Bài giảng Dụng cụ bán dẫn - Chương 4, Phần 3: Chuyển tiếp PN - Hồ Trung Mỹ

vD
nVT
 
 
 
 
 
 
16
Giải tích mạch diode: Cơ sở
V và R có thể biểu diễn tương 
đương Thévenin của 1 mạng 2 cực 
phức tạp hơn. Đối tượng của giải 
tích mạch diode là tìm điểm [làm 
việc] tĩnh (quiescent operating 
point) Q của diode, nghĩa dòng và 
áp DC ở diode.
Phương trình vòng của mạch 
bên:
Nó cũng được gọi là đường tải 
(load line) của diode (DCLL=DC 
Load Line). Nghiệm của phương 
trình này có thể tìm bằng:
• Giải tích đồ thị dùng phương 
pháp đường tải.
• Giải tích với mô hình toán của 
diode.
• Giải tích đơn giản hóa với mô 
hình diode lý tưởng.
• Giải tích đơn giản hóa với mô 
hình sụt áp hằng.
 DD VRIV 
17
Giải tích đường tải (thí dụ)
Vấn đề: Tìm điểm Q
Cho trước: V=10 V, R=10kW.
Giải tích:
Để định nghĩa đườg tải, ta dùng,
VD= 0
VD= 5 V, ID =0.5 mA
Giao của 2 đường này cho 
nghiệm:
Điểm Q = (0.95 mA, 0.6 V)
 1010 4 DD VI 
 mA1)k10/V10( W DI
18
Đường tải DC (DC Load Line)
1
1.5V
25Ω
S F FV V VI
R
Phương trình đường tải:
19
Vấn đề: Tìm điểmQ với đặc tuyến diode 
cho trước.
Dữ liệu: IS = 10-13 A, n = 1, VT = 0.025 V
Giải tích:
Muốn giải hệ này ta phải dùng phương 
pháp tính số.
Giải tích dùng mô hình toán cho Diode
  
   DD
D
T
D
SD
VV
V
nV
V
II
 
140exp101010
140exp101exp
134
13
Bằng cách đoán các giá trị lặp lại cho 
VD và tăng hay giảm VD cho đến khi 
vế phải của phương trình bằng 10:
Điểm Q= (0.943 mA, 0.574 V)
thường thì 2 hay 3 số có nghĩa cho VD
vì IS, n, VT, và R hiếm khi có độ chính 
xác tốt hơn.
Ta sẽ SPICE nếu ta muốn dùng mô 
hình toán đầy đủ.
 1010 4 DD VI 
20
Newton’s Iteration Method for f (vD) = 0
21
Solution from a Spreadsheet
22
Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng
Nếu diode được phân cực thuận, sụt áp trên 
diode là zero. Nếu diode được phân cực 
ngược,dòng qua diode là zero.
vD =0 với iD >0 và iD =0 với vD < 0 
Như vậy diode được giả sử là dẫn (ON) 
hay tắt (OFF).
Giải tích mạch diode theo các bước sau:
• Đoán miền hoạt động của diode từ mạch.
• Giải tích mạch dùng mô hình diode thích 
hợp với miền hoạt động được giả sử.
• Kiểm tra xem kết quả tính có nhất quán 
với giả thiết hay không.
Đặc tuyến 
diode lý tưởng
Ký hiệu diode lý tưởng
Ngắn 
mạch
Hở 
mạch
23
Giả sử diode ON (vì nó giống như 
Anode có điện thế cao hơn Cathode).
Điểm Q là (1 mA, 0V)
0
m1
k10
V)010(
W
D
D
I
AI
 (giả thiết đúng)
Giả sử diode OFF. Từ đó ID =0. 
Phương trình vòng là:
Điểm Q là (0, -10 V)
V10
01010 4
 
D
DD
V
IV
 (giả thiết đúng).
Giải tích dùng mô hình diode lý tưởng (thí dụ)
24
Giải tích dùng mô hình sụt áp hằng cho diode
 Giải tích:
Giả sử diode ON.
vD = Von với iD >0 và
vD = 0 với vD < Von.
mA94.0
k10
V)6.010(
k10
V)10(
W
W
 onD
V
I
Mô hình lý tưởng là mô hình sụt áp hằng với Von = 0V.
