chap2 - Chöông 2: Ñioát baùn daãn 1.1 Ñaïi cöông...

Info iconThis preview shows page 1. Sign up to view the full content.

View Full Document Right Arrow Icon
This is the end of the preview. Sign up to access the rest of the document.

Unformatted text preview: Chöông 2: Ñioát baùn daãn 1.1 Ñaïi cöông chaát baùn daãn 1.2 Ñioát baùn daãn 1 1.1 Ñaïi cöông chaát baùn daãn Khaùi nieäm vaät lieäu ñieän Thuyeát mieàn naêng löôïng Chaát baùn daãn Chuyeån ñoäng troâi vaø chuyeån ñoäng khuyeách taùn Lôùp tieáp xuùc P-N 2 Khaùi nieäm vaät lieäu ñieän Ngöôøi ta chia caùc vaät lieäu ñieän ra laøm 3 nhoùm chính laø : chaát daãn ñieän, chaát caùch ñieän vaø chaát baùn daãn. Chaát baùn daãn (Semi – conductor) laø chaát coù ñieän trôû suaát trung bình giöõa chaát daãn ñieän (kim loaïi) vaø chaát caùch ñieän (ñieän moâi) Chaát daãn ñieän coù ñieän trôû suaát = 10-6 10-4 (Ohmmet) Chaát baùn daãn coù ñieän trôû suaát = 10-4 10+4 (O-m) Chaát caùch ñieän coù ñieän trôû suaát =10+4 10+10 (O-m) 3 Mieàn naêng löôïng cuûa chaát raén Mieàn (1) ñöôïc goïi laø mieàn hoaù trò hay mieàn ñaày: laø mieàn naêng löôïng bò laáp hoaøn toaøn bôûi caùc e. Mieàn (2) mieàn daãn: laø mieàn naêng löôïng chöa bò caùc e chieám heát. Mieàn caám: laø mieàn cheânh leäch naêng löôïng giöõa mieàn hoùa trò vaø mieàn daãn, khoâng coù caùc e chieám giöõ. 4 Mieàn naêng löôïng cuûa chaát raén(tt) Chaát daãn ñieän Coù mieàn hoaù trò vaø mieàn daãn keá tieáp nhau hay goái leân nhau, cho neân caùc e ôû caùc möùc naêng löôïng treân mieàn ñaày deã daøng nhaûy sang möùc naêng löôïng cuûa mieàøn daãn (ngay caû khi nhieät ñoä raát thaáp), vaø chuùng tham gia vaøo quaù trình daãn ñieän döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ngoaøi (caû khi E nhoû). Chaát caùch ñieän Mieàn caám coù ñoä roäng lôùn (khoaûng 5 – 10 eV) do ñoù caùc e ôû mieàn hoaù trò khoâng coù khaû naêng nhaûy leân mieàn daãn. Vì vaäy trong nhöõng ñieàu kieän bình thöôøng, chaát naøy khoâng coù khaû naêng daãn ñieän döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ngoaøi (caû khi E coù cöôøng ñoä lôùn). Chaát baùn daãn Coù mieàn hoaù trò vaø mieàn daãn caùch nhau bôûi 1 mieàn caám delta W nhoû (~ 0,2 1,5 eV) cho neân caùc e coù khaû naêng nhaûy möùc töø mieàn hoaù trò leân mieàn daãn 5 Mieàn naêng löôïng cuûa chaát raén(tt) 6 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn thuaàn Chaát baùn daãn tieâu bieåu trong ngaønh ñieän töû laø Ge(32) vaø Si(14), caùc chaát naøy thuoäc nhoùm IVa trong baûng tuaàn hoaøn Mendeleev. Ta ñaõ bieát raèng vaät chaát ñöïôc caáu taïo töø nguyeân töû cuûa chaát ñoù. Si vaø Ge coù 4 ñieän töû ngoaøi cuøng, neân caùc ñieän töû naøy seõ lieân keát vôùi 4 ñieän töû ngoaøi cuøng cuûa 4 nguyeân töû keá caän theo kieåu lieân