Tài liệu Cấu kiện điện tử

g trong cuộn điện cảm không thể thay đổi tức thời, iL(0+) sẽ bằng với mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái. Chuyển mạch S hở mạch Khi chuyển mạch hở mạch, diode sẽ dẫn, tạo đường dẫn cho dòng điện cảm chảy qua diode, điện trở tải R và tụ lọc C như thể hiện ở hình 2.44b. Để đơn giản trong việc phân tích, giả sử rằng điện áp gợn ở tín hiệu ra là đủ nhỏ để điện áp ra phải gần bằng mức điện áp dc, tức là vo ≈ VO. Với giả thiết trên, điện áp trên cuộn điện cảm sẽ không đổi như trước và bằng với VS – VO. Dòng chảy qua cuộn cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Toff (tức là: t = Ton + Toff = T) là: offon on offon on OS onL OS onLL )()()( TT T TT T t L VVTi dt L VVTiTi + + −+=−+= ∫ (2.70) off OS on S LL )0()( TL VVT L ViTi −++= + (2.71) Khi VO vượt quá VS, dòng cuộn cảm sẽ giảm theo thời gian trong suốt khoảng thời gian Toff – lặp lại như thể hiện ở hình 2.45. Ngoài ra, do mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T, nên dòng điện cảm tại các thời điểm t = 0+ và t = T cần phải đồng nhất. Vì vậy, )0()( LL += iTi nên: offSOonS TL VVT L V −= (2.72) Quan hệ cơ bản giữa điện áp ra và vào của mạch biến đổi tăng là: offOoffonS )( TVTTV =+ hay: δ V T T V T TVV −=− == 11 S on S off SO (2.73) trong đó: δ = Ton / T được gọi là hệ số đầy xung [duty cycle] của dạng sóng chuyển mạch. Điện áp ra có thể thay đổi được bằng cách biến đổi hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do 0 ≤ δ ≤ 1, nên điện áp ra VO ≥ VS; bộ biến đổi “sẽ làm tăng” mức điện áp ra cao hơn mức điện áp vào. Tính mạch lọc Lưu ý rằng, biểu thức của điện áp ra ở phương trình (2.73) là độc lập với L. Thông số thiết kế cần bổ sung để chọn giá trị điện cảm L là dòng gợn trong cuộn điện cảm. Bởi vì điện áp trên cuộn điện cảm là không đổi trong suốt cả hai khoảng thời gian Ton và Toff, dòng điện cảm có dạng sóng răng cưa như mô tả ở hình 2.45 [xem phương trình (2.69) và (2.70)]. Biên độ của dòng gợn Ir được tính theo hai cách: on S r TL VI = hoặc offSOr TL VVI −= (2.74) Mức dòng gợn ở hai cách tính cần phải như nhau. Từ phương trình (2.74), rút ra biểu thức cho trị số của cuộn cảm: δ fI V T T I TVT I VL r Son r S on r S =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== (2.75) trong đó, f = 1/T là tần số của chuyển mạch. Từ phương trình (2.75), ta thấy rằng việc chọn tần CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 48 số làm việc cao hơn thì sẽ có trị số điện cảm cần thiết nhỏ hơn. Các bộ biến đổi điện áp dc sang dc có thể hoạt động tại các tần số trên 60Hz để giảm kích thước của L và f thường được chọn cao hơn dãi tần số tín hiệu tai người nghe được (tần số âm tần). Thông thường dãi tần số từ 25kHz đến 100kHz. Dòng vào dc Trong mạch tăng điện áp, dòng điện cảm trung bình IL lớn hơn so với dòng tải dc. Đối với bộ biến đổi lý tưởng, không có cơ chế suy hao trong mạch. Do vậy, công suất được phân bố đến đầu vào của bộ biến đổi cần phải bằng công suất phân chia ở điện trở tải R: OOSS IVIV = hoặc: δ- I T TII V VI 1 O off OO S O S === (2.76) Từ phương