Chương 1: CHẤT BÁN DẪNĐẠI CƯƠNG VỀ DIODE CÁC MẠCH ỨNG DỤNG 1.1 Chất bán dẫn 1.2 Đại cương Diode 1.3 Các mạch ứng dụng Diode 1.4 Bài tập Mục tiêu chương 1: • Biết nguyên lý chất bán dẫn • Biết cấu tạo diode, giải thích nguyên tắc hoạt động, trường hợp phân cực thuận, nghịch cho diode • Nắm nguyên tắc hoạt động mạch ứng dụng diode : Mạch chỉnh lưu, Mạch xén, Mạch kẹp, Mạch cổng logic, Mạch ổn áp dùng Zener • Áp dụng kiến thức học giải tích mạch diode 1.1 Chất bán dẫn Chất bán dẫn chất có đặc điểm trung gian chất dẫn điện chất cách điện: Cách điện nhiệt độ thấp (0°K) dẫn điện nhiệt độ phịng 1.1 Chất bán dẫn • Ở khơng độ tuyệt đối (0 ⁰K), điện tử tồn vùng hóa trị Chất bán dẫn khơng dẫn điện • Khi tăng nhiệt độ đến mức đủ cao, số điện tử nhận lượng đủ lớn để nhảy lên vùng dẫn Chất bán dẫn dẫn điện Tính dẫn điện chất bán dẫn tăng dần theo nhiệt độ • Ngồi ra, tính dẫn điện chất bán dẫn thay đổi theo nguồn lượng khác (quang bán dẫn) • Chất bán dẫn nguyên liệu để sản xuất loại linh kiện điện tử Diode, Transistor, IC 1.1 Chất bán dẫn 1.1.1 Chất bán dẫn • Chất bán dẫn chất có điện tử lớp ngồi nguyên tử Germanium ( Ge) Silicium (Si)  Liên kết cộng hoá trị 1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất a Chất bán dẫn loại N • Khi pha lượng nhỏ chất có hố trị Phospho (P) vào chất bán dẫn Si nguyên tử P liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hố trị • Ngun tử Phospho có điện tử tham gia liên kết dư điện tử trở thành điện tử tự → Chất bán dẫn lúc thừa điện tử ( mang điện âm) gọi bán dẫn N ( Negative : âm ) 1.1.2 Chất bán dẫn tạp chất (tt) b Chất bán dẫn loại P Khi ta pha thêm lượng nhỏ chất có hố trị Indium (In) vào chất bán dẫn Si nguyên tử In liên kết với nguyên tử Si theo liên kết cộng hoá trị liên kết bị thiếu điện tử trở thành lỗ trống ( mang điện dương) → Chất bán dẫn lúc thiếu điện tử ( mang điện dương) gọi bán dẫn P ( Positive: dương ) 1.1.3 Quá trình động chất bán dẫn a Thời gian sống hạt mang điện • Khi electron cung cấp đủ lượng nhảy từ lớp hóa trị đến lớp dẫn để lại lổ trống lớp hóa trị • Sau thời gian tồn trạng thái điện tử tự do, electron rơi vào lổ trống lớp hóa trị Thời gian gọi thời gian sống hạt mang điện 1.1.3 Quá trình động chất bán dẫn b Chuyển động hạt mang điện  Chuyển động trôi: chuyển động hạt mang điện tác dụng điện trường  Chuyển động khuếch tán: chất bán dẫn, nồng độ điện tử lỗ trống phân bố khơng chúng khuếch tán từ nơi có nồng độ cao nơi có nồng độ thấp c Ảnh hưởng nhiệt độ - Khi nhiệt độ tăng có nhiều electron hấp thụ lượng để trở thành điện tử tự do→độ dẫn điện tăng - Khi nhiệt độ giảm, lượng nhiệt không đủ để phá vỡ liên kết hóa trị dẫn đến số lượng điện tử tự giảm →độ dẫn điện giảm 1.2 Đại cương Diode 1.2.1 Cấu tạo Diode gồm lớp bán dẫn P N nối với Ký hiệu: Hình dạng thực tế: 10 1.3.2 Mạch xén.(tt) a Mạch xén nối tiếp • Dạng mạch 1: - Trong khoảng thời gian từ [0,T/2], tín hiệu vào dương diode trạng thái dẫn – xem ngắn mạch => Vo=Vi - Trong khoảng thời gian từ [T/2, T], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem hở mạch => Vo=0 31 a Mạch xén nối tiếp.