keát ñoàng hoùa trò beàn vöõng. Do ñoù caùc ñieän töû khoù taùch khoûi nguyeân töû trôû thaønh ñieän töû töï do 7 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn thuaàn(tt) Tuy nhieân cuõng coù khaû naêng khi caùc e nhaän ñöôïc moät naêng löôïng lôùn ñoä roäng vuøng caám ( W), moät soá lieân keát bò phaù vôõ, moät vaøi ñieän töû thoaùt ly thaønh ñieän töû töï do. Neáu nhö electron 1 trôû thaønh töï do vaø di chuyeån, noù taïo ra 1 loã, electron 2 chaïy ñeán chieám choã troáng naøy vaø ñeå laïi loã 2, loã 2 naøy seõ ñöôïc electron 3 chaïy ñeán chieám choã… Hieän töôïng xaûy ra trong toaøn maïng tinh theå, gioáng nhö electron di chuyeån töø 3 sang 2 roài 1 vaø loã di chuyeån töø 1 sang 2 ñeán 3,... Ta thaáy noàng ñoä electron n baèng noàng ñoä loã p (n= p= ni). 8 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn thuaàn(tt) 9 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn loaïi N Neáu pha vaøo chaát baùn daãn Si (Ge) tinh khieát moät löôïng raát ít taïp chaát thuoäc nhoùm V trong baûng tuaàn hoaøn (Vd: Asen (As), Photpho (P)....) vôùi caáu taïo nguyeân töû coù 5 ñieän töû ngoaøi cuøng, thì caùc nguyeân töû naøy seõ lieân keát hoaù trò vôùi 4 nguyeân töû cuûa Si (Ge) baèng 4 ñoâi e goùp chung. Coøn moät e thöøa ra khoâng lieân keát neân noù deã daøng trôû thaønh ñieän töû töï do. Nhö vaäy khi pha theâm moät nguyeân töû P seõ coù moät ñieän töû töï do, pha caøng nhieàu nguyeân töû P thì seõ coù caøng nhieàu ñieän töû töï do. 10 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn loaïi N (tt) Do ñoù ngoaøi maät ñoä e vaø loã coù saún trong chaát baùn daãn thuaàn coøn coù e do taïp chaát gaây ra => maät ñoä n cuûa e > maät ñoä p cuûa loã. Neáu ñaët ñieän tröôøng ngoaøi E vaøo thì caùc e seõ di chuyeån theo luoàng taïo neân doøng ñieän. Electron tham gia chuû yeáu vaøo vieäc chuû yeáu taïo thaønh doøng ñieän neân e ñgl haït taûi ña soá, loã ñgl haït taûi thieåu soá . Vaäy chaát baùn daãn coù söï daãn ñieän = e ñgl chaát baùn daãn loaïi N (Negative ) Taïp chaát trong tröôøng hôïp naøy cho ñieän töû neân ñgl taïp chaát cho (Dono) 11 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn loaïi P Neáu pha vaøo chaát baùn daãn thuaàn Ge (Si) 1 löôïng raát ít taïp chaát thuoäc nhoùm III trong baûng tuaån hoaøn (VD: Indi (In), Gali (Ga) hoaëc nhoâm (Al) vôùi caáu taïo nguyeân töû coù 3 nguyeân töû ngoaøi cuøng thì 3 e seõ lieân keát vôùi 3 guyeân Ge (Si) keá caän baúng ñoâi e gheùp chung, coøn thieáu 1 e trong moái noái thöù tö. Do ñoù nguyeân töû In deã daøng nhaän e cuûa nguyeân töû Ge gaàn ñoù, nguyeân töû Ge maát e taïo thaønh loã troáng (ion döông). Nhö vaäy khi pha theâm 1 nguyeân töû In seõ coù 1 loã troáng, pha caøng nhieàu nguyeân töû In seõ coù caøng nhieàu loã troáng . 