trình (2.76), ta thấy rằng dòng dc trong cuộn điện cảm là lớn hơn so với dòng tải một chiều bằng cùng hệ số khi tăng ở điện áp ra. Lưu ý rằng cuộn điện cảm cần phải được thiết kế chính xác để có khả năng hoạt động với giá trị lớn của dòng trung bình. Điện áp gợn và điện dung của mạch lọc Ở bộ biến đổi tăng áp, tụ lọc C được thiết kế để điều chỉnh mức điện áp gợn Vr theo cách tương tự như tụ lọc trong mạch nắn. Trong suốt khoảng thời gian Ton, diode D ngưng dẫn, như ở mạch hình 2.44a, nên tụ cần phải cung cấp toàn bộ dòng tải. Nếu điện áp gợn được thiết kế có biên độ nhỏ, thì dòng xã gần như không đổi (hằng số) và được tính theo IO ≈ VO/R. Dựa vào mức gần đúng này, điện áp gợn có thể được tính theo: δ RC TV T T RC TV RC TVT C IV OonOonOonOr =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛==≈ (2.77) Bảng 2.1, tóm tắt các công thức thiết kế cho bộ biến đổi tăng điện áp dc – dc BẢNG 2.1: Thiết kế bộ biến đổi tăng điện áp Điện áp ra δ V T T V T TVV −=− == 11 S on S off SO Dòng điện nguồn cung cấp δ- I T T- I T TII 11 O on O off OS === Cuộn điện cảm δfI V T T I TVT I VL r Son r S on r S =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== Tụ lọc δRC TV T T RV TVC Oon r O =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= b) Bộ biến đổi giảm áp Mạch biến đổi giảm áp [buck converter] như ở hình 2.46, được thiết kế để tạo ra điện áp đầu ra là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi giảm áp ở hình 2.46, tương tự hoạt động của bộ biến đổi tăng áp, và chuyển mạch S sẽ hoạt động một cách tuần hoàn với cùng kiểu định thời như ở hình 2.43a. Chuyển mạch S kín mạch Trong khoảng thời gian Ton, chuyển mạch S kín mạch, nên diode D sẽ được phân cực ngược theo điện áp vào dương dẫn đến mạch tương đương ở hình 2.46b. Giả sử điện áp gợn tại đầu ra khá nhỏ để điện áp đầu ra có thể xem gần đúng mức điện áp hằng vO ≈ VO, suy ra mức điện áp trên cuộn điện cảm sẽ bằng VS – VO, và mức dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của khoảng thời gian Ton sẽ là: on OS L0 OS LonL )(0)(0)( on T L VVi dt L VViTi T −+=−+= ++ ∫ (2.78) Vì dòng chảy trong cuộn điện cảm không thay đổi tức thời, nên iL(0+) sẽ bằng với mức dòng ngay trước khi chuyển mạch thay đổi trạng thái. Chuyển mạch S hở mạch Khi chuyển mạch S chuyển sang hở mạch, diode sẽ chuyển sang dẫn, tạo đường dẫn liên tục cho dòng điện cảm từ điểm đất qua diode đến điện trở tải R và tụ lọc C như mô tả ở hình 3.72c. Điện áp trên điện cảm lúc này bằng với – VO. Dòng điện cảm tại thời điểm kết thúc của Toff là: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 49 off O on OS L O onLL )(0)()( offon on T L VT L VVi dt L VTiTi TT T −−+=−+= ++∫ (2.79) Tuy nhiên, mạch hoạt động tuần hoàn với chu kỳ T. Do đó, dòng điện cảm tại các thời điểm t = 0+ và t = T cần phải đồng nhất, nên ta có: )(0)( LL += iTi và: offOonSO TL VT L VV =− (2.80) Rút gọn phương trình sẽ có quan hệ cơ bản giữa điện áp đầu ra và điện áp đầu vào của bộ biến đổi giảm áp: δSonSO VT TVV == (2.81) Trong đó, δ là hệ số đầy xung của chuyển mạch. Do Ton ≤ T, điện áp ra VO ≤ VS. Ở bộ biến đổi giảm áp điện áp cuộn điện cảm sẽ “làm giảm” điện áp vào, nên điện áp đầu ra là thấp hơn so với điện áp đầu vào. Điện áp ra của bộ biến đổi giảm áp tỷ lệ thuận với hệ số đầy xung δ. Tính điện cảm Quan hệ giữa điện áp vào và ra được biểu diễn theo phương trình (2.81) lại độc lập với L, nên việc tính trị số điện cảm sẽ được quyết định bởi thông số dòng gợn. Dạng sóng dòng điện cảm của mạch biến đổi giảm áp là rất giống với dạng sóng dòng điện ở mạch biến đổi tăng áp như ở hình 3.73. Biên độ dòng gợn Ir được tính bởi: off O on OS r TL VT L VVI =−= (2.82) Từ phương trình (3.93) suy ra biểu thức cho giá trị của cuộn điện cảm: ( )δ−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛== 11 r Oon r Ooff r O off r O fI V T T I TV T T I TVT I VL (2.83) Trong mạch biến đổi giảm áp, dòng dc IL bằng với dòng tải IO. Dòng cần phải được cung cấp từ nguồn VS sẽ được tính theo: CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 50 OOSS IVIV = hoặc: δOonO S O OS IT TI V VII === (2.84) Từ phương trình (2.84), ta thấy rằng dòng vào dc đến bộ biến đổi là thấp hơn mức dòng tải. Điện áp gợn và điện dung của tụ lọc Ở mạch biến đổi giảm áp, chỉ dòng gợn cần phải được hấp thụ bởi tụ lọc C. Điện áp thay đổi theo chiều dương trên tụ cần phải cân bằng với điện áp thay đổi theo chiều âm, bằng với điện áp gợn Vr: C Q dti C V TT /T ∆1 )/2( 2 rr offon on ∫ + == trong đó: 82221∆ roffonr TITTIQ =⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= (2.85) Tích phân của dòng điện trên tụ là kết quả của tổng thay đổi về điện tích ∆Q trên tụ lọc nên sẽ tương ứng với diện tích vùng tam giác tô đậm ở hình 2.47. Biểu thức của trị số điện dung có thể xác định bằng các phương trình (2.83) và (2.85): ( )δ L T V V V TIC −== 1 88 2 r O r r (2.86) Bảng 2.2 tóm tắt các công thức cần thiết để thiết kế bộ biến đổi giảm áp. BẢNG 2.2: Thiết kế bộ biến đổi giảm áp Điện áp ra δV T TVV SonSO == Dòng điện nguồn cung cấp δOonOS IT TII == Cuộn điện cảm ( )δ−=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛= 1 r Ooff r O fI V T T I TVL Tụ lọc ( )δ−== 1 88 2 r O r r L T V V V TIC 2.9 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA DIODE Có rất nhiều loại diode, và tất cả các loại diode chỉ cho phép dòng điện chảy qua khi được phân cực thuận, và chặn dòng chảy khi được phân cực ngược. Sự khác nhau ở các diode có thể thấy ở các thông số điện được liệt kê ở các trang số liệu về diode. Điện áp ngược lặp lại đỉnh hay đôi khi gọi là điện áp ngược đỉnh (PIV), và dòng thuận trung bình là hai thông số quan trọng nhất khi sử dụng diode. Sáu thông số điển hình thường có ở các trang số liệu về diode. 