(tt) • Dạng mạch 2: - Xét thời điểm Diode bắt đầu dẫn: Vd>0 - Khi đó, ad ĐL K2 ta có: -Vi+Vd+V=0 =>Diode dẫn Vi>V => Vo=Vi-V =>Diode ngưng dẫn Vi Vo=0 32 b Mạch xén song song • Dạng mạch 1: - Trong khoảng thời gian từ [0,T/2], tín hiệu vào dương diode trạng thái dẫn – xem ngắn mạch => Vo=0 - Trong khoảng thời gian từ [T/2, T], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem hở mạch => Vo=Vi 33 b Mạch xén song song.(tt) • Dạng mạch 2: - Xét thời điểm Diode bắt đầu dẫn: Vd>0 - Khi đó, ad ĐL K2 ta có: -Vi+Vd+V=0 =>Diode dẫn Vi>V => Vo=V =>Diode ngưng dẫn Vi Vo=Vi 34 1.3.3 Mạch kẹp (clamping circuit) • Mạch kẹp mạch dời tín hiệu đến mức điện áp DC khác • Một mạch kẹp gồm có: - Tụ điện: tích trữ lượng - Diode: khóa - Điện trở - Nguồn áp DC: tạo mức DC • Giá trị R C phải lựa chọn cho thời =RC đủ lớn để đảm bảo điện áp rơi tụ điện C xả không đáng kể khoảng thời gian Diode ngưng dẫn 35 1.3.3 Mạch kẹp.(tt)  Dạng mạch 1: Mạch ghim đỉnh tín hiệu mức khơng • Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu vào dương diode trạng thái dẫn xem ngắn mạch – tụ C nạp qua diode với thời =rdC có giá trị nhỏ tụ C nạp đầy điện áp V cách nhanh chóng => Vo=0 • Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem hở mạch – thời  = RC có giá trị lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm điện áp =>Vo= -2Vm 36 1.3.3 Mạch kẹp.(tt)  Dạng mạch 2: (Vm>V) Mạch ghim đỉnh tín hiệu mức điện áp • Trong khoảng thời gian từ [0,t1], tín hiệu vào dương diode trạng thái dẫn xem ngắn mạch – tụ C nạp qua diode với thời =rdC có giá trị nhỏ tụ C nạp đầy điện áp (Vm-V) cách nhanh chóng => Vo=V • Trong khoảng thời gian từ [t1, t2], tín hiệu vào âm, diode phân cực ngược – xem hở mạch – thời  = RC có giá trị lớn – áp dụng định luật Kirchhoff để tìm điện áp =>Vo= -2Vm+V 37 1.3.4 Mạch cổng.(tt) a Cổng OR Vi1 Vi2 Vo 0(D1 dẫn) V(D1 dẫn) 0(D1 không dẫn) V(D1 dẫn) 0(D2 dẫn) 0(D2 không dẫn) V(D2 dẫn) V(D2 dẫn) V V V 38 1.3.4 Mạch cổng b Cổng AND Vi1 Vi2 Vo 0(D1 dẫn) V(D1 không dẫn) 0(D1 dẫn) 0(D2 dẫn) 0(D2 dẫn) V(D2 không dẫn) 0 V(D1 không dẫn) V(D2 không dẫn) V 39 1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener IR IL VIn IZ R VZ Z1 RL • Sơ đồ minh họa ứng dụng zener, nguồn Vin nguồn có điện áp VOut(t) thay đổi, Z1 diode ổn áp, R điện trở hạn dịng • Khi nguồn Vin > Vz áp Z1 luôn cố định cho dù nguồn Vin thay đổi • Lưu ý: nguồn Vin thay đổi dịng ngược Iz qua Z1 thay đổi phải thỏa điều kiện: Iz ≤ Izmax Với Izmax: dòng điện tối đa qua zener mà không làm hỏng http://hocnghetructuyen.vn/picture/thi/Defa ult.asp?causo1=%203985 40 1.3.5 Mạch ổn áp dùng Zener.(tt) Ví dụ: Cho mạch ổn áp dùng zenner hình Vs=25V, Vz=10V, R1= 1k, R2=2k Tìm dịng qua zenner? ĐS: [10mA] 41 1.4 Bài tập  BT 1.1: Xác định giá trị dòng áp mạch? a b c d e f 42 1.4 Bài tập (tt)  BT 1.2: Tính dịng qua diode a b c d 43 1.4 Bài tập (tt) 44 1.4 Bài tập (tt)  BT 1.4: Cho điện áp ngõ vào sóng vng, biên độ 8V, chu kỳ 10sec, E=2V, vẽ dạng sóng Vo? a b 45