Điện tử - Chương 1: Diode Bán Dẫn

1ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
ĐIỆN TỬ 1
ThS. Nguyễn Thy Linh
Tài liệu tham khảo
[1] Lê Tiến Thường, Mạch Điện Tử 1, NXB ĐH Quốc gia
TP.HCM.
[2] Lê Tiến Thường, Mạch Điện Tử 2, NXB ĐH Quốc gia
TP.HCM.
[3] Lê Tiến Thường, Tuyển Tập Bài Tập Mạch Điện Tử
Tương Tự, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM.
2
CẤU TRÚC MÔN HỌC
1. Diode bán dẫn
2. Transistor hai lớp tiếp giáp (BJT)
3. Thiết kế và phân tích tín hiệu nhỏ
4. Transistor trường (FET)
5. Mạch transistor ghép liên tầng
6. Mạch khuếch đại thuật toán
3
Nội dung:
Chương 1: Diode Bán Dẫn
1.1. Giới thiệu;
1.2. Diode bán dẫn thông thường;
1.2.1. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của diode;
1.2.2. Giải tích mạch dùng diode
1.2.3. Chỉnh lưu điện áp xoay chiều
1.2.4. Mạch lọc
1.2.5. Mạch xén
1.3. Diode Zener.
4
1.1. Giới thiệu
Diode là một linh kiện điện tử phi tuyến đơn giản nhất.
Các loại diode bán dẫn: 
Diode thông thường:
 Dùng trong các mạch chỉnh lưu và tách sóng;
 Dùng làm các công tắc điện tử.
Diode Zener: 
 dùng để tạo các điện áp chuẩn.
 LED (light emitting diode – Diode phát quang): 
 Các LED phát ra tia hồng ngoại được dùng trong các thiết bị để điều 
khiển từ xa trong điện tử dân dụng;
 Làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị điện, điện tử, đèn quảng cáo, 
trang trí, đèn giao thông.
5
Các vật liệu bán dẫn thường dùng:
Silicon (Si)
Germanium (Ge)
Gallium Arsenide (GaAs)
Cấu trúc nguyên tử:
6
 Cấu trúc tinh thể
 Các mức năng lượng
7
Sự dẫn điện trong chất bán dẫn
 Dòng khuếch tán (diffusion current): Khi có sự
thay đổi mật độ electron (hole)
 Dòng chảy (drift current): Khi có điện trường 
ngoài
8
Bán dẫn loại P
 Chất đưa vào: Chất nhận (acceptor material). Ví dụ: 
Boron (III)
 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng
 Phần tử mang điện chủ yếu: Lỗ trống (positive): p-type 
material 9
Bán dẫn loại N
 Chất đưa vào: Chất cho (donor material). Ví dụ: 
Phosphorus (V)
 Cấu trúc tinh thể và sơ đồ mức năng lượng
 Phần tử mang điện chủ yếu: Electron (negative): n-type 
material 10
1.2. Diode bán dẫn thông thường
 Cấu trúc, ký hiệu:
 Lớp tiếp xúc pn:
11
Phân cực của diode
12
1.2.1. Quan hệ giữa dòng điện và điện áp
Diode lý tưởng
 vi > 0: iD > 0 và vD = 0 (Diode ngắn mạch: short 
circuit)
 vi < 0: vD < 0 và iD = 0 (Diode hở mạch: open 
circuit)
13
+
_
Đặc tuyến volt-ampere của diode
14
)1()1( T
DD
mV
v
o
mkT
qv
oD eIeIi
 Diode thực tế và Xấp xỉ tuyến tính hóa từng đoạn
15
1.2.2. Phân tích mạch diode
 Phần tử phi tuyến được thể hiện bởi đặc tuyến VA của 
diode
 Phần tử tuyến tính là mạch tương đương Thevenin
Điểm tĩnh Q là giao điểm của đặc tuyến diode và DCLL
16
)( DD vfi
 (DCLL)D T D Tv v i R
17
Phương trình đường tải 
 Tín hiệu DC: Điện trở tương đương Thevenin
Độ dốc DCLL:
 Tín hiệu AC: Điện trở tương đương Thevenin
Độ dốc ACLL:
18
Giả sử: 1/C << RL
và Vim << Vdc
1
1 1
DC
Tdc i
slope
R r R
1 / /Tac i LR r R R
1
1 1
/ /
AC
Tac i L
slope
R r R R
Phân tích đồ thị
19
Ví dụ:
Xét mạch dùng diode (Vγ=0.7V) sau
Giả sử diode tắt: VL< Vγ
Khi Vi≥1.4V: Diode dẫn
20
L
L i i
L i
L i
R 1
V V V
R R 2
V 0.7 V 1.4V
Vi
Ri
RLD VL
+
_
1K
1K
LV 0.7V t
t
Vi
VL
4
-4
0
0
-2
0.7
1.4
1.2.3. Chỉnh lưu điện áp xoay chiều
Chỉnh lưu: là quá trình chuyển đổi từ tín hiệu
xoay chiều (AC) thành tín hiệu một chiều
(DC).