1. Điện áp ngược lặp lại đỉnh ( RRMV ) là điện áp ngược lớn nhất có thể được áp đặt lặp lại trên diode. Lưu ý rằng thông số này cũng chính là thông số định mức PIV. Thông số điện áp ngược có thể có ở các loại diode trong khoảng từ 5V đến 2000V. 2. Dòng thuận trung bình ( 0I ) là giá trị dòng điện có thể chảy qua diode liên tục lớn nhất khi diode được phân cực thuận. Mức dòng thuận lớn nhất có thể trong khoảng từ vài mA đến trên 1000A. 3. Dòng thuận xung đỉnh ( FSMI ) là biên độ lớn nhất của xung dòng thuận mà diode có thể chịu đựng được. Giá trị điển hình là từ 10 ÷ 30 lần lớn hơn thông số dòng thuận trung bình. Ví dụ, một diode có mức dòng thuận trung bình là 12A thì có thể có mức xung dòng thuận đỉnh là 250A. 4. Sụt áp thuận ( FV ) là mức sụt áp lớn nhất ngang qua diode khi được phân cực thuận. Mức sụt áp điển hình ngang qua diode silicon khi được phân cực thuận là 0,7V; tuy nhiên, ở các trạng thái dòng cao hơn, mức sụt áp có thể cao hơn đáng kể. Thông thường, sụt áp thuận lớn nhất cho theo mức dòng thuận trung bình lớn nhất ( 0I ). 5. Dòng ngược ( RI ) là mức dòng rò lớn nhất chảy qua diode khi được phân cực ngược. Dòng ngược bị ảnh hưởng lớn do nhiệt độ làm việc của diode. 6. Thời gian hồi phục ngược ( rrt ) là khoảng thời gian cần thiết để diode ngưng dẫn khi diode được chuyển sang phân cực ngược. Thời gian hồi phục ngược là thông số quan trọng đặc biệt đối với các diode chuyển mạch tốc độ cao. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 51 Cấu tạo của diode sẽ quyết định mức dòng làm việc, mức công suất có thể tiêu tán, và mức điện áp ngược lớn nhất mà diode có thể chịu được không bị hỏng. Mỗi hãng sản xuất cho tiêu chuẩn theo các trang số liệu về cấu kiện. Các thông số chính có ở trang số liệu của hãng sản xuất đối với một diode chỉnh lưu như sau: 1. Loại cấu kiện với chữ số thông thường hay các số của hãng sản xuất. 2. Điện áp ngược đỉnh (PIV). 3. Dòng ngược lớn nhất tại PIV. 4. Điện áp thuận dc lớn nhất. 5. Mức dòng thuận chỉnh lưu bán kỳ trung bình. 6. Nhiệt độ tiếp giáp lớn nhất. 7. Các đặc tuyến suy giảm mức dòng. 8. Họ đặc tuyến cho các thay đổi về nhiệt độ để cấu kiện có thể bị suy giảm ở các nhiệt độ cao hơn. Trong trường hợp diode zener, các thông số sau thường có ở các trang số liệu: 1. Loại cấu kiện theo chữ số thông thường hay số của nhà sản xuất. 2. Điện áp zener bình thường (điện áp đánh thủng thác). 3. Mức sai số của điện áp. 4. Mức tiêu tán công suất lớn nhất (ở 25oC). 5. Dòng đo thử IZT. 6. Trở kháng động tại mức IZT. 7. Mức dòng khuỷu. 8. Nhiệt độ tiếp giáp lớn nhất. 9. Hệ số nhiệt độ. 10. Họ đặc tuyến suy giảm đối với các nhiệt độ cao hơn. Chọn thông số kỹ thuật ví dụ và xem thông tin cho ở trang số liệu. Sử dụng diode chỉnh lưu 1N4001 thể hiện ở phụ lục D, có các thông số như sau: 1. PIV = 50V. 2. Dòng ngược lớn nhất (tại điện áp dc định mức) ở 25oC là 10µA. Ở 100oC có mức dòng lớn nhất là 50µA. 3. Sụt áp thuận tức thời lớn nhất tại 25oC là 1,1V. 4. Dòng thuận chỉnh lưu trung bình tại 25oC là 1A. 5. Khoảng nhiệt độ làm việc chịu trong thời gian dài của tiếp giáp (TJ) là – 65oC đến + 175oC. Hình 1.49, là đặc tuyến suy giảm dòng điện điển hình, cho biết cần phải điều chỉnh mức dòng định mức khi nhiệt độ tăng vượt qua nhiệt độ môi trường xung quanh. Đặc tuyến tương tự thường cho theo thông số suy giảm công suất. 2.10 CÁC LOẠI DIODE BÁN DẪN ĐẶC BIỆT a) Diode biến dung Diode biến dung hay varactor, là loại cấu kiện bán dẫn có chức năng như một tụ điện có thể thay đổi. Nhắc