Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 3 - Hồ Trung Mỹ

Nội dung text: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) - Phần 3 - Hồ Trung Mỹ

1. ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) 1
2. 4.10 Các diode bán dẫn khác • Diode chỉnh lưu (rectifier) • Diode ổn áp • Diode biến dung • Diode phát quang (LED) • Diode quang (Photodiode=PD) • Diode Schottky • Diode Tunnel (đường hầm) • . . . 3
3. 4.10.1 Diode chỉnh lưu (Rectifier) • Diode chỉnh lưu là dụng cụ 2 cực cho điện trở rất thấp với dòng điện theo 1 chiều và điện trở rất cao ở chiều ngược lại. nghĩa là cho chỉ 1 cho phép dòng điện chạy theo 1 chiều (đặc tính chỉnh lưu). • Điện trở thuận và ngược của diode chỉnh lưu có thể được suy từ quan hệ dòng-áp của diode thật: • Với I0 là dòng bão hòa ngược và  là hệ số lý tưởng, tổng quát có giá trị từ 1 (với dòng khuếch tán) đến 2 (với dòng tái hợp) 5
4. • Các diode PN chỉnh lưu về tổng quát có tốc độ chuyển mạch chậm; nghĩa là nó cần thời gian trì hoãn để có được tổng trở cao sau khi chuyển mạch từ trạng thái dẫn thuận sang trạng thái tắt. Trì hoãn này tỉ lệ với thời gian sống của hạt dẫn thiểu số, với tần số thấp thì nó không ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên ở những ứng dụng tần số cao nó ảnh hưởng đến hiệu suất chỉnh lưu. • Phần lớn các diode chỉnh lưu có tiêu tán công suất từ 0.1W đến 10W, điện áp đánh thủng từ 50 đến 2500V(với các diode chỉnh lưu cao áp, người ta mắc nối tiếp từ 2 chuyển tiếp P-N trở lên), và thời gian chuyển mạch từ 50ns (với diode công suất thấp) đến khoảng 500ns (với diode công suất cao) . • Diode chỉnh lưu có nhiều ứng dụng: – Biến đổi tín hiệu AC thành dạng sóng đặc biệt. TD: chỉnh lưu bán kỳ, toàn sóng, mạch xén, mạch kẹp, mạch tách sóng đỉnh (giải điều chế). – Mạch bảo vệ tĩnh điện 7 – Khóa điện tử . . .
5. 1N4148 11
6. Diode • A diode is formed by joining an n-type semiconductor with a p-type semiconductor. • A pn junction is the interface between n and p Diode symbol regions. Slides From Microelectronic Circuit Design 13 Jaeger/Blalock McGraw-Hill
7. Dòng diode với các cách phân cực • Phân cực ngược:     v D iD IS exp   1  IS 0 1  IS  nVT   • Phân cực Zero: (không phân cực)     v D iD IS exp   1  IS 1 1  0  nVT   • Phân cực thuận:       v D v D iD IS exp   1  IS exp    nVT   nVT  Microelectronic Circuit Design 15 McGraw-Hill
8. Giải tích đường tải (thí dụ) Vấn đề: Tìm điểm Q Cho trước: V=10 V, R=10kW. Giải tích: 4 10 I D10 VD Để định nghĩa đườg tải, ta dùng, VD= 0 I D (10V /10kW) 1mA VD= 5 V, ID =0.5 mA Giao của 2 đường này cho nghiệm: Điểm Q = (0.95 mA, 0.6 V) 17
9. Giải tích dùng mô hình toán cho Diode Vấn đề: Tìm điểmQ với đặc tuyến diode Bằng cách đoán các giá trị lặp lại cho cho trước. VD và tăng hay giảm VD cho đến khi -13 Dữ liệu: IS = 10 A, n = 1, VT = 0.025 V vế phải của phương trình bằng 10: Giải tích: Điểm Q= (0.943 mA, 0.574 V) 4 10 ID10 VD thường thì 2 hay 3 số có nghĩa cho VD vì I , n, V , và R hiếm khi có độ chính VD 13 S T I D I S exp 1 10 exp 40VD 1 xác tốt hơn. nVT 4 13 10 10 10 exp 40VD 1 VD Ta sẽ SPICE nếu ta muốn dùng mô hình toán đầy đủ. Muốn giải hệ này ta phải dùng phương pháp tính số. 19
10. Solution from a Spreadsheet 21
11. Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng (thí dụ) Giả sử diode ON (vì nó giống như Giả sử diode OFF. Từ đó ID =0. Anode có điện thế cao hơn Cathode). Phương trình vòng là: (10 0)V I 1mA D 10kW 4 10 VD 10 I D 0 I D 0 V 10V (giả thiết đúng). (giả thiết đúng) D Điểm Q là (0, -10 V) Điểm Q là (1 mA, 0V) 23
12. Giải tích mạch 2 diode Giải tích: Mô hình diode lý tưởng được chọn. Vì nguồn 15V đang cấp dòng điện dương qua D1 và D2 và nguồn -10V đang cấp dòng điện dương qua D2, ta giả sử cả 2 diodes đều ON. Từ điện thế tại nút D là zero do ngắn mạch của diode lý tưởng D1, (15 0)V I 1.5 mA I 0 ( 10)V 2 mA 1 10kW D2 5kW I1 ID1 ID2 ID1 1.5 2 0.5mA Các điểm Q(-0.5 mA, 0 V) và (2.0 mA, 0 V) Nhưng, ID1 < 0 thì không đúng với giả thiết là D1 ON, do đó thử lại. 25
13. 4.10.2 Diode ổn áp (Zener) • Diode ổn áp được chế tạo dựa theo cơ chế đánh thủng (ở miền phân cực ngược) thác lũ và/hoặc đường hầm (hay Zener).(VZ = 2 1000V) IZmin IZmax Diode Zener: (a) Ký hiệu sơ đồ mạch; (b) Ký hiệu khác; (c) đặc tuyến Volt-Ampere (I-V). 27
14. Zener Diodes – Regulation Ranges The zener diode’s Zener zone Diode zone breakdown characteristics are determined by the doping process. Low voltage zeners (>5V), operate in the zener breakdown range. Those designed to operate <5 V operate mostly in avalanche breakdown range. Zeners are Avalanche available with voltage zone 5V. breakdowns of 1.8 V to This curve illustrates the minimum and 200 V. maximum ranges of current operation that the zener can effectively maintain its voltage. 29
15. Hệ số nhiệt TC • Định nghĩa: Hệ số nhiệt của đại lượng X là TCX (đơn vị là 1/oC hay ppm/oC [ppm=10-6]) 1 dX TCX X dT • TCVZ có giá trị: 0 khi Zener có VZ > 6V (đánh thủng thác lủ) 0, hoặc = 0 khi Zener có 4V < VZ < 6V 31
16. Mô hình diode zener lý tưởng Mô hình diode zener lý tưởng khi ở phân cực ngược > VZ 33
17. Mạch ổn áp Zener có tải • Hoạt động đánh thủng với điện áp Thévenin đặt ở Zener là: VTH = VSRL/(RS+RL) • Dòng điện nối tiếp IS • Dòng tải IL = VL/RL=VZ/RL • Dòng Zener IZ = IS – IL ( chú ý điều kiện để Zener vẫn còn ổn áp!) 35 Mạch ổn áp có tải (a) Mạch cơ bản; (b) Mạch thực tế
18. Điểm rời khỏi miền ổn áp Trường hợp xấu nhất 37
19. 4.10.3 Diode biến dung (varactor=varicap) Các ký hiệu (a) và (b) thường dùng ở Mỹ (c) và (d) thường dùng ở Anh Đặc điểm: Dựa trên sự thay đổi điện dung của miền nghèo khi được phân cực ngược 39
20. Diode biến dung (3) Diode biến dung được dùng trong các mạch lọc làm dụng cụ chỉnh được cho chọn lựa tần số cộng hưởng. Varactor Bias adjust 41
21. 4.10.4 LED (Light Emitting Diode =Diode phát quang) Nguyên tắc hoạt động • LED chủ yếu là chuyển tiếp PN được làm từ bán dẫn hỗn hợp có khe năng lượng trực tiếp (TD: GaAs), trong đó sự tái hợp cặp điện tử-lỗ (EHP) làm phát xạ photon. Khi đó photon được sinh ra có bước sóng λ [nm] = 1240/Eg[eV] • Giản đồ năng lượng sau minh họa sự sinh ra ánh sáng trong LED, trong đó phía N pha nồng độ n+ vì muốn miền nghèo phần lớn nằm bên P và muốn cung cấp nhiều điện tử khuếch tán từ N vào P và nó được duy trì bằng phân cực thuận cho LED V0=thế nội [khuếch tán] 43 (a) Chưa phân cực (b) Phân cực thuận
22. Các vật liệu bán dẫn thường dùng cho LED Bán dẫn Nền/Đế D/I Chú thích D=trực tiếp; I=gián tiếp; DH= cấu trúc dị thể kép; external=hiệu suất lượng tử ngoài Các kênh truyền thông quang sử dụng bước sóng 850 nm (mạng cục bộ) 45 và 1.3 và 1.55 μm (khoảng cách xa).