Có 2 loại chỉnh lưu:
Chỉnh lưu bán kỳ (Half-wave rectification)
Chỉnh lưu toàn kỳ (Full-wave rectification)
21
Chỉnh lưu bán kỳ
 Định luật Kirchhoff về điện áp:
 vi > 0: vD = 0 (Diode ngắn mạch)
 vi < 0: Diode hở mạch:
22
Li
Di
D
Rr
vv
i
Li
i
D
Rr
v
i
Li
Li
DLL
Rr
Rv
iRv
0Di
0DLL iRv
Chỉnh lưu bán kỳ
Điện áp trên tải vL
Giá trị trung bình
Khai triển Fourier
23
Lm
T
LdcL
V
dttv
T
V )(
1
,
...4cos
15
2
2cos
3
2
cos
2
11
)( tttVtv oooLmL
Chỉnh lưu toàn kỳ
24
Phân tích tín hiệu chỉnh lưu toàn kỳ
 Giá trị trung bình: 
 Khai triển Fourier:
 Giá trị điện áp ngõ ra của mạch lọc:
 Giá trị hiệu dụng của thành phần gợn sóng:
 Độ gợn sóng
25
Lm
dcL
V
V
2
,
...4cos
15
4
2cos
3
42
)( ttVtv ooLmL
...4sin
1500
1
2sin
300
22
)( ttVtv ooLmo
0024.0
420
1
...4sin
1500
1
2sin
300
22
)( ttVtv ooLmo
Mạch nhân đôi điện áp một bán kỳ
 Bán kỳ âm của vS: C1 nạp điện qua D1 đến điện áp Vsmax
 Bán kỳ dương của vS: Điện áp chồng chập của C1 và vS nạp 
điện cho C2 qua D2 đến điện áp 2VSmax
26
1.2.4. Mạch lọc
 Để tạo điện áp DC ở ngõ ra thì cần sử dụng mạch 
lọc thông thấp (LPF)
 Các bộ lọc LPF thường dùng:
27
1.2.5. Mạch xén
Dùng để loại bỏ tín hiệu nằm dưới (hay trên) một mức chuẩn. 
(reference level)
 Xén trên: 
 Xén dưới:
 Xén 2 biên:
28
1.3. Diode zener
Hoạt động chủ yếu trong vùng phân cực nghịch.
Đặc tuyến VA:
29
•Phân cực thuận: Như Diode thông 
thường
•Phân cực nghịch: vZ = VZ = 
constant
•VZ: Điện áp Zener
•Izmax: Dòng phân cực nghịch tối đa
•Izmin: Dòng phân cực nghịch tối 
thiểu để vZ = VZ , thường IZmin = 0.1 
Izmax
•Pzmax=VzIzmax: Công suất tiêu tán 
tối đa 
Mạch ổn áp dùng diode zener
Thiết kế mạch sao cho Diode Zener 
hoạt động trong vùng ổn áp: 
30
min min min max max max max min
 (1)
 ( ) ; ( ) 
S Z S Z S Z
i Z L
R Z L i
Z S R L Z S R L
v V v V v V
R i i
i i i R
i khi v i i i khi v i i
Z min Z Zmax
Z Z
I i I ,
v V const
min min max
max max min
 (2)
R Z L
R Z L
i i i
i i i
Mạch ổn áp dùng diode zener
 Để
31
Z min Z Zmax
I i I
min
min max
max
max min
S Z
Z L
i
S Z
Z L
i
V V
I I
R
V V
I I
R
max min
min max max min
S Z S Z
i
L Z L Z
V V V V
R
I I I I