lại rằng, tụ điện là một linh kiện gồm hai bản cực dẫn điện được cách ly bằng một lớp điện môi (vật liệu cách điện). Trị số điện dung của tụ phụ thuộc vào ba yếu tố: diện tích của hai bản cực, khoảng cách giữa hai bản cực, và loại vật liệu làm điện môi cách ly giữa hai bản cực. Điện dung tỷ lệ thuận với diện tích của hai bản cực (A) và hệ số diện môi ε, tỷ lệ nghịch với khoảng cách (d) giữa hai bản cực: d/AC ε= Hình 2.49a, là cấu trúc bên trong của diode khi được phân cực ngược, bao gồm hai vùng có các hạt tải điện (vùng p và vùng n) được cách ly bởi vùng nghèo không có các hạt tải điện. Diode khi được phân cực ngược đóng vai trò tương tự một tụ điện. Hai vùng p và n có chức năng như CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 52 hai bản cực dẫn điện, còn vùng nghèo có chức năng như một lớp điện môi. Hình 2.49b, cho thấy khi điện áp phân cực ngược tăng lên, thì vùng nghèo sẽ rộng ra. Tụ vẫn có điện dung nhưng vì hai vùng dẫn cách xa hơn nên điện dung đã bị giảm xuống. Varactor là một diode được chế tạo để có điện dung tiếp giáp cao. Trị số điện dung của varactor được điều khiển bằng độ lớn của điện áp phân cực ngược đặt vào varactor. Điện áp phân cực ngược lớn hơn thì điện dung của varactor sẽ nhỏ hơn. Hình 2.50, là ký hiệu và đặc tuyến điện dung theo điện áp phân cực ngược của diode biến dung mang số hiệu MVAM 108. Mạch hình 2.51, là mạch điều chỉnh để chọn tần số của tín hiệu từ antenna sử dụng diode biến dung. Khi cộng hưởng, mạch điều hưởng song song có trở kháng cao. Tín hiệu từ antenna tại tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng sẽ tạo ra một sụt áp trên trở kháng cao của mạch điều hưởng nên tín hiệu sẽ được khuyếch đại. Các tần số tín hiệu tại các tần số khác sẽ xem mạch điều hưởng như mạch có trở kháng thấp so với đất nên sẽ không được đưa đến mạch khuyếch đại. Giá trị điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng 500pF mắc song song với nhánh 2 tụ có điện dung 0,1µF và điện dung của diode biến dung. Ví dụ 2.5, là mạch điều hưởng sử dụng diode biến dung MVAM108 để điều chỉnh tần số cộng hưởng. CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 53 Ví dụ 2.5: Hãy tính tần số cộng hưởng của mạch điều hưởng [tuner] ở hình 2.51, theo hai mức điện áp đặt vào là (a) 1V và (b) 7V. - Từ đặc tuyến điện dung theo điện áp ngược ở hình 2.50, ta xác định được trị số điện dung của diode biến dung tại điện áp phân cực ngược 1V và 7V: (a) 500pF @ 1V; (b) 55pF @ 7V. - Tính điện dung tương đương của mạch điều hưởng. Vì điện dung tương đương của diode biến dung là nhỏ hơn nhiều so với 0,1µF, nên điện dung của mạch nối tiếp sẽ bằng trị số điện dung của varactor. Tổng điện dung tương đương của mạch cộng hưởng bằng giá trị điện dung của varactor song song với 500 pF. (a) Ceq @ 1V = 500pF + 500pF = 1000pF (b) Ceq @ 7V = 55pF + 500pF = 555pF - Tính tần số cộng hưởng tại cả hai mức điện áp đặt vào diode biến dung: LC FR π= 2 1 (a) 504kHz 1000pFH1002 1 =×µπ=RF (b) kHz766pF555H1002 1 =×µπ=RF b) Các diode chuyển mạch tần số cao. Giới thiệu. Diode biến dung là một