Hở 
mạch
Mô hình 
sụt áp hằng
25
Giải tích mạch 2 diode
Giải tích: Mô hình diode lý tưởng được 
chọn. Vì nguồn 15V đang cấp dòng điện 
dương qua D1 và D2 và nguồn -10V đang 
cấp dòng điện dương qua D2, ta giả sử cả 2 
diodes đều ON.
Từ điện thế tại nút D là zero do ngắn mạch 
của diode lý tưởng D1,
Các điểm Q(-0.5 mA, 0 V) và (2.0 mA, 0 V) 
Nhưng, ID1 < 0 thì không đúng với giả thiết 
là D1 ON, do đó thử lại.
mA5.1
k10
V)015(
1 W
 I mA2k5
V)10(0
2 W
 DI
211 DD III mA5.025.11 DI
26
Vì dòng trong D1 là zero, ID2 = I1,
Các điểm Q là D1 : (0 mA, -1.67 V): OFF
D2 : (1.67 mA, 0 V) : ON
Giải tích: Từ đó dòng trong 
D2 thì đúng nhưng dòng 
trong D1 thì không đúng, ta 
giả sử tiếp D1 OFF và D2
ON.
V67.17.1615k1015
mA67.1
15k
V25
0)10(k5k1015
11
1
21
W
IV
I
II
D
D
Giải tích mạch 2 diode (2)
27
4.10.2 Diode ổn áp (Zener)
• Diode ổn áp được chế tạo dựa theo cơ chế đánh thủng 
(ở miền phân cực ngược) thác lũ và/hoặc đường hầm 
(hay Zener).(VZ = 2 1000V)
Diode Zener: (a) Ký hiệu sơ đồ mạch; (b) Ký hiệu khác; (c) 
đặc tuyến Volt-Ampere (I-V). 
IZmin
IZmax
28
Reverse Breakdown Mechanisms
a) Zener breakdown occurs when the electric field is 
sufficiently high to pull an electron out of a covalent bond (to 
generate an electron-hole pair). 
b) Avalanche breakdown occurs when electrons and holes 
gain sufficient kinetic energy (due to acceleration by the E-
field) in-between scattering events to cause electron-hole 
pair generation upon colliding with the lattice.
29
Zener Diodes – Regulation Ranges
The zener diode’s 
breakdown characteristics
are determined by the 
doping process. Low 
voltage zeners (>5V), 
operate in the zener 
breakdown range. Those 
designed to operate <5 V
operate mostly in 
avalanche breakdown 
range. Zeners are 
available with voltage 
breakdowns of 1.8 V to 
200 V.
This curve illustrates the minimum and 
maximum ranges of current operation that the 
zener can effectively maintain its voltage.
Zener zone Diode zone
Avalanche
zone
5V.
30
Đặc tuyến đánh thủng của diode Zener
Chú ý dòng ngược rất nhỏ 
(trước “knee” [đầu gối]).
Đánh thủng xảy ra @ knee.
Đặc tính đánh thủng:
• VZ giữ gần như là hằng số
• VZ cung cấp:
 -Điện áp chuẩn
 -Ổn định điện áp
• IZ tăng nhanh
• IZMAX đạt được nhanh chóng
• Nếu tăng dòng vượt quá IZMAX 
thì diode Zener bị hư
(dòng gối Zener)
(dòng thử Zener)
(dòng Zener cực đại)
Zener zone Diode zone
Avalanche
zone
31
Hệ số nhiệt TC
• Định nghĩa: Hệ số nhiệt của đại lượng X là TCX (đơn vị 
là 1/oC hay ppm/oC [ppm=10-6])
• TCVZ có giá trị:
< 0 khi Zener có VZ < 4V (đánh thủng Zener)
> 0 khi Zener có VZ > 6V (đánh thủng thác lủ)
 0, hoặc = 0 khi Zener có 4V < VZ < 6V
dT
dX
X
TCX
1
32
Mạch ổn áp Zener
Mạch ổn áp zener. (a) Mạch cơ bản; (b) có nối đất; (c) nguồn cấp điện lái 
mạch ổ áp 
Chú ý:
 Izmin < IS < IZmax
 Thường chọn IS = (Izmin + Izmax)/2
33
Mô hình diode zener lý tưởng
Mô hình diode zener lý tưởng khi ở phân cực ngược > VZ
34
Xấp xỉ bậc 2 của diode Zener
Mạch tương đương
35
Mạch ổn áp Zener có tải
• Hoạt động đánh thủng với điện áp Thévenin đặt ở Zener là: 
VTH = VSRL/(RS+RL)
• Dòng điện nối tiếp IS
• Dòng tải IL = VL/RL=VZ/RL
• Dòng Zener IZ = IS – IL ( chú ý điều kiện để Zener vẫn còn ổn áp!)
