Nội dung

Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com ⎡ 1 ηVV ⎤ dI = I0 ⎢ .e T ⎥ η dV V ⎣⎢ T ⎦⎥ Ngoài ra, V ⎡ ηVV ⎤ ηVT T − 1⎥ = I0 .e I = I0 .⎢e − I0 ⎥⎦ ⎣⎢ V Hay I + I0 = I0 .e ηVT Do đó, dI I + I0 = dV ηVT Và điện trở động là: dI ηVT rd = = dV I + I0 ηVT I 0 Ở nhiệt độ bình thường (25 C), VT = 26mV, điện trở động là: η.26mV rd = I(mA) Thông thường, I >> I0 nên rd = Với dòng điện I khá lớn, η=1, điện trở động rd có thể được tính theo công thức: 26mV rd = I(mA) Ở nhiệt độ bình thường, nếu IQ = 100mA thì rd = 0,26Ω. Trong một nối P-N thực, vì có tiếp trở giữa các mối nối, điện trở giữa hai vùng bán dẫn P và N nên điện trở động thực sự lớn hơn nhiều so với trị số tính được, thông thường khoảng vài chục Ω. Điện trở nối rp Điện trở vùng P rd rn = Điện trở vùng N rac=ro rac = rp+rn+rd = rb+rd Hình 11 Đây cũng chính là kiểu mẫu của Diode với tín hiệu nhỏ. Người ta cũng định nghĩa điện trở động khi phân cực nghịch rr = dV dI Q Trang 43 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Vì độ dốc của tiếp tuyến tại Q khi nối P-N phân cực nghịch rất nhỏ nên điện trở động rr rất lớn, hàng MΩ. V. ĐIỆN DUNG CỦA NỐI P-N. 1. Điện dung chuyển tiếp (Điện dung nối) Khi nối P-N được phân cực nghịch, vùng hiếm được nới rộng do có sự gia tăng điện tích trong vùng này. Với một sự biến thiên ∆V của hiệu điện thế phân cực nghịch, điện tích trong vùng hiếm tăng một lượng ∆Q. Vùng hiếm có tác dụng như một tụ điện gọi là điện dung chuyển tiếp CT. CT = ∆Q ε.A = ∆V Wd Trong đó, ε là hằng số điện môi của chất bán dẫn, A là điện tích của nối P-N và Wd là độ rộng của vùng hiếm. Khi điện thế phân cực nghịch thay đổi, độ rộng của vùng hiếm thay đổi nên điện dung chuyển tiếp CT cũng thay đổi. Người ta chứng minh được CT có trị số: CT = K (V0 + VR )n Trong đó, K là hằng số tùy thuộc vào chất bán dẫn và kỹ thuật chế tạo. V0 là rào điện thế của nối P-N (Si là 0,7V và Ge là 0,3V). VR là điện thế phân cực nghịch. n= 1 1 trong trường hợp nối P-N là dốc lài (linearly graded juntion) và n = trong trường 3 2 hợp nối P-N thuộc loại dốc đứng (brupt juntion). Nếu gọi Cj(0) là trị số của CT đo được khi VR=0, ta có: CT = P RL C j (0) ⎛ VR ⎞ ⎜⎜1 + ⎟⎟ V 0 ⎝ ⎠ - - - n + + + + + + VR # VS N P P N N - VS + Nối P-N khi phân cực nghịchTrang 44 Hình 12 Dốc lài đứng Biên soạn:Dốc Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trong các nối P-N thông thường, CT có trị số từ 5pF đến 100pF 2. Điện dung khuếch tán. (Difusion capacitance) Khi nối P-N được phân cực thuận, lỗ trống được khuếch tán từ vùng P sang vùng N và điện tử khuếch tán từ vùng N sang vùng P. Sự phân bố các hạt tải điện thiểu số ở hai bên vùng hiếm tạo nên một điện dung gọi là điện dung khuếch tán CD.. Người ta chứng minh được điện dung khuếch tán CDtỉ lệ với dòng điện qua nối P-N theo công thức: CD = τI ηVT Trong đó, τ = τ P = L2P , là đời sống trung bình của lỗ trống; η = 2 đối với nối P-N là DP Si, η=1 đối với nối P-N là Ge. Thông thường, CD có trị số từ 2000pF đến 15000pF. VI. CÁC LOẠI DIODE THÔNG DỤNG Diode cơ bản là một nối P-N. Thế nhưng, tùy theo mật độ chất tạp pha vào chất bán dẫn thuần ban đầu, tùy theo sự phân cực của diode và một số yếu tố khác nữa mà ta có nhiều loại diode khác nhau và tầm ứng dụng của chúng cũng khác nhau. 1. Diode chỉnh lưu: Là diode thông dụng nhất, dùng để đổi điện xoay chiều – thường là điện thế 50Hz đến 60Hz sang điện thế một chiều. Diode này tùy loại có thể chịu đựng được dòng từ vài trăm mA đến loại công suất cao có thể chịu được đến vài trăm ampere. Diode chỉnh lưu chủ yếu là loại Si. Hai đặc tính kỹ thuật cơ bản của Diode chỉnh lưu là dòng thuận tối đa và điện áp