ví dụ ứng dụng giá trị điện dung có trong diode tiếp giáp pn khi được phân cực ngược. Tất cả các diode tiếp giáp pn đều có một giá trị điện dung nào đó; điện dung của tiếp giáp pn không đáng kể khi sử dụng diode tiếp giáp ở mạch tần số thấp, nhưng mạch làm việc ở dãi tần số cao, thì dung kháng (XC) của tiếp giáp pn có thể làm giảm đến mức không còn dòng ngược. Thời gian hồi phục ngược (trr) là thời gian cần thiết để diode ngưng dẫn khi diode đã được phân cực ngược. Thông số thời gian hồi phục ngược trở thành yếu tố quan trọng tại tốc độ chuyển mạch cao. Các diode chỉnh lưu tần số thấp có thông số thời gian hồi phục ngược định mức vào khoảng vài microsecond, ngược lại các diode chuyển mạch tốc độ cao có thời gian hồi phục ngược vào khoảng vài nanosecond. Các nhà sản xuất đã chế tạo các diode chuyển mạch tần số cao có thể làm việc tại các tần số trên 3000MHz. Diode hồi phục bậc thang. Diode hồi phục bậc là diode tiếp giáp pn. Vật liệu p và n gần tiếp giáp được pha tạp loãng. Sự pha tạp ở vật liệu bán dẫn sẽ được tăng dần theo khoảng cách tăng lên từ tiếp giáp. Diode hồi phục bậc sẽ làm giảm điện dung tiếp giáp nên cho phép diode hồi phục bậc làm việc ở tần số cao. Ký hiệu mạch của diode hồi phục bậc như với diode thông thường. Diode PIN. Hình 2.52, là cấu tạo của diode PIN, với vùng vật liệu bán dẫn P và N được pha tạp đậm đặc cách ly bằng một vùng không pha tạp hay vật liệu bán dẫn thuần. Tên gọi diode PIN bắt nguồn từ loại vật liệu bán dẫn được sử dụng trong cấu trúc của diode. Vật liệu thuần đóng vai trò như chất điện môi phân cách hai vùng dẫn. Sự ngăn cách hai vùng dẫn sẽ làm giảm điện dung tiếp giáp của diode nên diode PIN có thể được sử dụng ở tần số cao. Ký hiệu mạch của diode PIN như ký hiệu của diode thông thường. Diode Schottky. Diode Schottky còn được gọi là diode hạt tải nóng [hot - carrier diode] không có tiếp giáp pn, mà tiếp giáp của diode Shottky được tạo thành bằng một tấm chắn kim loại (vàng, platinum, bạc) và vật liệu bán dẫn - n (hình 2.53). Diode Schottky có đặc tuyến dòng – áp tương tự như diode tiếp giáp pn, ngoại trừ điện áp mở thuận Vγ trong khoảng từ 0,3V đến 0,6V. Điện dung CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 54 liên quan với diode Schottky là cực nhỏ. Khi diode Schottky làm việc ở chế độ phân cực thuận, dòng điện được tạo ra bởi sự di chuyển của các điện tử từ silicon dạng n thông qua rào chắn và lớp kim loại. Do các điện tử tái hợp tương đối nhanh khi qua lớp kim loại, thời gian tái hợp ngắn vào khoảng 10ps, nhanh hơn nhiều so với ở diode tiếp giáp pn thông thường, nên diode Schottky có ý nghĩa lớn trong các ứng dụng chuyển mạch tốc độ cao. Diode Schottky được sử dụng nhiều trong công nghệ mạch tích hợp do dễ chế tạo và có thể sản xuất đồng thời các cấu kiện khác trên một chip. Việc chế tạo một diode tiếp giáp pn đòi hỏi khuyếch tán bán dẫn dạng p nhiều hơn so với diode Schottky, nhưng việc chế tạo diode Schottky có thể yêu cầu bổ sung bước phủ kim loại. Các đặc tính tạp âm thấp của diode Schottky tạo cho diode lý tưởng đối với ứng dụng trong