Mạch ổn áp có tải (a) Mạch cơ bản; (b) Mạch thực tế
36
Xấp xỉ bậc 2 của diode Zener
Hiệu ứng trên điện áp tải:
VL = VZ + IZRZ VL = IZRZ
Vì RZ thường nhỏ ∆VL nhỏ!. 
37
Điểm rời khỏi miền ổn áp
Trường hợp xấu nhất 
38
Đọc bảng dữ liệu (Data Sheet)
• Công suất tối đa PZM: PZ=VZIZ < PZM
• Giảm định mức: Hệ số giảm định mức (mW/oC) cho 
biết sự thay đổi của PZM theo nhiệt độ
• Dòng tối đa IZM: IZM = PZM/VZ
• Dung sai x%: VZ ± x%
• Điện trở Zener (tổng trở Zener) RZT hay ZZT: điện trở 
động của Zener ở miền Zener
Chú ý: Các số liệu khác có thể suy ra từ sổ tay
• Tính IZmax = PZM/VZ
• Chọn IZmin = IZmax/10
39
4.10.3 Diode biến dung (varactor=varicap)
Đặc điểm:
Dựa trên sự thay đổi điện dung của miền 
nghèo khi được phân cực ngược
Các ký hiệu
(a) và (b) thường dùng ở Mỹ
(c) và (d) thường dùng ở Anh
40
Diode biến dung – Thí dụ (2) 
Ký hiệu
Đặc tuyến
Mạch thí dụ
41
Diode biến dung được dùng trong các mạch lọc làm dụng 
cụ chỉnh được cho chọn lựa tần số cộng hưởng.
Varactor
Bias adjust
Diode biến dung (3) 
42
Varactor Diodes
Capacitance Tolerance Range
- This is the equivalent of the value tolerance range of a resistor.
ie: 1N5148 – Nominal value = 47pF
- Tolerance range is 42.3pF to 51.7pF
Tuning Ratio (TR) or (Capacitance Ratio)
- Refers to Rangeability (value @ Bias Vmax vs Bias Vmin)
- Vmin is 4V bias (C4) (for the 1N5139, C4 = 6.8pF)
- Vmax is 60V bias (C60) (for the 1n5139, C60 = 2.3pF)
For the 1N5139, TR = 2.9
Quality Factor (Q) describes energy loss in the device. High Q 
desireable)
Temperature Coefficient - ∆Capacitance vs ∆Temp
43
Nguyên tắc hoạt động
• LED chủ yếu là chuyển tiếp PN được làm từ bán dẫn hỗn hợp có khe năng lượng 
trực tiếp (TD: GaAs), trong đó sự tái hợp cặp điện tử-lỗ (EHP) làm phát xạ photon. 
Khi đó photon được sinh ra có bước sóng
λ [nm] = 1240/Eg[eV]
• Giản đồ năng lượng sau minh họa sự sinh ra ánh sáng trong LED, trong đó phía N 
pha nồng độ n+ vì muốn miền nghèo phần lớn nằm bên P và muốn cung cấp nhiều 
điện tử khuếch tán từ N vào P và nó được duy trì bằng phân cực thuận cho LED..
