Chuong 3 Kỹ thuật điện tử tương tự

CHƢƠNG 3

ĐIỐT

Giới thiệu

3.1 Chất bán dẫn

3.2. Điốt lý tưởng

3.3. Đặc tuyến của điốt tiếp giáp.

3.4. Mô hình điốt trong vùng đặc tuyến thuận

3.5. Hoạt động trong vùng đánh thủng - điốt Zener

3.6. Các mạch chỉnh lưu

3.7. Các mạch hạn chế, mạch ghim.

3.8. Các điốt đặc biệt

GIỚI THIỆU

Trong chương trước chúng ta đã xem xét gần như toàn bộ mạch tuyến tính. Tuy

nhiên, có nhiều chức năng xử lý tín hiệu mà chỉ có thể thực hiện được bằng các mạch phi

tuyến. Ví dụ nguồn điện áp một chiều DC tạo thành từ điện áp cấp xoay chiều AC, máy

phát hàm (ví dụ: sóng sin, sóng vuông, dạng xung…). Các mạch logic số và bộ nhớ cũng

là một loại mạch phi tuyến đặc biệt.

Linh kiện đơn giản và cơ bản nhất trong mạch phi tuyến là điốt. Cũng giống như một

điện trở, điốt có hai đầu; nhưng khác ở chỗ, điện trở có mối quan hệ giữa dòng điện và

điện áp là tuyến tính, còn điốt là phi tuyến.

Chương này sẽ nghiên cứu về điốt. Để hiểu bản chất của điốt, ta bắt đầu với một điốt

lý tưởng. Sau đó ta sẽ giới thiệu về điốt silic, giải thích các đặc tính của nó, và các phương

pháp để phân tích mạch điốt. Phương pháp này rất quan trọng trong việc mô hình hóa các

linh kiện. Việc nghiên cứu về đặc tính của điốt sẽ đặt nền tảng cho việc nghiên cứu hoạt

động của transistor trong hai chương tiếp theo.

Có rất nhiều ứng dụng của điốt, phổ biến nhất là dùng trong bộ chỉnh lưu (chuyển đổi

điện áp AC sang DC). Do đó ta sẽ nghiên cứu kỹ các mạch chỉnh lưu, còn các ứng dụng

khác của điốt được xem xét ngắn gọn hơn.

Để hiểu căn bản về đặc điểm của điốt, ta xét hoạt động vật lý của nó. Nghiên cứu các

khái niệm cơ bản của vật liệu bán dẫn và hoạt động của tiếp giáp pn là nền tảng để hiểu

không chỉ đặc điểm của điốt mà còn ở transistor trường, sẽ được nghiên cứu ở chương sau,

và transitor bipolar, nghiên cứu ở chương 5.

Mặc dùng hầu hết chương này liên quan đến tiếp giáp pn, nhưng ta vẫn đề cập một

cách ngắn gọn một số loại điốt đặc biệt như điốt quang, điốt phát quang.

3.1 Khái niệm cơ bản về bán dẫn.

Tiếp giáp pn: Điốt bán dẫn cơ bản là một lớp tiếp giáp pn, như trên sơ đồ trong hình

3.1, ta thấy, lớp tiếp giáp pn bao gồm vật liệu bán dẫn loại p (ví dụ silic) đặt gần với vật

liệu bán dẫn loại n (cũng là silic). Trong thực tế, cả loại p và n đều là những loại khác

nhau của cùng tinh thể dẫn silic; có nghĩa là lớp pn được tạo nên trong một tinh thể silic

đơn bằng cách tạo ra các miền “pha tạp” khác nhau (miền p và n). Trong hình 3.1, các kết

nối dây bên ngoài vùng p và n (hai đầu của điốt) được làm từ kim loại (nhôm).

Ngoài ra, tiếp giáp pn còn là thành phần cơ bản của transistor lưỡng cực (BJT) và là

một phần quan trọng trong hoạt động của transistor trường (FET). Như vậy hiểu được hoạt

động vật lý của tiếp giáp pn là rất quan trọng để hiểu hoạt động và đặc điểm của cả điốt và

trasistor.

Hình 3.1 Cấu trúc vật lý đơn giản của điốt tiếp giáp

Bản chất của silic: Mặc dù cả silic và germanium đều có thể sử dụng để chế tạo chất bán

dẫn, nhưng ngày nay công nghệ mạch tích hợp gần như cơ bản chỉ dựa trên silic. Vì lý do

đó, chúng ta sẽ nghiên cứu chủ yếu các linh kiện chế tạo từ silic trong toàn bộ cuốn sách

này.

Nguyên tử silic

Liên kết cộng hóa trị Electron hóa tri

Hình 3.2 Hình ảnh hai chiều của tinh thể silic.