23. LED – Spectral Curves Note the wavelengths of the various colors and infrared. Note lead designations to the right. 47
24. Mạch lái LED đơn giản Mạch chỉ thị dùng LED: (a) Mạch cơ bản; (b) mạch thực tế Điện trở hạn dòng RS được tính như sau: RS = (VS - VD) / IS Với các giá trị tiêu biểu của LED là: VD=2V, ID=10mA 49
25. Optical Diodes The seven segment display is an example of LEDs use for display of decimal digits. 51
26. 4.10.5 Photodiode (diode [thu] quang) (PD) • Cấu tạo: tiếp xúc PN • Nguyên tắc hoạt động: dựa trên sinh cặp điện tử-lỗ làm thay đổi sự dẫn điện • Đặc tuyến I-V: góc phần tư III ứng dụng thu quang, góc phần tư IV làm pin mặt trời (solar cell) - + g=công suất quang 53
27. p-i-n Photodiodes •Only electron-hole pairs generated in depletion region (or near depletion region) contribute to current •Only light absorbed in depletion region contributes to generation –Stretch depletion region –Can also operate near avalanche to amplify signal 55
28. 4.10.6 Diode (rào thế) Schottky One semiconductor region of the pn junction diode is replaced by a non- ohmic rectifying metal contact.A Schottky diode turns on at lower Schottky contact is easily added to voltage than pn junction diode, has n-type silicon,metal region becomes significantly reduced internal + anode. n region is added to ensure charge storage under forward bias. that cathode contact is ohmic. Đặc điểm: tiếp xúc M-S (kim loại-bán dẫn), VON thấp, chuyển mạch nhanh 59
29. Schottky Barrier: Current Flow • Electrons can flow from the metal to the semiconductor and vice-versa. • When external bias is applied, current flows in the device which occurs by the following mechanisms: – Thermionic emission: electrons with energy greater than the barrier height e(Vbi-V) can overcome the barrier and pass across the junction. As the bias changes the barrier to be overcome by electrons changes and the electron current injected changes. – Tunnelling: electrons can tunnel through the barrier. • The saturation current in the Schottky barrier is much higher than the p-n junction. This results in a turn-on voltage for a forward-bias conducting state at a very low bias, but also results in a high reverse current. 61
30. Metal-Semiconductor Contact 63
31. Metal-Semiconductor Ohmic Contacts: n-type 65
32. Schottky Junction: forward bias 67
33. “varistor diode” có thể được dùng để bảo vệ thiết bị điện không bị hư khi có đột biến điện áp. 69
34. Diode ổn dòng (2) RS Power VS supply Diode ổn [định] dòng RS có thể thay đổi và dòng điện giữ không đổi. 71
35. Tunnel Diodes Tank circuits oscillate but “die out” due to the internal resistance. A tunnel diode will provide “negative resistance” that overcomes the loses and maintains the oscillations. 73