ngược tối đa (Điện áp sụp đổ). Hai đặc tính này do nhà sản xuất cho biết. Anod A P N Catod K Ký hiệu P N Hình 13 Trang 45 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Trước khi xem qua một số sơ đồ chỉnh lưu thông dụng, ta xem qua một số kiểu mẫu thường dùng của diode. Kiểu mẫu một chiều của diode. Diode lý tưởng (Ideal diode) Trong trường hợp này, người ta xem như điện thế ngang qua diode khi phân cực thuận bằng không và nội trở của nó không đáng kể. Khi phân cực nghịch, dòng rỉ cũng xem như không đáng kể. Như vậy, diode lý tưởng được xem như một ngắt (switch): ngắt điện đóng mạch khi diode được phân cực thuận và ngắt điện hở mạch khi diode được phân cực nghịch. ID Diode lý tưởng ⇒ 0 VD Hình 14 ISW ISW + VSW = 0V ISW 0 ISW = 0 + VSW 0 VSW VSW Hình 15 R + VS - R ≅ + VS - ID = + 0V - VS R ID ⇒ 0 Đặc tuyến V-I VD Phân cực thuận Trang 46 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com R + VS − ID = 0 R ≅ - + VS + VD = -VS - - ID ⇒ 0 Đặc tuyến V-I VD Phân cực nghịch Hình 15 Kiểu mẫu điện thế ngưỡng (Knee-Voltage model) Trong kiểu mẫu này, điện thế ngang qua diode khi được phân cực thuận là một hằng số và được gọi là điện thế ngưỡng VK (khoảng 0,3V đối với diode Ge và 0,7 volt đối với diode Si). Như vậy, khi phân cực thuận, diode tương đương với một diode lý tưởng nối tiếp với nguồn điện thế VK, khi phân cực nghịch cũng tương đương với một ngắt điện hở. ID ≅ ≅ ID + VK VD≥VK +V - VD 0 VDVK VS − VK R + VK = VD - Hình 17 Kiểu mẫu diode với điện trở động: Khi điện thế phân cực thuận vượt quá điện thế ngưỡng VK, dòng điện qua diode tăng nhanh trong lúc điện thế qua hai đầu diode VD cũng tăng (tuy chậm) chứ không phải là hằng số như kiểu mẫu trên. Để chính xác hơn, lúc này người ta phải chú ý đến độ giảm thế qua hai đầu điện trở động r0. Trang 47 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com + VD – ID ID - 0 ID Diode thực Q ≅ VK VD r0 = 1 ∆VD = ñoä doác ∆I D V0 0 VD V0: điện thế offset Diode lý tưởng + VD – + r0 - + V0 – ID VD= V0+r0ID ID - Hình 18 - 19 Thí dụ: Từ đặc tuyến V-I của diode 1N917(Si), xác định điện trở động r0 và tìm điểm điều hành Q(ID và VD) khi nó được dùng trong mạch hình bên. ID (mA) 6 5 4 3 2 1 ID=4,77mA ID=4,67mA Vs=15V Q’ Q 0 0,2 0,4 0,6 0,8 0,9 R=3K ID=? + VD=? - VD(volt) Hình 20 Giải: Bước 1: dùng kiểu điện thế ngưỡng: V − VK 15 − 0,7 I 'D = S = = 4,77 mA R 3 KΩ Vs=15V R=3K I’D=? + V’D=0,7V - Hình 21 Trang 48 Biên soạn: Trương Văn Tám Giáo trình Linh Kiện Điện Tử Simpo PDF Merge and Split Unregistered Version - http://www.simpopdf.com Bước 2: với I’D =4,77mA, ta xác định được điểm Q’ (V’D=0,9V) Bước 3: vẽ tiếp tuyến tại Q’ với đặc tuyến để tìm điện thế offset V0. V0=0,74V Bước 4: Xác định r0 từ công thức: ∆VD 0,9 − 0,74 0,16 r0 = = = ≈ 32Ω ∆DI D 4,77 4,77 ID R Bước 5: Dùng kiểu mẫu với điện trở động r0. VS −V 0 15 − 0,74 = = 0,00467A R + r0 3000 + 32 ID=4,67mA r0=32Ω + ID = VS=15V + - - VK= 0,74V Hình 22 Và VD=V0+r0ID=0,74+0,00467x32=0,89V Chú ý: Trong trường hợp diode được dùng với tín hiệu nhỏ, điện trở động r0 chính là điện trở động rd mà ta đã thấy ở phần trước cộng với điện trở của hai vùng bán dẫn P và N. r0=rac=rp+rn+rd=rB+rd 26mV với rd=η I D mA Ví dụ: Xem mạch dùng diode 1N917 với tín hiệu nhỏ VS(t)=50 Sinωt (mV). Tìm điện thế VD(t) ngang qua diode, biết rằng điện trở rB của hai vùng bán dẫn P-N là 10Ω. 50mV Vs=15V R=3K + -50mV Vs(t) - + VD(t)? - Hình 23 Giải: Theo ví dụ trước, với kiểu mẫu điện thế ngưỡng ta có VD=0,7V và ID=4,77mA. Từ đó ta tìm được điện trở nối rd: 26mV 26mV = = 5,45Ω rd = ID 4,77 mA rac=10 + 0,45=10,45Ω Mạch tương đương xoay chiều: Trang 49 Biên soạn: Trương Văn Tám