12 Chaát baùn daãn Chaát baùn daãn loaïi P (tt) Ngoaøi maät ñoä e- vaø loã troáng coù saün trong chaát baùn daãn thuaàn coøn coù loã do taïp chaát gaây ra => p>n Neáu ñaët ñieän tröôøng ngoaøi E vaøo thì caùc loã troáng naøy seõ di chuyeån theo luoàng taïo thaønh doøng ñieän. Loã troáng goïi laø haït taûi ña soá (cô baûn) coøn e laø haït taûi thieåu soá ( khoâng cô baûn) Vaäy chaát baùn daãn coù söï daãn ñieän baèng loã troáng ñgl Chaát baùn daãn loaïi P (Positive) Taïp chaát trong tröôøng hôïp naøy nhaän ñieän töû neân ñgl taïp chaát nhaän (Accepter ). 13 Chuyeån ñoäng troâi vaø chuyeån ñoäng khueách taùn Chuyeån ñoäng troâi Trong maïng tinh theå chaát raén chöùa nhieàu nguyeân töû luoân ôû traïng thaùi dao ñoäng vì nhieät ñoä. Khi coù taùc duïng cuûa ñieän tröôøng caùc haït daãn treân ñöôøng chuyeån ñoäng seõ gia toác va chaïm vôùi nguyeân töû cuûa maïng tinh theå chaát raén, döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng ñöôïc goïi laø chuyeån ñoäng troâi (hoaëc chuyeån ñoäng cuoán) Vaän toác trung bình cuûa nguyeân töû vaø loã troáng Vn = - nE Vp = p E ( : ñoä linh ñoäng) Doøng ñieän do chuyeån ñoäng troâi cuûa haït gaây neân ñöôïc goïi laø doøng ñieän troâi 14 Chuyeån ñoäng troâi vaø chuyeån ñoäng khueách taùn Chuyeån ñoäng khueách taùn Ngoaøi hình thöùc chuyeån ñoäng troâi döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng, caùc haït daãn coøn chuyeån ñoäng khueách taùn. Daïng chuyeån ñoäng naøy xaûy ra do söï phaân boá noàng ñoä khoâng ñeàu. Ñoái vôùi chaát baùn daãn khi noàng ñoä ñieän töû hay loã troáng phaân boá khoâng ñeàu chuùng seõ khueách taùn töø nôi coù noàng ñoä cao veà nôi coù noàng ñoä thaáp. Doøng ñieän do chuyeån ñoäng coù höôùng naøy gaây ra ñöôïc goïi laø doøng khueách taùn 15 Lôùp tieáp xuùc P-N Lôùp tieáp xuùc P-N khi khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi Ban ñaàu ta coù nN >> np neân e di chuyeån N-> P, ñoàng thôøi pP >> pN neân loã troáng di chuyeån P -> N taïo neân doøng khuyeách taùn Caùc ñieän tích traùi daáu seõ taùi hôïp vôùi nhau vuøng ngheøo .Vuøng N maát e ion (+), vuøng P nhaän e ion (-) Hình thaønh ñieän tröôøng tieáp xuùc Etx. Do coù Etx neân caùc haït taûi thieåu soá cuûa hai vuøng baùn daãn bò cuoán veà 2 phía ñoái dieän doøng ñieän troâi, ngöôïc chieàu vôùi doøng khuyeách taùn. Khi khoâng coù E ngoaøi, sau thôøi gian ñaït traïng thaùi caân baèng Ikt= Itroâi 16 Lôùp tieáp xuùc P-N Phaân cöïc ngöôïc lôùp tieáp xuùc P-N e ôû N bò cöïc (+) cuûa nguoàn huùt vaø loã troáng ôû P bò cöïc (-) cuaû nguoàn huùt -> Vuøng ngheøo môû roäng (E = E ng + E tx) khieán doøng ñieän töû ñaõ soá ôû N khoù taùi hôïp loã ôû P -> doøng Ikt cuûa haït taûi ña soá giaûm, raát nhoû. Tuy nhieân, haït daãn thieåu soá trong P