Một bán dẫn thuần hay silic nguyên chất có cấu tạo là mạng tinh thể thông thường, ở

đó các nguyên tử được ràng buộc bởi các liên kết, gọi là liên kết cộng hóa trị, được hình

thành bởi 4 electron hóa trị liên kết với một nguyên tử silic. Hình 3.2 minh họa hình ảnh

hai chiều của cấu trúc này. Quan sát thấy rằng mỗi nguyên tử góp chung một electron hóa

trị với một nguyên tử bên cạnh, và mỗi cặp electron sẽ hình thành một liên kết cộng hóa

trị. Tại nhiệt độ đủ thấp, tất cả các liên kết cộng hóa trị được giữ nguyên và không có

(hoặc có rất ít) electron tự do để dẫn dòng điện. Tuy nhiên, tại nhiệt độ thường, một số

liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ do sự ion hóa bởi nhiệt và tạo nên một số electron tự do.

Như trên hình 3.3, khi một liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ, một electron sẽ rời khỏi nguyên

tử mẹ; tạo nên một điện tích dương, có điện tích bằng điện tích của electron, còn lại ở

trong nguyên tử mẹ. Một electron từ nguyên tử lân cận có thể hút điện tích dương này, rời

khỏi nguyên tử mẹ của nó. Hoạt động này lấp đầy “lỗ trống” tồn tại trong nguyên tử bị ion

hóa nhưng lại tạo ra một lỗ trống mới trong nguyên tử khác. Quá trình này lặp đi lặp lại,

kết quả là ta có một hạt dẫn mang điện tích dương, hay còn gọi là lỗ trống, di chuyển

trong cấu trúc nguyên tử silic và cho phép dẫn dòng điện. Điện tích của một lỗ trống bằng

độ lớn điện tích của một electron.

Hiện tượng ion hóa bởi nhiệt tạo ra số lượng electron tự do bằng số lượng lỗ trống và

do đó chúng có mật độ bằng nhau. Các electron tự do và các lỗ trống di chuyển hỗn độn

bên trong cấu trúc bán dẫn silic, trong đó một vài electron có thể được lấp vào các lỗ

trống. Quá trình này được gọi là sự tái hợp, nó làm biến mất electron tự do và lỗ trống.

Tốc độ tái hợp tỷ lệ với số electron tự do và lỗ trống, do đó được xác định bằng tốc độ ion

hóa.

Nguyên tử silic

Lỗ trống

Electron tự do Electron hóa trị

Liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ

Liên kết cộng hóa trị

Hình 3.3 Tại nhiệt độ phòng, một số liên kết cộng hóa trị bị phá vỡ do sự ion hóa bởi nhiệt. Mỗi

liên kết bị phá vỡ cho ta một electron tự do và một lỗ trống, cả hai đều cho phép dẫn dòng.

Tốc độ ion hóa phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi có sự cân bằng nhiệt, tốc độ tái

hợp bằng với tốc độ ion hóa và ta có thể tính toán được mật độ electron tự do n, đồng thời

cũng là mật độ lỗ trống p.

n = p = ni

Ở đây

i n

là mật độ của electron tự do hoặc lỗ trống bên trong silic tại một nhiệt độ

xác định. Nghiên cứu về vật liệu bán dẫn cho thấy tại nhiệt độ tuyệt đối T (Kelvins), nồng

độ ni (ví dụ, số electron tự do và lỗ trống trên một cm3

) được tính bằng phương trình:

E kT

i

G n BT e

2 3  /

 (3.1)

Trong đó B là tham số phụ thuộc nhiệt độ và vật liệu, và bằng 5.4x1031

với silic, EG là

năng lượng vùng cấm (giá trị năng lượng nhỏ nhất để phá vỡ một liên kết cộng hóa trị và

tạo ra một cặp electron – lỗ trống), bằng 1.12 eV với silic, và k là hằng số Boltzman, bằng

8.62x10-5

eV/K. Thế vào phương trình (3.1) với giá trị các thông số đã cho với silic tại

nhiệt độ phòng (T = 300K ), ta có ni = 1.5x1010 hạt/cm3

. Để thay thế chính xác, chúng ta

chú ý bán dẫn silic có khoảng 5x1022 nguyên tử/cm3

. Như vậy, tại nhiệt độ phòng chỉ có

một lượng nhỏ nguyên tử bị ion hóa.

Nồng độ lỗ trống

p

Hình 3.3 Thanh silic (a) mật độ lỗ trống mặt dọc theo trục x (b)

Sự khuếch tán và sự trôi: Electron và lỗ trống di chuyển trong bán dẫn silic theo hai

cách, đó là khuếch tán và trôi. Khuếch tán liên quan tới sự chuyển động hỗn độn do nhiệt.