4.10.4 LED (Light Emitting Diode =Diode phát quang)
(a) Chưa phân cực (b) Phân cực thuận
V0=thế nội [khuếch tán]
44
Vật liệu chế tạo LED
• Phần lớn LED sử dụng bán dẫn hỗn hợp có khe năng 
lượng trực tiếp, hình sau cho thấy bước sóng ánh sáng 
được sinh ra  với vật liệu tương ứng
45
Các vật liệu bán dẫn thường dùng cho LED
Bán dẫn Nền/Đế D/I Chú thích
D=trực tiếp; I=gián tiếp; DH= cấu trúc dị thể kép; external=hiệu suất lượng tử ngoài
Các kênh truyền thông quang sử dụng bước sóng 850 nm (mạng cục bộ) 
và 1.3 và 1.55 μm (khoảng cách xa).
46
Đặc tính của LED (thí dụ)
(a) Phổ ánh sáng ra tiêu biểu (cường độ sáng tương đối với bước sóng) từ 
LED đỏ GaAsP.
(b) Công suất ánh sáng phát ra tiêu biểu theo dòng điện thuận. 
(c) Đặc tuyến I-V tiêu biểu của LED, điện áp ON lkhoảng 1.5 V.
• Đặc tuyến I-V: tương tự diode thường, nhưng VON> 0.7V 
(từ 1.2V đến 4.5V tùy theo loại LED với vật liệu gì, tiêu 
biểu là 2V với LED ánh sáng thấy được), điện áp đánh 
thủng nhỏ (VBR ~ 3 5V)
• Ánh sáng phát ra tỉ lệ thuận với dòng qua LED (nếu dòng 
qua LED chưa đến bão hòa)
47
LED – Spectral Curves
Note the wavelengths of the various 
colors and infrared.
Note lead designations to the right.
48
• An Optoelectronic Device
– Polarity Important
• Brighter as Current 
Increases
• Junction Voltage ~ 1.78 V 
(Red LED)
Long – Anode (+)
Short – Cathode (-)
LED
pn junction diode I-V characteristics
-10
-5
0
5
10
15
20
-6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Applied voltage
C
ur
re
nt
+ -
49
Mạch lái LED đơn giản
Mạch chỉ thị dùng LED: (a) Mạch cơ bản; (b) mạch thực tế
Điện trở hạn dòng RS được tính như sau:
RS = (VS - VD) / IS
Với các giá trị tiêu biểu của LED là: VD=2V, ID=10mA
50
Hiển thị LED 7 đoạn
TD: loại CA (Common Anode)
51
Optical Diodes
The seven segment display is an example of LEDs use 
for display of decimal digits.
52
Bargraph 7-segment Starburst Dot matrix
Some Types of LEDs
53
4.10.5 Photodiode (diode [thu] quang) (PD)
• Cấu tạo: tiếp xúc PN 
• Nguyên tắc hoạt động: dựa trên sinh cặp điện tử-lỗ làm 
thay đổi sự dẫn điện
• Đặc tuyến I-V: góc phần tư III ứng dụng thu quang, góc 
phần tư IV làm pin mặt trời (solar cell)
- +
g=công suất quang
54
Photodiode (2)
VOUT= –I.RF
I
V0
chưa có ánh sáng chiếu vào
chiều tăng 
cường độ sáng
 vùng photodiode Vùng solar cell
55
p-i-n Photodiodes
•Only electron-hole pairs 
generated in depletion region 
(or near depletion region) 
contribute to current
•Only light absorbed in 
depletion region contributes to 
generation
–Stretch depletion region
–Can also operate near 
avalanche to amplify signal
56
Solar Cells
N P
-
+
short circuit
light
Isc
(a)
V
0.7 V
–Isc
Maximum
power-output
Solar Cell
IV
I
Dark IV
0
(b)
Ec
Ev
Solar Cells
Also known as photovoltaic cells, solar cells can 
convert sunlight to electricity with 15-30% energy 
efficiency 
57
58
59
4.10.6 Diode (rào thế) Schottky
One semiconductor region of the pn
junction diode is replaced by a non-
ohmic rectifying metal contact.A 
Schottky contact is easily added to 
n-type silicon,metal region becomes 
anode. n+ region is added to ensure 
that cathode contact is ohmic.
Schottky diode turns on at lower 
voltage than pn junction diode, has 
significantly reduced internal 
charge storage under forward bias.
Đặc điểm: tiếp xúc M-S (kim loại-bán dẫn), VON thấp, chuyển mạch nhanh
60
Chuyển tiếp M-S
• Diode Schottky còn được gọi là diode “hạt dẫn nóng” (‘hot-carrier’ diode).
• Hoạt động ở phân cực thuận.
• Dòng ngược trong diode chỉnh lưu được sinh ra bởi hạt dẫn thiểu số
• Dòng ngược trong diode Schottky được sinh ra bởi điện tử.
• Dễ dàng dẫn hơn do VON nhỏ, chuyển mạch nhanh hơn ứng dụng trong 
mạch có tần số hoạt động cao
Kim loại
(vàng, bạc, platinum)
Bán dẫn loại N
(như Si hoặc GaAs)
Anode Cathode
61
Schottky Barrier: Current Flow
• Electrons can flow from the metal to the semiconductor 
and vice-versa.
• When external bias is applied, current flows in the device 
which occurs by the following mechanisms:
– Thermionic emission: electrons with energy greater 
than the barrier height e(Vbi-V) can overcome the 
barrier and pass across the junction. As the bias 
changes the barrier to be overcome by electrons 
changes and the electron current injected changes.
– Tunnelling: electrons can tunnel through the barrier.
• The saturation current in the Schottky barrier is much 
higher than the p-n junction. This results in a turn-on 
voltage for a forward-bias conducting state at a very low 
bias, but also results in a high reverse current.
62
p-n Diode Schottky Diode
Reverse current due to 
minority carriers diffusing to 
the depletion layer strong 
temperature dependence
Reverse current due to 
majority carriers that overcome 
the barrier less temperature 
dependence
Forward current due to 
minority carrier injection from 
n- and p- sides
Forward current due to 
majority injection from the 
semiconductor
Forward bias needed to 
make the device conducting 
(the cut-in voltage) is large
The cut-in voltage is quite 
small
Switching speed controlled 
by recombination of minority 
charge carriers
Switching speed controlled by 
thermalisation of “hot” injected 
electrons across the barrier 
~ps (majority carrier device).
P-N vs Schottky Diode
63
Metal-Semiconductor Contact
64
Schottky Junction Characteristics
65
Metal-Semiconductor Ohmic Contacts: n-type
66
Metal-Semiconductor Ohmic Contacts: p-type and
tunneling Ohmic contacts
67
Schottky Junction: forward bias
68
Các diode khác
• Varistor (bộ triệt quá độ): hạn biên bảo vệ tải.
• Diode ổn dòng (Current-regulator diode)
• Diode hồi phục bước: có dòng ở phân cực ngược và 
thay đổi đột ngột về 0 với áp ngược thích hợp tạo hài, 
tạo sóng
• Diode ngược: đánh thủng ngược ở điện áp thấp gần 0V 
(~0.1V) chỉnh lưu tín hiệu AC thấp (yếu) (ngược: do 
dẫn ngược tốt hơn dẫn thuận!)
• Diode tunnel (đường hầm): đặc tuyến có vùng điện trở 
âm tạo dao động.
69
“varistor diode” có thể được dùng để bảo vệ
thiết bị điện không bị hư khi có đột biến điện áp.
70
Diode ổn [địng] dòng [điện]
(Constant-Current Diode)
71
Power
supply
VS
RS
Diode ổn [định] dòng
RS có thể thay đổi và dòng điện giữ không đổi.
Diode ổn dòng (2)
72
Diode đường hầm (Tunnel diode)
• Chuyển tiếp PN với bán dẫn 
suy biến
• Đặc tuyến I-V cho thấy có 
vùng điện trở âm, được 
dùng trong mạch dao động 
73
Tunnel Diodes
Tank circuits oscillate but “die out” due to the internal 
resistance. A tunnel diode will provide “negative resistance” 
that overcomes the loses and maintains the oscillations.