vaø N taùi hôïp vôùi nhau taïo thaønh doøng ñieän coù trò soá raát beù khoaûng vaøi A vaø noù nhanh choùng ñaït ñeán trò soá khoâng ñoåi vaø ñöôïc goïi laø doøng bhoaø ngöôïc Is (Saturate : bhoaø) hay doøng ræ. Doøng ñieän ræ coù trò soá raát nhoû neân trong nhieàu tröôøng hôïp ngöôøi ta xem nhö khoâng daãn ñieän khi phaân cöïc ngöôïc moái noái P-N 17 Lôùp tieáp xuùc P-N Hieäu öùng Zener Luùc naøy moái noái P-N ñöôïc pha ñaäm, taïp chaát nhieàu, daãn ñieän toát -> vuøng ngheøo d moûng. Khi phaân cöïc ngöôïc bôûi nguoàn U thì ñieän tröôøng E = U/d lôùn. Trong vuøng ngheøo caùc electron ñöôïc gia toác bôûi E neân coù ñoäng naêng lôùn, taêng toác vaø laøm gaãy caùc lieân keát keá caän, phaûn öùng daây chuyeàn, vuøng ngheøo trôû thaønh daãn ñieän -> Ing lôùn, nhöng hieäu ñieän theá hai ñaàu lôùp tieáp xuùc khoâng ñoåi vaø ñöôïc goïi laø Uz. Tính chaàt naøy ñöôïc söû duïng trong caùc macïh oån ñònh ñieän theá vaø öùng duïng cheá taïo diode Zener. 18 Lôùp tieáp xuùc P-N Phaân cöïc thuaän lôùp tieáp xuùc P-N e ôû N bò cöïc (-) cuûa nguoàn ñaåy vaø loã troáng ôû P cuõng bò cöïc (+) cuaû nguoàn ñaåy-> Vuøng ngheøo heïp laïi (E = E tx - E ng) neân haït taûi ña soá deã daøng vöôït qua haøng raøo ñieän theá. Ikhuyeách taùn taêng nhanh theo haøm muõ, doøng Itr giaûm (nhöng haït thieåu soá beù neân xem nhö doøng troâi khoâng ñoåi Is). Vuøng N maát e -> ion (+) keùo ñieän tích (-) cuûa nguoàn, vuøng P nhaän e -> ion (-) bò nguoàn (+) keùo veà . Nhö vaäy coù doøng ñieän töû chaïy töø cöïc (-) cuûa nguoàn sang cöïc (+) cuûa nguoàn, nghóa laø coù doøng töø P-N. 19 1.2 Ñioát baùn daãn Caáu taïo vaø phaân cöïc Ñaëc tuyeán V-A Caùc thoâng soá kyõ thuaät Ñieän trôû vaø tuï cuûa Ñioát ÖÙng duïng cuûa Ñioát Caùc loaïi Ñioát thoâng duïng 20 Caáu taïo vaø phaân cöïc ñioát Caáu taïo Diode laø loaïi linh kieän 2 cöïc coù caáu taïo noái tieáp cuûa 2 vuøng baùn daãn loaïi P vaø N. Thoâng thöôøng kyù hieäu thöôøng baét ñaàu 1N VD:1N 4001, 1N 4007,1N 5406 ,1N 1206 Phaân cöïc Cöïc noái vôùi vuøng P ñöôïc goïi laø Anod, cöïc noái vuøng N ñöôïc goïi laø Catod. - Khi phaân cöïc thuaän: V V : diode daãn (V goïi laø ñieän aùp môû) - Khi phaân cöïc nghòch (V < V ) : diode taét , doøng qua diode chæ laø doøng ræ (baûo hoøa ngöôïc) Is coù trò soá khaù beù ( 0) 21 Ñaëc tuyeán V-A V =0.7 (Si) V =0.3 (Ge) 22 Ñaëc tuyeán V-A Ñaët 1 hieäu ñieän theá UD (VD) vaøo 2 ñaàu diode , doøng qua diode : ÔÛ tO phoøng KT/q=1/39=25mV Phaân cöïc thuaän: Ud > 0 e-Ud/25mV >>1 Phaân cöïc ngöôïc: Ud < 0 e-Ud/25mV <<1 23 Thoâng soá kyõ thuaät Chaát baùn daãn cheá taïo ñeå coù VF ,V . IFmax : doøng ñieän thuaän toái ña IRmax (Is) doøng ñieän nghòch toái ña. VBR (hay VPIV : peak reverse voltge) : ñieän aùp ngöôïc toái ña (ñeå khoâng bò ñaùnh