Trong một phần silic mà electron tự do và lỗ trống có mật độ đều thì sự di chuyển hỗn độn

này không thể tạo ra dòng các điện tích (ví dụ: dòng điện). Mặt khác, nếu trong một phần

có mật độ electron tự do lớn hơn ở những phần khác, thì các electron sẽ khuếch tán từ

vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp. Sự khuếch tán này tạo ra một dòng các điện

tích, hay dòng khuếch tán. Ví dụ, xét một thanh silic biểu diễn như trong hình 3.3(a), ở

đó mật độ lỗ trống biểu diễn trong hình 3.3 (b). Sự tồn tại của mật độ này tạo ra dòng

khuếch tán lỗ trống theo hướng x, với độ lớn tại bất kỳ điểm nào tỷ lệ với độ dốc của

đường cong mật độ, hay gradien mật độ tại điểm này:

dx

dp J p

 qDp

(3.2)

Trong đó Jp là mật độ dòng điện (dòng điện trên một đơn vị diện tích mặt vuông góc với

trục x) đơn vị A/cm2

, q là độ lớn của một điện tích =1.6x10-19 C, và Dp là hằng số được

gọi là hằng số khuếch tán hoặc độ khuếch tán của lỗ trống. Chú ý rằng gradien (dp/dx)

là âm nên dòng điện là dương theo chiều dương của trục x. Trong trường hợp khuếch tán

electron, tương tự ta có mật độ dòng electron:

dx

dn J n

 qDn

(3.3)

Ở đây Dn là độ khuếch tán của electron. Quan sát thấy, tỷ số âm (dn/dx) làm dòng điện âm

tăng lên, đó là quy ước dấu, chiều dương của dòng điện là chiều chuyển động của điện

tích dương (ngược lại là dòng điện tích âm). Với mật độ lỗ trống và electron trong silic,

giá trị của hằng số khuếch tán Dp=12cm2

/s và Dn = 34 cm2

/s.

Một kiểu khác của chuyển động hạt dẫn trong vật liệu bán dẫn là sự trôi. Sự trôi xuất

hiện khi có điện trường đặt vào. Các electron tự do và lỗ trống được tăng tốc bởi điện

trường và có vận tốc (xếp chồng lên vận tốc do chuyển động nhiệt) gọi là vận tốc trôi.

Nếu độ lớn của điện trường ký hiệu là E (V/cm), thì lỗ trống mang điện dương sẽ trôi theo

chiều E và đạt được vận tốc

drift v

(cm/s) được tính bởi:

vdrift   pE

(3.4)

Trong đó

 p

là hằng số gọi là độ linh động của lỗ trống, có đơn vị cm

2

/V.s. Với silic,

 p

bằng 480cm2

/V.s. Electron mang điện tích âm sẽ trôi về phía ngược lại của điện trường,

tốc độ của chúng được tính như trong phương trình (3.4), nhưng

 p

được thay bằng

n

: độ

linh động điện tử. Với silic,

n

thường bằng 1350cm2

/V.s, lớn hơn khoảng 2.5 lần độ linh

động của lỗ trống.

Bây giờ xét một tinh thể silic có mật độ lỗ trống p và mật độ electron tự do n, và điện

trường đặt vào E. Các lỗ trống sẽ trôi cùng hướng với E (gọi là phương x) với vận tốc

 pE

. Như vậy, chúng ta có một mật độ điện tích dương là qp (Culông/cm3

) di chuyển theo

phương x với vận tốc

 pE

(cm/s). Nghĩa là trong một giây, một lượng điện tích

qp pEA

(Culông) sẽ qua một tiết diện A (cm2

) vuông góc với trục x. Đó là thành phần dòng điện

gây ra bởi sự trôi lỗ trống. Chia cho tiết diện A ta thu được mật độ dòng trôi:

J pdrift  qp pE

(3.5a)

Các electron tự do sẽ trôi theo hướng ngược chiều với điện trường E. Do đó ta có một

mật độ điện tích (-qn) di chuyển ngược chiều phương x, nên chúng có tốc độ âm (- nE

),

tạo thành một thành phần dòng dương với mật độ được tính:

Jndrift  qnnE

(3.5b)

Tổng mật độ dòng điện trôi thu được bằng cách kết hợp phương trình (3.5a) và (3.5b)

Jdrift  q( p p  nn

)E

(3.5c)

Ta chú ý dạng của định luật Ôm với điện trở suất ( đơn vị

cm

) được tính bởi:

1/ ( )   q p p  nn

(3.6)

Cuối cùng, ta có mối quan hệ đơn giản nhưng rất hữu ích, được biết là quan hệ Einstein,

giữa độ khuếch tán và độ linh động: