFmax (forward: thuận) là dòng điện thuận cực đại. Khi dẫn điện, diode bị đốt nóng bởi công thức P = ID.VD. Nếu dòng ID lớn hơn trị số IFmax thì diode sẽ bị hư do quá nhiệt.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Như vậy, một diode có các thông số kỹ thuật cần biết khi sử dụng là:- Chất bán dẫn chế tạo để có V và VDmax- Dòng điện thuận cực đại IFmax- Dòng điện bão hòa nghịch IS- Điện áp nghịch cực đại VRmax*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Bảng tra các diod nắn điện thông dụng.Mã sốChấtIFmaxISVRmax1N4004Si1A5A500V1N4007Si1A5A1000V1N5408Si3A5A1000V*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*4. Điện trở của diodeTrong các sách tra cứu đặc tính kỹ thuật của diode người ta không cho trị số điện trở của diode vì trị số này thay đổi theo điện áp phân cực. Người ta phân biệt hai loại điện trở của diode là điện trở một chiều và điện trở động (điện trở đối với dòng điện xoay chiều).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*a) Điện trở một chiều:Điện trở một chiều ở một điểm phân cực của diod là tỉ số của . Ta có:Theo đặc tuyến volt-ampere của diod thì ở trạng thái thuận, những điểm phân cực càng cao thì điện trở càng nhỏ vì điện áp VD thay đổi rất ít nhưng dòng điện thay đổi rất lớn.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*b) Điện trở động:Khi có sự biến thiên, điện áp và dòng điện chung quanh điểm phân cực thì ta có thể tính điện trở động theo công thức:Trong thực tế điện trở động được tính theo công thức:*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*5. Hình dáng – Cách thử diodea.Hình dáng*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*b. Cách thử diodeCó thể dùng ohm kế để xác định diode còn tốt hay đã hư. Đặt máy đo vào diode như hình vẽ. Do trong ohm kế có nguồn DC là pin 1,5V hay 3V nên nguồn DC sẽ phân cực thuận hay phân cực ngược diode. Lưu ý: cực dương và âm của pin nối ra ngoài ngược với đầu dây đo của máy đo (như hình vẽ).*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*ChấtĐiện trở thuậnĐiện trở nghịchSiVài kVô cực GeVài trăm Vài trăm k*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Kết quả thử diode theo bảng trên nếu dùng ohm kế thang đo R  100.Một diode có điện trở thuận và điện trở nghịch càng cách xa nhau càng tốt. Một diode khi đo có điện trở thuận và điện trở nghịch đều bằng 0 là diode bị nối tắt, ngược lại nếu hai trị số đều bằng vô cực ohm là diode bị đứt.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Kết quả thử diod theo bảng trên nếu dùng ohm kế thang đo R  100.Một diod có điện trở thuận và điện trở nghịch càng cách xa nhau càng tốt. Một diode khi đo có điện trở thuận và điện trở nghịch đều bằng 0 là diode bị nối tắt, ngược lại nếu hai trị số đều bằng vô cực ohm là diode bị đứt.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*IV. ỨNG DỤNG CỦA DIODEHình vẽ là sơ đồ mạch và đường biểu diễn điện áp V2 và dòng tải IL và điện áp tải VL theo thời gian.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*1. Mạch nắn điện bán kỳTạo mạch điện như sơ đồ hình vẽ. Biến thế T là bộ giảm áp đổi nguồn xoay chiều 220V xuống trị số thích hợp.Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ dương thì diode D được phân cực thuận nên dẫn điện, dòng điện IL qua điện trở tải RL cũng có trị số biến thiên theo bán kỳ dương của nguồn V2 và cho ra điện áp trên tải VL dạng bán kỳ dương gần bằng V2.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Khi cuộn thứ cấp cho ra bán kỳ âm thì diode D được phân cực ngược nên không dẫn điện. Lúc đó, không có dòng điện chạy qua diode nên IL = 0 và VL = 0.Như vậy: dòng điện qua tải IL và điện áp ra trên tải VL chỉ còn lại có bán kỳ dương. Do đó, mạch điện được gọi là mạch nắn điện một bán kỳ.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*2. Mạch nắn điện chu kỳ hay toàn kỳTrong mạch điện như sơ đồ hình vẽ, biến áp có cuộn thứ cấp ba điểm, điểm giữa chia cuộn thứ cấp ra hai phần đều nhau. Khi điểm giữa nối xuống điểm chung 0V (mass) thì điện áp của hai điểm A và B là hai điện áp đảo pha nhau.Khi A có bán kỳ dương, diode DA được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương. Lúc đó, B có bán kỳ âm, diode DB được phân cực ngược nên ngưng dẫn.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử**402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Khi A có bán kỳ âm, diode DA được phân cực ngược nên ngưng dẫn. Lúc đó, B có bán kỳ dương diode DB được phân cực thuận nên dẫn điện và cho ra trên tải dòng điện IL tăng theo bán kỳ dương.Như vậy, hai điện áp tại A và B là hai điện áp đảo pha nhau nên hai diod DA và DB sẽ luân phiên dẫn điện và cho ra trên tải nhưng bán kỳ dương liên tục. Hình vẽ trên là sơ đồ mạch, đường biểu diễn điện áp VA – VB, dòng điện tải IL và điện áp trên tải VL theo thời gian.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*III. CÁC LOẠI DIODE KHÁC Loại diode thông dụng nhất là diode nắn điện (hay còn gọi là diode chỉnh lưu) được dùng trong hai mạch ứng dụng trong mục. Ngoài ra còn có các loại khác cũng rất phổ biến.1. Diode Zenera. Cấu tạoDiode Zener có cấu tạo giống như diode thường nhưng các chất bán dẫn được pha tạp chất với tỉ lệ cao hơn diode thường. Diode Zener thường là loại silicium.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*1. Diode Zenerb. Đặc tính*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*1. Diode Zener- Trạng thái phân cực thuận: Diode Zener có đặc tính giống như diode nắn điện thông thường.- Trạng thái phân cực ngược do pha tạp chất với tỉ lệ cao nên điện áp nghịch VRmax có trị số thấp hơn diode nắn điện gọi là điện áp Zener VZ. Thí dụ: 5V-6V-8V-9V-12V-15V khi phân cực ngược đến trị số VZ thì dòng điện tăng mà điện áp không tăng.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*1. Diode Zenerc. Ứng dụng+ Mạch ổn ápDiode Zener được dùng làm linh kiện ổn định điện áp trong các mạch có điện áp nguồn thay đổi.Trong mạch ổn áp đơn giản hình vẽ thì điện áp ra trên tải VL = VZ là một trị số không đổi trong khi điện áp nguồn cung cấp VDC thay đổi.Điều kiện: VDC = (1,5  2) V0*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử**402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*2. Diode quang (photo diode)a. Cấu tạoDiode quang có cấu tạo giống như diode thường nhưng vỏ bọc cách điện có một phần là kính hay thủy tinh trong suốt để nhận ánh sáng bên ngoài chiếu vào mối nối P-N.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*b. Đặc tính*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*Mối nối P-N phân cực nghịch khi được chiếu sáng vào mạch tiếp giáp sẽ phát sinh hạt tải thiểu số qua mối nối và dòng điện biến đổi một cách tuyến tính với cường độ ánh sáng (lux) chiếu vào nó.Trị số điện trở của photo diod trong trường hợp được chiếu sáng và bị che tối.- Khi bị che tối: Rnghịch = vô cực ohm; Rthuận : rất lớn- Khi chiếu sáng: Rnghịch = 10k  100k; Rthuận = vài trăm ohm*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*3. Diode phát quang Led (Light Emittting Diode)Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như (GaAs) khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng). Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Dựa vào tính chất này người ta chế tạo ra các loại Led có màu khác nhau.*402057 – Vật liệu và Linh Kiện Điện Tử*- Phân cực thuận: VD = 1,4V  1,8V (Led đỏ) VD = 2V  2,5V (Led vàng) VD = 2V  2,8V (Led xanh lá) ID = 5mA  20mA (thường chọn 10mA)