thuûng) Maõ soá Chaát IFmax Is VRmax 1N4004 Si 1A 5A 500v 1N4007 Si 1A 5A 1000v 1N5408 Si 3A 5A 1000v 24 Ñieän trôû vaø tuï cuûa ñioát Ñieän trôû tónh(Static resistance) Taïi ñieåm hoaït ñoäng treân ñaëc tuyeán, ñieän trôû tónh cuûa diode ñöôïc xaùc ñònh: Taïi Q : Taïi Q’: Taïi Q”: Chaát Rth Rdc = 0.8V/ 20mA = 40 Ω Rdc = 0.5/ 20mA = 250 Ω (f.c thuaän) Rdc = -10/ -2 A = 5MΩ (f.c nghòch) Rng Si Vaøi K Vaøi M Ge Vaøi traêm Vaøi traêmK 25 Ñieän trôû vaø tuï cuûa ñioát Ñieän trôû ñoäng (Dynamic resistance) rd = VD / ID =dVD / dID Trong thöïc teá ñieän trôû ñoäng tính theo coâng thöùc sau: rd = 25(mV)/ID(mA) Tuï cuûa moái noái p – n Do moái noái p – n coù haøng raøo ñieän theá neân haøng raøo naøy ñöôïc xem nhö moät lôùp caùch ñieän trong tuï vaø noù hình thaønh neân ñieän dung 26 ÖÙng duïng cuûa ñioát Chænh löu baùn kyø Töø tín hieäu xoay chieàu cuûa khu vöïc (220v- 50Hz) hay thaáp hôn (qua bieán theá), duøng diode vôùi tín chaát chæ daån ñieän theo moät chieàu (P-N) ñeå ñoåi ñieän thaønh DC. 27 ÖÙng duïng cuûa ñioát Chænh löu toaøn kyø Bieán theá coù ñieåm giöõa laøm ñieåm chung, ñieän aùp ôû 2 ñaàu ngöôïc pha nhau so vôùi ñieåm giöõa. 28 ÖÙng duïng cuûa ñioát Chænh löu toaøn kyø duøng ñioát caàu Thay vì phaûi söû duïng bieán aùp coù ñieåm giöõa, maø chæ caàn saép xeáp caùc diode ñeå noù coù theå daãn ñieän ôû caû 2 baùn kyø. 29 ÖÙng duïng cuûa ñioát Maïch nhaân aùp VA < VB : D1 daãn, D2 ngöng, doøng naïp qua tuï C1 =Vm. VA > VB : D1 ngöng, D2 daãn doøng goàm theá naïp treân tuï C1 noái tieáp vôùi theá xoay chieàu cuûa baùn kyø döông, neân ñieän aùp CA ñaït 2Vm. Vì vaäy, tuï C2 naïp moät löôïng ñieän theá = 2VDC caáp cho taûi. D2 C1 A Vs D1 C2 R B 30 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Ñioát Schottky Ñöôïc cheá taïo töø lôùp tieáp xuùc cuûa chaát baùn daãn (pha ít taïp chaát loaïi N (Si)) vaø kim loaïi (Platinum). Hoaït ñoäng nhö diode thöôøng nhöng ñieän aùp daãn nhoû (0.3V) neân thích hôïp cho caùc öùng duïng coù taàn soá cao vaø ñieän aùp thaáp. Coù doøng ngöôïc lôùn hôn so vôùi diode thöôøng. Chuyeån maïch toác ñoä cao DIODE SCHOTTKY 31 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Ñioát Zener Söû duïng hieäu öùng cuûa moái noái PN khi phaân cöïc ngöôïc. ÔÛ traïng thaùi phaân cöïc thuaän: hoaït ñoäng gioáng diode chænh löu. ÔÛ traïng thaùi phaân cöïc nghòch: V < Vz : I= Is V Vz : Iz taêng, nhöng VD =Vz DIODE ZENER 32 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Ñioát bieán dung Ñaây laø loaïi diode ñöôïc söû duïng nhö tuï ñieän. Noù hoaït ñoäng chuû yeáu döïa treân ñieän dung kyù sinh cuûa lôùp tieáp xuùc P-N Khi phaân cöïc thuaän: haøng raøo ñieän theá giaûm, beà daøy lôùp caùch ñieän giaûm -> Cd taêng Khi phaân cöïc nghòch: haøng raøo ñieän theá taêng, beà daøy lôùp caùch ñieän taêng -> Cd giaûm 33 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Ñioát quang Diode quang coù caáu taïo gioáng diode thöôøng, nhöng voû boïc caùch ñieän coù phaàn laø kính trong suoát ñeå nhaän aùnh saùng chieáu tröïc tieáp leân beà maët phieán baùn daãn. Khi phaân cöïc nghòch, diode quang chæ coù doøng ñieän ngöôïc Is raát beù (I =Is).Khi coù aùnh saùng chieáu vaøo => Doøng ñieän bieán ñoåi tæ leä vôùi cöôøng ñoä aùnh saùng Khi che toái : Rng =10 ->100K, Rth = raát lôùn Khi coù aùnh saùng: : Rng =10 ->100K, Rth = vaøi traêm ÖÙng duïng: Thöôøng ñöôc söû duïng maéc kieåu phaân cöïc nghòch trong caùc heä thoáng töï ñoäng ñieàu khieån theo aùnh saùng, hay caùc phaàn töû caûm bieán trong caùc thieát bò ño aùnh saùng. PHOTODIODE 34 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Teá baøo quang ñieän Khi moái noái P-N ñuôïc chieáu saùng thì coù khaû naêng xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng V treân hai cöïc cuûa noù. Ngöôøi ta söû duïng hieäu öùng naøy ñeå bieán ñoåi naêng löôïng aùnh saùng thaønh naêng löôïng ñieän. Linh kieän naøy ñgl pin quang ñieän (hay teá baøo quang ñieän). PHOTOCELL 35 Caùc loaïi ñioát thoâng duïng Ñioát phaùt quang (LED) Moät soá chaát baùn daãn ñaëc bieät nhö Ga, As khi coù doøng qua thì coù hieän töôïng phaùt quang. Tuøy theo chaát baùn daãn maø aùnh saùng phaùt ra caùc maøu khaùc nhau, ta coù caùc loaïi LED khaùc nhau. Phaân cöïc thuaän: VLED ñoû = 1,4 -> 1,8V VLED vaøng = 2 -> 2,5V VLED xanh = 2 -> 2,8V Doøng qua LED thöôøng töø 5 -> 20 mA ÖÙng duïng: LED thöôøng ñöôïc söû duïng trong caùc maïch ñeøn baùo hieäu, chæ thò traïng thaùi nguoàn …. LED 36 Moät soá caâu hoûi chöông 2 Caâu 1 Chaát baùn daãn thuaàn, chaát baùn daãn loaïi N vaø chaát baùn daãn loaïi P laø gì? So saùnh vuøng naêng löôïng cuûa 3 loaïi chaát baùn daãn? Caâu 2 Haõy neâu ñaëc ñieåm cuûa moái noái P-N khi khoâng phaân cöïc, phaân cöïc ngöôïc vaø phaân cöïc thuaän? Caâu 3 Haõy cho bieát ñieàu kieän ñoùng, môû cuûa ñioát baùn daãn? Ñaëc ñieåm cuûa ñioát khi ñoùng vaø môû? 37 Moät soá caâu hoûi chöông 2 Caâu 4 Xaùc ñònh VD, VR vaø ID trong maïch ñieän sau: Caâu 5 Xaùc ñònh VD vaø ID trong maïch ñieän sau: 38 Moät soá caâu hoûi chöông 2 Caâu 6 Xaùc ñònh I, V1, V2 vaø V0 trong maïch ñieän sau: Caâu 7 Cho maïch ñieän nhö hình sau: a) xaùc ñònh VL, IL, IZ vaø IR neáu RL=180 (OÂm) b) xaùc ñònh RL sao cho ñioát Zener hoaït ñoäng khoâng quaù coâng suaát c)xaùc ñònh giaù trò toái thieåu cuûa RL ñeå Zener coù theå hoaït ñoäng ñöôïc 39 ...
View Full Document

This note was uploaded on 11/06/2010 for the course CS 0652043 taught by Professor Thanh during the Spring '10 term at Abu Dhabi University.

Ask a homework question - tutors are online