Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 4) - Hồ Trung Mỹ
Nội dung chương 4
1. Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm
2. Điều kiện cân bằng nhiệt
3. Miền nghèo
4. Điện dung miền nghèo
5. Đặc tuyến dòng-áp
6. Các mô hình của diode bán dẫn
7. Điện tích chứa và quá trình quá độ
8. Đánh thủng chuyển tiếp
9. Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction)
10. Các diode bán dẫn khác
11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 4) - Hồ Trung Mỹ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
Tóm tắt nội dung tài liệu: Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction) (Phần 4) - Hồ Trung Mỹ
1Chương 4 Chuyển tiếp PN (PN Junction) ĐHBK Tp HCM-Khoa Đ-ĐT BMĐT GVPT: Hồ Trung Mỹ Môn học: Dụng cụ bán dẫn 2Nội dung chương 4 1. Chuyển tiếp PN – Giới thiệu các khái niệm 2. Điều kiện cân bằng nhiệt 3. Miền nghèo 4. Điện dung miền nghèo 5. Đặc tuyến dòng-áp 6. Các mô hình của diode bán dẫn 7. Điện tích chứa và quá trình quá độ 8. Đánh thủng chuyển tiếp 9. Chuyển tiếp dị thể (Heterojunction) 10. Các diode bán dẫn khác 11. Giới thiệu các ứng dụng của diode bán dẫn 3Các ứng dụng của diode bán dẫn 4Các ứng dụng thực tế của các mạch diode Các mạch chỉnh lưu (Rectifier Circuits) • Chuyển từ điện AC sang DC cho các mạch điện tử • Các mạch nạp điện cho pin hay accu (Battery charging circuits) Các mạch diode đơn giản • Mạch xe ́n, mạch ke ̣p • Mạch bảo vệ chống: o Qua ́ dòng o Mă ́c ngược cực ti ́nh o Qua ́ a ́p trên khóa điê ̣n tử trong mạch lái rờ-le (relay) • Các cổng logic Các mạch Zener • Bảo vệ quá áp • Tạo các điện áp chuẩn (Reference Voltages) 5Sơ đồ khối của một bộ nguồn cấp điện DC Chú thích: • Ac line = đường dây [điện] xoay chiều • Power transformer = biến thế (hay biến áp) công suất • Diode rectifier = Mạch chỉnh lưu dùng diode • Filter = mạch lọc • Voltage regulator = mạch ổn áp • Load = Tải 6Máy biến thế cấp điện Z1 Z2 (Sơ cấp) (Thứ cấp) n = n = tỉ số vòng dây Các công thức V1/V2 = I2/I1 = n Z1 = n2 Z2 Giả sử biến thế lý tưởng: • Không có tổn hao Công suất ra bằng công suất vào Lõi sắt miếng 7Một số hình dạng của Máy biến thế 8 8 Half-Wave Rectifier (mạch chỉnh lưu bán kỳ) PIV sV VD0=VON=V Mô hình điện trở thuận Mạch Đặc tuyến truyền đạt Dạng sóng đầu ra Điện áp ngược đỉnh của diode PIV (Peak inverse voltage) = biên độ đỉnh của điện áp vào Lý tưởng (VON=0 và rD=0) 9Các công thức trong mạch chỉnh lưu bán kỳ i RLvs 0.0 0 i v i π 2π 0 2 0 sin sin 0 1 sin 2 s m i D D L out in m DC m m DC L v V v V i r R i f f I I I d I V R với vs > VD0 vs i với vs < VD0 Vp(out) = Vp(in) – 0.7V (diode Si) Vp(out) = ImRL và Vp(in) = Vs VDC = Vp(out)/ = 0.318 Vp(out) 10 10 Full-Wave Rectifier (mạch chỉnh lưu toàn sóng) PIV 2 s DV V Mạch Đặc tuyến truyền đạt Dạng sóng đầu ra Lý tưởng (VON=0 và rD=0) • Yêu cầu: Sử dụng biến thế có chấu giữa ở thứ cấp (nghĩa là phần giữa của cuộn dây thứ cấp) • Ưu điểm: Cả 2 bán kỳ đều có dòng • Khuyết điểm: là không sử dụng hết điện áp ở thứ cấp 11 Full –wave rectification 12 Animation of center-tapped transformer rectifier 13 Các công thức trong mạch chỉnh lưu toàn sóng • Giá trị DC hay trung bình Vdc: Vdc = 2Vp/ 0.636 Vp • Tần số ra: fout = 2fin • Xấp xỉ bậc 2: Vp(out) = Vp(in) – 0.7V (diode Si) • Chú ý: Vp(in) = 0.5 V2 (V2 là điện áp ở thứ cấp vì ngõ ra có chấu giữa (center tap)) 14 14 Bridge Rectifier (mạch chỉnh lưu cầu) PIV s DV V 15 Bridge Full –wave rectification 16 Animation of full bridge rectifier 17 Chỉnh lưu cầu • Chỉnh