việc giám sát công suất của dãi tần radio mức thấp, các mạch tách sóng ở tần số cao, và các bộ trộn trong radar Doppler. Lợi thể của diode Schottky là mức sụt áp thuận của nó thấp và tốc độ chuyển mạch của diode. Các diode Schottky có thể được chế tạo để có thời gian đóng mở vào khoảng 10nS. Do tốc độ chuyển mạch cao và sụt áp thuận thấp, các diode Schottky thường được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp kiểu chuyển mạch. Ký hiệu mạch của diode Schottky như ở hình 2.53. c) Diode phát quang - LED [light - emitting diode] Một số loại diode khác có khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng sáng. Diode phát quang sẽ chuyển đổi dòng điện thành ánh sáng rất hiệu quả trong các loại hiển thị khác nhau và đôi khi có thể sử dụng làm nguồn phát sáng cho các ứng dụng thông tin bằng cáp sợi quang. Một điện tử có thể rơi từ dãi dẫn vào một lỗ trống và phát ra năng lượng dưới dạng một photon của ánh sáng. Các liên quan của xung lượng và năng lượng trong silicon và germanium như vậy làm cho điện tử phát ra năng lượng dưới dạng nhiệt năng khi điện tử trở lại từ dãi dẫn xuống dãi hóa trị. Tuy nhiên, điện tử trong tinh thể gallium arsenide sẽ tạo ra photon khi điện tử rơi trở lại từ dãi dẫn xuống dãi hóa trị. Mặc dù không có đủ điện tử trong tinh thể để tạo ra ánh sáng có thể nhìn thấy khi áp đặt phân cực thuận, một số lượng lớn điện tử sẽ được phóng thích từ vật liệu n vào vùng vật liệu p. Các điện tử đó sẽ kết hợp với các lỗ trống trong vùng vật liệu p tại mức năng lượng của dãi hóa trị, nên các photon sẽ được bức xạ. Cường độ sáng tỷ lệ với tốc độ tái hợp của các điện tử và do đó tỷ lệ với dòng điện của diode. Diode bằng gallium arsenide sẽ phát ra sóng ánh sáng tại bước sóng gần dãi hồng ngoại. Để tạo ra ánh sáng ở dãi có thể nhìn thấy cần phải trộn gallium phosphide với gallium arsenide. Khi LED đang dẫn, mức sụt áp thuận vào khoảng 1,7V. Lượng ánh sáng phát ra bởi LED tùy thuộc vào mức dòng chảy qua diode; mức dòng lớn hơn sẽ phát ra ánh sáng rõ rệt hơn. Cần phải lắp nối tiếp với LED một điện trở hạn dòng để tránh làm hỏng diode. Trị số của điện trở hạn dòng dễ dàng tính bằng mức dòng dẫn giới hạn của LED vào khoảng 10mA, với điện áp dẫn của diode vào khoảng 1,7V. Ví dụ cần phải chọn điện trở hạn dòng để LED phát ra ánh sáng thích hợp khi đặt mức nguồn 5Vdc đến LED như mạch ở hình 2.54a. Với mức dòng giới hạn chảy qua LED vào khoảng 10mA khi LED dẫn và mức điện áp dẫn là 1,7V, sụt áp trên RCL là: 5V – 1,7V = 3,3V. Với mức dòng lớn nhất khoảng 10mA, thì trị số điện trở của RCL = 330Ω. Chính là trị số điện trở thông dụng cho việc sử dụng nguồn 5V để có LED hiển thị. d) Photodiode Photodiode hay Quang diode có chức năng ngược lại so với LED, tức là photodiode sẽ biến đổi năng lượng sáng thành dòng điện. Áp dụng phân cực ngược cho photodiode nên dòng bảo hòa ngược sẽ được điều chỉnh bằng cường độ ánh sáng chiếu vào diode. Ánh sáng sẽ tạo ra các cặp điện tử - lỗ trống, tức là gây ra dòng điện. Kết quả là mức dòng quang ở mạch ngoài sẽ tỷ lệ theo cường độ ánh sáng chiếu