Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4, Phần 4: Chuyển tiếp PN (PN Junction)

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.