lưu cầu • So với các mạch chỉnh lưu trước thì mạch này có ưu điểm: – Không cần biến thế có chấu giữa – PIV chỉ bằng phân nửa loại thứ 2 – Số vòng dây ở cuộn thứ cấp cũng giảm phân nửa so với loại thứ 2 18 Điện áp ngược đỉnh PIV (a) Mạch bán kỳ PIV = 2VP (b) Mạch toàn sóng PIV = VP (c) Mạch cầu PIV = VP 19 So sánh các mạch chỉnh lưu Mạch chỉnh lưu PIV Điện áp ra đỉnh V0 Điện áp ra DC VDC Hiệu suất Tỉ số vòng dây Bán kỳ 2VS VS – VD0 V0/ ~40% N1:N2 Toàn sóng VS – VD0 VS – VD0 2V0/ ~90% N1:2N2 Cầu VS – VD0 VS – 2VD0 2V0/ ~80% N1:N2 Chú thích: • Điện áp tại thứ cấp • VS=điện áp đỉnh của điện áp tại thứ cấp • V0=điện áp đỉnh ở ngõ ra của mạch chỉnh lưu • VD0=VON=V=điện áp dẫn của diode • N1:N2=tỉ số vòng dây của biến thế sins Sv V t 20 Mạch lọc [ngõ vào] dùng cuộn dây (a) Mạch lọc ngõ vào (dùng) cuộn dây; (b) Mạch tương đương AC • Ý tưởng cơ bản: Nếu XL >> XC thì Vout XCVin/XL 21 Lọc ngõ ra của mạch chỉnh lưu 22 Mạch lọc [ngõ vào] dùng tụ Ý tưởng cơ bản Hiệu ứng của điện trở tải 23 Mạch tách sóng đỉnh (Peak Detector) • Mạch tách sóng đỉnh: • Mạch tách sóng đỉnh thực tế: Định nghĩa các tham số • Vr = điện áp gợn đỉnh-đỉnh • IL = dòng điện DC qua tải • T = chu kỳ gợn • C = điện dung của tụ lọc 24 Mạch tách sóng đỉnh (2) Điện tích xả qua tải trong một chu kỳ: (giả sử RC >> T) . LL r r I T Q I T V C V C C V p r V C fV R hay 25 Mạch tách sóng đỉnh (3) • Với mạch tách sóng đỉnh toàn sóng: (tần số gợn tăng gấp đôi thành 2f) • Mạch chỉnh lưu bán kỳ chính xác – Siêu diode 2 p r V C fV R Mạch Đặc tuyến truyền đạt 26 Surge resistor Điện trở bảo vệ giới hạn dòng quá độ 27 Ripple Factor 28 Rectifier Ripple Factor (Hệ số gợn của mạch chỉnh lưu) 29 Mạch ổn áp dùng diode Zener Nguồn không ổn định Điện trở giới hạn dòng nối tiếp Mạch ổn áp Tải Mạch tương đương 30 Tính tầm điện trở giới hạn dòng ][50 V ][5],[14 WPVV ZZ min max 5[ ] 0 14 11.7 (50 14) / 30 14 16.6 / (50 14) / 30 5 /14 Z Z s Z Z s Z Z Z P W I V R I I V R I P V 31 Hiệu ứng của điện trở Zener khác zero Mạch tương đương DC Mạch tương đương AC NX: Điện áp gợn trên tải sẽ nhỏ vì điện trở Zener thường rất nhỏ 32Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Analysis of Diodes in Reverse Breakdown Operation Choose 2 points (0V, -4 mA) and (-5 V, -3 mA) to draw the load line. It intersects the i-v characteristic at the Q-point: (-2.9 mA, -5.2 V). Using the piecewise linear model: 20 V D 5000I D Using load-line analysis: I Z I D 0 20 5100I Z 5 0 I Z (20 5)V 5100 2.94 mA Since IZ > 0 (ID < 0), the solution is consistent with Zener breakdown. 33Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Voltage Regulator Using the Zener Diode The Zener diode keeps the voltage across load resistor RL constant. For Zener breakdown operation, IZ > 0. I S V S V Z R (20 5)V 5k 3 mA I L V Z R L 5V 5k 1 mA | I Z I S I L 2 mA I Z V S R V Z 1 R 1 R L 0 | RL R V S V Z 1 R min For proper regulation, Zener current must be positive. If the Zener current < 0, the Zener diode no longer controls the voltage across the load resistor and the voltage regulator is said to have “dropped out of regulation”. 34Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Voltage Regulator Using a Zener Diode: Example Including Zener Resistance Problem: Find the output voltage and Zener diode current for a Zener diode regulator. Given data: VS = 20 V, R = 5 k, RZ = 0.1 k,VZ = 5 V Analysis: The output voltage is a function of the current through the Zener diode. V Z 20V 5000 VL 5V 100 VL 5000 0 V L 5.19 V I Z VL 5V 100 5.19V 5V 100 1.9 mA 0 35Microelectronic Circuit Design McGraw-Hill Line and Load Regulation Line regulation characterizes how sensitive the output voltage is to input voltage changes. Line Regulation dV L dV S mV/V For a fixed load current, Line Regulation = R Z R+R Z Load regulation characterizes how sensitive the output voltage is to changes in load current withdrawn from regulator. Load regulation is the Thévenin equivalent resistance looking back into the regulator from the load terminals. Load Regulation dV L dI L For changes in load current, Load Regulation R Z R 36 37 38 39 40 Mạch xén (clipper) và mạch hạn biên (limiter) • Có 3 loại mạch xén: – Mạch xén trên (mạch xén dương) = Positive clipper – Mạch xén dưới (mạch xén âm) = Negative clipper – Mạch xén 2 mức độc lập (mạch xén kết hợp)=Combination clipper Chú ý: Tổng quát các mạch xén có phân cực • Mạch hạn biên hay kẹp diode 41 Các Mạch xén và hạn biên (Clippers and Limiters) - Small Signal Diode ① The positive clipper or * 1N914 : IF = 10mA for 1V ∴ RB = mA V 10 7.01 = 30 Ohm Ω * Stiff Clipper : 100 RB < RS < 0.01 RL Đặc tuyến truyền đạt 42 ② The Negative clipper or ③ The Limiter or Diode clamp protect sensitive circuits Đặc tuyến truyền đạt Đặc tuyến truyền đạt 43 ④ Biased Clippers 44 ⑤ Combination Clipper (slicer) 45 Clipper Circuits using Zener Diodes Zener diode provides a reference voltage of VZ 46 Clipper applications (1) Transient-protection circuits 47 Clipper applications (2) AM detector 48 Mạch kẹp (Clamper) • Có 2 loại mạch kẹp: – Mạch kẹp dương (Positive clamper) – Mạch kẹp âm (Negative clamper) • Mạch tách sóng đỉnh-đỉnh: thường dùng cho diode tín hiệu nhỏ ở tần số cao 49 Clampers ① Positive clamper ① ② - + - + off ∴ Vout = VP + VP ② Negative clamper 50 Biased clampers Biased clampers. 51 Mạch nhân điện áp • Thí dụ một số mạch nhân áp: – Nhân đôi điện áp (voltage doubler) – Nhân 3 điện áp (voltage tripler) – Nhân 4 điện áp (voltage quadrupler) – Nhân đôi điện áp toàn sóng (full-wave voltage doubler) 52 Voltage multipliers (1) Half-wave voltage doublers. VS C1 D1 D2 C2 RL 53 Voltage multipliers (2) Operation of half-wave voltage doublers. VS(pk) C1 D1 D2 C2 RLOn Off IS IL VS(pk) VC2 VS(pk) C1 D1 D2 C2 RL IS Off OnVS(pk) VC2 VC2=2VS(pk) 54 Full-wave voltage doubler 55 Cockcroft-Walton Circuit 56 Cổng logic dùng diode a) Cổng OR b) Cổng AND Với mức logic 0 = 0V, và logic 1 = 5V (hoặc 5V – VON[diode]) 57 Một số ứng dụng cơ bản của diode 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 Diode thermometer )1)(( /0 kTqV D DeTII 69 Miscellaneous Diode Applications • There are many practical applications for diodes beyond power supplies. • Some of these applications include: – Clipper circuits that serve to protect circuits from damage as a result of over-voltage conditions. – Clippers are common in computer circuits. 70 Miscellaneous Diode Applications • Isolation diodes are used to isolate various sections of circuits from another. • An example of this is the battery backup for computer memory. 71 Miscellaneous Diode Applications • Diodes can be used to create an RC circuit that has different time constants for charge and discharge. • This principle is called asymmetrical time constants. 72 Miscellaneous Diode Applications • Diodes can also be used as AM (amplitude modulation) detector circuits in radio receivers.
File đính kèm:
- bai_giang_dung_cu_ban_dan_chuong_4_chuyen_tiep_pn_pn_junctio.pdf