vào cấu kiện. Diode hoạt động như bộ tạo dòng hằng với điều kiện điện áp không vượt quá điện áp đánh thủng thác lũ. Thời gian đáp ứng nhỏ hơn 1µs. Độ nhạy của diode có thể tăng lên nếu vùng tiếp giáp được chế tạo lớn hơn khi thu nhận nhiều photon hơn, nhưng điều này cũng sẽ làm tăng thời gian đáp ứng do điện dung tiếp giáp (và do hằng số thời gian RC) tăng. Cấu tạo của photodiode gồm một mẫu vật liệu bán dẫn tạp - p được khuyếch tán vào đế bằng vật liệu bán dẫn tạp - n để hình thành tiếp giáp pn. Vật liệu tạp - n được để lộ sáng thông qua một cửa sổ. Photodiode được chế tạo làm việc ở chế độ phân cực ngược như ở hình 2.54b, Ở chế độ phân cực ngược dòng chảy qua diode phụ thuộc vào dòng các hạt tải thiểu số. Trong photodiode, lượng các hạt tải thiểu số tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng chiếu vào qua cửa sổ. Vể cơ bản một CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN DQB, B/M ĐTVT-ĐHKT CHƯƠNG 2: TIẾP GIÁP PN & DIODE BÁN DẪN 55 photodiode là một điện trở nhạy sáng, cường độ sáng lớn hơn sẽ làm cho giá trị điện trở phân cực ngược thấp hơn. Photodiode có đáp ứng thay đổi theo cường độ sáng nhanh hơn so với tất cả các dụng cụ quang. Nếu bổ sung một lớp bán dẫn thuần vào cấu tạo của photodiode giữa lớp bán dẫn tạp loại - p và n thì có thể cải thiện hiệu suất của photodiode, do vùng không pha tạp bổ sung có tác dụng làm cho vùng nghèo rộng ra. Bởi vì vùng nghèo rộng hơn nên các photon vào cửa sổ của diode có khả năng tạo ra cặp điện tử / lỗ trống nhiều hơn nên làm cho diode có hiệu suất cao trên một dãi tần số ánh sáng rộng hơn. Hơn nữa, vùng nghèo rộng hơn sẽ làm giảm điện dung của diode nên cho thời gian đáp ứng nhanh hơn. Các photodiode có bổ sung lớp bán dẫn thuần thường gọi là photodiode PIN. Hình 2.54b, là mạch photodiode. Hình 2.54c, là đặc tuyến theo các cường độ ánh sáng H khác nhau. Dòng photodiode IP có thể tính từ phương trình sau: ηqHI =P trong đó, η là hiệu suất lượng tử; q điện tích của điện tử, 1,6 x 10- 19C; H = Φ x A là cường độ ánh sáng (số lượng photon trong một giây); Φ là mật độ thông lượng photon (số lượng photon trong một giây trong một cm vuông); A là diện tích tiếp giáp (tính theo cm2). Phần lớn các bộ tách sóng ánh sáng bằng bán dẫn gồm một tiếp giáp photodiode và một mạch khuyếch đại, thường là đặt trên một chip đơn. e) Bộ bảo vệ quá điện áp. Hình 2.55, là mạch hai diode zener mắc đối đầu nhau nối ngang qua đường dây nguồn cung cấp ac để bảo vệ thiết bị điện tử không bị quá điện áp nguồn cung cấp ac. Điện áp đĩnh của đường dây 220Vac là khoảng 310VP . Thiết bị điện tử có mạch nguồn cung cấp được thiết kế với điện áp đường dây ac đầu vào và biến đổi điện áp ac thành các mức điện áp dc cần thiết. Đôi khi có các thăng giáng điện áp nguồn cung cấp xuất hiện trên đường dây điện ac làm cho điện áp đỉnh lên đến hàng ngàn volt do sấm sét chẳng hạn, hoặc do các việc đóng cắt các tải điện cảm cũng có thể gây quá áp trên đường dây. Nếu hai diode zener ở hình 2.55, có thông số điện áp đánh thủng là 320V, thì ở trạng thái bình thường, diode zener sẽ